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(shì)，可以深入了解大腦功能的特定方面，但也存在缺點(diǎn)。將不同的成像技術(shù)結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)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(shí)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(dòng)。產(chǎn)生的信號(hào)構(gòu)成了細(xì)胞類型特異性的活性測(cè)量，因?yàn)镃a2+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(hào)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(duì)神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行侵入性操作，限制了其在動(dòng)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(hào)的高空間和時(shí)間分辨率使這種方法在研究大腦功能時(shí)可以提供信息。

fMRI提供了一種全腦覆蓋的人類和動(dòng)物活動(dòng)的非侵入性測(cè)量。然而，fMRI的空間和時(shí)間分辨率相對(duì)較低，并且依賴于通過血氧水平（BOLD）對(duì)比機(jī)制間接和不加區(qū)分的活動(dòng)指數(shù)。BOLD信號(hào)具有間接和非特異性性質(zhì)，跨物種的神經(jīng)活動(dòng)和BOLD信號(hào)的變化之間存在明顯的關(guān)系。盡管BOLD信號(hào)很復(fù)雜，但全腦覆蓋、內(nèi)在對(duì)比度以及在動(dòng)物和人類中進(jìn)行測(cè)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(hào)的細(xì)胞起源將對(duì)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(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(cè)試了基于gamma變量擬合的卷積模型并表明可以從同時(shí)記錄的Ca2+預(yù)測(cè)自發(fā)BOLD活動(dòng)的三分之一來自興奮性神經(jīng)元的信號(hào)。我們發(fā)現(xiàn)整個(gè)皮層的預(yù)測(cè)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(dòng)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(yàn)證，如用fMRI測(cè)量。最后，我們展示了源自興奮性神經(jīng)元中Ca2+活動(dòng)的連接強(qiáng)度與BOLD信號(hào)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(dòng)引起的?？傊@些結(jié)果支持我們的方法將細(xì)胞特異性活動(dòng)與通過BOLD活動(dòng)測(cè)量的信號(hào)相關(guān)聯(lián)的觀點(diǎn)。

組件由玻璃或塑料組成。在實(shí)驗(yàn)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(gè)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(zhǎng)14.5×14.5mm2橫截面相干光纖束將發(fā)射光傳輸?shù)酵粋€(gè)相鄰房間其中Ca2+成像數(shù)據(jù)使用sCMOS相機(jī)記錄。附加的GFP發(fā)射濾波器放置在光纖束和由兩個(gè)光學(xué)擴(kuò)展器連接的相機(jī)之間。

SPECTRAX是虹科LUMENCOR固態(tài)光源中最強(qiáng)大和最全面的設(shè)計(jì)。最終用戶能夠在這款固態(tài)光源中更換單個(gè)帶通濾光片。Lumencor保留了冷卻、穩(wěn)定、堅(jiān)固、光譜純正、功能強(qiáng)大的輸出性能；由于濾光片可直接更換，這為個(gè)人用戶、核心設(shè)施和原始設(shè)備制造商提供了一個(gè)可適應(yīng)的固態(tài)激勵(lì)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(dòng)部件。SPECTRAX固態(tài)光源提供六個(gè)固態(tài)光源，在整個(gè)可見光譜中產(chǎn)生七個(gè)色帶（紫、藍(lán)、青、茶色、綠、黃、紅）的輸出。購買時(shí)還包括一套七個(gè)濾光片，每個(gè)色帶一個(gè)。

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