„Aries 6504 sCMOS“ kameros taikymo pranašumai

Apžvalga

Šiuolaikinė neuromokslo sritis remiasi gebėjimu užfiksuoti neuronų ir tinklo aktyvumą milisekundžių laiko intervalais, turint pakankamą laiko ir erdvinę skiriamąją gebą bei signalo ir triukšmo santykį. Nesvarbu, ar tai būtų kalcio vaizdinimas, įtampos vaizdinimas, optogenetiškai susietas vaizdinimas, daugiafotonis giliųjų audinių vaizdinimas ar laisvai judantys in vivo preparatai, tyrėjai susiduria su tais pačiais iššūkiais: neuroniniai signalai yra greiti ir mažos amplitudės, o reikalingas vaizdavimo langas dažnai yra platus ir sudėtingas. Šiose eksperimentinėse konfigūracijose našumo ribas dažnai nustato detektorius signalo grandinės gale.

Per pastarąjį dešimtmetį sCMOS technologija pademonstravo didelį gebėjimą apdoroti silpnus ir sudėtingus neuroninius signalus dėl didelio jautrumo ir plataus matymo lauko. Tuo pačiu metu ji atskleidė naujus našumo trūkumus ir dar labiau padidino naujos kartos detektorių paklausą.

Neuromokslų srityje vis labiau auga poreikis našesniems vaizdo gavimo detektoriams.

„Aries 6504 sCMOS“ kameros taikymo pranašumai neurologijos vaizdavimui

TheAvinas 6504yra „Tucsen“ naujos kartos galinio apšvietimo sCMOS kamera. Remiantis ankstesnės kartos 6,5 μm pikselių sCMOS platformos klasikiniu našumu – 95 % didžiausiu kvantiniu efektyvumu, 4 megapikselių skiriamąja geba ir dideliu dinaminiu diapazonu – kamera pasižymi žymiais patobulinimais trijuose pagrindiniuose našumo rodikliuose: skaitymo triukšme, kadrų dažnyje ir tamsiojoje srovėje. Šie patobulinimai leidžia pasiekti didesnį tikslumą greitam, dinamiškam neuromoksliniam vaizdavimui.

300 kadrų per sekundę @ 4,2 MP pilna raiška – 3 kartus didesnis kadrų dažnis

Didelės spartos įtampos ir kalcio vaizdavimo įgalinimas dideliuose matymo laukuose

Stulpelinė diagrama, kurioje lyginamas klasikinis sCMOS esant 100 kadrų per sekundę greičiui su „Aries 6504“ esant 300 kadrų per sekundę greičiui, abu esant 4,2 MP raiškai.

Nors šiuolaikiniai sCMOS jutikliai įveikia CCD/EMCCD technologijoms būdingus greičio ir triukšmo kompromisus, itin greito ir trumpalaikio neuroninio aktyvumo, pvz., epileptiforminių pliūpsnių, aukšto dažnio svyravimų ar sinchroninio sužadinimo, įrašymas vis dar dažnai reikalauja ROI apkarpymo, todėl tyrėjai yra priversti aukoti matymo lauką, kad pasiektų didesnį kadrų dažnį. Tai išlieka iššūkiu, kai diskretizavimo dažniai yra nuo šimtų iki >1000 Hz. Be to, genetiškai užkoduoti įtampos indikatoriai paprastai pasižymi <10 % ΔF/F ir milisekundžių kinetika, todėl vienu metu reikia didelio greičio ir mažo triukšmo.

„Aries 6504“ pasiekia 300 kadrų per sekundę greitį ir 4,2 megapikselių pilną raišką, tai yra 3 kartus daugiau nei ankstesnės kartos BSI sCMOS kameros. Tai žymiai išplečia „didelio kadrų dažnio × didelio matymo lauko“ vaizdavimo veikimo ribas. Šis patobulinimas padidina galimybę užfiksuoti greitą tinklo masto aktyvumą ir palaiko didelio masto įtampos vaizdavimo perėjimą iš tiriamųjų tyrimų į įprastinį taikymą. Didelis kadrų dažnis taip pat sumažina laiko neapibrėžtumą greituose kalcio indikatoriuose (pvz., jGCaMP8f), pagerindamas smaigalių išvadų tikslumą.

1 pav.: Įtampos vaizdavimas tik informaciniais tikslais

Nuo techniškai įmanomo iki praktiškai naudojamo didelės spartos vaizdo gavimo

„Aries 6504“ pasiekia 300 kadrų per sekundę greitį ir pilną 4,2 MP raišką, o tai yra tris kartus daugiau, palyginti su ankstesnės kartos galinio apšvietimo sCMOS kameromis.

