CN114209279A - 一种用于清醒小动物长时间活体成像的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于清醒小动物长时间活体成像的装置和方法，所述装置包括：固定于显微镜平台或防震台上的底座，设于底座上的固定支柱、通过所述固定支柱安装于底座上的成像平台，此外，在所述底座上还设置有活动履带。该装置及方法可在清醒状态下对小动物进行成像，实现在正常生理状态下的的成像和信号记录，尤其是可以进行同步给药刺激或记录电生理信号；而且可以确保成像过程中成像区域的稳定，保证长时间的稳定成像，此外，能根据动物的大小进行灵活调整适配。
Description
技术领域
本发明主属于动物成像技术领域，涉及一种活体成像的装置和方法，尤其涉及一种用于清醒小动物长时间活体成像的装置和方法。主要用于啮齿目(如小鼠、大鼠、豚鼠等)、兔形目(如兔、鼠兔等)、小型灵长类(如狨猴等)等小型实验动物尤其是在清醒状态下的活体、长时间成像，以研究小型实验动物在清醒或麻醉后体内血流、不同种类细胞、离子的动态变化过程。
背景技术
在生命科学研究中，活体实验是对体外实验的重要补充和验证，在活体研究中，使用双光子显微镜对动物活体组织进行动态观察是一种重要的研究手段。双光子显微镜结合了激光共聚焦显微镜和双光子激发技术的优势，利用长波长激发，比短波长对细胞的光毒性小，穿透能力强，且只有在焦平面上的荧光分子才能被激发，所以，双光子显微镜比普通荧光显微镜更适合用来观察厚标本、活细胞或活体标本。利用双光子显微镜，可以实现对标本的多色、长时间、多时间点的观察。传统方法是通过取局部组织，放置在相应培养液中进行观察，或者将小动物麻醉后，利用小动物固定装置对局部进行固定后，在双光子显微镜下观察。然而，实际上，只有在清醒、自由活动状态下，才能更加准确的观察记录小动物真实的生理状态及变化，由于现有研究装置的局限，清醒、自由活动状态下的小动物观察是双光子显微成像的一大难题。常见的动物固定装置，大多是用于麻醉状态下的小动物成像，因为现有的固定装置，小动物一般是通过牙科水泥粘在成像平台上，小动物无法自由活动，四肢往往只能在底板上摩擦，无法前进或后退，在小动物挣扎运动的过程中会对粘合部位起到反作用力，易导致粘合部分松动而且引起较大的震动，导致成像焦平面不稳，所以通常需要对动物进行麻醉，让其保持静止状态。现有方法难以实现在清醒及自由活动状态下，对小动物进行长时间的动态观察。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的主要目的在于提供一种用于清醒小动物长时间活体成像的装置和方法，该装置及方法能够确保成像过程中的稳定，并可以在小动物清醒、自由活动状态下，保证长时间的稳定成像，并能根据不同大小的动物进行灵活调整适配，在正常生理状态下实现成像和信号记录。
为了实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于清醒小动物长时间活体成像的装置，包括：固定于显微镜平台或防震台上的底座，设于底座上的固定支柱、通过所述固定支柱安装于底座上的成像平台，其特征在于，在所述底座上还设置有活动履带。所述活动履带可灵活滚动，用于供小动物在其上进行自由活动、跑动、或根据所给予的刺激进行相应运动。
所述活动履带包括履带和至少两根滚轴，在底座上开有方槽，滚轴通过轴承平行的安装于方槽内，履带穿置于所有滚轴上。
所述的固定支柱的高度及在底座上的位置均可调。
所述的成像平台上开有用于固定小动物的开孔；所述开孔为不规则孔，由中间较大的成像开孔和边缘两个刺激记录孔组成。
所述底座的两侧均设置有固定孔和弧形孔，所述弧形孔所在虚拟圆的圆心与固定孔的圆心重合，所述固定孔和弧形孔均用于安装活动履带。
