神経科学のための画像取得・解析ソリューション

神経科学は、神経系の研究と脳の働きに焦点を当てた学際的な科学分野である。この分野では、神経系の機能、脳機能、および脊髄などの関連構造を研究します。神経細胞や神経回路を理解するために、解剖学、生理学、細胞学、分子生物学、発生生物学、モデリングを統合しています。神経科学者は科学の最先端で活動することが多いため、蛍光標識、オプトジェネティクス、光刺激、最先端の画像解析といった高度な手法を必要とします。神経科学者向けのAndorおよびImarisソリューションについてご覧ください。

応用と技術

グリア

長年にわたりグリア細胞は、より役割が明白なニューロンを養い、保護し、後始末をするだけの家政機能を持つと想定されてきた。過去数十年間で、グリア細胞（ミクログリア、アストロサイト、オリゴデンドロサイト系細胞から構成される）に関する研究が飛躍的に進み、栄養や酸素の供給、病原体の除去といった数多くの補助的だが不可欠な機能への関与が明らかになった。さらに神経伝達においても役割を果たしていることが判明した。今日ではこれらの細胞の多くの側面が詳細に解明されているものの、健康時および疾患時における脳内の異なるグリア細胞集団の機能は未解決のままである。

Dragonflyのような高速共焦点スピニングディスク顕微鏡を用いた生体内イメージングや機能的カルシウムイメージングは、様々な条件下でのグリア細胞とニューロンのモニタリングに不可欠な技術である。Mosaicのような光遺伝学デバイスはグリア細胞機能の操作に活用できる。ミクログリアの数、形状、その他の特徴は、神経科学者向け3D画像解析Software「Imaris」で分析可能である。

軸索輸送

軸索輸送は、細胞小器官、小胞、脂質、タンパク質を神経細胞の細胞体から軸索の細胞質を通って往復させる細胞プロセスである。軸索の長さゆえに、この輸送は拡散に依存できず、微小管に沿って移動する特殊なモータータンパク質に基づいている。これらのモータータンパク質であるダイニンとキネシンの遺伝子変異は、一部の神経発達障害や神経変性疾患と関連している。蛍光標識技術は、生きた神経細胞における生理的または病理的状態での軸索輸送の研究と可視化を可能にする上で極めて重要である。この種の輸送は非常に高速な現象であり、蛍光発光レベルはしばしば極めて低い。

したがって、sCMOsを搭載したDragonflyのような高速かつ高感度のイメージング技術は、生きたニューロンにおける軸索輸送の研究に不可欠である。タイムラプス動画は、最先端の画像解析SoftwareであるImaris for Cell BiologistsまたはImaris for Neuroscientistsを用いて解析できる。

全脳スライス

神経科学において、完全な脳または脳切片の三次元可視化は困難ながら極めて望ましい課題である。組織透明化と光学顕微鏡の応用により、マイクロメートル解像度での大体積解析が可能となった。光シート顕微鏡は脳全体を観察する利点を持つが、透明化または生体脳切片を高解像度で取得するには共焦点顕微鏡が好ましい手法である。

Dragonflyスピニングディスク共焦点顕微鏡に広視野sCMOsカメラを装備し、Fusion（Imaris Stitcherアルゴリズム）で顕微鏡タイルを直接スティッチングすることで、脳切片の撮像において解像度と撮像サンプルサイズの完璧なバランスを実現します。神経科学者向け画像解析SoftwareImarisが、データ可視化から計数、ニューロン追跡に至るまでの残りの作業を処理します。

オプトジェネティクス

オプトジェネティクスは、光を用いて遺伝子改変された個々のニューロンの活動を極めて精密に制御・調節・監視できる生物学的手法である。その鍵となるのは、光受容体として機能するオプシン遺伝子で遺伝子改変された神経イオンチャネルである。光を用いて単一ニューロンのイオンチャネルを開き、電気信号を発火させることが可能である。この技術確立を支えた多くの補助技術が存在する：特定の波長の光をオプシン発現細胞へ正確なタイミングで照射する技術、Mosaicなどの装置による照明制御、そしてカルシウムイメージングに必要な高フレームレート時など、これらの実験においてsCMOsカメラが最適な検出器ソリューションとなるケースが多い。

