提供光刺激和结构成像的装置、设备和方法.pdf

1、(10)申请公布号 CN 102202561 A (43)申请公布日 2011.09.28 CN 102202561 A *CN102202561A* (21)申请号 200980143446.7 (22)申请日 2009.09.25 61/194,145 2008.09.25 US 61/212,924 2009.04.17 US 61/177,239 2009.05.11 US A61B 5/00(2006.01) (71)申请人 纽约市哥伦比亚大学托管会 地址 美国纽约 (72)发明人 沃洛季米尔尼科连科 拉斐尔尤斯特 布朗东O沃森 达尔西彼得卡 (74)专利代理机构 北京集佳知识产权代

2、理有限 公司 11227 代理人 蔡胜有 韩宏星 (54) 发明名称 提供光刺激和结构成像的装置、 设备和方法 (57) 摘要 根据本公开的示例性实施方案， 可以提供方 法、 系统、 装置、 计算机可访问介质和装置， 以利用 光敏化合物例如MNI-谷氨酸和/或RuBi-谷氨酸 采取波束复用以任何任意的时间 - 空间模式刺激 脑切片中的个体神经元。这种示例性方法和设备 可具有单细胞和三维精确度。 例如， 通过顺序刺激 多达 1000 个潜在的突触前神经元， 可以产生细胞 输入的详细功能标测图。 此外， 可以利用所有光学 方法将该示例性方法与双光子钙成像组合以对回 路活性进行成像和操控。本公开的其

3、它示例性实 施方案可包括提供用于广泛类型应用的轻量化紧 凑型便携式设备。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2011.04.29 (86)PCT申请的申请数据 PCT/US2009/058490 2009.09.25 (87)PCT申请的公布数据 WO2010/036972 EN 2010.04.01 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 4 页 说明书 27 页 附图 39 页 CN 102202567 A1/4 页 2 1. 一种产生至少一个辐射的设备， 包括 ： 至少一个特定装置， 其构造或设置为产生所述至少一

4、个辐射以触发至少一个样品的至 少一部分的光活化、 光失活或光化学效应中的至少其一。 2. 根据权利要求 1 所述的设备， 其中所述至少一个辐射包括至少一个波束， 并且其中 所述至少一个特定装置还构造或设置为将所述至少一个波束分裂成多个子束， 使得至少一 些所述子束撞击所述至少一个样品。 3. 根据权利要求 1 或 2 中任一项所述的设备， 其中所述至少一个样品为生物样品。 4. 根据权利要求 1-3 中任一项所述的设备， 其中所述至少一个样品为化学组合物。 5. 根据权利要求 1-4 中任一项所述的设备， 其中所述至少一个样品为半导体装置。 6. 根据权利要求 1-5 中任一项所述的设备， 其

5、中所述至少一个样品为药物递送装置。 7. 根据权利要求 1-6 中任一项所述的设备， 其中所述至少一个特定装置包括至少一个 光学衍射装置。 8. 根据权利要求 7 所述的设备， 其中所述至少一个光学衍射装置包括至少一个空间光 调制 (SLM) 装置。 9. 根据权利要求 1-8 中任一项所述的设备， 其中所述至少一个特定装置包括至少一个 空间光调制 (SLM) 装置。 10. 根据权利要求 1-9 中任一项所述的设备， 其中所述至少一个特定装置包括衍射光 学元件 (DOE)。 11. 根据权利要求 1-10 中任一项所述的设备， 其中所述至少一个特定装置通过以非线 性方式激发所述至少一个辐射来

6、产生所述至少一个辐射。 12. 根据权利要求 1-11 中任一项所述的设备， 其中所述至少一个辐射的信噪比为来自 单辐射系统的信号的信噪比的约 1.94 倍。 13. 根据权利要求 1-12 中任一项所述的设备， 还包括至少一个附加装置， 所述至少一 个附加装置设置为接收与所产生的所述至少一个辐射相关的数据并产生作为所述数据之 函数的所述至少一个样品的所述至少一部分的至少一个图像， 其中所述至少一个图像在小 于约 100ms 的成像周期期间产生。 14. 根据权利要求 1-13 中任一项所述的设备， 其中所述至少一个特定装置设置或构造 为向生物样品提供所产生的所述至少一个辐射以为其提供光动力效

