神经科学的图像采集与分析解决方案

神经科学是一门多学科的科学分支，专注于研究神经系统以及大脑的工作原理。该领域研究神经系统功能、大脑功能以及相关结构（如脊髓）。它结合了解剖学、生理学、细胞学、分子生物学、发育生物学和建模，以了解神经元和神经元回路。由于神经科学家经常处于科学的前沿，他们需要复杂的方法，如荧光标记、光遗传学、光刺激和最先进的图像分析。了解牛津仪器ANDOR和 IMARIS 为神经科学家提供的解决方案。

应用与技术

神经胶质细胞

多年来，神经胶质细胞被认为仅具有管家功能，即滋养、保护神经元并在神经元之后进行清理，而神经元的作用似乎更为重要。在过去几十年中，对神经胶质细胞（包括小胶质细胞、星形胶质细胞和少突胶质细胞谱系细胞）的研究急剧增加，揭示了它们参与许多支持性但至关重要的功能，如提供营养和氧气、消灭病原体，甚至在神经传递中发挥作用。尽管如今这些细胞的许多方面已被充分表征，但大脑中不同神经胶质细胞群在健康和疾病状态下的功能仍未得到解决。

使用诸如 Dragonfly 之类的高速跨尺度多模态共聚焦转盘显微镜进行的体内活体成像或功能性钙成像，是在各种条件下监测神经胶质细胞和神经元的关键技术。像 Mosaic 这样的光遗传学设备可用于操纵神经胶质细胞的功能。小胶质细胞的数量、形状和其他特征可以通过 3D 图像分析软件 ——Imaris for Neuroscientists 进行分析。

使用诸如 Dragonfly 之类的高速跨尺度多模态共聚焦转盘显微镜进行的体内活体成像或功能性钙成像，是在各种条件下监测神经胶质细胞和神经元的关键技术。像 Mosaic 这样的光遗传学设备可用于操纵神经胶质细胞的功能。小胶质细胞的数量、形状和其他特征可以通过 3D 图像分析软件 ——Imaris for Neuroscientists 进行分析。

轴突运输

轴突运输是一种细胞过程，负责细胞器、囊泡、脂质和蛋白质通过轴突的细胞质往返于神经元的胞体。由于轴突的长度，这种运输不能依赖扩散，而是依靠专门的马达蛋白沿着微管移动。这些马达蛋白（动力蛋白和驱动蛋白）的基因突变与一些神经发育和神经退行性疾病有关。荧光标记技术对于在生理或病理条件下研究和可视化活神经元中的轴突运输至关重要。这种运输是一个非常快速的事件，且荧光发射水平通常很低。

因此，快速且灵敏的成像（如配备 sCMOS 的 Dragonfly）对于研究活神经元中的轴突运输至关重要。延时影片可以使用最先进的图像分析软件 Imaris for Cell Biologists 或 Imaris for Neuroscientists 进行分析。

全脑切片

在神经科学中，完整大脑或脑切片的三维可视化是一项具有挑战性但非常理想的任务。组织透明化和光学显微镜的应用使得能够以微米分辨率研究大体积样本。尽管光片显微镜在检查全脑体积方面具有优势，但共聚焦显微镜是获取更高分辨率的透明或原生脑切片的首选技术。

使用配备大视野 sCMOS 相机的 Dragonfly 转盘共聚焦显微镜对脑切片进行成像，并直接在 Fusion采集软件（Imaris Stitcher 算法）中拼接显微镜图像块，在成像样本的分辨率和大小之间实现了完美平衡。Imaris for Neuroscientists 图像分析软件可完成其余工作：从数据可视化、计数到神经元追踪。

光遗传学

光遗传学是一种生物技术，它允许使用光对单个转基因神经元进行非常精确的控制、调节和活动监测。关键因素是神经元离子通道，其通过视蛋白基因进行了遗传修饰，充当 “光传感器”。可以使用光来打开单个神经元的离子通道并触发电信号。有许多支持性技术帮助这项技术得以确立：以精确的时间向表达视蛋白的细胞传递特定波长的光，通过诸如 Mosaic 之类的设备控制照明，而 sCMOS 相机通常是这些实验最合适的检测器解决方案，例如在钙成像需要高帧率时。