Šis žingsnis reikšmingai išplečia viršutinę „didelis kadrų dažnis × platus matymo laukas„vaizdavimo režimas. Jis pagerina gebėjimą užfiksuoti didelio masto, sparčiai besivystančius neuronų tinklo signalus irsuteikia techninį pagrindą plataus lauko įtampos vaizdavimui perkelti iš laboratorinių demonstracijų į praktinius tyrimų taikymus.

0,43 e⁻ skaitymo triukšmas – 60 % mažesnis

Giliųjų audinių ir mažos amplitudės neuroninių signalų kiekybinis įvertinimas

Stulpelinė diagrama, kurioje lyginamas klasikinis sCMOS su 1,1 e− ir „Aries 6504“ su 0,43 e−.

Giliųjų audinių sklaida, greita įtampos dinamika ir kai kurių įtampos indikatorių būdingas žemas signalo lygis ypač apsunkina silpnų signalų vaizdavimą. Daugeliu atvejų silpni signalai yra triukšmo pagrindiniame lygmenyje, todėl ribojamas matomumas ir kiekybinis tikslumas.

2 pav.: Kalcio vaizdinimas tik informaciniais tikslais

„Aries 6504“ sumažina skaitymo triukšmą iki 0,43 e⁻, maždaug 60 % mažiau nei ankstesnis modelis, ir pasiekia inžinerinio lygio jautrumą, artėjantį prie vieno fotono režimo. Tai praplečia aptinkamų signalų apatinę ribą ir padidina stabilumą bei kiekybinį patikimumą, suteikdama galimybę pereiti nuo „kartais matomo“ prie „nuosekliai kiekybiškai įvertinamo“ gilaus ir silpno signalo vaizdavimo. Tokiomis sąlygomis vaizdavimą pirmiausia riboja biologinis signalas, o ne detektoriaus triukšmas.

0,01 e⁻/pikselio/s Tamsioji srovė — 50 kartų sumažinimas

Patobulintas ilgalaikio poveikio ir ilgalaikio vaizdavimo įgyvendinamumas

Stulpelinė diagrama, kurioje lyginamas klasikinis sCMOS esant 0,5 e⁻/p/s ir „Aries 6504“ esant 0,01 e⁻/p/s esant −20 °C.

In vivo neurologijoje tamsioji srovė yra pagrindinis veiksnys, turintis įtakos ilgo išlaikymo kokybei ir ilgalaikio įrašymo stabilumui. Ilgų eksperimentų metu padidėjusi tamsioji srovė prisideda prie bazinės linijos poslinkio ir sumažina kiekybinį nuoseklumą.

3 pav.: in vivo neurologijos vaizdinimas tik informaciniais tikslais.

Sumažinus tamsiąją srovę iki 0,01 e⁻/pikselio/s esant –20 °C temperatūrai, „Aries 6504“ pasižymi 50 kartų geresniu vaizdu, palyginti su ankstesne karta. Tai žymiai pagerina ilgo išlaikymo charakteristikas ir užtikrina vaizdo nuoseklumą ilgalaikių įrašų metu. Sumažinta tamsioji srovė taip pat leidžia sumažinti sužadinimo šviesos intensyvumą, sumažinant fototoksiškumą ir fotobalinimą – tai itin svarbu jautriems biologiniams modeliams ir subtilioms eksperimentinėms sąlygoms.

Išvada

Per pastarąjį dešimtmetį sCMOS technologija ne tik pakeitė tyrimų klausimų sprendimo mastą, bet ir pertvarkė eksperimentinį dizainą bei pagilino mūsų supratimą apie tai, kaip veikia smegenys.

Tikimės, kad „Aries 6504“, kaip naujos kartos galinio apšvietimosCMOS kamera, toliau plėtojant šią trajektoriją – bendradarbiaujant su naujais metodais, tokiais kaip adaptyvioji optika, nauji fluorescenciniai zondai ir skaičiavimo vaizdavimo metodai (įskaitant giliuoju mokymusi pagrįstą rekonstrukciją). Kartu šie pokyčiai gali padėti neurologijos mokslui priartėti prie jo ilgalaikio siekio: gyvų smegenų stebėjimo realiuoju laiku, visos sistemos, ląstelių lygmeniu.

Jei norėtumėte gauti daugiau informacijos apie „Aries 6504“ arba aptarti jo tinkamumą jūsų reikmėms, nedvejodami kreipkitėssusisiekite su mumis.

Išsamesnę „Aries 6504“ kameros techninę analizę rasite produkto išankstiniame biuletenyje pavadinimu „„Tucsen“ pristato naujos kartos sCMOS kamerą, kuri padidina skaitymo greitį iki 300 kadrų per sekundę ir sumažina skaitymo triukšmą iki 0,43 elektrono.„

„Tucsen Photonics Co., Ltd.“ Visos teisės saugomos. Cituojant prašome nurodyti šaltinį:www.tucsen.com