小鼠喉镜

优势● iMScope QT可测量的最大范围超过100万像素，能够进行大面积样本分析，例如在一次检测中对小鼠大脑全切片进行分析。● iMScope QT的分析速度比前一代产品快8倍以上，能够进行快速分析。● iMScope QT具有高质量准确度、分辨率及高空间分辨率，能够进行精确质谱成像分析。 概述质谱成像技术可以通过质谱仪直接检测生物分子和代谢物，同时保留其在样本组织上的位置信息，因此，可以生成不同生物分子基于特定离子信号强度和位置信息的二维质谱图像。iMScope成像质谱显微镜是用于质谱成像分析的整合型仪器，结合了光学显微镜和质谱仪，能够分析物质的结构和分布特征，拓展了药物研发和代谢物研究等领域的范围。通过将MALDI转换成LC和ESI系统，iMScope还可用于LC-MS定性及定量分析。本文将介绍配备Q-TOF质谱仪的新型iMScope QT（图1），并与前一代iMScope TRIO设备进行比较。图1 iMScope QT 小鼠全脑切片分析前一代iMScope TRIO设备的最大可测量范围是250 × 250像素。在iMScope QT中，可测量范围已扩展至1024 × 1024像素，能够以15 μm的空间分辨率分析小鼠全脑切片（约17mm × 9.4 mm）。根据表1条件进行检测，可在m/z 885.557处获得磷脂酰肌醇PI (38:4)，并在m/z 888.631处获得硫苷脂(C24:1)的清晰质谱图像（图2）。 此外，由于iMScope QT的最大激光频率为20 kHz，分析速度比iMScope TRIO快8倍以上。结果显示完成图2所示的小鼠全脑切片（702624 pix）质谱成像分析仅需6小时。 表1 分析条件图2 小鼠全脑切片的质谱成像结果（空间分辨率：15 μm） 小鼠小脑的高空间分辨率分析对小鼠小脑附近的区域进行高空间分辨率质谱成像分析，如图2（a）中红色部分所示。根据表1中的分析条件，空间分辨率为5 μm。如图所示，可在m/z 885.557处获得 PI (38:4)、在m/z 888.631处获得硫苷脂(C24:1)，检测到更清晰更详细的质谱图像（图3(b)和(d)）。 此外，由于iMScope QT的质量准确度和分辨率较高，能够分离和检测PI (38:4)的同位素（m/z 888.573）和硫苷脂(C24 :1)（m/z 888.631），并能提取每种同位素的质谱图像（图3(c)和3(d)）。而iMScope TRIO则无法获得以上结果。 图3 小鼠小脑的光学图像和质谱图像（空间分辨率：5 μm） (a) 光学图像(b) PI (38:4)的质谱图像，m/z 885.557(c) PI (38:4)同位素的质谱图像，m/z 888.573(d) 硫苷脂(C24:1)的质谱图像，m/z 888.631 结论与iMScope TRIO相比，iMScope QT的分析范围更广，分析速度更快，可实现更广泛的快速成像分析。此外，随着检测准确度和分辨率的提高，能够对各种目标化合物进行高精确度、高特异性的质谱成像分析。 iMScope QT不仅整合了质谱和形态学分析，而且能够在更广泛的领域实现更快速、更灵敏以及更高的空间分辨率的检测。 本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

简介作为一种成像技术，磁共振成像（MRI）广泛应用于日常临床诊疗中。为了在检查过程中增强对比度，可以使用几种不同的造影剂。由于五个或七个不成对电子具有出色的顺磁性，因此最常使用Fe3+、Mn2+或Gd3+。因游离形态的Gd3+具有毒性，此探针与氨基羧酸一起作为复合物给药。大多数钆造影剂（GBCA）是全身分布的，一些靶向特异性GBCA也正在研究中。图1 Gadofluorine P的结构Gadofluorine P是一种靶向造影剂，对富含胶原蛋白的细胞外基质（ECM）具有高亲和性，ECM在发生心肌梗塞（MI）时分泌。多模式生物成像技术能够可视化靶向造影剂的分布。使用激光剥蚀与电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）以高空间分辨率在元素水平上生成定量图像，而基质辅助激光解吸电离质谱（MALDI-MS）用于在分子水平上验证研究结果，提供更多分布信息，例如磷脂或血红素b的分布。材料和方法动物实验此项动物实验在明斯特大学医院临床放射学研究所Moritz Wildgruber教授的研究小组进行。