一种自由移动小动物行为成像装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种自由移动小动物行为成像装置和方法，装置包括：箱体，其为小动物的自由移动提供限定空间；飞秒脉冲激光器，其产生波长为920纳米的激光；飞秒脉冲激光调制器，其接收飞秒脉冲激光器输出的激光，并预啁啾补偿激光的脉冲展宽至预设值；微型探头，其接收飞秒脉冲激光调制器输出的激光，该激光对活体样本内部的组织进行扫描，以激发活体样本产生荧光信号；以及接收扫描成像部分输出的荧光信号，并进行输出；数据收集组件，其收集微型探头输出的荧光信号；线路安装组件，激光输入光纤和荧光输出光纤通过线路安装组件以能够相对于箱体随意转动的方式安装在箱体上。自由移动小动物行为成像装置能够在自然生理环境中对自由活动的动物的树突和树突棘活动进行稳定的观测。

Free moving small animal behavior imaging device and method

The invention discloses a free mobile small animal behavior imaging device and method, device comprises a box body, the freedom of movement for small animal with limited space; femtosecond pulse laser, the laser wavelength is 920 nm; femtosecond laser pulse modulator, receives the femtosecond pulse laser output laser, and pre chirp compensation the laser pulse width to the preset value; micro probe, which receives the output of femtosecond pulse laser modulator laser, the laser tissue sample of living body internal scan fluorescence signal to excite the samples; and the output of receiving the scanning imaging part of the fluorescence signal, and output; data collection module, the fluorescence signal collection of miniature probe output; line assembly, laser input fiber and the output optical fiber fluorescence through the line to the relative installation component The box body is optionally rotated to be arranged on the box body. A free moving animal imaging device that allows stable observation of dendritic and dendritic spines in freely moving animals in a natural physiological environment.

