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Nov 18, 2023

新高値

Il design innovativo della scansione laser consente un'elevata precisione

革新的なレーザー走査設計により、毎秒最大 10,000 フレームの高精度観察が可能になり、顕微鏡が強力な記録ツールになります。

SPIE--国際光学およびフォトニクス学会

画像: 研究者らは、2 つのレーザー走査モードを組み合わせることで、高フレーム レートと空間解像度で極めて高速な生物学的プロセスを観察するために使用できる多用途の 2 光子顕微鏡システムを開発しました。もっと見る

クレジット: Li et al.、doi 10.1117/1.NPh.10.2.025006。

2 光子顕微鏡 (TPM) は、研究者が生体組織内の複雑な生物学的プロセスを高解像度で観察できるようにすることで、生物学の分野に革命をもたらしました。 従来の蛍光顕微鏡技術とは対照的に、TPM は低エネルギー光子を利用して蛍光分子を励起して観察します。 これにより、組織をさらに深く浸透することが可能になり、蛍光分子または発蛍光団が励起レーザーによって永久に損傷を受けることがなくなります。

ただし、一部の生物学的プロセスは、最先端の TPM を使用しても記録するには速すぎます。 TPM のパフォーマンスを制限する設計パラメータの 1 つは、フレーム/秒 (FPS) として測定されるライン スキャン周波数です。 これは、励起レーザーによってターゲット サンプルが一方向に沿って掃引される速度 (たとえば、水平掃引) を指します。 スキャン周波数が遅いと、レーザーが他の方向、つまり垂直方向にどれだけ速く掃引できるかが決まるため、システム全体の FPS にも影響します。 これらを組み合わせると、顕微鏡の時間分解能と観察フレームのサイズとの間にトレードオフが生じます。

この問題を回避するために、中国とドイツの国際研究者チームは最近、前例のない高いライン走査周波数を備えた強力な TPM セットアップを開発しました。 Neurophotonics に掲載された彼らのレポートによると、この顕微鏡システムは、高い時間的および空間的解像度で高速の生物学的プロセスを画像化するために設計されました。

提案された TPM を従来のものと区別する重要な要素の 1 つは、励起レーザーの走査を制御するための音響光学偏向器 (AOD) の使用です。 AOD は、音響波によって屈折率を正確に制御できる特殊なタイプの結晶です。 これにより、必要に応じてレーザー ビームの方向を変えることができます。 さらに重要なことは、AOD により、従来の TPM で使用されている検流計で得られるものよりも高速なレーザー ステアリングが可能になることです。

したがって、チームは二酸化テルル (TeO2) 結晶を使用して非常に高い音速を備えたカスタム AOD を設計し、高いライン走査周波数を達成しました。 この AOD を使用すると、レーザーはわずか 2.5 マイクロ秒以内でフレーム内のラインをスキャンできます。これは、最大ライン走査周波数 400 kHz に相当します。 同様に、チームは AOD を使用して、反対方向の適度な低速スキャン周波数を実現しました。

顕微鏡の適応性をさらに向上させるために、チームは必要に応じて検流計ベースのレーザー スキャン機構に切り替えるオプションを追加しました。 これにより、サンプルの広い領域を許容可能な解像度と速度でスキャンできるようになり、AOD スキャンに切り替える前に対象となる小さな領域の位置を特定することが容易になりました。

チームは、新しく設計された TPM を使用していくつかの概念実証実験を実施しました。 彼らは、遺伝子操作されたマウスに頭蓋窓を取り付け、ニューロンの形態と活動、および単一の赤血球（RBC）の動きを観察するために使用しました。 このシステムは、適切な AOD 構成とフレーム サイズを使用して、最大 10,000 FPS のフレーム レートを達成しました。 これは、カルシウムが神経樹状突起内で伝播する速度を正確に測定し、血管内の個々の RBC の軌跡を視覚化するのに十分でした。

これらの結果に感銘を受け、ニューロフォトニクスの副編集長でカリフォルニア大学バークレー校実験物理学のルイス・アルバレス記念議長を務めるナ・ジ博士は次のように述べています。生体内での脳内のカルシウム信号伝播と血流測定への応用において。」

今後、新しい概念実証 TPM 設計により、高速の生物学的プロセスを捕捉できるようになり、生物学的プロセスについての理解が大幅に向上する可能性があります。

Li らの Gold Open Access 論文「生体内での単細胞樹状突起活動と血行動態の 10 キロヘルツ二光子顕微鏡イメージング」、ニューロフォトニクスを読む10(2)、025006 (2023)、doi 10.1117/1.NPh.10.2.025006。

ニューロフォトニクス

10.1117/1.NPh.10.2.025006

in vivoでの単細胞樹状突起の活動と血行動態の10キロヘルツ二光子顕微鏡イメージング

2023 年 5 月 3 日

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