光学成像技术在视觉系统中的应用概况.doc

精品论文光学成像技术在视觉系统中的应用概况王之虹1，路方平2，李铁1，王富春1（1. 长春中医药大学针灸推拿学院，长春 130117；52. 长春中医药大学研究生学院，长春 130117） 摘要：文章对光学成像技术进行了分类综述,主要介绍了内源信号光学成像、激光散斑成像、 近红外光成像、激光扫描共聚焦显微镜成像技术的发展历程和在视觉系统研究中的应用进 展。最后，提出了光学成像技术在科学研究中需解决的问题，并阐明了其在生命科学领域发 展的广阔前景。10关键词：内源信号成像技术；激光散斑成像技术；近红外光成像技术；激光扫描共聚焦显微 镜成像技术；视觉皮层；视网膜中图分类号：r77the application profile of optical imaging techniques in the15study of visual systemwang zhihong1, lu fangping2, li tie1, wang fuchun1(1. changchun university of traditional chinese medicine acupuncture and massage college, changchun 130117;2. changchun university of chinese medicine graduate school, changchun 130117)20abstract: the optical imaging technology has achieved great development in neuroscience research, this article have been classified for the optical imaging methods,it introduces the development process of optical imaging based on intrinsic signals techniques, laser speckleimaging techniques, near-infrared spectroscopy techniques ,laser scanning confocal microscope imaging techniques, and their progress of visual systems research. finally, we need to solve the25problem of optical imaging techniques in scientific research and set out the broad prospects for itsdevelopment in the life sciences.keywords: optical imaging based on intrinsic signals; laser speckle imaging; near-infrared spectroscopy; laser scanning confocal microscope; visual cortex; retina300引言光学成像技术在生命科学前沿的研究中具有非常重要的应用前景，作为一种实时、无损、 高时空分辨率的脑功能成像技术，在研究大脑皮层区域功能构筑及其血液动力学响应方面取 得了重大进展。其中对视觉皮层方位柱、眼优势柱，视网膜及其他眼组织的结构和机理的深 入研究提供了有力的方法，并取得了广泛的应用，现将不同的光学成像技术在视觉系统的应35用作简要介绍。1内源信号光学成像技术(optical imaging based on intrinsic signals， iosi) 内源信号光学成像技术（iosi）是一种优越的活体脑功能成像技术，内源信号是指那些由神经元活动所引起的有关物质成分、运动状态的改变而导致组织光学特性的变化在与某些40特定波长的光量子相互作用后得到的光信号，包括:血红蛋白信号、氧合血红蛋白信号、光 散射特征信号。可以对较大范围的皮层区域进行成像，具有数十毫秒的时间分辨和数十微米 的空间分辨，能提供空间取样、时间分辨率及空间分辨率三者的最佳组合1，为研究大脑皮基金项目：国家自然科学基金资助（编号：309738031）；高校博士点专项科研基金资助（20070199001）； 吉林省教育厅科研基金资助（编号：2008-318）作者简介：王之虹，男，(1954-)，吉林省吉林市人，教授，博士研究生导师。e-mail: 357247715- 5 -层的功能构筑提供了有力工具，尤其对视皮质方位功能柱、眼优势柱、空间频率柱等视觉领域取得了重要进展。451986 年 grinvald 等 2首次利用 iosi 在暴露的脑皮层上成功的实现了神经元活动相关成 像的记录，为研究脑皮层功能构筑和血流动力学特征提供了重要手段。初期的内源性光学成 像技术研究主要集中在皮层功能构筑的基本结构上，初级视觉皮层的眼优势柱和 v2 区的 “条纹”结构等，随着实验方法和技术的进步，内源性光学成像被应用于研究初级视觉皮层 中各种柱状亚系统的组织形式3；视网膜拓扑图和其他功能图直接的对应形式。在国内，复50旦大学生命科学院脑科学研究中心和立人实验室在寿天德教授带领下，于 1998 年自行研制 出国内第一套基于内源信号的脑功能光学成像实验系统4，开展了视觉领域的研究，对猫的 大范围初级视皮层方位功能柱和刺激空间频率的关系进行了研究5，并成功的在活体实验动 物猫上显示了视皮质的方位功能柱结构，报道了方位功能图在空间呈现大体镶嵌互补的关系 6。