使用诱导心肌梗塞六周的小鼠，注射照影剂Gadofluorine P后进行MRI检查。小鼠被处死后，取出心脏并快速冷冻。用冷冻切片机制备厚度为10μm的切片。标准品制备对于LA-ICP-MS分析，用明胶制备基体匹配标准品，用于外标 校正。明胶（10%w/w）添加9种不同浓度，范围为0至5000 μg/g Gd。另制备了厚度为10μm的标准品切片。样品制备对于MALDI-MS成像分析，将切片放置于氧化铟锡（ITO）涂层的载玻片上。先用升华法涂敷α-氰基-4-羟基肉桂酸（CHCA）至组织表面，然后用500μl水和50μl甲醇混合溶液喷雾于组织表面2.5分钟进行再结晶。分析条件对于LA-ICP-MS分析，使用Tygon管，将ICPMS-2030与激光剥蚀系统LSX-213 G2+（Teledyne CETAC）连接，此系统配有HelEX II池和波长为213nm的Nd-YAG激光。氦气用于剥蚀池的冲洗和传输。ICP-MS 2030配有镍采样锥和截取锥。在碰撞模式下，31P、57Fe、66Zn、158Gd和160Gd的积分时间为100ms条件下进行测量。每种标准品的标准曲线使用了10个浓度水平进行分析，并且同样的条件下分析了样品（表1）。表1 LA-ICP-MS的实验条件MALDI-MS分析使用了配有离子阱-飞行时间（IT-TOF）质谱分析仪iMScope TRIO。选择正离子模式，质量范围为m/z 700到1200。其他实验条件列于表2中。基质使用iMLayer升华20分钟。表2 MALDI-MS的实验条件结果LA-ICP-MS用基体匹配标准品进行的外标法定量分析结果显示，在高达5000μg/g的浓度范围内存在良好的线性关系，相关系数R2为0.997。采用15μm光斑尺寸时，基于158Gd的检测限（LOD）为43ng/g Gd，定量限（LOQ）为140ng/g Gd（根据Boumans[1]算出）。图2 小鼠心脏组织切片的H&E染色图2所示为连续切片的苏木精伊红染色结果，检测出心肌梗塞的区域（以黑线标出）。图3 两个连续切片的显微图像（a.和b.）；经LA-ICP-MS测定的Gd定量分布（c.）；Gadofluorine P的配体分布（d.）；配体结构及理论峰值（青色条）、MALDI-MS测定峰值（黑线）（e.）图3所示为两个连续切片的显微图像（a.和b.）。使用LA-ICP-MS（c.），检测到健康心肌中Gd的均匀分布，平均浓度约为50μg/g。梗塞区的Gd浓度高两倍，约为110μg/g，最高值可达370μg/g。由于静脉注射造影剂的作用，心室中也存在较高浓度的Gd。这些分布可以通过MALDI-MS成像进行验证（d.）。该实验中，只能检测到Gadofluorine P的质子化配体，而不是完整的复合物（e.）。结果显示，主峰m/z 1168.39的质谱成像图与LA-ICP-MS检测的Gd分布具有良好的相关性。在心机梗塞和心室区发现了分子探针的最高强度，而健康心肌则显示出低而均匀的强度。结论 该应用表明，元素选择性（LA-ICP-MS）和分子选择性（MALDI-MS）成像技术的组合是可视化心机梗塞后小鼠心脏组织中靶向钆造影剂分布的有力工具。通过LA-ICP-MS技术实现了高空间分辨率和定量，并通过MALDI-MS在分子水平上验证了其分布。参考文献[1] P.W.J.M.Boumans, Spectrochimica Acta 1991, 46 B, 641-665.文献题目《Gadofluorine P多模式生物成像分析用于小鼠心肌梗塞研究》使用仪器岛津iMScope TRIO作者Rebecca Buchholz1、Fabian Lohofer2、Michael Sperling1,3、Moritz Wildgruber4、Uwe Karst11 明斯特大学无机和分析化学研究所 2 慕尼黑工业大学放射学研究所3 明斯特欧洲物种分析虚拟研究所（EVISA） 4 明斯特大学医院临床放射学研究所声明1、本文不提供文献原文。2、所引用文献仅供读者研究和学习参考，不得用于其他营利性活动。本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

