光纤型脑功能光学成像及神经活动光刺激方法的研究与应用

发布时间：2019-07-20 07:42

【摘要】：近30年来,脑功能光学成像飞速发展,已经在脑科学研究中占有举足轻重的地位,形成了一个丰富多元的研究领域。由于其方法的多样性、模式的可组合性以及高时空分辨的优势,在神经科学的研究中逐渐凸显出巨大的作用。清醒活动动物脑功能光学成像是脑功能光学成像目前的发展趋势之一。长期以来,脑科学研究的主要目的之一就是解释感知与行为控制、学习与记忆等高级神经活动产生的机理。因此,研究者迫切需要能够将脑功能光学成像应用到清醒活动动物上的新技术,将脑功能成像与行为观测相结合。本论文针对清醒活动动物上开展脑功能光学成像的特点与技术挑战,提出了一种可扩展的光纤化脑功能光学成像及神经活动光刺激一体化方法,研究并实现了一种能够对清醒活动动物同时实现脑功能多模式光学成像和神经活动光刺激的光纤化显微系统,能够探测清醒活动动物脑皮层的血红蛋白浓度、血流速度和脑皮层神经细胞膜电位变化,并能够同时对脑皮层神经活动进行空间定位光刺激。主要研究成果如下： (1)设计并实现了光纤化的脑功能光学成像系统。采用基于传像光纤束的可扩展架构光路,实现了采用液晶调谐滤波器的多通道图像采集模块和光纤耦合式多光谱照明模块,以及一个支持大视场与高分辨率调节的头戴式显微成像装置,其分辨率可达到5μm,视场最大可到5mm(直径)。使用ZEMAX对梯度折射率物镜进行了像差分析,提出了进一步减小场曲的方案。设计了基于快速傅里叶变换的频域带阻滤波法,消除传像光纤束图像表面蜂窝结构,以及用于光纤束采样的激光散斑图像衬比计算的归一化的时空联合激光散斑衬比计算方法。对光纤化系统成像与激光照明的稳定性在实验动物运动状态下进行了测试。 (2)研究并实现了利用数字微镜进行空间光调制的神经活动光刺激方法。根据对传像光纤束像元充分调制的原则设计了从数字微镜到传像光纤束的成像光路。最后对系统终端梯度折射率物镜输出的调制光的关键参数进行了计算和测试,终端输出调制光光功率密度最高可达13.3mW/mm2,平均在5mW/mm2,可满足光激活需求,空间光调制范围基本与成像视场匹配。最后实际观测了终端输出的调制光束,结合刺激光在脑组织的传播规律,利用模型计算和模拟了终端输出光在脑组织中的衰减规律。 (3)研究并实现了活体小鼠双侧半球脑皮层的电压敏感染料(Voltage sensitive dye, VSD)荧光成像方法,根据VSD荧光成像的特点,设计了双光纤头戴式显微成像装置并对系统进行模块化调整,改进了光纤化系统,增加了对清醒活动动物双侧半球进行VSD荧光成像和神经活动光刺激的功能。利用活体VSD荧光成像,研究小鼠大脑双侧半球躯体感觉区在后肢刺激下产生神经活动的协同响应,发现皮层扩散性抑制(Cortical spreading depression, CSD)过程对双侧半球肢体感觉区在外周刺激下功能激活响应的平衡性会产生调制,进一步研究与分析后,我们认为CSD过程会对同侧半球脑皮层神经的活性与皮层下结构神经活性产生不同程度的抑制,可能是导致双侧半球躯体感觉区协同响应平衡发生调制的内在机制。 (4)对光纤化脑功能光学成像与神经活动光刺激系统在以下方面展开了应用与测试：1)使用多光谱内源光成像和激光散斑血流成像的功能,分析了清醒大鼠CSD过程中脑皮层血红蛋白浓度和血流速度等血液动力学参数的时空变化特性,发现了与麻醉状态的显著性差异；2)测试了系统的神经活动光刺激功能,实现了对清醒状态光基因小鼠脑皮层的功能激活,并观测到激活之后的内源光信号响应；3)应用了系统的双通道VSD荧光成像功能,分析了清醒小鼠双侧半球脑皮层静息态下的神经电信号活动,通过相关性计算初步研究了小鼠清醒与不同麻醉状态下左右半球感觉区神经活动功能连通性的差异。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R741

【共引文献】