所述成像平台上设置有负压管，所述负压管的管口与开孔对应设置，所述负压管连接有负压泵，当负压泵开启时，所述开孔附近处于负压状态。
所述成像平台的周侧设置有清洁条，所述清洁条材质为吸水布或者海绵，所述清洁条用于吸收成像平台表面的液体。
所述底座靠近成像平台的一端设置有视频播放器和/或语音播放器，所述视频播放器用于对小动物提供视觉刺激，观察小动物在视觉刺激下的活体成像；所述语音播放器用于播放声音，对小动物提供听觉刺激，观察小动物在听觉刺激下的活体成像。
所述底座靠近成像平台的一端设置有凹槽，所述凹槽上设置有端盖，所述端盖上设置有多个透气孔，所述凹槽用于放置具有刺激性气味的食物，对小动物提供味觉刺激，在味觉的刺激下，观察小动物的活体成像。
所述开孔的周围设置有电加热丝，所述电加热丝靠近成像固定平台的底部，所述电加热丝用于对开孔区域进行加热，便于观察温度对成像区域的影响。
所述开孔内侧设置有照明装置，所述照明装置包括照明圈，所述照明圈内设置有灯珠，所述灯珠通过导线与外界电源连接，所述导线贯穿成像固定平台，所述照明圈为透明材质，所述照明圈与开孔的形状相适配，所述照明装置用于对开孔内提供光线，保证开孔内的明亮视野。
所述照明圈上设置有通风道，所述通风道贯穿成像固定平台，所述通风道与开孔内侧连通，所述通风道连接有风机。
所述开孔的内侧底部设置有电极片，所述电极片能够与小动物的头骨接触，所述电极片外侧连接有电源，所述电极片能够对小动物提供电流刺激，观察小动物在电刺激情况下的活体成像。
所述支柱上设置有压力传感器，所述压力传感器用于测量成像固定平台对支柱的压力。当下小动物兴奋程度越高，则越容易烦躁不安，来回走动，由此对压力传感器产生影响；通过压力传感器测量的数据判断小动物的兴奋程度，当压力传感器测量的数据极值越大，说明小动物的兴奋程度越高，极值越小，说明小动物的兴奋程度较低。
所述用于清醒小动物长时间活体成像的装置还包括有声波发射器，所述声波发射器可以发射超声波、声波和次声波；此处的声波指的是频率在20Hz～20kHz之间的声波，超声波指的是频率大于20kHz的声波，次声波指的是频率小20Hz的声波。通过发射不同频率的声波，并调节声波的振幅等参数，从而记录清醒小动物的成像情况，进而得到相关信息和数据。
采用本发明的装置进行清醒小动物长时间活体成像的方法，包括如下步骤：
根据动物大小，调节固定支柱在底座上的位置和高度，将小动物固定在成像平台上，使得小动物的其余肢体位于活动履带上；
对实验动物进行手术、暴露成像区域；
将底座固定在显微镜平台或防震台上，使得待成像区域位于显微镜下；
根据实验需求，对特定区域进行活体成像，若实验中需给予刺激可观测特定区域对刺激的反应情况。
本发明的方案具有如下特点：
1)可灵活匹配不同大小的实验动物，如小鼠、大鼠、豚鼠、鼠兔等。
2)本发明的装置通过设置履带，可以令小动物在被固定在成像平台的状态下其余部位依然可以前后自由滚动，实现小动物前进后退，也不会对粘合部分有很大的反作用力，从而不会导致成像平台的震动，影响成像焦平面稳定。可在清醒状态下对小动物进行稳定成像，尤其是可以进行同步给药刺激或记录电生理信号，可以更加准确的观察记录小动物真实的生理状态及变化；此外，麻醉状态下同样适用。
3)可以实现长时间的成像，成像过程中小动物无需麻醉，依然可以前后自由活动。
4)通过采用视频、语音刺激，以对清醒小动物长时间活体反应进行成像，进行记录。
5)当下小动物兴奋程度越高，则越容易烦躁不安，来回走动，由此对压力传感器产生影响；通过压力传感器测量的数据判断小动物的兴奋程度。
附图说明
图1为本发明中装置的一种具体结构的分解示意图。
图2为本发明图1装置的一种使用状态示意图。
图3为本发明装置中底板及活动履带的一种结构示意图。
图4为本发明装置底座上固定孔与弧形孔示意图。
图5为本发明成像固定平台示意图。
图6为本发明负压管与负压泵连接图。
图7为本发明照明装置示意图。
