Преимущества применения sCMOS-камеры Aries 6504 в Тусене |

Обзор

Современная нейронаука опирается на способность регистрировать нейронную и сетевую активность в миллисекундном масштабе времени с достаточным временным разрешением, пространственным разрешением и отношением сигнал/шум. Будь то визуализация кальция, визуализация напряжения, оптогенетически связанная визуализация, многофотонная визуализация глубоких тканей или свободно перемещающиеся препараты in vivo, исследователи сталкиваются с одними и теми же проблемами: нейронные сигналы быстрые и имеют низкую амплитуду, а требуемое окно визуализации часто широкое и сложное. В этих экспериментальных конфигурациях потолок производительности часто устанавливается детектором в конце сигнальной цепи.

За последнее десятилетие технология sCMOS продемонстрировала значительные возможности в обработке слабых и сложных нейронных сигналов благодаря высокой чувствительности и большому полю зрения. В то же время она выявила новые узкие места в производительности и еще больше расширила спрос на детекторы следующего поколения.

Потребность в высокоэффективных детекторах изображений в нейробиологии продолжает расти.

Преимущества применения sCMOS-камеры Aries 6504 в нейробиологической визуализации.

ОнОвен 6504Это камера нового поколения от Tucsen с задней подсветкой на основе sCMOS-матрицы. Основываясь на классических характеристиках платформы sCMOS с пикселями 6,5 мкм предыдущего поколения — с пиковой квантовой эффективностью 95%, разрешением 4 мегапикселя и высоким динамическим диапазоном — камера обеспечивает существенное улучшение по трем основным показателям производительности: шуму считывания, частоте кадров и темновой току. Эти достижения позволяют получать более точные данные для высокоскоростной динамической нейробиологической визуализации.

300 кадров в секунду при разрешении 4,2 МП — в 3 раза выше частоты кадров.

Обеспечение высокоскоростной визуализации напряжения и кальция в широком поле зрения.

Гистограмма, сравнивающая работу классической sCMOS-матрицы при 100 кадрах в секунду и Aries 6504 при 300 кадрах в секунду, обе с разрешением 4,2 МП.

Хотя современные sCMOS-сенсоры преодолевают присущие технологиям CCD/EMCCD компромиссы между скоростью и шумом, запись сверхбыстрой и кратковременной нейронной активности — такой как эпилептиформные вспышки, высокочастотные колебания или синхронная активность — по-прежнему часто требует обрезки области интереса (ROI), заставляя исследователей жертвовать полем зрения ради достижения более высокой частоты кадров. Это остается проблемой для частот дискретизации от сотен до >1000 Гц. Кроме того, генетически закодированные индикаторы напряжения обычно демонстрируют ΔF/F <10% и миллисекундную кинетику, что требует одновременно высокой скорости и низкого уровня шума.

Камера Aries 6504 обеспечивает 300 кадров в секунду при полном разрешении 4,2 мегапикселя, что в 3 раза превышает показатели камер BSI sCMOS предыдущего поколения. Это значительно расширяет возможности получения изображений с высокой частотой кадров и большим полем зрения. Улучшение повышает способность фиксировать быструю активность в масштабах нейронных сетей и способствует переходу крупномасштабной визуализации напряжения от исследовательских задач к рутинному применению. Высокая частота кадров также снижает временную неопределенность в быстрых индикаторах кальция (например, jGCaMP8f), повышая точность определения спайков.

Рисунок 1: Визуализация напряжения (только для справки).

От технически осуществимой до практически применимой высокоскоростной визуализации.

Камера Aries 6504 обеспечивает 300 кадров в секунду при полном разрешении 4,2 МП, что в три раза превышает показатели предыдущего поколения камер sCMOS с задней подсветкой.