2022年8月，上海科技大学生命科学与技术学院杨扬团队与中国科学院自动化研究所韩华团队合作，在Cell Press细胞出版社期刊Cell Reports上以长文形式发表了题为“Fear memory-associated synaptic and mitochondrial changes revealed by deep learning-based processing of electron microscopy data”的研究论文，该研究通过对恐惧学习小鼠听觉皮层突触的三维电镜重建和大规模比较分析，探究了小鼠听觉皮层中与恐惧记忆相关的神经元突触等亚细胞结构的变化情况，并用模型分析方法揭示了突触连接模式变化引起的信息存储容量的大幅提升。中国科学院自动化研究所刘静助理研究员、上海科技大学生命科学与技术学院漆俊倩博士、中国科学院自动化研究所陈曦研究员和李贞辰博士生为本文的共同第一作者，杨扬研究员、韩华研究员、谢启伟教授为本文的共同通讯作者。大脑中的神经网络由神经元通过复杂的突触连接构成，神经元编码、处理和存储信息从根本上依赖于突触的连接模式以及在此基础之上的协调活动，解析突触的连接模式对理解大脑的结构与功能至关重要。在哺乳类动物大脑中，除了由单个轴突小结（axonal bouton）与单个树突棘（dendritic spine）形成的1-1型连接，即单位点突触连接外，大脑中的突触连接模式还包括由单个轴突小结与多个树突棘形成的1-N型连接，或多个轴突小结与单个树突棘的N-1型连接，统称为多位点突触（multiple-contact synapses，MCS）。此前，已有很多研究通过光学显微镜发现学习记忆可以改变突触的组织结构，由于突触间隙宽度仅有几十纳米（低于一般光学显微镜的衍射极限），因此在光学显微镜下观察突触结构的精细变化非常困难。与此同时，突触三维结构的光学数据获取和分析高度依赖于人工，更是极大限制了突触结构的重建数量和分析规模。为探究学习记忆如何促进突触多位点连接模式的形成及效果，本项研究以经典的听觉条件恐惧学习（auditory fear conditioning）为范式设置了实验组和对照组，基于大规模序列电子显微镜成像技术和深度学习识别模型，实现了电镜图像中多种亚细胞三维结构的自动提取，重构了小鼠听觉皮层135,000个线粒体和160,000个突触。实验组和对照组的大规模对比分析表明，尽管恐惧学习训练没有改变突触的空间密度与空间分布，却特异性地增加了1-N型突触的比例。进一步分析发现，绝大多数1-N型突触中的树突棘来自不同树突主干，并且这种多树突1-N型突触在神经元网络中能够起到信号广播的作用。为了进一步分析多树突1-N型突触的信息编码能力，本项研究建立了基于香农信息熵来计算突触信息存储容量（information storage capacity，ISC）的组合数学模型。在无新增突触的静态网络和包含新增突触的可塑性动态网络两种条件下，分别计算了引入多树突1-N型突触的ISC增量。在静态网络中，引入此类突触只是略微增加了ISC容量，而在动态可塑性网络中，此类突触将信息存储容量显著提高了50%。综上，基于序列电子显微镜成像技术和深度学习计算方法，研究者开发了小鼠听觉皮层亚细胞结构的三维电镜重构算法，自动重建精度可以满足大规模分析的精度需求，有效地节省了人工校验时间消耗，极大提高了分析效率。大规模电镜重构和对比分析结果在亚细胞水平揭示了学习记忆对大脑皮层突触、线粒体的组织结构和连接模式的影响，为类脑计算仿生模型的精确建模提供了结构基础和启发依据。图：（上左）听觉条件恐惧学习的对照组和实验组。（上右）轴突小结与树突棘替换或增加的示意图。（中左）不同突触连接模式的电镜图像及三维重构结果。1-N型突触由单个轴突小结与多个树突棘形成，N-1型突触由多个轴突小结与单个树突棘形成。（中右）不同突触连接模式示意图。绿色：树突；蓝色：轴突。（下左）密集重构揭示绝大多数1-N型突触中的树突棘来自不同树突主干。（下右）无新增突触的静态网络和包含新增突触的可塑性动态网络。该研究获得了国家科技创新2030重大项目、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金、北京市科技计划的经费支持。作者专访Cell Press细胞出版社公众号特别邀请杨扬研究员、刘静博士和韩华研究员代表研究团队接受了专访，请他们为大家进一步详细解读。CellPress：过去也有基于电镜图像重构来探究突触和线粒体的研究报道，有的还完成了更大规模的密集重构。本文的方法和思路与过去的研究有何不同？杨扬研究员：电镜图像的密集重构对运算量的要求很高，工作量极大。而本文所使用的方法可以在不做密集重构的前提下，选择性识别和分割出研究者感兴趣的亚细胞结构，如本文关注的突触、线粒体，也可以推广到其他有特殊结构的细胞器。