图中：1、蝴蝶型固定螺丝，共二个；1-1、螺纹部分，匹配M6螺孔；2、成像固定平台，要求薄、弹性好，不易形变，厚度不超过0.5mm；3、成像固定平台固定孔，直径6mm；4、成像平台开孔；4-1、成像孔；4-2、刺激及信号记录孔；5、支柱，共三对，高度分别为1cm、2cm、3cm，可根据不同实验需求和标本进行组合，以调整成像固定平台的高度，每对左右各一个；5-1、螺孔部分，规格M6；5-2、螺纹部分，匹配M6螺孔；6、底座；6-1、底座螺孔阵列，间距规格25mm，向下固定于显微镜平台，向上用于固定支柱，底板中间方形挖空，用于固定履带；7、活动履带，可在小动物活动时灵活滚动；8、滚轴，多根，通过轴承安装在底座6方形开孔中，以支撑履带滚动；9、弧形孔；10、负压管；11、清洁条；12、箱体；13、负压泵；14、过滤层；15、固定孔；16、照明圈；17、灯珠；18、导线。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步详细说明。
本发明的一种用于清醒小动物长时间活体成像的装置，如附图1所示，包括底板6、成像固定平台2、支柱5、活动履带7等。考虑清醒状态下小动物的自由活动，本发明的装置配备了活动履带7，同时支柱5的安装位置与高度灵活可调，可以实现对不同大小的小动物进行可靠固定，实现清醒状态下、稳定的、长时间的成像记录。
在一具体实施例中，底板6为矩形铝材，前后侧分布25mm间距的M6螺孔，整体螺孔其尺寸与显微镜载物平台或显微镜防震台相匹配，既可以用于将底板固定于显微镜载物平台或显微镜防震台，也可以用于固定成像平台的支柱5；作为进一步的优化，支柱5可以设置有三对，分别为1cm、2cm、3cm，通过不同支柱对的配合，可以实现从1cm到6cm、或间隔1cm的不同高度组合，从而可以适用于不同大小的小动物；
此外，本发明在底板6中间开有方形孔，安装有活动履带7，从而实现清醒状态下小动物的自由活动。所述活动履带7包括履带和至少两根滚轴8，滚轴8通过轴承平行的安装于方形孔内，履带穿置于所有滚轴上。
成像固定平台2，用于小动物固定成像，作为优化，在该平台上设置有不规则的开孔4，由中间较大的成像开孔4-1和边缘两个刺激及信号记录孔4-2组成，其中成像开孔4-1用于成像，记录细胞、钙信号、血流等动态信息，同时可以在两个刺激记录孔4-2实现同步电刺激、给药、同步电信号记录等实验，可以很好的满足不同实验的需求。
作为进一步优化，固定螺丝1可以采用蝴蝶型，无需工具即可固定。
为了让本发明的特征、优点能更加易懂，下面以清醒状态下小鼠脑部成像作为具体实施例进行说明：
实施例1：清醒状态下小鼠脑部成像
1)将转基因荧光小鼠用眼科剪将头皮剪开，暴露成像区域和刺激给药区域的头骨，用双氧水或氯化铁溶液处理头骨表面，去除筋膜；用牙科水泥(玻璃离子体水门汀)将头骨固定在成像固定平台2上，将成像区域和刺激及信号记录区域对准在平台的成像开孔4-1和刺激及信号记录孔4-2。
2)待牙科水泥完全固化后，根据小鼠头部的高度，选用2cm高度的支柱5，固定在底板6上的螺孔中，用蝴蝶型螺丝1将成像固定平台2及小鼠一起固定在支柱5上。
3)用骨钻分别在成像区域和刺激及信号记录区域开孔，先用大号钻头去除头骨表面的牙科水泥，并将头骨磨薄，然后用小号钻头，沿着成像开孔4-1钻一圈小孔，注意避开血管，打磨期间不断用棉花蘸取生理盐水，敷在头骨表面，用于降温和洗去头骨碎屑。
4)一圈小孔完成后，用镊子小心将成像区域的头骨取下；在刺激及信号记录孔4-2一侧用钻头开孔。
5)用生理盐水对开孔区域进行清洗，用显微镊将成像区的脑膜小心撕下，配制低熔点琼脂溶液，用手背试琼脂溶液的温度，不烫手即可将琼脂敷在开孔处，并迅速盖上一片盖玻片。
6)将小鼠连同整个装置一起放置到双光子显微镜下，小鼠肢体位于活动履带上，用螺丝将底板与显微镜平台固定好，完成成像动物的准备工作。
