单束扫描技术可以高速遍历大视场(FOV)的神经组织:使用MPM对神经元进行成像时,通过随机访问扫描—即激光束在整个视场上的任意选定点上进行快速扫描—可以只扫描感兴趣的神经元,这样不仅避免扫描到任何未标记的神经纤维,还可以优化激光束的扫描时间。随机访问扫描(图1)可以通过声光偏转器(AOD)来实现,其原理是将具有一个射频信号的压电传感器粘在合适的晶体上,所产生的声波引起周期性的折射率光栅,激光束通过光栅时发生衍射。通过射频电信号调控声波的强度和频率从而可以改变衍射光的强度和方向,这样使用1个AOD就可以实现一维横向的任意点扫描,利用1对AOD,结合其他轴向扫描技术可实现3D的随机访问扫描。但是该技术对样本的运动很敏感,易出现运动伪影。目前,快速光栅扫描即在FOV中进行逐行扫描,由于利用算法可以轻松解决运动伪影而被普遍的使用。多光子显微镜能提供多种对比度机制。美国在体多光子显微镜研究
从产品类型及技术方面来看,正置显微镜占据绝大多数市场。2020年,全球多光子激光扫描正置显微镜市场达到87.30百万美元,预计到2027年该部分市场将达到154.02百万美元,年复合增长率(2021-2027)为8.48%。中国多光子激光扫描正置显微镜市场达到13.32百万美元,预计到2027年该部分市场将达到25.21百万美元,年复合增长率(2021-2027)为9.58%。从产品市场应用情况来看,研究机构为主要应用领域,2020年约占全球市场46.28%。2020年,全球多光子激光扫描显微镜研究机构应用消费量为174台,预计2027年达到349台,2021-2027年复合增长率(CAGR)为9.72%。美国激光扫描多光子显微镜利用多光子显微镜的光遗传学操作能力,我们可以对某类神经元的ji活和失活进行高精度的操作。
比较两表格中的相关参数可以看出,基于分子光学标记的成像技术已经在生物活检和基因表达规律方面展示了较大的优势。例如,正电子发射断层成像(PET)可实现对分子代谢的成像,空间分辨率∶1-2mm,时间分辨率;分钟量级。与PET比较,光学成像的应用场合更广(可测量更多的参数,请参见表1-1),且具有更高的时间分辨率(秒级),空间分辨率可达到微米。因此,二者相比,虽然光学成像在测量深度方面不及PET,但在测量参数种类与时空分辨率方面有一定优势。对于小动物(如小白鼠)研究来说,光学成像技术可以实现小动物整体成像和在体基因表达成像。例如,初步研究表明,荧光介导层析成像可达到近10cm的测量深度;基于多光子激发的显微成像技术可望实现小鼠体内基因表达的实时在体成像。
对于双光子成像而言,离焦和近表面荧光激发是两个比较大的深度限制因素,而对于三光子成像这两个问题大大减小,但是三光子成像由于荧光团的吸收截面比2P要小得多,所以需要更高数量级的脉冲能量才能获得与2P激发的相同强度的荧光信号。功能性3P显微镜比结构性3P显微镜的要求更高,它需要更快速的扫描,以便及时采样神经元活动;需要更高的脉冲能量,以便在每个像素停留时间内收集足够的信号。复杂的行为通常涉及到大型的大脑神经网络,该网络既具有局部的连接又具有远程的连接。要想将神经元活动与行为联系起来,需要同时监控非常庞大且分布普遍的神经元的活动,大脑中的神经网络会在几十毫秒内处理传入的刺激,要想了解这种快速的神经元动力学,就需要MPM具备对神经元进行快速成像的能力。快速MPM方法可分为单束扫描技术和多束扫描技术。未来国产多光子激光扫描显微镜替代空间大。
某种物质能产生荧光,首要条件是分子必须具有吸收的结构,即生色团(分子中具有吸收特征频率的光能的基团)。其次,该物质必须具有一定的量子产率和适宣的环境。我们把分子中发射荧光的基团称为荧光团。荧光团一定是生色团,但生色团不一定是荧光团。因为,如果生色团的量子产率等于零,就不能发射出荧光,处于激发态的分子,可以由许多方式(如热,碰撞)把能量释放出来,发射荧光只是其中的一种方式。此外,一种物质吸收光的能力及量子产率又与物质所处的环境密切相关。显微镜简史:从光到多光子显微镜。美国在体多光子显微镜研究
多光子显微镜可以更好的了解神经信号之间复杂动态的编码过程。美国在体多光子显微镜研究
作为一个多学科交叉、知识密集、资金密集的高技术产业,多光子显微镜涉及医学、生物学、化学、物理学、电子学、工程学等学科,生产工艺相对复杂,进入门槛较高,是衡量一个国家制造业和高科技发展水平的重要标准之一。过去的5年,多光子显微镜市场集中,由于投产生产的成本较高,技术难度大,目前涌现的新企业不多。显微镜作为一个传统的高科技行业,其作用至今没有被其他技术颠覆,只是不断融合并发展相关技术,在医疗和其他精密检测领域发挥着更大的作用。显微镜的商业化发展已进入成熟期,主要需求来自教学、生命科学的研究及精密检测等,全球市场呈现平缓的增长态势。然而,显微镜产品(如多光子显微镜、电子显微镜)正拉动市场需求,多光子显微镜市场发展潜力巨大。美国在体多光子显微镜研究