zepeda 等7采用 iosi 观察猫初级视觉皮层发生缺血病变之后视网膜-皮层拓扑关系的功55能重塑，第一次比较全面地研究视觉皮层发生局灶性缺血病变后皮层功能重塑的可能机制。fan rh 等8利用脑内源光学成像研究了代表残存的灵长类动物婴猴（原猴亚目的猴），根 据电极阵列数据的成像结果显示平均空间、时间频率的偏好，和 v1，v2，v3 之间的感受 野尺寸的差异，更加有力证明了视觉皮质区背侧 v3 在灵长类动物中守恒的可能性。2激光散斑衬比成像技术（laser speckle imaging, lsi）60激光散斑衬比成像技术（lsi）就是一种无需扫描的、具备高时空分辨率的、能同时获 得脑血流速度(cerebral blood flow，cbf)等多种生物信息的光学成像技术，广泛地应用于对 脑皮层血流的活体成像中，尤其是各种生理病理动物模型中，然而 lsi 最早应用于对视网膜 血管、血流的检测。2001 年 dunn 等9最早将激光散斑衬比成像技术应用于监测大鼠 cbf，获得具有数十微65米的空间分辨率和毫秒级时间分辨率的相对 cbf 图像。这种联合采用激光散斑成像和电生 理记录的方法，很快被广泛应用于监测不同实验条件下的 cbf 变化。2003 年 cheng 等10 将上述方法进行改进，建立具有更高时空分辨率的激光散斑时间衬比成像技术(1aser speckle temporal contrast analysis，lstca)，改进后的 lsi 不仅具有更高的空间分辨率，还能提供一 些有关小血管的血流灌注信息。时空统计分析激光散斑成像11（temporal-statistical analysis70of laser-speckle image）信号是独立的时间统计，在活体大鼠视网膜检测到较小血管的血流量 和不易受影响的固定斑点物。srienc 等12运用激光散斑血流仪对大鼠视网膜血流量成像 阐 明视网膜功能性出血调节机制和发生在视网膜病变过程中的血流量变化特征，得出毛细血管 对局部神经元活动的无应答和血流动力学反应主要是由小动脉介导的。激光散斑血流成像法 是独特的，非侵入性的可视化后眼底循环活体成像，广泛应用于视网膜，脉络膜和视神经头75血循环的测量，为后眼底循环的临床和科研评估提供了强有力的方法13。3近红外光成像技术(near-infraredspectroscopy, nirs)近红外光成像技术(nirs)为 20 世纪 90 年代出现的一种无创光学成像技术,可以测量在 脑活动时氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白和细胞色素氧化酶等的变化,同时得到与刺激相关的 细胞内和细胞外活动的改变。时间分辨率较高,并具有简便易行、低成本、实时和非侵入性80等特点，在高级认知神经科学和医学等的研究中得到越来越广泛的应用。骆清铭和 chance 等在国际上率先成功研制了一种基于近红外线光谱术的脑功能光学成精品论文859095100105110115120像器，并在正常人脑皮层运动区获得了与 fmri 一致的结果。nirs 的时间分辨率很高,而且可以提供更多的有关血流动力学和能量代谢方面的信息。采用 nirs 还可以观察到神经-血 管间的偶合变化(neu-ro-vascular coupling),如 oxy-hb、deoxy-hb 和 cyt-ox 的变化具有明显的 相关性14。由于具有上述特点,nirs 是作为检验神经元活动与血液动力学之间关系的极好工 具。近年来，一些研究者将近红外成像应用于高级认知活动的研究，如视觉搜索、语言、记 忆等，其中主要是人类大脑前额叶区域与认知活动的密切关系。在 nirs 早期研究,只能检测12 个通道的变化15,随着 nirs 技术的发展，杨宏宇等16采用 16 通道 nirs 系统,在分心物 数目不同的视觉搜索任务中评估被试者前额叶脑区血红蛋白水平变化,目的在于深入探讨前 额叶脑区与视觉搜索任务的关系,进一步验证利用多导 nirs 系统进行心理学实验的可行性。 前额叶区域氧合血红蛋白反应与视觉搜索行为结果相一致,较高的氧合血红蛋白水平有可能 缩短行为反应时间。龚辉等17研制的一种实用性极强的三波长近红外脑功能光学成像系统， 监测了前额叶（pec）的激活状况，通过测量血氧参数的变化，来实时监测脑皮层的活动。 周小明等 18 利用 nirs 检测到中心性浆液性 视网膜脉络膜病变 (central serous chorioretinopathy，csc)神经上皮层脱离区表现为椭圆形暗区，边界清晰或模糊，为 csc 的 诊断提供了一个新的无创性的检查方法，但有关 csc 的 nir 像的特征尚需进一步总结。4激光扫描共聚焦显微镜技术(laser scanning confocal microscope, lscm) 激光扫描共聚焦显微镜技术(lscm)是在荧光显微镜成像的基础上加装激光扫描装置,使用紫外或可见光激发荧光探针，结合数据化图像处理技术,采集清晰的组织和细胞内荧光标记图像,在亚细胞水平观察钙等离子水平的变化,进行无损伤观察和分析细胞的三维空间结 构，成为生物医学研究的必备工具，近年来 lscm 技术在视觉领域的得到了广泛的应用。