背照式 sCMOS 相機(jī)Prime 95B在探索大腦奧秘的應(yīng)用

隨著科學(xué)家稱人類的大腦有著驚人的860億個(gè)神經(jīng)元的家園，每個(gè)細(xì)胞織帶在每個(gè)可能的方向都有幾個(gè)聯(lián)接，形成了一個(gè)控制人類思想、意識(shí)、行為的超級(jí)巨大的蜂窩網(wǎng)絡(luò)。深入研究神經(jīng)元，也已經(jīng)成為科學(xué)家們探索大腦奧秘的重要手段。

傳統(tǒng)了解神經(jīng)元電信號(hào)活動(dòng)的方法是離體或在體電生理記錄法，到后來發(fā)展使用鈣離子熒光成像技術(shù)，科學(xué)家們?nèi)栽谔剿鞲鼉?yōu)的方法去了解這未知的“腦”世界。

電生理記錄是用來檢測(cè)神經(jīng)元電信號(hào)變化最直接的手段，其優(yōu)勢(shì)是具有非常精確的時(shí)間分辨率，其缺點(diǎn)是不僅會(huì)對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)造成較大損傷，同時(shí)針對(duì)群體活動(dòng)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)大量神經(jīng)元同時(shí)檢測(cè)。

而鈣離子熒光成像技術(shù)基本原理是用熒光探針標(biāo)記樣本中的鈣離子,根據(jù)樣本中的熒光探針特性單色光源發(fā)出單色光,誘發(fā)出熒光。然后根據(jù)傳感器檢測(cè)到的熒光特性即可分析樣本中的鈣離子濃度，這也是近年來檢測(cè)群體神經(jīng)元活動(dòng)的主要手段之一。

但鈣離子成像的時(shí)間分辨率與電生理記錄相比較差，同時(shí)很難推斷出與之對(duì)應(yīng)的神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢坏念l率和數(shù)量，鈣離子的熒光信號(hào)也只能反應(yīng)出動(dòng)作電位，無法反映出膜電位變化。

基于這些難點(diǎn)，為了更好的了解神經(jīng)元的電信號(hào)變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)更大范圍群體神經(jīng)元電信號(hào)變化的高時(shí)間分辨率檢測(cè)，專家們將目標(biāo)定在了對(duì)細(xì)胞膜電位變化敏感的電壓熒光探針。

目前使用的大部分熒光電壓探針一般是利用紫外光或者可見光來激發(fā)的，而活體組織對(duì)紫外和可見光具有很強(qiáng)的吸收和散射作用，導(dǎo)致其極為有限的穿透深度和空間分辨率，因此這種探針只能用來檢測(cè)大腦淺層的電信號(hào)。而生物活體組織對(duì)紅外光（750 nm - 1000 nm）的吸收和散射顯著降低，并且?guī)缀鯚o生物體自發(fā)熒光干擾，具有更高的組織穿透深度和空間分辨率，以及更高的信噪比，因此使用紅外光激發(fā)，有助于更深層了解大腦的“奧秘”。

2020年4月8日，可實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)元膜電位的變化進(jìn)行檢測(cè)的新型熒光電壓探針問世。此新型“武器”是由中科院神經(jīng)科學(xué)研究所與中科院上海硅酸鹽研究所共同研發(fā)出的一種可用近紅外激發(fā)并對(duì)電壓更敏感的新型發(fā)光納米探針，并用它成功檢測(cè)了斑馬魚前腦神經(jīng)元對(duì)食物刺激的反應(yīng)，以及小鼠初級(jí)體感皮層在不同麻醉深度的神經(jīng)元閾下膜電位活動(dòng)。

這種新型的探針基于稀土元素?fù)诫s的上轉(zhuǎn)換熒光納米顆粒（UCNPs），利用其與六硝基二苯胺（DPA）之間的熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）原理來實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)元膜電位的變化的檢測(cè)。

▲電壓納米探針原理示意 (Liu et. al.,2020)

研究人員首先將UCNPs固定在細(xì)胞膜上，然后將DPA嵌入細(xì)胞膜磷脂雙分子層。在細(xì)胞靜息狀態(tài)下，帶負(fù)電荷的DPA在細(xì)胞膜外側(cè)富集，UCNPs與DPA之間距離在10nm以內(nèi)，形成發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移效應(yīng)（FRET），UCNPs發(fā)光被DPA吸收，檢測(cè)到的光信號(hào)較弱。當(dāng)細(xì)胞去極化后，DPA在電場(chǎng)作用下于細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)富集，UCNPs與DPA之間距離超過10nm，發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移效應(yīng)消失，從而恢復(fù)了UCNPs的發(fā)光。

神經(jīng)元電信號(hào)的變化較快，時(shí)間一般只有1-2ms，而熒光探針的熒光信號(hào)又相對(duì)較微弱。因此，想要檢測(cè)到熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）這種微弱的信號(hào)，需要設(shè)備具有較高靈敏度和高幀率。在這一研究中心，經(jīng)過重重篩選，最后科學(xué)家們選擇了Teledyne Photometrics背照式 sCMOS 相機(jī) Prime 95B。

▲超高靈敏度科研級(jí)sCMOS相機(jī)—Prime 95B

Prime 95B 科學(xué)級(jí)sCMOS相機(jī)采用95%QE的背照式芯片、11μm大像元尺寸，保證了絕對(duì)的高靈敏度；可靠的制冷腔體在配合水冷情況下實(shí)現(xiàn)-25℃制冷，進(jìn)一步抑制了暗場(chǎng)噪聲，最終提高圖像信噪比；配合PrimeLocate超分辨采集提供每幀動(dòng)態(tài)計(jì)算和傳輸500個(gè)分子，確保了有效目標(biāo)清晰成像外更進(jìn)一步提升幀率；最后PrimeEnhance圖像處理提升3-5倍的動(dòng)態(tài)范圍、降低本地噪聲，采集優(yōu)質(zhì)圖像用于數(shù)據(jù)分析。

▲電壓熒光探針檢測(cè)HEK293細(xì)胞膜電位變化，A：電壓熒光探針標(biāo)記的HEK293細(xì)胞在100mV去極化脈沖刺激下的熒光信號(hào)變化偽彩圖像。B：電壓熒光探針對(duì)不同頻率去極化脈沖（黑）的響應(yīng)（紅）C: B中的響應(yīng)匯總 (Liu et. al.,2020)

腦科學(xué)作為當(dāng)前科學(xué)領(lǐng)域最熱門和最前沿的學(xué)科，勢(shì)必將在未來幾十年內(nèi)得到長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展，這與新型研究工具和技術(shù)的研究密不可分。Teledyne Photometrics 高端 sCMOS 相機(jī)作為堅(jiān)強(qiáng)“后盾”，也將繼續(xù)為最前沿的科學(xué)研究提供有力支持！