光纖型腦功能光學(xué)成像及神經(jīng)活動(dòng)光刺激方法的研究與應(yīng)用.pdf

1、近30年來，腦功能光學(xué)成像飛速發(fā)展，已經(jīng)在腦科學(xué)研究中占有舉足輕重的地位，形成了一個(gè)豐富多元的研究領(lǐng)域。由于其方法的多樣性、模式的可組合性以及高時(shí)空分辨的優(yōu)勢，在神經(jīng)科學(xué)的研究中逐漸凸顯出巨大的作用。
　　清醒活動(dòng)動(dòng)物腦功能光學(xué)成像是腦功能光學(xué)成像目前的發(fā)展趨勢之一。長期以來，腦科學(xué)研究的主要目的之一就是解釋感知與行為控制、學(xué)習(xí)與記憶等高級神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理。因此，研究者迫切需要能夠?qū)⒛X功能光學(xué)成像應(yīng)用到清醒活動(dòng)動(dòng)物上的新技術(shù)，將

2、腦功能成像與行為觀測相結(jié)合。
　　本論文針對清醒活動(dòng)動(dòng)物上開展腦功能光學(xué)成像的特點(diǎn)與技術(shù)挑戰(zhàn)，提出了一種可擴(kuò)展的光纖化腦功能光學(xué)成像及神經(jīng)活動(dòng)光刺激一體化方法，研究并實(shí)現(xiàn)了一種能夠?qū)η逍鸦顒?dòng)動(dòng)物同時(shí)實(shí)現(xiàn)腦功能多模式光學(xué)成像和神經(jīng)活動(dòng)光刺激的光纖化顯微系統(tǒng)，能夠探測清醒活動(dòng)動(dòng)物腦皮層的血紅蛋白濃度、血流速度和腦皮層神經(jīng)細(xì)胞膜電位變化，并能夠同時(shí)對腦皮層神經(jīng)活動(dòng)進(jìn)行空間定位光刺激。主要研究成果如下：
　　(1)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了光纖化

3、的腦功能光學(xué)成像系統(tǒng)。采用基于傳像光纖束的可擴(kuò)展架構(gòu)光路，實(shí)現(xiàn)了采用液晶調(diào)諧濾波器的多通道圖像采集模塊和光纖耦合式多光譜照明模塊，以及一個(gè)支持大視場與高分辨率調(diào)節(jié)的頭戴式顯微成像裝置，其分辨率可達(dá)到5μm，視場最大可到5mm（直徑）。使用ZEMAX對梯度折射率物鏡進(jìn)行了像差分析，提出了進(jìn)一步減小場曲的方案。設(shè)計(jì)了基于快速傅里葉變換的頻域帶阻濾波法，消除傳像光纖束圖像表面蜂窩結(jié)構(gòu)，以及用于光纖束采樣的激光散斑圖像襯比計(jì)算的歸一化的時(shí)空聯(lián)合

4、激光散斑襯比計(jì)算方法。對光纖化系統(tǒng)成像與激光照明的穩(wěn)定性在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行了測試。
　　(2)研究并實(shí)現(xiàn)了利用數(shù)字微鏡進(jìn)行空間光調(diào)制的神經(jīng)活動(dòng)光刺激方法。根據(jù)對傳像光纖束像元充分調(diào)制的原則設(shè)計(jì)了從數(shù)字微鏡到傳像光纖束的成像光路。最后對系統(tǒng)終端梯度折射率物鏡輸出的調(diào)制光的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和測試，終端輸出調(diào)制光光功率密度最高可達(dá)13.3mW/mm2，平均在5mW/mm2，可滿足光激活需求，空間光調(diào)制范圍基本與成像視場匹配。最后

5、實(shí)際觀測了終端輸出的調(diào)制光束，結(jié)合刺激光在腦組織的傳播規(guī)律，利用模型計(jì)算和模擬了終端輸出光在腦組織中的衰減規(guī)律。
　　(3)研究并實(shí)現(xiàn)了活體小鼠雙側(cè)半球腦皮層的電壓敏感染料（Voltage sensitive dye， VSD）熒光成像方法，根據(jù) VSD熒光成像的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了雙光纖頭戴式顯微成像裝置并對系統(tǒng)進(jìn)行模塊化調(diào)整，改進(jìn)了光纖化系統(tǒng)，增加了對清醒活動(dòng)動(dòng)物雙側(cè)半球進(jìn)行VSD熒光成像和神經(jīng)活動(dòng)光刺激的功能。利用活體VSD熒光成像

6、，研究小鼠大腦雙側(cè)半球軀體感覺區(qū)在后肢刺激下產(chǎn)生神經(jīng)活動(dòng)的協(xié)同響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)皮層擴(kuò)散性抑制（Cortical spreading depression，CSD）過程對雙側(cè)半球肢體感覺區(qū)在外周刺激下功能激活響應(yīng)的平衡性會(huì)產(chǎn)生調(diào)制，進(jìn)一步研究與分析后，我們認(rèn)為 CSD過程會(huì)對同側(cè)半球腦皮層神經(jīng)的活性與皮層下結(jié)構(gòu)神經(jīng)活性產(chǎn)生不同程度的抑制，可能是導(dǎo)致雙側(cè)半球軀體感覺區(qū)協(xié)同響應(yīng)平衡發(fā)生調(diào)制的內(nèi)在機(jī)制。
　　(4)對光纖化腦功能光學(xué)成像與神經(jīng)活

7、動(dòng)光刺激系統(tǒng)在以下方面展開了應(yīng)用與測試：1）使用多光譜內(nèi)源光成像和激光散斑血流成像的功能，分析了清醒大鼠CSD過程中腦皮層血紅蛋白濃度和血流速度等血液動(dòng)力學(xué)參數(shù)的時(shí)空變化特性，發(fā)現(xiàn)了與麻醉狀態(tài)的顯著性差異；2）測試了系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)光刺激功能，實(shí)現(xiàn)了對清醒狀態(tài)光基因小鼠腦皮層的功能激活，并觀測到激活之后的內(nèi)源光信號響應(yīng)；3）應(yīng)用了系統(tǒng)的雙通道 VSD熒光成像功能，分析了清醒小鼠雙側(cè)半球腦皮層靜息態(tài)下的神經(jīng)電信號活動(dòng)，通過相關(guān)性計(jì)算初步研究