多光子顯微鏡探究斑馬魚的社會(huì)行為

圖 1：多倫多大學(xué)所用多光子顯微鏡系統(tǒng)中包括可調(diào)諧 激光器 (Coherent Discovery) 和固定波長激光器 (Coherent Axon)，可節(jié)省寶貴的平臺(tái)空間，同時(shí)改善成像靈活性。 照片由多倫多大學(xué)的 Neil Merovitch 提供。

挑戰(zhàn)

多倫多大學(xué)兒童醫(yī)院的博士生 Neil Merovitch 是一位神經(jīng)科學(xué)研究員，從事此工作的部分原因是他曾患有肌張力障礙，這是一種運(yùn)動(dòng)障礙。 他說：“我目前的研究重點(diǎn)是斑馬魚的社會(huì)行為。斑馬魚是一種研究神經(jīng)科學(xué)的生物模型，因?yàn)樗鼈兊纳窠?jīng)系統(tǒng)很簡單，并且遺傳特性與人類相似。 我正在與同事合作研究參與社會(huì)識(shí)別的特定大腦區(qū)域，以及在此過程中大腦中的聯(lián)系是如何加強(qiáng)或削弱的?！?他解釋說，其中一些研究使用了 Cofilin 這種過度表達(dá)蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)基因斑馬魚，這種蛋白質(zhì)已知在大腦連接的形成和修改中起重要作用。 這種蛋白質(zhì)與綠色熒光蛋白 (GFP) 融合后，就能夠用熒光顯微鏡觀察到。 簡單來說，Neil 想使用 GFP 報(bào)告基因來描繪與社會(huì)記憶相關(guān)的連接的變化。 這些記憶是在社交互動(dòng)過程中形成的，例如，區(qū)分新來的和熟悉的斑馬魚。 在相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，使用了比 GFP 波長更長的熒光報(bào)告基因。

解決方案

Neil 一直與研究技術(shù)人員 Georgiana Forguson 和 Daphne Tam 合作，并擁有非常合適的研究工具： 配備兩臺(tái)相干公司激光器的先進(jìn)多光子顯微鏡。 其中一臺(tái)是920 nm固定波長的Axon激光器，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的 GFP 雙光子激發(fā);另一個(gè)是波長可調(diào)諧的 Chameleon Discovery NX，同時(shí)具有額外的 1040 nm 固定輸出波長。這兩個(gè)激光器互相配合，即使紅色熒光報(bào)告分子在雙光子激發(fā)下所需的長波長下也能提供充足的功率。 兩臺(tái)激光器都包含集成的全功率控制 (TPC) 功能，可對(duì)激光功率進(jìn)行快速控制，以簡化更深層次的成像以及在快速掃描期間實(shí)現(xiàn)消隱。

Neil 認(rèn)為，除了光學(xué)性能(例如波長調(diào)諧和功率)之外，Axon 和 Discovery 的 TPC 功能是在此類實(shí)時(shí)成像中的主要優(yōu)勢之一。 他還指出，與相干公司簽訂替換服務(wù)合同意義重大，“如果我們?cè)谑褂萌魏我慌_(tái)激光器時(shí)遇到任何問題，相干公司將立即向我們提供替換機(jī)，這樣基本上沒有停機(jī)時(shí)間，我們非常安心?！?/p>

圖 2：成年斑馬魚前腦的代表性圖像。 轉(zhuǎn)基因神經(jīng)元過度表達(dá)蛋白 Cofilin(與 GFP 融合)，目前已知這種蛋白在高濃度下會(huì)形成桿狀結(jié)構(gòu)。 GFP 在 940nm 波長下激發(fā)。 激發(fā)源： Chameleon Discovery TPC。 圖像是最大強(qiáng)度投影 z 堆棧(23 個(gè)切片，每個(gè) 2um)，按深度進(jìn)行顏色編碼。 圖片由多倫多大學(xué)的 Neil Merovitch 提供。

結(jié)果

截至 2022 年，Neil 報(bào)告說他已經(jīng)在收集和分析使用這種多功能顯微鏡獲得的新數(shù)據(jù) — 請(qǐng)參見下圖中的示例。 他說：“這項(xiàng)工作有望幫助我們更全面地了解社會(huì)記憶缺陷的神經(jīng)學(xué)基礎(chǔ)，一些患有神經(jīng)發(fā)育和智力障礙的個(gè)體就存在這種問題。 我的目標(biāo)是，這項(xiàng)工作有朝一日可以幫助其他人，就像對(duì)肌張力障礙的研究幫助了我一樣。”

審核編輯 黃宇