用于单细胞神经代谢成像的集成双光子显微镜与光声显微镜技术

《Nature Communications》：Integrated two-photon and photoacoustic microscopy for single-cell neurometabolic imaging

　　

摘要

了解神经元活动与局部能量代谢之间的关联对于理解大脑功能至关重要。单个神经元与红细胞之间的氧气交换是这一过程的核心，但目前尚无方法能够在活体状态下以单细胞分辨率同时观测两者的动态变化。在此，我们提出了集成双光子显微镜与光声显微镜的技术（TPM-PAM），该技术能够在清醒小鼠身上实时成像单个神经元的钙离子活动以及单个红细胞的氧气释放情况。在TPM-PAM技术中，基于透明微环谐振器的超声传感器打破了光学探测能力与声学灵敏度之间的长期矛盾，而双波长频谱分析则可同时量化单个红细胞的氧合程度及血流速度，从而计算出氧气的释放速率。通过以细胞精度对神经血管单元进行非线性光学操控，TPM-PAM技术揭示了胡须刺激、单根毛细血管阻塞以及单个神经元刺激所引发的不同神经代谢反应。这项工作为在细胞层面解析神经代谢之间的关联，以及理解大脑健康与疾病状态下的氧代谢调控机制提供了有力的研究平台。