7、应， 其中所产生的所述 至少一个辐射对所述至少一个样品的平均净功率大于 100 毫瓦。 15. 根据权利要求 1-14 中任一项所述的设备， 其中所述至少一个特定装置的至少一部 分提供在内窥镜装置内。 16. 根据权利要求 1-15 中任一项所述的设备， 其中所述至少一个特定装置还设置或构 造为利用所述至少一个辐射照射在所述至少一个样品内的显微结构。 17. 根据权利要求 1-16 中任一项所述的设备， 其中所述至少一个特定装置还设置或构 造为调节所述至少一个辐射的相位以撞击所述至少一个样品并得到其至少一个深度信息。 18.根据权利要求9所述的设备， 其中所述SLM装置设置或构造为利用所述至少

8、一个辐 射照射所述至少一个样品内的显微结构。 19.根据权利要求9所述的设备， 其中所述SLM装置设置或构造为调节所述至少一个辐 射的相位以撞击所述至少一个样品并得到其至少一个深度信息。 权 利 要 求 书 CN 102202561 A CN 102202567 A2/4 页 3 20. 根据权利要求 1-19 中任一项所述的设备， 其中所述至少一个特定装置包括在至少 一个基于无扫描空间光调制 (SLM) 的显微镜装置中。 21. 根据权利要求 20 所述的设备， 其中所述至少一个基于无扫描 SLM 的显微镜装置产 生所述至少一个辐射的相干光。 22. 根据权利要求 21 所述的设备， 其中所

9、述相干光包括激光。 23. 根据权利要求 9 所述的设备， 还包括至少一个附加装置， 所述至少一个附加装置设 置为接收与所产生的所述至少一个辐射相关的数据并产生作为所述数据之函数的所述至 少一个样品的所述至少一部分的至少一个图像， 其中所述至少一个 SLM 装置设置或构造为 对所述至少一个图像校正与所述至少一个样品相关的至少一个偏差。 24. 根据权利要求 9 或 23 中任一项所述的设备， 其中所述至少一个辐射包括至少一个 光辐射， 其中所述至少一个 SLM 装置设置或构造为以特别有效的强度将所述至少一个光辐 射提供至所述至少一个样品的所述至少一部分的大于约 1mm 的深度处。 25. 根据

10、权利要求 24 所述的设备， 其中将至少一个光辐射基于所述至少一个光辐射的 至少一个波长提供至所述至少一部分内的深度处。 26. 根据权利要求 24 或 25 中任一项所述的设备， 其中以大于由 I I0exp(-wl z) 描述的强度对在所述至少一部分内的深度处的特定靶提供所述至少一个光辐射， 其中 I0是 在所述至少一个样品的表面处的原始强度， z 为所述至少一个辐射透入的深度， wl为有效 衰减常数， 其为取决于波长的平均吸收与本体材料的波长散射系数之和。 27. 根据权利要求 9、 23 或 24 中任一项所述的设备， 还包括至少一个附加装置， 所述至 少一个附加装置设置为接收与所产生

11、的所述至少一个辐射相关的数据并产生作为所述数 据的函数并且基于至少一个多模式过程的所述至少一个样品的至少一部分的至少一个图 像。 28. 根据权利要求 27 所述的设备， 其中所述至少一个 SLM 装置进一步构造或设置为产 生来自所述至少一个辐射的一组成角度交叉的子束。 29. 根据权利要求 9、 23、 24 或 27 中任一项所述的设备， 其中所述至少一个 SLM 装置构 造或设置为产生所述至少一个辐射以实现在所述至少一个样品内的双光子吸收。 30.根据权利要求9、 23、 24、 27或29中任一项所述的设备， 其中所述至少一个SLM装置 构造或设置为产生所述至少一个辐射以实现在所述至少

12、一个样品内的三光子吸收。 31. 根据权利要求 9、 23、 24、 27、 29 或 30 中任一项所述的设备， 其中所述至少一个 SLM 装置构造或设置为产生所述至少一个辐射以实现与所述至少一个辐射相关的二次谐波产 生 (SHG)。 32. 根据权利要求 9、 23、 24、 27 或 29-31 中任一项所述的设备， 还包括至少一个附加 装置， 所述至少一个附加装置设置为接收与所产生的所述至少一个辐射相关的数据并产生 作为所述数据之函数的所述至少一个样品的至少一部分的至少一个图像， 其中所述至少 一个 SLM 装置构造或设置为产生所述至少一个辐射以实现相干反斯托克斯拉曼光谱成像 (CAR