4.1 细胞的代射、ph 值、钙等生理指标的观察利用 fluo-3、fura2 等荧光探针，在亚细胞水平上观察诸如 ca2+、ph 值、膜电位等生理 信号及细胞形态的变化，孟晶等19用 lscm 检测到银杏内酯 b 对体外培养的大鼠视网膜神 经干预后,细胞内钙离子浓度降低,线粒体膜电位显著升高,细胞凋亡明显减少，提示了银杏内 酯 b 对谷氨酸损伤的视网膜神经细胞有明显的保护作用。engert 等20利用激光扫描共聚焦 显微镜观察到在脊椎动物视觉系统中，视觉驱动下树突钙离子信号的亚细胞分布地形，这种 分布依赖于 nmda 受体的激活。徐佩等21利用 lscm 对免疫组织化学染色的视神经采集图 像，以检测大鼠慢性高眼压模型视神经磷酸化 tau 蛋白的表达，得出异常过度磷酸化的 tau 蛋白可能参与了慢性高眼压视网膜神经节细胞轴突的损害过程，青光眼可能具有与神经退行 性疾病相似的神经细胞损害机制。雷剑琴等22利用 lscm 观察兔眼葡萄膜巩膜引流术后 fitc-dextran 在眼组织中的分布，得出葡萄膜巩膜引流术和小梁切除术术后房水引流均是多 途径的,既有外滤过, 还增强了葡萄膜巩膜引流。这种手术方式有可能成为手术治疗青光眼的 一条新途径。4.2 利用 lscm 观察细胞间通讯细胞通讯是生命体生命活动一个基本形式，晶状体复杂的、类似合胞体的功能正是通过 胞间通讯来实现的。1991 年，zimmer23使用 lscm 观察用 rhodamine 6g 着染的 pbca 微 粒在兔的角膜和结膜中的转移情况。bassnett24用荧光染料着染鸡的胚胎晶体,lscm 观察发 现晶体上皮细胞与其下的晶体纤维之间并无明显的缝隙连接及通讯。李立等25对兔的晶状精品论文125130135140145150155160165体进行不同时间的近紫外线照射,采用荧光光漂白恢复技术(frap),通过 lscm 检测各组兔晶状体上皮细胞的缝隙连接细胞间通讯(gjic)功能变化情况。4.3 三维图像重建lscm 能在活体上对标本无损害的进行光学切片,将采集的图像分析，获得清晰的三维 立体图像。rummelt26则用双重荧光染色的方法，分别着染了葡萄膜黑色素瘤中的肿瘤实质 细胞和血管,然后通过作三维重建,清楚地观察到肿瘤和微血管的关系,并以此为根据判断肿 瘤的发展进程。李文娟等27首次应用激光共焦显微镜对兔眼角膜缘干细胞完全缺乏动物进 行了无创伤、实时活体检查,通过连续共聚焦扫描，获取手术前后角膜各层平面图像（x，y 轴）及纵向断层图像（z 轴）的清晰图像，提示共焦显微镜是目前研究角膜的活体细胞变化 及临床角膜病诊断的一种有用的工具。为眼科医生提供了非常细致有效的角膜活体组织学检 查,尤其使活体观察角膜缘结构成为可能。zhivov28利用激光扫描共聚焦体内三维重建可视 化技术观察生理和病理状态下角膜表面结构和上皮细胞空间分布，为更进一步研究角膜结构 提供了基础。激光扫描共聚焦显微技术在细胞及分子生物学基础、肿瘤和抗癌药物筛选、血液病学和 医学免疫学、大脑和神经科学、口腔医学及骨科等医学各个研究领域中都有广泛应用，随着 新软件的不断开发及各个学科的不断发展和相互渗透，相信它还将会有更广阔的发展前景。5结论综上所述，现代光学成像技术可以监测大脑视皮层功能生理病理变化过程，眼组织成像， 视网膜血流量成像等，为眼科疾病的发病机理研究和临床诊断提供了强有力的工具。同时随 着生物医学光学成像技术的交叉发展，必将对生命科学的研究进展产生重要而且积极的意 义。参考文献 (references)1 王 珍，刘庆莹. 高时空分辨的脑功能光学成像研究进展j. 生物化学与生物物理进展，2008,35（5）:488-495.2 grinvald a, lieke e, frostig rd，wiesel tn. functional architecture of cortex revealed by optical imaging ofintrinsic signals. nature, 1986, 324(6095): 361-364.3 bartfeld e，grinvald a. relationships between orientation-preference pinwheels, cytochrome oxidase blobs,and ocular-dominance columns in primate striate cortexj. proc natl acad sci u s a,1992,89（24）：11905-11909. 4 张鹍, 俞洪波, 寿天德. 基于内源性信号的脑光学成像系统的研制j .生物物理学报, 1999, 15(3):598-604.5 俞洪波, 寿天德.用脑光学成像术研究不同空间拓扑位置猫初级视皮层的空间频率反应特性j.生理学报，2000,52（5）：411-415。6 俞洪波, 刑大军, 寿天德. 脑内源信号光学成像术: 视皮层的方位功能柱的活体显示j.中国神经科学杂 志, 2000, 16(4)： 355-359.7 zepeda a，arias c，sengpiel f.optical imaging of intrinsic signals: recent developments in the methodology and its applicationsj. j neurosci methods，2004，136(1)：1-21.8 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