Label-free live brain imaging and targeted patching with third-harmonic generation microscopy

Stefan Wittea,b,1, Adrian Negreana,b,c, Johannes C. Lodderb,c, Christiaan P. J. de Kockb,c, Guilherme Testa Silvab,c,

Huibert D. Mansvelderb,c,2, and Marie Louise Groota,b,2

aBiophysics Group, Institute for Lasers, Life, and Biophotonics Amsterdam, VU University, De Boelelaan 1081, 1081 HV, Amsterdam, The Netherlands;

cIntegrative Neurophysiology, Centre for Neurogenomics and Cognitive Research, VU University, De Boelelaan 1085, 1081 HV, Amsterdam, The

Netherlands; and bNeuroscience Campus Amsterdam, De Boelelaan 1085, 1081 HV, Amsterdam, The Netherlands

Edited* by Margaret M. Murnane, University of Colorado, Boulder, CO, and approved February 18, 2011 (received for review December 15, 2010)

 

摘要  在神經(jīng)科學(xué)和神經(jīng)外科中對(duì)活體大腦組織中神經(jīng)元的成像能力是一項(xiàng)基本要求。尤其是需求一種具有測(cè)微計(jì)尺分辨率的大腦形態(tài)學(xué)的非侵入探針的開發(fā)，因?yàn)樗�可以在臨床診斷上提供一種非侵入式光學(xué)活體組織檢查的手段。在這一領(lǐng)域，雙光子激光掃描顯微鏡(2PLSM)是一個(gè)強(qiáng)大工具，并已成為活體生物樣品最小侵入性損害的高分辨率成像的標(biāo)準(zhǔn)方法。但是，(2PLSM)基于光學(xué)方法提供足夠分辨率的同時(shí)，對(duì)熒光染料的需求妨礙了圖像對(duì)比度的提高。本文中，我們提供了一種活體大腦組織以細(xì)胞分辨率的高對(duì)比度成像方法，無(wú)需熒光探針，使用光學(xué)三次諧波發(fā)生進(jìn)行成像。我們利用細(xì)胞水平的特殊幾何學(xué)和大腦組織的液體內(nèi)容物來(lái)獲取THG的部分相匹配，提供了一種熒光對(duì)比度機(jī)制的替代方法。我們發(fā)現(xiàn)THG大腦圖像允許快速、無(wú)侵入性標(biāo)記的神經(jīng)元、白質(zhì)結(jié)構(gòu)、血管同時(shí)成像。而且，我們利用THG成像來(lái)引導(dǎo)微吸管指向活體組織中指定的神經(jīng)元。這個(gè)工作是一個(gè)無(wú)標(biāo)記活體大腦成像的主要步驟，并開啟了活體大腦中激光引導(dǎo)的微注射技術(shù)發(fā)展的可能性。

 

THG成像

    對(duì)于THG成像實(shí)驗(yàn)，我們使用了一臺(tái)商業(yè)化雙光子激光掃描顯微鏡(TrimScope, Lavision BioTec GmbH)。光源是一個(gè)光學(xué)參量震蕩器（Mira-OPO，APE），810nm泵浦光來(lái)自一個(gè)Ti：Sa鎖模激光器(Coherent Chameleon Ultra II)。使用一個(gè)20X，0.95N.A水浸物鏡(Olympus XLUMPFL-IR)將光聚焦到樣品上。使用epidetection幾何學(xué)描述THG實(shí)驗(yàn)。使用分光鏡(Chroma T800lpxrxt)將背景散射THG光子從入射激光束中分離出來(lái)，用一個(gè)THG波段的帶通濾波器(Chroma HQ390-70X)過(guò)濾。檢測(cè)器是GaAsP高靈敏度光電倍增管(Hamamatsu H7422-40)，400nm處量子效率為25%。最高分辨率成像(1024×1024像素)的典型獲取時(shí)間為1.6s，我們用于目標(biāo)定向?qū)嶒?yàn)的512 X 512像素成像時(shí)間為0.6s。 為與前向端口比較，使用了一個(gè)定制的投射端口。這個(gè)端口使用了一個(gè)1.4N.A油浸物鏡，一個(gè)長(zhǎng)波分光鏡（UQG optics)和一個(gè)400nm的相干窄帶濾波器。對(duì)于THG與SR-101聯(lián)合實(shí)驗(yàn)我們用1200nm的OPO來(lái)同時(shí)產(chǎn)生兩種信號(hào)。使用一個(gè)594nm帶通和561nm隔斷的分光鏡將SR-101熒光從THG信號(hào)中分離。SR-101信號(hào)使用一個(gè)PMT檢測(cè)(Hamamatsu H6780-20)。Nile Red和THG成像也是由1200nm的OPO同步激發(fā)。在這個(gè)案例中THG信號(hào)由投射端口測(cè)量，Nile Red熒光通過(guò)一個(gè)593∕40 nm的帶寬濾波器檢測(cè)。對(duì)于THG和GFP聯(lián)合成像，用來(lái)泵浦OPO的Ti：Sa激光被調(diào)諧到970nm并耦合到顯微鏡中。組織塊的GFP和THG信號(hào)使用同一個(gè)檢測(cè)器連續(xù)測(cè)量。但使用一個(gè)不同的(561∕40 nm)帶通濾波器檢測(cè)GFP。使用顯微鏡軟件(Imspector Pro)獲取圖像并以16bit 的tiff格式存儲(chǔ)，圖像分析使用Image J(MacBioPhotonics)進(jìn)行。