13、S) 过程， 使得所述至少一个附加装置产生所述至少一个图像。 33. 根据权利要求 9、 23、 24、 27 或 29-32 中任一项所述的设备， 还包括至少一个附加装 置， 所述至少一个附加装置设置为接收与所产生的所述至少一个辐射相关的数据并产生作 为所述数据之函数的所述至少一个样品的至少一部分的至少一个图像， 其中所述至少一个 权 利 要 求 书 CN 102202561 A CN 102202567 A3/4 页 4 SLM 装置构造或设置为产生所述至少一个辐射以实现四波混合成像 (FWM) 过程， 使得所述 至少一个附加装置产生所述至少一个图像。 34. 根据权利要求 9、 23、

14、24、 27 或 29-33 中任一项所述的设备， 其中所述至少一个 SLM 装置构造或设置为改变所述至少一个辐射的波束的形状、 尺寸或流向中的至少其一以实现 在所述至少一个样品中的双光子吸收。 35. 根据权利要求 9、 23、 24、 27 或 29-34 中任一项所述的设备， 其中所述至少一个 SLM 装置构造或设置为改变所述至少一个辐射的波束的形状、 尺寸或流向中的至少其一以实现 在所述至少一个样品中的三光子吸收。 36. 根据权利要求 9、 23、 24、 27 或 29-35 中任一项所述的设备， 其中所述至少一个 SLM 装置为纯相位 SLM 装置。 37. 根据权利要求 9、

15、23、 24、 27 或 29-36 中任一项所述的设备， 其中所述纯相位 SLM 装 置防止所述至少一个辐射的强度显著下降。 38. 根据权利要求 9、 23、 24、 27 或 29-37 中任一项所述的设备， 其中所述至少一个 SLM 装置包括单光学组件， 所述单光学组件单独设置或构造为 (i) 透射或反射并进一步改变所 述至少一个辐射、 (ii) 降低所述至少一个辐射的强度和 (iii) 至少部分阻断所述至少一个 辐射。 39. 根据权利要求 9、 23、 24、 27 或 29-38 中任一项所述的设备， 还包括至少一个附加装 置， 所述至少一个附加装置设置为接收与所产生的所述至少一

16、个辐射相关的数据并产生作 为所述数据的函数的所述至少一个样品的所述至少一部分的至少一个三维图像， 所述至少 一个附加装置还设置或构造为将与所述三维图像相关的数据存储为三维数据。 40. 根据权利要求 9、 23、 24、 27 或 29-39 中任一项所述的设备， 其中所述至少一个 SLM 装置构造或设置为以靶向方式控制所述至少一个辐射的递送。 41. 根据权利要求 40 所述的设备， 其中所述至少一个 SLM 装置构造或设置为通过控制 到达所述至少一个样品上或其内的特定位置的所述至少一个辐射的强度来控制所述至少 一个辐射的递送。 42. 根据权利要求 1-41 中任一项所述的设备， 其中所述

17、至少一个特定装置构造或设置 为在多个特定位置处同时触发所述至少一个部分的光活化。 43. 根据权利要求 9、 23、 24、 27 或 29-40 中任一项所述的设备， 其中所述至少一个 SLM 装置构造或设置为在所述至少一个样品的像平面上提供所述至少一个辐射的特定空间分 布。 44. 根据权利要求 24 所述的设备， 其中在所述至少一个部分内的所述深度处对特定靶 提供具有调制强度的至少一个辐射， 所述调制强度不同于在预定照射条件下的预期结果。 45. 一种产生至少一个辐射的设备， 包括 ： 至少一个空间光调制 (SLM) 装置， 其构造或设置为利用所述至少一个辐射照射至少一 个样品内的显微结

18、构。 46. 一种产生至少一个辐射的设备， 包括 ： 至少一个空间光调制 (SLM) 装置， 其构造或设置为调节所述至少一个辐射的相位以撞 击所述至少一个样品并得到其至少一个深度信息。 47. 一种产生至少一个辐射的设备， 包括 ： 权 利 要 求 书 CN 102202561 A CN 102202567 A4/4 页 5 至少一个空间光调制 (SLM) 装置， 其构造或设置为产生所述至少一个辐射并包括在至 少一个基于非扫描空间光调制 (SLM) 的显微镜装置内。 48. 一种产生至少一个辐射的方法， 包括 ： 产生所述至少一个辐射以触发至少一个样品的光活化、 光失活或光化学效应中的至少 其

