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目前科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)了多種成像技術(shù)用于研究支配大腦功能的組織原則。每種技術(shù)都有自己的優(yōu)勢，可以深入了解大腦功能的特定方面，但也存在缺點。將不同的成像技術(shù)結(jié)合，取長補短，形成功能完備的多模態(tài)成像系統(tǒng)。本研究提出了一種在小鼠體內(nèi)同時進(jìn)行Ca²⁺和功能性磁共振成像(fMRI)的系統(tǒng)。

通過基因編碼或病毒介導(dǎo)的Ca²⁺指標(biāo)表達(dá)，可以使用寬視野“介觀”Ca²⁺成像檢查大視野(FOV)中細(xì)胞的協(xié)同活動。產(chǎn)生的信號構(gòu)成了細(xì)胞類型特異性的活性測量，因為Ca²⁺傳感器可以被遺傳靶向。在細(xì)觀成像過程中，neuropil是主要的信號源。Ca²⁺成像僅限于可熒光的組織，并且Ca²⁺的表達(dá)指標(biāo)需要對神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行侵入性操作，限制了其在動物模型中的應(yīng)用。標(biāo)記特定細(xì)胞類型的能力以及信號的高空間和時間分辨率使這種方法在研究大腦功能時可以提供信息。

fMRI提供了一種全腦覆蓋的人類和動物活動的非侵入性測量。然而，fMRI的空間和時間分辨率相對較低，并且依賴于通過血氧水平(BOLD)對比機制間接和不加區(qū)分的活動指數(shù)。BOLD信號具有間接和非特異性性質(zhì)，跨物種的神經(jīng)活動和BOLD信號的變化之間存在明顯的關(guān)系。盡管BOLD信號很復(fù)雜，但全腦覆蓋、內(nèi)在對比度以及在動物和人類中進(jìn)行測量的能力使這種方法成為神經(jīng)科學(xué)中的重要工具。因此，更好地了解BOLD信號的細(xì)胞起源將對fMRI研究的解釋產(chǎn)生重大影響。

盡管Ca²⁺熒光成像和fMRI成像分別取得了成功，但將他們結(jié)合使用還存在很大的挑戰(zhàn)。本研究將這兩種成像方法融合并應(yīng)用于小鼠體內(nèi)實驗。實驗表明誘發(fā)反應(yīng)幅度大小與模式相關(guān)，這增加了越來越多的共同潛在神經(jīng)源的證據(jù)，并證明了我們方法的高靈敏度。我們測試了基于gamma變量擬合的卷積模型并表明可以從同時記錄的Ca²⁺預(yù)測自發(fā)BOLD活動的三分之一來自興奮性神經(jīng)元的信號。我們發(fā)現(xiàn)整個皮層的預(yù)測參數(shù)是一致的，并且低頻帶寬(0.009–0.08Hz)比更高的帶寬匹配得更好。

接下來，我們展示了基于自發(fā)活動衍生的連接性的皮層功能分割在各種模式中是一致的，這提供了功能連接性的進(jìn)一步驗證，如用fMRI測量。最后，我們展示了源自興奮性神經(jīng)元中Ca²⁺活動的連接強度與BOLD信號之間的關(guān)系取決于給定大腦區(qū)域的功能。我們斷言，這種區(qū)域功能依賴性提供了證據(jù)，表明BOLD連接是由不同細(xì)胞群的協(xié)同神經(jīng)活動引起的。總之，這些結(jié)果支持我們的方法將細(xì)胞特異性活動與通過BOLD活動測量的信號相關(guān)聯(lián)的觀點。

掃描儀成像組件的構(gòu)造

組件由玻璃或塑料組成。在實驗鼠正上方，棱鏡將激發(fā)光和發(fā)射光重定向90°，以便它們通過遠(yuǎn)心鏡頭。為了與MRI兼容，我們用塑料替換了備用鏡片的金屬外殼，用二向色濾波器取代分束器。一個定制端口和激發(fā)光重定向90°到鏡頭中。激發(fā)光通過5mmx5m的液體光導(dǎo)(10–10645，虹科Lumencor)從安裝LED光源(虹科Lumencor SPECTRAX, Lumencor)的磁鐵附近的房間發(fā)出。同樣，定制的4.6m長14.5×14.5mm2橫截面相干光纖束將發(fā)射光傳輸?shù)酵粋€相鄰房間其中Ca²⁺成像數(shù)據(jù)使用sCMOS相機記錄。附加的GFP發(fā)射濾波器放置在光纖束和由兩個光學(xué)擴展器連接的相機之間。

SPECTRAX是虹科LUMENCOR固態(tài)光源中最強大和最全面的設(shè)計。最終用戶能夠在這款固態(tài)光源中更換單個帶通濾光片。Lumencor保留了冷卻、穩(wěn)定、堅固、光譜純正、功能強大的輸出性能；由于濾光片可直接更換，這為個人用戶、核心設(shè)施和原始設(shè)備制造商提供了一個可適應(yīng)的固態(tài)激勵光源系統(tǒng)，與濾光轉(zhuǎn)輪的靈活性相當(dāng)，但沒有額外的移動部件。SPECTRAX固態(tài)光源提供六個固態(tài)光源，在整個可見光譜中產(chǎn)生七個色帶（紫、藍(lán)、青、茶色、綠、黃、紅）的輸出。購買時還包括一套七個濾光片，每個色帶一個。

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