【技术实现步骤摘要】
一种自由移动小动物行为成像装置和方法
本专利技术涉及光学成像
，特别是涉及一种自由移动小动物行为成像装置和方法。
技术介绍
神经科学的最终目标之一是在自由活动的动物上了解亚细胞、细胞、环路和更高层次的神经元信息处理的基本原理。结合荧光指示剂，光学显微镜已经成为这一任务中的基本研究工具，因为它允许在多个时间和空间尺度上直接观测神经元活动。单个突触是信息传递，处理和存储的基本单位，对于理解脑功能和疾病机理至关重要。突触后结构--树突棘是亚微米结构，深埋在脑内，并以毫秒级的速度活动。由于其固有的光学切片和深层组织穿透能力，多光子显微镜一直是过去二十年内体内无创光学脑成像的首选技术。使用台式双光子显微镜(英文全称为“Two-PhotonMicroscopy”，下文均简称为“TPM”)，已能够在活体内观察到树突棘的形态变化，比如学习和记忆的神经元的活动。观察在清醒状态下活体样本头部复杂的树突棘活动可以通过配备有快速图像采集(采集频率大于15Hz)、高激发和光电探测效率的最先进的台式多光子显微镜实现。然而，活体样本的头部一直被固定，整个实验期间都处在物理约束和情绪压力下，而且没有先验证据表明神经元对外界的响应在虚拟现实和自由探索下是等价的。更重要的是，许多社会行为，比如亲子护理、交配和战斗，都不能用头部固定的实验来研究。为了应对这些挑战，一个理想的解决方案是开发能够长时间观察活体样本在自由活动过程中的树突棘的结构和功能动态的微型化显微镜。Denk和他的同事在2001年建立了基于光纤尖端扫描的第一个微型双光子显微镜(英文全称为“microTwo-PhotonMicroscopy”，下文均简称为“mTPM”)，然后接下来的十年里，其他许多课题组采取不同方法继续尝试。然而，这些mTPM没有一个被用于后续的生物应用，主要是由于两个主要的限制：第一，没人能够成像应用最广泛的荧光探针，如GCaMPs，原因是缺乏适当的光纤用来传输920纳米飞秒激光脉冲，以保证脉冲到样品没有失真。第二，mTPMs在体内实验中经常表现出低于它们的理论分辨率，原因可能是采样率低，微型渐变折射率(英文全称为“Graded-IndexLenses”，下文均简称为“GRIN”)透镜的像差，微型光学器件的缺陷和运动引起的成像噪声等等。目前，树突棘分辨率的神经元结构的活动不能被mTPMs很好的解决，尽管其理论横向分辨率为大约1μm。另一方面，微型单光子宽场显微镜，例如由Ghosh及其同事开发的显微镜，已经实现了快速采集和大视场(英文全称为“FieldofVision”，下文均简称为“FOV”)以及解决了运动引起的噪声问题(在神经元分辨率)。然而，当前的无创微型宽场显微镜仅能获得细胞分辨率，并且图像对比度受到累积的焦外背景信号的影响。到目前为止，可以提供很好的成像能力和实验方案，而且足够强大到可以满足神经科学家的日常实验的新型的mTPM仍有待完成。因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种自由移动小动物行为成像装置和方法来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。为实现上述目的，本专利技术提供一种自由移动小动物行为成像装置，所述自由移动小动物行为成像装置包括：箱体，其为小动物的自由移动提供限定空间；飞秒脉冲激光器，其用于产生波长为920纳米的激光；飞秒脉冲激光调制器，其用于接收所述飞秒脉冲激光器输出的激光，并预啁啾补偿激光的脉冲展宽至预设值，并输出；微型探头，其用于安装在小动物身上，且输入端通过所述飞秒脉冲激光调制器中的激光输入光纤连接所述飞秒脉冲激光器的输出端，用于接收所述飞秒脉冲激光调制器输出的激光，该激光对活体样本内部的组织进行扫描，以激发所述活体样本产生荧光信号；以及用于接收所述扫描成像部分输出的所述荧光信号，并进行输出；数据收集组件，其安装在所述箱体上，且输入端通过荧光输出光纤连接所述微型探头的输出端，用于收集所述微型探头输出的所述荧光信号；线路安装组件，所述激光输入光纤和荧光输出光纤通过所述线路安装组件以能够相对于所述箱体随意转动的方式安装在所述箱体上。本专利技术还提供一种自由移动小动物行为成像方法，所述方法包括：步骤1，选取待成像区域：固定活体小动物，并利用台式双光子显微镜在所述活体样本上选取待成像区域；步骤2，采集荧光信号：将连接有激光输入光纤的微型探头安装在所述活体样本上，释放小动物，以检测步骤1中选取的待成像区域输出的荧光信号，完成所述小动物内部的组织平面的成像；步骤3，处理所述荧光信号，获取小动物自由活动的三维图像待成像区域：固定活体样本，并利用台式双光子显微镜在所述活体样本上选取待成像区域；步骤2，采集荧光信号：将连接有激光输入光纤的微型探头安装在所述活体样本上，释放活体样本，以检测步骤1中选取的待成像区域输出的荧光信号，完成所述活体样本内部的组织平面的成像。本专利技术提供的微型双光子显微成像装置(下文简称为“FIRM-TPM”)测试和应用的速度快、分辨率高，能够用于解决自由活动动物中单个树突棘的成像问题的整套实验方法。在涉及到不规则的、频繁的身体和头部运动的行为范例中(例如，尾悬挂，跳台，和社交行为)，本专利技术的微型显微镜都可以对GCaMP6f标记的的皮层神经元的体细胞，树突和树突棘进行观测。综合起来，FIRM-TPM代表了下一代微型显微镜，它满足在自由活动动物中进行高分辨率脑成像的需求。附图说明图1是本专利技术所提供的FIRM-TPM一优选实施方式的结构示意图。图2是图1中的微型探头安装在小老鼠上的状态示意图。图3是图1中的微型探头的光路原理示意图。图4是本专利技术所提供的飞秒脉冲激光调制器一优选实施方式的结构示意图。图5a是本专利技术利用图1的微型双光子显微成像装置的活体样本行为成像系统的结构示意图。图5b是图5a中的数据收集组件和线路安装组件的分解示意图。图6是台式TPM、微型宽场荧光显微镜和FIRM-TPM各项性能的集成平台在台式双光子模式下的光路示意图，该图示意出了台式TPM的结构示意图。图7是图6的集成平台在宽场成像模式下的光路示意图。图8是图6的集成平台在FIRM-TPM成像模式下的光路示意图，该图示意出了在图6的台式TPM中的物镜与物面(活体样本或活体样本)之间的光路上设置有图1的FIRM-TPM。图9a-9f是比较GCaMP-6f在800nm、920nm和1030nm激发下的双光子激发效率。图10a是定制设计的HC-920光纤的传输损耗和色散参数，其中，上方左侧的插图显示了HC-920的截面照片，上方右侧的插图显示了由HC-920射出并由具有3mm的焦距的双合透镜准直之后的920nm激光的图像。图10b是在不同激光功率下1米HC-920出口处920-nm飞秒激光脉冲宽度的自相关分布。图10c中，左侧图：MEMS扫描器的x(浅灰色)和y(黑色)轴的频率响应。右侧板：机械倾斜角作为MEMS扫描器的x(黑色)和y(浅灰色)轴的DC驱动电压的函数。图11a-11d是图4的飞秒脉冲激光调制器中色散补偿说明。图12a-12e是比较在头部固定和自由移动条件下在黑暗环境下活体样本V-1皮质中的树突活性。图13a-13c是利用图5中的活体样本行为成像系统在不同的行为范例中活体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自由移动小动物行为成像装置，其特征在于，包括：箱体，其为小动物的自由移动提供限定空间；飞秒脉冲激光器，其用于产生波长为920纳米的激光；飞秒脉冲激光调制器，其用于接收所述飞秒脉冲激光器输出的激光，并预啁啾补偿激光的脉冲展宽至预设值，并输出；微型探头，其用于安装在小动物身上，且输入端通过所述飞秒脉冲激光调制器中的激光输入光纤连接所述飞秒脉冲激光器的输出端，用于接收所述飞秒脉冲激光调制器输出的激光，该激光对活体样本内部的组织进行扫描，以激发所述活体样本产生荧光信号；以及用于接收所述扫描成像部分输出的所述荧光信号，并进行输出；数据收集组件，其安装在所述箱体上，且输入端通过荧光输出光纤连接所述微型探头的输出端，用于收集所述微型探头输出的所述荧光信号；线路安装组件，所述激光输入光纤和荧光输出光纤通过所述线路安装组件以能够相对于所述箱体随意转动的方式安装在所述箱体上。