19、一。 49. 一种产生至少一个辐射的方法， 包括 ： 利用至少一个空间光调制 (SLM) 装置以使所述至少一个辐射照射至少一个样品内的 显微结构。 50. 一种产生至少一个辐射的方法， 包括 ： 利用至少一个空间光调制 (SLM) 装置来调节所述至少一个辐射的相位以撞击所述至 少一个样品并得到其至少一个深度信息。 51. 一种产生至少一个辐射的方法， 包括 ： 利用至少一个空间光调制 (SLM) 装置产生所述至少一个辐射， 所述至少一个空间光调 制 (SLM) 装置包括在至少一个基于非扫描空间光调制 (SLM) 的显微镜装置内。 权 利 要 求 书 CN 102202561 A CN 1022

20、02567 A1/27 页 6 提供光刺激和结构成像的装置、 设备和方法 0001 相关申请的交叉引用 0002 本申请要求 2008 年 9 月 25 日提交的美国专利申请序列号 No.61/194,145、 2009 年 4 月 17 日提交的美国专利申请序列号 No.61/212,924 和 2009 年 5 月 11 日提交的美国 专利申请序列号 No.61/177,239 的优先权， 以上申请的全部公开内容通过引用并入本文。 0003 关于联邦资助的研究或开发的声明 0004 本公开是在美国国家健康研究所(NIH)的国家眼科研究所(NEI)和国家神经病和 脑卒中研究所 (NINDS)

21、 的资金号 NIH RO1 EY11787 的政府资助下完成的。因此， 美国政府 对本发明具有一定的权利。 技术领域 0005 本公开的示例性实施方案涉及用于提供光刺激和结构成像的装置、 设备和方法， 更具体涉及神经元回路的光刺激和成像。 背景技术 0006 神经元回路由多样性的细胞类型构成并且很可能每种细胞类型执行特定功 能 ( 参见 P.Sterling，“The Synaptic Organization of the Brain， ” edited by G.M.Shepherd， Oxford University Press， Oxford， 1990)。 因此， 作为理解回路功能

22、的先决 条件， 似乎有必要标测出不同类型神经元之间的突触连接， 或者如 Crick 发表论文中所提 出的， 标测给定细胞上产生的所有连接 ( 参见 FH.Crick， ScL Am.241(3)， 219(1979)。 0007 根据描述使用荧光膜探针的知识(参见I.C.Farber和A.Grinvald， Science 222， 1025(1983)， 使用笼锁谷氨酸进行神经元光刺激 ( 参见 E.M.Callaway and L.C.Katz， Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.90， 7661(1993) 已使该研究项目获得了很大进展， 生成 了脑切片中神经元的高分辨率

23、输入标测图 ( 参见 M.B.Dalva 和 L.C.Katz， Science 265(5169)255(1994) ； G.M.Shepherd， T.A.Pologruto 和 K.Svoboda， Neuron 38(2)， 277(2003) ； C.Boucsein， M.Nawrot， S.Rotter et al.， Journal of neurophysiology 94(4)， 2948(2005) ； R.Kotter， D.Schubert， J.Dyhrfjeld-Johnsen et al.， J Biomed Opt 10(1)， 11003(2005) ； H

24、.U.Dodt， A.Schierloh， M.Eder et al.， Neuroreport 14(4)， 623(2003) ； S.Shoham， D.H.O Connor， D.V.Sarkisov et al.， Nature methods 2(11)， 837(2005)。 在该方法中， 通过将紫外光聚焦在切片中的特定位置处实现谷氨酸解笼锁， 同 时记录来自不同位置的神经元的细胞内反应。通过使解笼锁光束系统地移动穿过切片， 可 以标测出在所记录的细胞内产生兴奋性或抑制性反应的区域。虽然有用， 但是该方法可能 存在以下问题 ： 由于在活组织中不可避免的光散射和单光子激发产生大的解

25、笼锁区域， 使 得刺激区域包含多于一个神经元。 因此， 单光子光刺激尚未揭示细胞间的突触连接， 而只是 特定区域和所记录的神经元之间的连接。 0008 因此， 需要解决本文所述缺点中的至少一部分。 说 明 书 CN 102202561 A CN 102202567 A2/27 页 7 发明内容 0009 为了克服至少以上限制， 可以提供双光子光刺激方法、 系统和设备的示例性实施 方案。 0010 根据本公开的一个示例性实施方案， 可以提供用于产生至少一个辐射的设备和方 法。 例如， 可以提供至少一个特定装置， 其构造或设置为产生一种或更多种辐射以触发至少 一个样品的至少一部分的光活化、 光失活