光遺伝学は、記憶形成の研究、依存症研究、深部脳刺激を用いたパーキンソン病の振戦管理の改善、視覚回復などの分野に応用されている。

拡張顕微鏡法

顕微鏡の光学分解能を高める代わりに、拡張顕微法は試料を同位体的に「拡張」する。拡張プロトコルの各段階では蛍光信号が失われるため、拡張試料の撮像には微弱な光信号を検出できる感度を持つ装置が必要となる。その他の課題は、非常に広い視野の撮像と試料深部への撮像である。これらの要件は従来型顕微鏡では達成が困難で問題となる。 Andorは、試料深部への撮像に最適化されたピンホール間隔を備えたiXon Ultra 888バックイルミネーションEMCCDカメラ、またはZyla 4.2P sCMOsカメラを搭載したDragonfly共焦点顕微鏡を推奨します。さらに視野全体にわたる均一な照明を実現するBorealisも推奨します。

大規模なデータブロックは、Imaris Stitcherアルゴリズムを用いてシステム上で直接スティッチングでき、Imaris for Neuroscientistsでデータ可視化および分析（ニューロンやスパインの検出を含む）のために開くことができます。

カルシウムイメージング

カルシウム（Ca2+）は重要なイオンであり、筋細胞（筋細胞）からニューロンに至るまで、多くの細胞の活動状態を迅速に指標化するのに利用できます。カルシウム指標（Ca2+指標）は、細胞生物学の基礎的理解を深め続けるとともに、例えば様々な疾患状態下での細胞の反応や治療薬への応答メカニズムの解明に貢献しています。細胞生理学を最も正確に測定するには、最低限の照明強度と可能な限り低濃度の指標色素を使用すべきである。これは本質的に低光子放出を意味するため、高感度検出器が極めて重要となる。Ca2+イメージング実験に用いられる主要なカメラ技術はsCMOsとEMCCDの2種類である。一般的に、sCMOsカメラ（特にAndor Zyla sCMOSカメラ）がCa2+イメージング実験で最も広く使用されてきた。新開発の

Sonaバックイルミネーションシリーズは、Zylaモデルの性能を継承し、重要な高速性、高解像度、クラス最高の定量精度を維持しています。

製品

学習リソース

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画像ギャラリー

マウス海馬における個々のアストロサイト、抗GFAP抗体で染色し、Imarisで可視化
脳幹ニューロン（赤色で示されたインパルス）が上脳からの入力（黄色のシナプス、青色の軸索）を受け取る共焦点スタック。後処理はImaris（表面再構築）を用いて実施。
海馬CA1層の神経細胞核と樹状突起棘。写真はAndor Dragonflyで撮影。
この画像は、生きたショウジョウバエの幼虫において、クラスIV樹状突起樹状構造（DA）ニューロン（マゼンタ色）および一部の上皮細胞（緑色）で蛍光タンパク質を発現している様子を示している。DAニューロンは、ハエの幼虫における初期警報システムの一つを構成する。これらは体壁全体を覆う感覚ニューロンであり、高輝度光や機械的衝撃などの有害刺激によって活性化される。提供：フィリップ・ポート、MRC分子生物学研究所
シナプス後密度（Homer1タンパク質とDRONPA）およびシナプス前領域（Synapsinタンパク質とmEos2）で蛍光タンパク質標識された生培養ニューロン。重ね合わせ画像はTIRF顕微鏡で撮影後、3D-PALMによる超解像処理を施した。3D-PALMではシナプス前領域と後領域が重ならないことが明瞭に確認でき、シナプス間隙が識別可能な場合もある（A, B）。解像度はx-y方向で約25nm、z方向で約50nmである。