已有的突触或线粒体的自动重构算法多是像素或体素分割模型，也就是将图像中的像素或体素分类成前景或者背景。本文所使用的region-based卷积神经网络是一种实例分割网络，可端到端的完成目标实例的检测和分割。另外，针对强各向异性的序列电镜数据，本文提出一种2D到3D的重构方法，首先在2D上识别和分割亚细胞结构，随后应用3D连接算法完成3D的重构。这种方式可有效避免直接应用3D卷积神经网络带来的目标尺度在特征空间和图像空间不一致的问题。CellPress：多位点突触是一个新的概念吗？本文对此类突触的研究有何特别之处？杨扬研究员：一个突触前轴突小结与多个突触后树突棘形成的1-N多位点突触，和多个突触前轴突小结与一个突触后树突棘形成的N-1多位点突触，在过去的文献中都有过报道。但限于电镜图像人工识别的效率，过去的工作未能对这种特殊突触进行大规模的定量研究。本文通过基于机器学习的自动识别与重构算法实现了这一突破。此外，连接同一个多位点突触中的多个树突棘是来自同一根树突还是不同树突，代表了两种不同的神经元连接方式：前者仍是1对1的神经元连接，后者则是1个神经元对多个神经元的信息广播。本文通过密集重构，首次对这两类多位点突触进行了区分和定量，并发现后者在大脑皮层中，特别是学习之后占据了绝大多数，提示这种连接可能表征了大脑中突触层面的记忆痕迹。CellPress：人工智能算法在这个研究中发挥着怎样的作用？刘静博士、韩华研究员：近年来，人工智能算法已经深入应用到生命科学领域，加速甚至革新了生物学的研究进程。在连接组（Connectomics）领域，面对海量的高分辨电镜数据，借助人工智能算法绘制神经元的线路图是一个必不可少的环节。在本文中，我们设计了一套深度学习算法工具集，可以自动识别序列电镜图像中神经元、突触以及线粒体并恢复其三维形态。深度学习算法的应用大大提高了识别效率，将人从大量冗余复杂的标注工作中解放出来，加速了研究进程。CellPress：可否用简要的语言解释文中所提及的突触连接静态网络和动态网络，两者最核心的区别是什么？具有何种生物学意义？刘静博士、韩华研究员：突触连接网络是指根据神经元的几何拓扑特征来模拟突触连接模式的一种建模方式。其中，静态模型中仅考虑稳定的突触连接，假设没有新突触的形成或旧突触的消亡，本文使用信息熵定义静态网络的信息存储容量。而动态模型则将突触可塑性引入到网络中，允许新突触的形成，本文使用信息熵的增益表示新突触形成带来的信息存储容量的增加。动态模型通过模拟突触可塑性，与真实的大脑神经网络更为相似。CellPress：您认为该项研究对类脑计算有什么启发吗？刘静博士、韩华研究员：类脑智能（Brain-inspired Intelligence）本身就是通过模仿和借鉴人类神经系统的工作原理以构建新型的计算结构和智能形态。然而，目前人对大脑的生理机制还知之甚少。类脑研究的第一步就是要理解大脑，突触作为神经元连接的桥梁，是大脑中最重要的结构之一。突触的可塑性（synaptic plasticity）被认为与长时程记忆（long-term memory）有关。本文通过恐惧学习实验范式和电镜成像技术，发现了恐惧记忆能促进小鼠听觉皮层中一种特殊的1-N突触连接模式的形成，且这种连接模式大大增强了局部环路的信息编码能力。本研究中发现的这种局部神经环路信息传递模式或许能够作为一种记忆存储模块启发新型的类脑计算模型。作者介绍谢启伟教授谢启伟，北京工业大学现代制造业基地教授研究兴趣、领域：数据挖掘、图像处理和复杂系统智能；应用图像处理、机器学习和深度学习等方法研究基于电镜数据的神经元重建，集中于神经元电镜图像的前处理、超体素分割、图融合后处理等方法的研究，为神经科学提供有力工具，期待从脑的结构中挖掘出智能的本源。韩华研究员韩华，中国科学院自动化所研究员研究兴趣、领域：高通量显微成像技术产生海量影像数据，如何重构数据、分析数据、可视数据等已成为脑科学与类脑研究领域的重大挑战。我们致力于建立我国微观脑图谱的高通量技术体系和自主可控技术平台，持续突破大体块神经组织样品制备、长时程超薄切片连续收集、高通量扫描电镜三维成像、高精度神经结构三维重建等关键技术，开展多个百TB规模的微观脑图谱绘制工程，为构建类脑计算仿真提供生物真实网络和仿生建模依据。杨扬研究员杨扬，上海科技大学生命科学与技术学院助理教授、研究员研究兴趣、领域：以条件恐惧学习和增强式学习为行为范式，使用在体双光子成像、双光子全息光遗传、电镜、电生理等技术，研究与学习记忆相关的神经环路活动性和可塑性，及神经调制系统在其中所起的作用。