26、和 / 或光化学效应。所述辐射可包括至少一个光 束， 并且所述特定装置可进一步构造或设置为将所述至少一个光束分成多个子束， 使得至 少一些所述子束碰撞所述样品。所述样品可以是生物样品、 化学组合物、 半导体器件和 / 或 药物递送装置。 0011 根据一个示例性实施方案， 所述特定装置可包括至少一个光学衍射装置。所述特 定装置和 / 或所述光学衍射装置可包括至少一个空间光调制 (SLM) 装置。此外， 所述特定 装置可通过以非线性方式激发至少一个辐射来产生所述至少一个辐射。 所述至少一个辐射 的信噪比可为来自单辐射系统的信号的约 1.94 倍。 0012 根据本公开的另一示例性实施方案， 可以

27、提供至少一个附加装置， 其可构造为接 收与所述至少一种所实施辐射相关的数据并且产生作为该数据函数的样品的一部分的至 少一个图像， 所述图像可在小于约 100ms 的成像周期期间产生。而且， 所述特定装置可设置 或构造成对生物样品提供所述至少一种所产生的辐射以对其提供光动力效应。 所产生的辐 射对所述至少一个样品的平均净功率可高于 100 毫瓦。例如， 所述特定装置的至少一部分 可提供在内窥镜装置中。 0013 在本公开的又一示例性实施方案中， 所述特定装置可进一步设置或构造为利用所 述辐射照射样品内的微观结构和 / 或调节辐射相位来撞击样品并获得其至少一个深度信 息。所述 SLM 装置可设置或

28、构造为利用所述辐射照射样品内的微观结构和 / 或撞击样品并 获得其至少一个深度信息。所述特定装置可容纳在至少一个基于非扫描空间光调制 (SLM) 的显微镜装置内。所述基于非扫描 SLM 的显微镜装置可产生所述辐射的相干光， 并且所述 相干光可包括激光。 0014 根据本公开的再一示例性实施方案， 所述 SLM 装置可设置或构造为校正与用于所 述至少一个图像的至少一个样品相关的至少一个偏差。所述辐射可包括至少一种光辐射， 并且所述SLM装置可设置或构造为对样品的深度大于约1mm的部分提供强度特别有效的光 辐射。所述光辐射可提供在所述部分内基于所述光辐射的至少一个波长的深度处。所述 附加装置可基于

29、至少一个多模式过程产生图像。所述 SLM 装置可进一步构造或设置为产 生来自所述辐射的一组成角度交叉的子束。所述 SLM 装置构造或设置为产生所述辐射以 实现 (i) 在至少一个样品内的双光子或三光子吸收， (ii) 与所述辐射相关的二次谐波产生 (SHG)， (iii)相干反斯托克斯拉曼光谱成像(CARS)过程以使所述附加装置可产生图像和/ 或 (iv) 四波混合成像 (FWM) 过程以使所述附加装置可产生图像。 0015 根据本公开的又一示例性实施方案， 所述 SLM 装置可构造或设置为改变所述辐射 的光束的形状、 尺寸或流向中的至少其一以实现在至少一个样品内的双光子或三光子吸 收。此外，

30、 所述 SLM 装置可包括纯相位 SLM 装置， 例如其可防止所述辐射的强度显著下降。 例如， 所述SLM装置可包括单光学组件， 所述单光学组件可单独地设置或构造为(i)透射或 反射并进一步改变所述辐射， (ii) 降低所述辐射的强度， 和 (iii) 至少部分阻断所述至少 说 明 书 CN 102202561 A CN 102202567 A3/27 页 8 一个辐射。 0016 在本公开的再一示例性实施方案中， 所述附加装置可设置为产生样品的一部分的 至少一个三维图像并且将与所述三维图像相关的其它数据储存为三维数据。 此外， 所述SLM 装置可设置或构造为以靶向方式控制所述辐射的递送， 例

31、如通过控制对于样品上或样品内 的特定部位的辐射强度。而且， 所述特定装置可设置或构造为在多个特定部位处同时触发 该部分的光活化。所述 SLM 装置可提供对于样品成像面的所述辐射的特定空间轮廓。 0017 根据本公开的又一示例性实施方案， 可以提供用于产生至少一个辐射的设备和方 法。例如， 至少一个空间光调制 (SLM) 装置可构造或设置为利用所述辐射照射至少一个样 品内的微观结构和 / 或调节所述辐射的相位以撞击所述样品和获得其至少一个深度信息。 此外， 所述 SLM 装置可容纳在至少一个基于非扫描空间光调制 (SLM) 的显微镜装置内。 0018 根据本公开的再一示例性实施方案， 可将时空复