光遗传学已应用于涉及记忆形成、成瘾研究、利用深部脑刺激更好地控制帕金森病震颤或恢复视力的研究中。

膨胀显微镜成像技术

膨胀显微镜技术不是提高显微镜的光学分辨率，而是对样本进行各向同性 “膨胀”。膨胀制样技术的不同步骤会导致荧光信号丢失，因此对膨胀后的样本进行成像需要一种足够灵敏的仪器来检测弱光信号。另一个挑战是对非常大的视野进行成像以及对样本深处进行成像。这些要求对于传统显微镜来说是有问题且难以实现的。牛津仪器ANDOR推荐 Dragonfly 共聚焦显微镜，其配备 iXon Ultra 888 背照式 EMCCD 或 Zyla 4.2P sCMOS 相机，具有优化的针孔间距，可对样本深处进行成像，并配备 Borealis匀光技术以实现整个视场的均匀照明。

大数据块可以使用 Imaris Stitcher 算法直接在系统上拼接，并在 Imaris for Neuroscientists 中打开，以进行数据可视化和分析，包括神经元和脊柱检测。

钙成像

钙（Ca²⁺）是一种重要的离子，可作为从肌肉细胞（肌细胞）到神经元等许多细胞活动的快速指示器。钙指示剂（Ca²⁺ 指示剂）不断为细胞生物学基础研究提供重要见解，例如细胞在不同疾病状态下或对治疗药物的反应。为了最准确地测定细胞生理学特性，应使用最低的照明强度和尽可能低浓度的指示剂染料。这必然导致低光子发射，从而导致非常弱的荧光信号，这使得高灵敏的检测器对于钙成像的应用非常重要。用于 Ca²⁺ 成像实验的主要相机技术有两种 ——sCMOS 和 EMCCD。一般来说，sCMOS 相机，特别是牛津仪器ANDOR Zyla sCMOS 相机，是 Ca2+成像实验中使用最广泛的。

新型的Sona 背照式系列相机在 Zyla 型号的相机性能基础上构建，保留了重要的高速、高分辨率和领先的定量准确性。

产品

学习资源

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图像画廊

小鼠海马体中的单个星形胶质细胞，经抗 GFAP（胶质原纤维酸性蛋白）抗体染色并通过 Imaris 软件进行可视化呈现
脑干神经元的共聚焦图像堆栈（脉冲呈红色），该神经元接收来自大脑上部的输入信号（突触呈黄色，轴突呈蓝色）。后续处理通过 Imaris 软件（表面重建功能）完成
海马体 CA1 区的神经元细胞核与树突棘。该照片通过牛津仪器ANDOR Dragonfly转盘共聚焦显微镜拍摄
这张图片展示了一只活体果蝇幼虫，其所有 IV 类树突分支（DA）神经元（品红色）和部分上皮细胞（绿色）中表达了荧光蛋白。DA 神经元是果蝇幼虫的早期预警系统之一，属于感觉神经元，覆盖整个体壁，会被高强度光或机械冲击等有害刺激激活。感谢医学研究理事会（MRC）分子生物学实验室的菲利普・波特（Fillip Port）提供素材
活体培养的神经元中，突触后致密区（Homer1 蛋白与 DRONPA 荧光蛋白标记）和突触前结构域（突触素蛋白与 mEos2 荧光蛋白标记）均被荧光蛋白标记。叠加图像先通过全内反射荧光显微镜（TIRF）拍摄，再利用三维光激活定位显微镜（3D-PALM）获取超分辨率图像。通过 3D-PALM 可清晰观察到突触前区与突触后区并不重叠，有时还能分辨出突触间隙（图 A、B）。其分辨率在 x-y 轴约为 25 纳米，z 轴约为 50 纳米