 

Fig. 1.無(wú)標(biāo)記活體大腦的三次諧波顯微成像(A)腦組織THG成像的epidetection幾何學(xué)圖示。插圖：THG原理。注意基質(zhì)中沒(méi)有光學(xué)激發(fā)發(fā)生。(B) 樹突處的聚焦激光束。通過(guò)將激光聚焦體積設(shè)定到樹突直徑的幾倍大小，可以獲得部分相匹配，顯著的THG信號(hào)將會(huì)產(chǎn)生。(C)細(xì)胞體內(nèi)的聚焦激光束。由于不好的結(jié)構(gòu)相匹配狀態(tài)，沒(méi)有THG信號(hào)產(chǎn)生。(D) 小鼠大腦組織的活神經(jīng)元成像。體細(xì)胞以暗影存在。

Fig. 2.活體大腦組織的THG成像

(A)小鼠皮質(zhì)的THG圖像 (B) 與A同位置的Nile Red染色的雙光子熒光圖像 (C) 大鼠凹陷的腦回THG圖像（水平切面） (D)小鼠腦胼胝體THG圖像，軸突纖維束被清晰得分辨。Movie S1是這個(gè)結(jié)構(gòu)的一個(gè)3D投影 (E)小鼠大腦紋狀體的THG圖像（冠狀面）。白質(zhì)和神經(jīng)元細(xì)胞清晰可見(jiàn)。明亮的粒狀結(jié)構(gòu)是垂直穿行圖像平面的軸突纖維。Movie S2是這個(gè)區(qū)域的3D投影。 (F)麻醉活小鼠的腦皮質(zhì)上層的血管THG圖像（z棧平均投影密度是50um）

Fig. 3. THG與雙光子成像的疊加

 (A)小鼠額前葉腦皮質(zhì)的THG圖像 (B)SR-101標(biāo)記的星細(xì)胞雙光子圖像 (C) A、B的疊加提供了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中星細(xì)胞的分布信息 (D) 小鼠額前葉皮質(zhì)的THG圖像 (E) GFP標(biāo)記的生長(zhǎng)抑素神經(jīng)元的雙光子熒光圖像 (F)D、E的疊加顯示了生長(zhǎng)抑素神經(jīng)元在腦前葉皮質(zhì)結(jié)構(gòu)中的分布

Fig. 4.THG成像深度與自動(dòng)化細(xì)胞檢測(cè) (A–C) 小鼠額前葉皮質(zhì)的THG圖像，成像深度分別為100, 200, and 300 μm 。每幅圖像都是3個(gè)以2微米深度間隔獨(dú)立圖像的最大密度投影(D) 110 μm深度處神經(jīng)元細(xì)胞的自動(dòng)檢測(cè)THG圖像。細(xì)胞檢測(cè)的運(yùn)算法則定義為以紅色顯示的神經(jīng)元 (E)紅色標(biāo)記：來(lái)自A-C的圖像棧的細(xì)胞可見(jiàn)性對(duì)比。黑色標(biāo)記：作為一個(gè)深度功能的平均檢測(cè)到的THG密度。

Fig. 5. 無(wú)標(biāo)記目標(biāo)定向和細(xì)胞活性

(A)小鼠新大腦皮層的THG圖像 (B) 在對(duì)一個(gè)神經(jīng)元進(jìn)行THG引導(dǎo)膜片鉗之后同一位置的THG圖像 (C)一個(gè)200um深處鉗住神經(jīng)元的大視野THG圖像（5幅深度間隔2um的圖像平均） (D)記錄以100pA電流脈沖刺激B中被鉗住的神經(jīng)元的動(dòng)力勢(shì)訓(xùn)練 (E) 測(cè)量在THG掃描期間靜止膜電位的改變。即使以最高的能量，也只觀察到4%的電壓變化，保持了完全的可逆性。0.8秒的周期相應(yīng)于圖像掃描時(shí)間。(F)最大觀察到的靜止膜電位Vs掃描時(shí)的激光能量。沒(méi)有非線性效應(yīng)出現(xiàn)。