32、用束双光子激光在神经元间移动 以解笼锁谷氨酸并顺序地使每个神经元触发， 同时记录特定细胞内的所得突触电位。该示 例性设置可有利于单突触连接细胞的检测以及待利用单细胞分辨率产生的输入标测图。 该 示例性方法 / 过程还与双光子钙成像组合以处理并同时记录回路活性。 0019 结合所附编号段落， 阅读本公开的示例性实施方案的以下详述之后， 将会理解本 公开的示例性实施方案的这些或其它目的、 特征和优点。 附图说明 0020 结合示出本公开的示例性实施方案的附图， 根据以下详述将会理解本发明的其它 目的、 特征和优点。 0021 图 1(a) 为根据本公开的一个示例性实施方案的显微镜的光学系统和显微系

33、统 / 装置的图 ； 0022 图 1(b) 为根据本公开的一个示例性实施方案的包括可使用衍射光学元件的光束 分裂配置的装置图 ； 0023 图 1(c) 为根据本公开的显微镜的光学系统和显微系统 / 装置的另一示例性实施 方案的图 ； 0024 图1(d)为根据本公开的光学系统和显微系统/装置的另一示例性实施方案的图， 其示出可如何移动激发束以使焦点移动至样品上 ； 0025 图 1(e) 为利用 SLM 的根据本公开的显微镜的光学系统和显微系统 / 装置的另一 示例性实施方案的图 ； 0026 图 1(f) 为利用 SLM 的小型轻量便携显微镜的根据本公开的光学系统和显微系统 / 装置的另

34、一示例性实施方案的图 ； 0027 图2(a)为与示例性的波束复用MNI-谷氨酸双光子光刺激相关的时间波束复用解 笼锁的示例性图示和结果 ； 0028 图2(b)为与示例性的波束复用MNI-谷氨酸双光子光刺激相关的解笼锁空间分辨 率的示例性图示和结果 ； 0029 图2(c)-(e)为衍射光学元件(DOE)空间波束复用解笼锁的示例性结果， 而图2(c) 的图与波束复用 MNI- 谷氨酸双光子光刺激相关 ； 0030 图 2(f) 为波束复用双光子解笼锁的深度分辨率的示例性结果 ； 说 明 书 CN 102202561 A CN 102202567 A4/27 页 9 0031 图 2(g) 和

35、 (h) 为根据本公开的某些示例性实施方案的利用衍射光学元件 (DOE) 以水平 DOE 模式增强双光子成像的示意图 ； 0032 图 2(i) 和 (j) 为根据本公开的某些示例性实施方案的利用 DOE 以垂直 DOE 模式 增强双光子成像的示意图 ； 0033 图 2(k)-(o) 为根据本公开的某些示例性实施方案的利用水平 DOE 模式进行线扫 描的示例性结果 ； 0034 图 2(p) 和 (q) 为根据本公开的某些示例性实施方案的利用 DOE 进行增强框扫描 的示例性结果 ； 0035 图 2(r)-(t) 为根据本公开的某些示例性实施方案的利用垂直 DOE 模式进行线扫 描的示例性

36、结果 ； 0036 图 2(u) 和 (v) 为根据本公开的某些示例性实施方案的利用 DOE 的亚微米颗粒成 像的示例性结果 ； 0037 图 2(w) 和 (x) 为根据本公开的某些示例性实施方案的利用速度爆增式垂直 DOE 扫描模式进行扫描的示例性结果 ； 0038 图 3(a) 为对于 5 个锥体神经元及其树突树的重叠形态重构的层的单细胞分辨率 的示例性双光子输入标测图 ； 0039 图3(b)为图3(a)相同神经元的假阳性信号的单细胞分辨率的示例性双光子输入 标测图 ； 0040 图 3(c) 为提供真阳性信号为单突触连接的示例性图形结果 ； 0041 图 3(d) 为说明单突触连接的

37、来自两个示例性神经元的示例性双记录 ； 0042 图 3(e) 和 (f) 为来自两个其它实验的示例性单突触连接的真阳性细胞的图 ； 0043 图 3(g) 为示出根据本公开的示例性实施方案的示例性的真假阳性反应分析的示 例性表 ； 0044 图 4(a) 为在切片的表面焦平面处 ( 标记为 0m) 检测的所有 mag-Indo-1AM 负载 细胞 (n 635) 的示例性的同时获取图形输入标测图 ； 0045 图 4(b) 为在图 4(a) 的示例性标测图下方 45m 处负载细胞 (n 546) 的示例性 的同时获取图形输入标测图 ； 0046 图 4(c) 为通过将图 4(a) 和 4(b