7)成像推荐用双光子显微镜，如奥林巴斯双光子显微镜(型号FVMPE-RS)，镜头选用25倍双光子专用镜头(型号XLPLN25XWMP2)，在成像区域滴加纯净水，找到感兴趣区域，根据实验需求，调节光路和拍摄参数，进行活体成像；如需进行同步给药刺激或记录电生理信号，也可以在刺激及信号记录孔4-2处实施，同时进行活体成像。
实施例2
结合图1-6所示，与实施例1不同的是，所述底板6为矩形铝材，前后侧分布25mm间距的M6螺孔，整体螺孔其尺寸与显微镜载物平台或显微镜防震台相匹配，既可以用于将底板固定于显微镜载物平台或显微镜防震台，也可以用于固定成像平台的支柱5；作为进一步的优化，支柱5可以设置有三对，分别为1cm、2cm、3cm，通过不同支柱对的配合，可以实现从1cm到6cm、或间隔1cm的不同高度组合，从而可以适用于不同大小的小动物；
所述底板6的两侧均设置有固定孔15和弧形孔9，所述弧形孔9所在虚拟圆的圆心与固定孔15的圆心重合，所述固定孔8和弧形孔9均用于安装活动履带7，所述活动履带7包括履带和至少两根转辊，所述转辊分别于相应的固定孔8、弧形孔9连接，履带穿置于所有转辊上。通过设置的固定孔8和弧形孔9，调节活动履带的倾斜角度，实现小动物爬坡或下坡运动，使小动物处于运动状态，减小对粘合部分的反作用力，从而避免导致成像平台的震动，影响成像焦平面稳定。
成像固定平台2，用于小动物固定成像，作为优化，在该平台上设置有不规则的开孔4，由中间较大的成像开孔4-1和边缘两个刺激及信号记录孔4-2组成，其中成像开孔4-1用于成像，记录细胞、钙信号、血流等动态信息，同时可以在两个刺激记录孔4-2实现同步电刺激、给药、同步电信号记录等实验，可以很好的满足不同实验的需求。
所述成像平台上设置有负压管10，所述负压管10的管口与开孔4对应设置，所述负压管10连接箱体12，所述箱体12内设置有过滤层14，所述箱体12的另一端通过连接管与负压泵13连接，所述过滤层14能够防止灰尘碎屑进入负压泵13内保证负压泵的安全使用环境，当负压泵开启后，所述开孔4处于负压环境，当用钻头去除头骨表面的牙科水泥、将头骨磨薄的过程中和用小号钻头，沿着成像开孔4-1钻小孔的过程中，负压管10能够吸收钻磨过程中产生的灰尘和杂质，保证了成像固定平台2表面的清洁环境，避免钻孔过程中产生的物质对活体成像产生干扰，所述成像平台2的周侧设置有清洁条11，所述清洁条11材质为吸水布或者海绵，所述清洁条11用于吸收液体，当给成像区域滴加水或者用药过程中，若滴加的液体较多时，清洁条11能够吸收流入至成像固定平台2上的液体。
所述底座靠近成像平台的一端设置有视频播放器和/或语音播放器。所述底座靠近成像平台的一端设置有凹槽，所述凹槽上设置有端盖，所述端盖上设置有多个透气孔，所述凹槽内用于放置小动物感兴趣的食物，食物的气味通过透气孔散发至外侧。当对小动物进行成像观察时，通过视频播放器和/或语音播放器对小鼠进行视觉、听觉和味觉上的刺激，可观成像区域对刺激的反应情况。
所述开孔4的周围设置有电加热丝，所述电加热丝用于对开孔4区域进行加热，便于观察温度对成像区域的影响，满足了对小动物长时间的成像观察。
结合图7所示，所述开孔4内侧设置有照明装置，所述照明装置包括照明圈16，所述照明圈16内设置有灯珠17，所述灯珠17为LED灯珠，所述灯珠17在照明圈16内均匀设置，所述灯珠17通过导线18与外界电源连接，所述导线18贯穿成像固定平台，所述照明圈16为透明材质，所述照明圈16与开孔4的形状相适配，所述照明装置用于对开孔内提供光线，保证开孔内的明亮视野。
所述照明圈16上设置有通风道，所述通风道贯穿成像固定平台2，所述通风道与开孔内侧连通，所述通风道连接有风机，所述风机提供风力，用于观察在风力刺激下的活体成像，满足小动物活体成像观察的需要，所述通风道内还用于对开孔内的通风干燥。所述开孔4-2的内侧底部设置有电极片，所述电极片能够与小动物的头骨接触，所述电极片外侧连接有电源，所述电源用于提供电流，通过电极片对小动物提供电流刺激，观察小动物在电刺激情况下的活体成像，操作过程便捷。