【技术特征摘要】
2017.02.10 CN 20171007396571.一种自由移动小动物行为成像装置，其特征在于，包括：箱体，其为小动物的自由移动提供限定空间；飞秒脉冲激光器，其用于产生波长为920纳米的激光；飞秒脉冲激光调制器，其用于接收所述飞秒脉冲激光器输出的激光，并预啁啾补偿激光的脉冲展宽至预设值，并输出；微型探头，其用于安装在小动物身上，且输入端通过所述飞秒脉冲激光调制器中的激光输入光纤连接所述飞秒脉冲激光器的输出端，用于接收所述飞秒脉冲激光调制器输出的激光，该激光对活体样本内部的组织进行扫描，以激发所述活体样本产生荧光信号；以及用于接收所述扫描成像部分输出的所述荧光信号，并进行输出；数据收集组件，其安装在所述箱体上，且输入端通过荧光输出光纤连接所述微型探头的输出端，用于收集所述微型探头输出的所述荧光信号；线路安装组件，所述激光输入光纤和荧光输出光纤通过所述线路安装组件以能够相对于所述箱体随意转动的方式安装在所述箱体上。2.如权利要求1所述的自由移动小动物行为成像装置，其特征在于，还包括：供电线(EW)，其通过所述线路安装组件以能够相对于所述箱体随意转动的方式安装在所述箱体上。3.如权利要求1所述的自由移动小动物行为成像装置，其特征在于，还包括：多个相机(相机1，相机2、相机3)，安装在所述箱体的内壁上，分别以不同的角度拍摄小动物的自由移动过程。4.如权利要求1所述的自由移动小动物行为成像装置，其特征在于，还包括：照明灯，其安装在所述箱体的内壁上，用于照明所述箱体的内腔。5.如权利要求1所述的自由移动小动物行为成像装置，其特征在于，所述数据收集组件包括同轴的光电倍增管、聚光器、发射滤光片、短通滤光片和收集透镜，其中：所述光电倍增管用于将光信号转化为电信号后输出；所述聚光器用于汇聚由所述荧光输出光纤传输的荧光信号；所述发射滤光片用于滤掉波长为920纳米的激光；所述短通滤光片用于过滤掉除信号光以外的杂散光；所述荧光输出光纤与所述收集透镜共轴，且所述荧光输出光纤位于所述收集透镜的焦平面上，所述收集透镜用于将所述荧光信号更充分的收集到所述光电倍增管中。6....

【专利技术属性】
技术研发人员：宗伟健，陈良怡，程和平，吴润龙，李明立，张云峰，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11