38、) 的示例性标测图重叠而得到的在两个示例性焦 平面的细胞位置之间的差异的图示 ； 0047 图 4(d) 为示例性同时获取的输入标测图的图示， 其中示出在图 4(a) 的示例性标 测图的焦平面处刺激时在补充细胞中产生真阳性反应的位置 (n 20) ； 0048 图 4(e) 为利用与图 4(d) 中所用相同的 300 个坐标的示例性同时获取的输入标测 图， 其中示出在图 4(b) 的示例性标测图的焦平面处产生真阳性反应的位置 (n 17) ； 0049 图 4(f) 为利用输入标测图重叠得到的示例性同时获取的输入标测图的图示， 其 中仅在两个位置处重叠， 其说明在两个相邻焦平面处的选择性标测输

39、入的能力 ； 0050 图 4(g)-(l) 为示出例如来自四个神经元的同时获取的输入标测图的示例图 ； 0051 图 5(a)-(g) 为经约 1 小时顺序获得的来自同一神经元的连续示例性输入标测 图 ； 0052 图 5(h) 为在每个标测图中产生真阳性反应的示例性位置的图示 ； 说 明 书 CN 102202561 A CN 102202567 A5/27 页 10 0053 图 6(a) 为利用全光学刺激和网络活性成像的解笼锁反应的光学检测的示例性实 施方案的图示 ； 0054 图 6(b) 为利用同时成像的顺序刺激的示例性实施方案的图示 ； 0055 图 6(c) 为另一同时刺激和成

40、像的示例性实施方案的图示 ； 0056 图 7(a) 为用于神经元群落的示例性靶向成像的细胞检测过程和扫描路径优化的 示例性结果的图示 ； 0057 图 7(b) 为用于神经元群落的示例性靶向成像的靶向神经元钙成像的示例性结果 的图示 ； 0058 图 7(c) 为用于神经元群落的示例性靶向成像的钙成像的单动作电位灵敏度的示 例性示意图和示例性图形结果 ； 0059 图 8 为负载的具有 mag-Indo-1AM 的脊索切片的示例性图像 ； 0060 图 9(a)-9(d) 为 mag-Indo-1-AM 负载的大部分神经元的示例性图像， 其中切片同 时负载有 mag-Indo-1-AM 和

41、Sulforhodamine 101( 例如， SR101， 20M) 并且在其对应的示 例性波长处成像 ； 0061 图 10 为可通过处理装置执行的根据本公开某些实施方案的示例性光刺激过程的 流程图 ； 0062 图 11 为根据本公开的用于 SLM 相位掩模形成的方法的示例性实施方案的流程 图 ； 0063 图12(a)-12(d)为根据本公开的示例性实施方案的示例性SLM光图案化和深度聚 焦图像以及用于从示例性实验获得其结果的序列 ； 和 0064 图 13 为根据本公开的某些示例性实施方案设置的系统或装置的方块图。 0065 除非另有说明， 否则在所有附图中， 相同的附图标记表示所示

42、实施方案的相同的 特征、 要素、 组件或部分。 此外， 以下将参照附图并联系所示实施方案来详细说明本公开。 在 不偏离如所附权利要求书所限定的本公开的真实范围和实质的情况下， 可对所描述的示例 性实施方案进行修改和变化。 具体实施方式 0066 可以提供有利于利用根据本公开的一些示例性实施方案的单双光子激光进行大 神经元群的光刺激和成像的根据本发明示例性实施方案实施的系统、 装置和方法。 0067 双光子显微镜的示例性光学设计和实施方案 0068 通过根据本公开的一个示例性实施方案的处理装置(例如处理器)执行的示例性 软件可促进激光束在视场中任意位点的定位和在例如对单个神经元的 Indo-1A

43、M 双光子钙 成像和双光子 MNI- 笼锁谷氨酸解笼锁 ( 参见 M.Canepari， 同前 ； G.C.R.Ellis-Davies， 同 前 ) 之间的快速切换， 使它们产生动作电位。光电调制器可用于在两个激光光强度水平之 间切换 ： 低强度的用于成像， 高强度的用于光刺激 / 解笼锁。因此， 可利用激光束 ( 例如， 约 725nm) 来三维精确地触发并监控回路活性。 0069 例如， 根据本公开的系统和装置的示例性实施方案可改进双光子荧光 (2PF) 和二 次谐波产生 (SHG) 显微镜 ( 参见 V.Nikolenko， 同前 ； A.Majewska， G.Yiu， and R.

