[发明专利]使用多路复用的扫描时间聚焦的高速深部组织成像系统

说明书

一种组织成像系统，包括：用于输出激光脉冲的激光模块、配置为将从激光模块接收的激光脉冲分成多个时间延迟的子脉冲的光学延迟模块、用于将子脉冲从光学延迟模块传送到目标体积的望远镜、和配置为响应于由第一子脉冲和第二子脉冲激发目标体积而收集在目标体积内产生的光子的光电探测器。所述系统还可以包括空间多路复用模块，空间多路复用模块配置为从光学延迟模块接收时间多路复用的激光脉冲，并将时间多路复用的激光脉冲分成包括第一子光束和第二子光束的多个子光束，其中，第一子光束和第二子光束相对于在目标体积内的第一深度处形成的第一图像平面在空间上分离，以及相对于在目标体积内的第二深度处形成的第二图像平面在空间上分离。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年10月30日递交的美国临时申请No.62/414,788的优先权，出于所有的目的，将上述申请的说明书以其整体并入本文。

背景技术

现代神经科学的主要目标是了解神经网络如何执行认知相关的功能。为了实现该目标，同时和独立地记录(为甚至最简单的神经网络的构成块的)大神经元的活动是有用的。然而，由于可用的工具和技术的缺点，这项任务受到了阻碍。

一种光学显微镜通过几乎同时记录啮齿类动物大脑中成千上万个神经元的活动来解决这个问题，从而在理解哺乳类动物大脑中信息处理(包括在人脑的各种健康状态和病理状态期间的信息处理)的基本原理上取得重大飞跃。

所述显微镜使用了多路复用的扫描时间聚焦(Multiplexed Scanned TemporalFocusing，MuST)策略与具有优化脉冲特性的激光系统相结合。MuST是变革性的技术，其将局部微电路桥接到完整皮层网络的水平。然而，对于大皮层体积执行无偏差功能成像仍然是一个挑战，所述大皮层体积例如大于500(微米(μm))×500μm×500μm、具有单细胞分辨率和生理的时间尺度(例如，快于5Hz)。

哺乳类动物皮层中的神经网络活动支持复杂的脑功能(诸如感官知觉、运动行为的产生或记忆形成)。为了理解该过程，有必要以高时空分辨率记录理想地包括功能皮层网络的大皮层体积内的所有神经元。在过去的十年中，双光子显微镜(two-photon scanningmicroscopy，2PM)和基因编码的钙指示剂(genetically encoded calcium indicators，GECI)的组合已出现作为神经元活动的光学读数不可或缺的工具。GECI的变型(诸如GCaMP)广泛用于有效且细胞类型特定的神经元的标记以及细胞内钙水平(神经活动的代表)变化的敏感光学记录。然而，传统的双光子扫描显微镜中的机械和光学约束已严重限制了可以捕获神经网络动态的有效体积视场(volumetric field-of-view，V-FOV)和时间分辨率。

双光子扫描显微镜具有几乎衍射极限的光学分辨率、极好的信噪比，并且重要的是，与基于单光子激发的其它高速体积成像方法相比，提高了深度穿透。然而，这些优点的代价是衍射极限激发光斑必须在侧向平面中并沿着轴向方向扫描，以便捕获体积图像，从而导致低的时间分辨率。已知的衍射极限双光子扫描方法具有不同的性能。具体地，假设一典型的350μm×350μm或512像素×512像素的平面，具有1kHz(kilohertz，千赫兹)的扫描频率的标准检流计点扫描(galvanometric point-scanning)产生用于双向扫描的大约4Hz(Hertz，赫兹)的帧速率(也可以称为成像系统的“时间分辨率”)。