虹科案例|全脑皮层荧光Ca2+成像和全脑功能磁共振成像系统

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目前科学家已经开发了多种成像技术用于研究支配大脑功能的组织原则。每种技术都有自己的优势，可以深入了解大脑功能的特定方面，但也存在缺点。将不同的成像技术结合，取长补短，形成功能完备的多模态成像系统。本研究提出了一种在小鼠体内同时进行Ca²⁺和功能性磁共振成像(fMRI)的系统。

通过基因编码或病毒介导的Ca²⁺指标表达，可以使用宽视野“介观”Ca²⁺成像检查大视野(FOV)中细胞的协同活动。产生的信号构成了细胞类型特异性的活性测量，因为Ca²⁺传感器可以被遗传靶向。在细观成像过程中，neuropil是主要的信号源。Ca²⁺成像仅限于可荧光的组织，并且Ca²⁺的表达指标需要对神经系统进行侵入性操作，限制了其在动物模型中的应用。标记特定细胞类型的能力以及信号的高空间和时间分辨率使这种方法在研究大脑功能时可以提供信息。

fMRI提供了一种全脑覆盖的人类和动物活动的非侵入性测量。然而，fMRI的空间和时间分辨率相对较低，并且依赖于通过血氧水平(BOLD)对比机制间接和不加区分的活动指数。BOLD信号具有间接和非特异性性质，跨物种的神经活动和BOLD信号的变化之间存在明显的关系。尽管BOLD信号很复杂，但全脑覆盖、内在对比度以及在动物和人类中进行测量的能力使这种方法成为神经科学中的重要工具。因此，更好地了解BOLD信号的细胞起源将对fMRI研究的解释产生重大影响。

尽管Ca²⁺荧光成像和fMRI成像分别取得了成功，但将他们结合使用还存在很大的挑战。本研究将这两种成像方法融合并应用于小鼠体内实验。实验表明诱发反应幅度大小与模式相关，这增加了越来越多的共同潜在神经源的证据，并证明了我们方法的高灵敏度。我们测试了基于gamma变量拟合的卷积模型并表明可以从同时记录的Ca²⁺预测自发BOLD活动的三分之一来自兴奋性神经元的信号。我们发现整个皮层的预测参数是一致的，并且低频带宽(0.009–0.08Hz)比更高的带宽匹配得更好。

接下来，我们展示了基于自发活动衍生的连接性的皮层功能分割在各种模式中是一致的，这提供了功能连接性的进一步验证，如用fMRI测量。最后，我们展示了源自兴奋性神经元中Ca²⁺活动的连接强度与BOLD信号之间的关系取决于给定大脑区域的功能。我们断言，这种区域功能依赖性提供了证据，表明BOLD连接是由不同细胞群的协同神经活动引起的。总之，这些结果支持我们的方法将细胞特异性活动与通过BOLD活动测量的信号相关联的观点。

扫描仪成像组件的构造

组件由玻璃或塑料组成。在实验鼠正上方，棱镜将激发光和发射光重定向90°，以便它们通过远心镜头。为了与MRI兼容，我们用塑料替换了备用镜片的金属外壳，用二向色滤波器取代分束器。一个定制端口和激发光重定向90°到镜头中。激发光通过5mmx5m的液体光导(10–10645，虹科Lumencor)从安装LED光源(虹科Lumencor SPECTRAX, Lumencor)的磁铁附近的房间发出。同样，定制的4.6m长14.5×14.5mm2横截面相干光纤束将发射光传输到同一个相邻房间其中Ca²⁺成像数据使用sCMOS相机记录。附加的GFP发射滤波器放置在光纤束和由两个光学扩展器连接的相机之间。

SPECTRAX是虹科LUMENCOR固态光源中最强大和最全面的设计。最终用户能够在这款固态光源中更换单个带通滤光片。Lumencor保留了冷却、稳定、坚固、光谱纯正、功能强大的输出性能；由于滤光片可直接更换，这为个人用户、核心设施和原始设备制造商提供了一个可适应的固态激励光源系统，与滤光转轮的灵活性相当，但没有额外的移动部件。SPECTRAX固态光源提供六个固态光源，在整个可见光谱中产生七个色带（紫、蓝、青、茶色、绿、黄、红）的输出。购买时还包括一套七个滤光片，每个色带一个。

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原文标题：虹科案例|全脑皮层荧光Ca2+成像和全脑功能磁共振成像系统

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