Kilohertz volumetric imaging of neuronal action potentials in awake behaving mice

清醒行为小鼠神经元动作电位的千赫兹体积成像

基本信息

  • 批准号:
    10515267
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 162.31万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-08-01 至 2025-07-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

High-speed volumetric imaging of dynamic neuronal activity over long periods is a challenging but essential goal in neuroscience. Conventional optical measurements of neuronal activity mostly rely on calcium signals. However, calcium imaging conveys only limited information about natural signal processing in the nervous system, and it provides little or no data on the inhibitory and excitatory signals that occur continuously in most neurons. In contrast, voltage imaging allows a direct measure of neuronal electrical activity, and it has the potential to overcome the limitations inherent to calcium imaging. Particularly, the recent advances of genetically encoded voltage indicators (GEVIs) have greatly expanded the use of voltage imaging in brain research, and their successful demonstration has, in turn, motivated developing new optical instrumentation optimized for voltage imaging. Optical imaging of neuronal action potentials is challenging as it requires a millisecond temporal resolution. This requirement becomes more demanding in three-dimensional (3D) imaging, where most optical imaging technologies rely on scanning to acquire volumetric data, either pointwise like confocal microscopy or planes like light-sheet microscopy. These systems suffer from a trade-off between the imaging speed and the signal-to-noise ratio. In contrast, light field imaging captures the volumetric data simultaneously, making it an ideal strategy for 3D imaging of neuronal networks. Nonetheless, because light field imaging records both the spatial and angular information of light rays, it typically requires a large-format image sensor, which has a low frame rate due to limited electronic bandwidth. The temporal resolution enabled so far (~tens of milliseconds) is far from enough to resolve the individual neuron firing event (~one millisecond). Therefore, there is an unmet need to develop new imaging techniques to enable high-speed measurement of large-scale light-field data. The overall goal of the proposed research is to develop a light-field tomographic microscopy (LIFT microscopy) method for kilohertz volumetric imaging of neuronal action potentials in awake behaving mice. The proposed method has been only recently made possible by an emerging technique, light field tomography (LIFT), which is highly efficient in acquiring light field data for 3D imaging. Rather than measuring the entire light field datacube, LIFT captures only an en-face projection of the object in each perspective image, thereby significantly reducing the data load. Furthermore, LIFT records data using one-dimensional (1D) sensors, exploiting the fact that most fast cameras are in 1D format. In the proposed research, we will adapt LIFT for 3D fluorescence microscopy. When combined with the use of GEVI, the resultant system will provide a complete solution to high-speed voltage imaging of 3D neuronal networks. Moreover, the proposed system will be compatible with experiments in behaving animals, allowing us to link neuronal activity to behavior. The insights so obtained will be instrumental to interpreting the complex animal behaviors from the electrical activities at a single-cell level.
长时间动态神经元活动的高速体积成像是神经科学中一个具有挑战性但至关重要的目标。神经元活动的传统光学测量主要依赖于钙信号。然而,钙成像仅传达有关神经系统中自然信号处理的有限信息,并且它提供很少或根本不提供有关大多数神经元中连续发生的抑制和兴奋信号的数据。相比之下,电压成像可以直接测量神经元电活动,并且有可能克服钙成像固有的局限性。特别是,基因编码电压指示器(GEVI)的最新进展极大地扩展了电压成像在大脑研究中的应用,其成功演示反过来又推动了开发针对电压成像优化的新型光学仪器。神经元动作电位的光学成像具有挑战性,因为它需要毫秒的时间分辨率。这一要求在三维 (3D) 成像中变得更加苛刻,其中大多数光学成像技术依靠扫描来获取体积数据,无论是像共焦显微镜这样的点,还是像光片显微镜这样的平面。这些系统需要在成像速度和信噪比之间进行权衡。相比之下,光场成像同时捕获体积数据,使其成为神经网络 3D 成像的理想策略。尽管如此,由于光场成像记录光线的空间和角度信息,因此通常需要大尺寸图像传感器,而由于电子带宽有限,其帧速率较低。到目前为止启用的时间分辨率(约几十毫秒)远远不足以解决单个神经元放电事件(约一毫秒)。因此,开发新的成像技术以实现大规模光场数据的高速测量的需求尚未得到满足。该研究的总体目标是开发一种光场断层显微术(LIFT显微术)方法,用于对清醒行为小鼠的神经元动作电位进行千赫兹体积成像。最近,光场断层扫描 (LIFT) 等新兴技术才使所提出的方法成为可能,该技术在获取 3D 成像的光场数据方面非常高效。 LIFT 不是测量整个光场数据立方体,而是仅捕获每个透视图像中对象的正面投影,从而显着减少数据负载。此外,LIFT 利用一维 (1D) 传感器记录数据,利用了大多数快速相机都是一维格式的事实。在拟议的研究中,我们将 LIFT 应用于 3D 荧光显微镜。当与 GEVI 结合使用时,所得系统将为 3D 神经元网络的高速电压成像提供完整的解决方案。此外,所提出的系统将与行为动物的实验兼容,使我们能够将神经元活动与行为联系起来。如此获得的见解将有助于解释单细胞水平上电活动的复杂动物行为。

项目成果

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