Этот прогресс существенно расширяет верхний предел «высокая частота кадров × большое поле зрения«Режим визуализации. Он улучшает способность фиксировать крупномасштабные, быстро развивающиеся сигналы нейронных сетей иобеспечивает техническую основу для перехода от лабораторных демонстраций широкопольной визуализации напряжения к практическим исследовательским приложениям.

0,43 e⁻ Шум считывания — снижение на 60%

Количественная оценка нейронных сигналов глубоких тканей и низкой амплитуды.

Гистограмма, сравнивающая классический sCMOS с энтальпией 1,1 e− и Aries 6504 с энтальпией 0,43 e−.

Рассеяние в глубоких тканях, быстрая динамика напряжения и изначально низкий уровень сигнала некоторых индикаторов напряжения делают визуализацию слабых сигналов особенно сложной задачей. Во многих случаях слабые сигналы находятся на уровне шума, что ограничивает как видимость, так и количественную точность.

Рисунок 2: Изображение кальция (только для справки).

Детектор Aries 6504 снижает уровень шума считывания до 0,43 e⁻, что примерно на 60% меньше, чем у предыдущей модели, обеспечивая чувствительность инженерного уровня, приближающуюся к режиму одиночных фотонов. Это расширяет нижний предел обнаруживаемых сигналов и повышает стабильность и количественную надежность, позволяя перейти от «редко видимых» к «стабильно количественно измеримым» глубоким и слабым сигнальным изображениям. В этих условиях визуализация в основном ограничивается биологическим сигналом, а не шумом детектора.

0,01 e⁻/пиксель/с Темновой ток — уменьшение в 50 раз

Улучшена возможность проведения исследований с длительной экспозицией и продолжительностью съемки.

Гистограмма, сравнивающая Classic sCMOS с показателем 0,5 e⁻/p/s и Aries 6504 с показателем 0,01 e⁻/p/s при −20°C.

В нейробиологии in vivo темновой ток является ключевым фактором, влияющим на качество длительной экспозиции и стабильность записи в течение длительного времени. В ходе продолжительных экспериментов повышенный темновой ток способствует дрейфу базовой линии и снижению количественной согласованности.

Прижизненная нейровизуализация представлена только для справки.

Рисунок 3: нейровизуализация in vivo (только для справки).

Благодаря снижению темнового тока до 0,01 e⁻/пиксель/с при –20 °C, Aries 6504 обеспечивает 50-кратное улучшение по сравнению с предыдущим поколением. Это существенно повышает качество длительной выдержки и гарантирует стабильность изображения при продолжительной записи. Снижение темнового тока также позволяет использовать более низкие интенсивности возбуждающего света, минимизируя фототоксичность и фотообесцвечивание — что крайне важно для чувствительных биологических моделей и деликатных экспериментальных условий.

Заключение

За последнее десятилетие технология sCMOS не только изменила масштаб, в котором можно решать исследовательские задачи, но и переосмыслила экспериментальный дизайн, а также углубила наше понимание того, как функционирует мозг.

Мы ожидаем появления Aries 6504 — модели следующего поколения с задней подсветкой.sCMOS-камерадля дальнейшего продвижения по этой траектории — работая в сотрудничестве с новыми подходами, такими как адаптивная оптика, новые флуоресцентные зонды и вычислительные методы визуализации (включая реконструкцию на основе глубокого обученияВместе эти разработки могут помочь приблизить нейронауку к ее давней цели: наблюдению за живым мозгом в режиме реального времени, на уровне всей системы и клеток.

Если вам нужна дополнительная информация о модели Aries 6504 или вы хотите обсудить ее пригодность для ваших задач, пожалуйста, свяжитесь с нами.связаться с нами.

Для более подробного технического анализа камеры Aries 6504 обратитесь к предварительному информационному бюллетеню о продукте под названием «Компания Tucsen анонсировала камеру sCMOS следующего поколения, обеспечивающую скорость съемки до 300 кадров в секунду и снижение шума считывания до низкого уровня в 0,43 электрона.”