所述支柱上设置有压力传感器，所述压力传感器连接有数据处理器，所述数据处理器用于处理压力传感器采集的数据，所述压力传感器用于测量成像固定平台对支柱的压力。当下小动物兴奋程度越高，则越容易烦躁不安，来回走动，由此对压力传感器产生影响；通过压力传感器测量的数据判断小动物的兴奋程度。当压力传感器测量的数据值越大，对成像固定平台的挣脱力越大，说明小动物越兴奋，数据值越小，说明小动物处于相对平静的状态。当小动物处于兴奋状态时，压力传感器测量的数据超过预先设置的阈值时，停止对小动物的刺激，避免出现牙科水泥开裂，小动物挣脱成像固定平台2的现象，能够保证实验顺利进行。
所述用于清醒小动物长时间活体成像的装置还包括有声波发射器，所述声波发射器可以发射超声波、声波和次声波；此处的声波指的是频率在20Hz～20kHz之间的声波，超声波指的是频率大于20kHz的声波，次声波指的是频率小20Hz的声波。通过发射不同频率的声波，并调节声波的振幅等参数，从而记录清醒小动物的成像情况，进而得到相关信息和数据。
作为进一步优化，固定螺丝1可以采用蝴蝶型，无需工具即可固定。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化；凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于清醒小动物长时间活体成像的装置，其特征在于，包括：固定于显微镜平台或防震台上的底座，设于底座上的固定支柱、通过所述固定支柱安装于底座上的成像平台，其特征在于，在所述底座上还设置有活动履带。
2.根据权利要求1所述的用于清醒小动物长时间活体成像的装置，其特征在于，所述活动履带包括履带和至少两根滚轴，在底座上开有方槽，滚轴通过轴承平行的安装于方槽内，履带穿置于所有滚轴上。
3.根据权利要求1所述的用于清醒小动物长时间活体成像的装置，其特征在于，所述的固定支柱的高度及在底座上的位置均可调。
4.根据权利要求1所述的用于清醒小动物长时间活体成像的装置，其特征在于，所述的成像平台上有用于固定小动物的开孔。
5.根据权利要求1所述的用于清醒小动物长时间活体成像的装置，其特征在于，所述底座的两侧均设置有固定孔和弧形孔，所述弧形孔所在虚拟圆的圆心与固定孔的圆心重合，所述固定孔和弧形孔均用于安装活动履带。
6.根据权利要求4所述的用于清醒小动物长时间活体成像的装置，其特征在于，所述成像平台上设置有负压管，所述负压管的管口与开孔对应设置。
7.根据权利要求1所述的用于清醒小动物长时间活体成像的装置，其特征在于，所述成像平台的周侧设置有清洁条。
8.根据权利要求1所述的用于清醒小动物长时间活体成像的装置，其特征在于，所述底座靠近成像平台的一端设置有视频播放器和/或语音播放器。
9.根据权利要求1所述的用于清醒小动物长时间活体成像的装置，其特征在于，所述底座靠近成像平台的一端设置有凹槽，所述凹槽上设置有端盖，所述端盖上设置有多个透气孔。
10.采用如权利要求1-9任一项所述的装置进行清醒小动物长时间活体成像的方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据动物大小，调节固定支柱在底座上的位置和高度，将小动物固定在成像平台上，使得小动物的其余肢体位于活动履带上；
对实验动物进行手术、暴露成像区域；
将底座固定在显微镜平台或防震台上，使得待成像区域位于显微镜下；
根据实验需求，对特定区域进行活体成像，若实验中需给予刺激可观测特定区域对刺激的反应情况。
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