塔夫茨大学医学院：用于神经生物学研究的先进三相机系统

28.01.25

塔夫茨大学医学院的Maguire Lab亟需一款可同时捕捉图像的专业系统来满足研究需求，并为此找到Prior Scientific协作开发了一款独特的用于荧光成像的三相机宽场与共聚焦扫描器。

挑战

Maguire Lab 在研究中间神经元如何协调大脑神经网络活动时遭遇复杂挑战。

其难点在于观察和分析稀疏神经群。在所有大脑区域中，中间神经元仅占总神经元细胞类型的20%，且特定亚型在特定区域仅占5%。

实践证明，包括光纤光度法和活体显微成像法在内的传统成像方法的成像视野和细节捕捉能力都无法满足观察和分析这些稀疏细胞群的需求，因此需要更具针对性的定制解决方案。

“整个团队协作构建这套系统的过程严丝合缝，从始至终都让人倍感顺畅。”*

 需求

Maguire Lab需要一款精密的成像系统来确保在大视野范围内同时观察多种细胞类型，呈现整体群体结构，同时又能保持单细胞分辨率。

其终极目标是研究细胞在不同环境下的行为及其相互协调方式，因此系统需要能同时记录多个不同类型的细胞。

在尝试了多种方法后，团队确定了目标成像系统的若干关键需求：

• 可同时记录多种细胞类型；
• 具备可观察整体结构的大视野；
• 高速图像采集能力；
• 多相机系统，可捕捉不同发射光谱；
• 兼具低倍放大率和高分辨率的特点；
• 大工作距离以适应电生理实验室环境，支持同步成像和电信号记录；
• 具有良好的灵活性，以便集成电信号记录设备。

解决方案

本项目的核心目标在于开发一套稳定、可重复、功能完善的系统，确保可同时配备三台独立相机，以更准确、更高效地采集数据

传统解决方案通常采用单相机系统，通过电动滤光片转盘快速切换滤光片，或结合使用三通带二向色滤光片和光谱分离技术。不过，这些方法都无法满足Maguire Lab的需求。 

经过多方评估后，其中包括来自主流厂商的系统，Maguire Lab发现市面上尚无现成解决方案可完全满足自身要求。 

因此向Prior Scientific寻求合作，双方携手基于日本滨松光子学株式会社的Quest相机开发了一款定制成像系统。

双方全程紧密合作，深入理解了实验室的具体需求并逐一给出了对策。

期间，Prior Scientific还与BioVision（显微成像系统集成商）合作开发了一款定制平台，以支持正置显微镜，并集成三相机系统和Crest CICERO转盘共聚焦单元。

定制特点：

平台与安装方式：系统采用了尺寸为600 mm × 600 mm的大型平台，且内置集成了Crest Cicero共聚焦单元和Prior Scientific的EPI照明系统来实现宽场荧光成像和精确定位样本。

相机系统：尽管Crest系统通常不支持多相机配置，但借助高规格的四倍放大物镜和Cairn Research的MultiCam系统，该方案能采集足够的光信号和数据，使得来自日本滨松光子学株式会社的三台Quest相机能同时工作，确保高效成像。

法拉第笼：为了降低实验过程中的电噪声，我们将整个系统封装在法拉第笼内，这一点对电生理实验至关重要。此外，Prior Scientific的系统框架设计确保了整个设备能无缝适应笼内空间。 

精确定位：该系统配备了以高精度和速度而闻名的Prior Scientific的Queensgate Instruments OP800OP800纳米压电物镜定位平台，可确保在800 µm范围内实现精确定位和堆叠扫描，从而满足实验室对高分辨率成像的需求。

可调节层架：Prior Scientific的H189电生理实验电动平台采用可调节层架，可用于成像各类样本（从脑组织到更小的标本）。超强的适应性方便研究人员轻松调整样本位置，并在同一系统上执行多种实验，从而最大限度减少实验数据之间的变量。此外，系统采用Prior Scientific的OpenStand作为框架核心，提供了40 mm的电动对焦行程，进一步提高了灵活性。 

增强照明：除了提供荧光照明，Prior Scientific还在系统中集成了一款平场白光照明装置，用于透射光照明。这款照明装置直接安装在H189平台上，较之前的光纤束系统有明显改进。

操作与控制：该系统由两台ProScan III控制器和CS200摇杆控制，可管理多达4个Z轴位置。该配置可赋予实验人员手动精准调整样本位置的能力，以适应各种实验和样本类型。Prior Scientific的多轴ProScan III控制器和CS200摇杆支持手动和软件控制系统的所有轴，大幅提升了灵活性以适应不同试验和样本类型。系统设置虽然复杂，但依然具备良好的用户友好性和未来可扩展性。

“这是一套极其精美的系统，我非常喜欢。”*

 

结果

这套定制的成像系统在多个重要方面提升了研究团队的能力：

扩展了数据采集能力

研究团队从过去只能记录1-2个细胞，提升至可同时记录多个细胞群。多相机系统使研究人员能实时观察不同神经群如何相互通信，并同时进行成像。此外，成像数据与电生理记录的成功集成还进一步提升了研究精度。

“当细胞分布较稀疏时，即使不使用共聚焦也能实现非常出色的成像效果。结合共聚焦技术后，系统能提供更高的分辨率，能清晰区分出相邻细胞。”*

增强了研究能力

该系统打开了全新的科学探索大门，使研究团队能够研究此前无法解决的难题。研究人员现在能以远超之前的清晰度观察行为模式背后的细胞成分和神经计算，同时研究神经网络状态如何影响行为结果，深入探索稀疏神经群的协同作用。

“我坚信，这套系统将帮助我们回答许多以往无法解决的问题。而这正是我们的最终目标。”*

竞争优势

该系统的独特性能使实验室在其研究领域赢得了竞争优势。这一技术突破不仅增强了实验室在科研资金申请方面的竞争力，还为推进神经网络协调机制的科学研究做出了重要贡献。系统的应用对研究工作带来了革命性的影响，使团队能拓展实验方法，并为未来研究创造了新的机遇。

“事实上，这套系统为我们实验室提供一款真正强力的工具。目前，只有少数研究人员能够进行这种记录，而这正是我们推进科学研究的优势所在。我们现在能以一种前所未有的方式来观察问题。”*

 

关于Maguire Lab

Maguire Lab是隶属于马萨诸塞州塔夫茨大学医学院的一个科研项目团队，致力于研究多种疾病的神经生物学机制，重点关注癫痫和产后抑郁症。 

 

实验室的研究核心在于探索GABA受体信号传导和应力对神经网络的调控作用，及其在生理和病理方面的影响。 

其目标是弥补关键知识空白，并为有效治疗方案的开发提供科学支持。

 

* 引言摘自：Jamie Maguire博士，Kenneth and JoAnn G. Wellner教授，生物医学科学多元化建设 (BDBS) 项目主任