44、Yuste， Pflgers Archiv-Eur.J.Physiol.441(2-3)， 398(2000)。 说 明 书 CN 102202561 A CN 102202567 A6/27 页 11 0070 图 1(a) 示出根据本公开的显微镜的光学系统和显微系统的一个示例性实施方案 的图。 0071 例如， 根据某些的示例性实施方案， 如图 1(a) 所示的示例性显微镜可包括 ( 但不 限于 ) 以下示例性组件 ： Ti ： 蓝宝石激光器 101、 光电调制器 ( 普克尔盒 )102、 波束成形光 学器件 ( 望远镜 / 空间滤光器 )103、 包括 DOE104 和 DOE 望远镜

45、105 的衍射光学元件 (DOE) 光学器件、 潜望镜 106、 扫描器 107、 直立式显微镜 108 和基于光放大器 (PMT) 的 2PF/SHG 检 测系统， 其包括 2PF PMT 109、 PMT 信号放大器 110、 数据获取模块 111 和亮场照明灯或用 于 2PF/SHG 的第二 PMT 112。示例性的波束成形光学器件 103 可包括聚焦透镜 103a、 针孔 103b 和透镜 103c。示例性的 DOE 望远镜 105 可包括透镜 105a、 波束选择光圈 105b 和另一 透镜105c。 示例性的扫描器107可包括红外反射镜107a、 镜式电流计107b和光瞳转移透镜

46、107c。示例性的直立式显微镜 108 可包括低通分色器 108a、 管式透镜 108b、 物镜 108c 和聚 光器 108d。示例性的 2PF PMT 109 可包括 IR 阻隔宽通或带通滤光器 109a、 PMT 透镜 109b 和快速快门 109c。 0072 根据某些的示例性实施方案， 可以使用一个或更多个以下组件 ： 可调 Ti ： 蓝宝石 ( 例如， Chameleon ； Coherent， Santa Clara， CA)、 型号 275 线性放大器驱动的型号 350-160 普克尔盒 (Conoptics， Inc Danbury， CT)、 中间介电镜 ( 例如， Tho

47、rlabs， Newton， NJ 的 BB1-E02)、 衍射光学元件 ( 例如， 熔融二氧化硅， 来自 SLH-505Xa-(0.23)-(780)Stocker Yale Canada Inc.， Dollard-Des-Ormeaux， Quebec， Canada)。光路的其它元件可由标准组 件(例如， Thorlabs)组装。 直立式显微镜(例如， Olympus BX50WI)配备有水浸没物镜(例 如， Olympus 镜头 )。 0073 例如， LUMPlanFI/IR 40x 0.8NA透镜(例如IR2涂层)可用于使DIC中细胞靶向膜 片钳制和少量神经元的高分辨率双光子成像

48、和光刺激， 而低放大率物镜 ( 例如， UMPlanFI 20x 0.5NA， XLUMPlanFI 20x0.95NA和UMPlanFI 10x 0.3NA)可用于神经元群的成像/光刺 激。低通分色镜 ( 例如， 650DCSP ； 来自 Chroma Technology， Rockingham， VT) 可置于示例 性显微镜的标准三目管内。红外阻断滤光器 ( 例如， Chroma Technology 的 BG39) 可置于 PMT 之前以滤除从激发路径散射的红外光。作为检测器， 可以使用具有附加放大器 ( 例如， PE 5113， 来自 Signal Recovery AMETEK A

49、dvanced Measurement Technology， Wokingham， UK) 的冷 GaAs PMT( 例如， H7422P-40， 来自 Hamamtsu Corp.， Japan)。快速机械快门 ( 例 如， VCM-D1 驱动的 LS6T2， 来自 Vincent Associates， Rochester， NY) 可用于保护 PMT 以在 同时成像 / 解笼锁的实例中防止过载。 0074 PMT 信号可通过例如光栅模式的 Fluoview 板或通过矢量模式的外部 A/D 板 ( 例 如， NI PCI-6052E， 来自 National Instruments， Austin， TX) 来数字化。该板也可按照根 据本公开的一些示例性实施方案的客户软件的模拟输出来调制穿过普克尔盒的激光强度。 相同的示例性软件可通过直接调用原始文件夹中的函数 ( 例如， gbx.dll ； FV200 Olympus Fluov