圖1：表達谷氨酸探針SF-iGluSnFR的海馬神經元培養物軸突樹突，使用Kinetix sCMOS相機拍攝。

背景

基里爾·沃爾林斯基(Kirill Volynski)教授領導的沃爾林斯基實驗室，主要致力于研究神經遞質釋放的調控機制，這是大腦中神經元之間通訊的基礎。

正如沃爾林斯基教授所解釋的：“神經元之間的突觸是健康和疾病中調制和可塑性的關鍵位點。因此，詳細了解在單個突觸水平上調控突觸傳遞的細胞機制，是理解復雜神經元回路運作的先決條件。”

“我們最近開發了新的成像方法，首次使我們能夠研究Ca2+內流與囊泡胞吐之間的關系，并探測單個小型突觸前末梢的離子通道功能。這些方法基于使用熒光顯微鏡來成像Ca2+離子濃度和囊泡釋放速率的快速變化;以及使用超分辨率掃描離子電導顯微鏡對小突觸前末梢進行膜片鉗記錄。”

“利用這些方法，我們研究介導Ca2+內流進入末梢的不同通道如何控制囊泡的釋放，它們如何影響突觸可塑性，以及突觸如何受到其他作用于突觸前末梢的調制性神經遞質的影響。”

挑戰

高速Ca2?成像需要兼具高靈敏度與高速度。此前，Volynski教授的實驗室使用Prime 95B 25mm相機，在最大化靈敏度和視野的同時實現了高速采集。該相機在速度、視野(FOV)和穩定性方面相比早期的EMCCD方案均有顯著提升。然而，其速度仍是一個限制因素，既難以跟上樣品中的高速動態變化，也受限于光采集過程——因為必須使用“偽全局快門”觸發器來控制光源。

在Prime 95B這類卷簾快門相機中，一幀圖像的采集從傳感器頂部開始，并極快地向下掃描到底部。盡管傳感器頂部和底部之間的時間差非常微小，但它仍可能為高度精密的高速實驗引入畸變。因此，必須使用“偽全局快門”來一次性捕獲整個傳感器。其工作原理是：通過高級硬件觸發，僅在相機傳感器所有行都處于采集狀態時才開始一幀圖像的采集，然后在下一幀之前保持非激活狀態。圖2中的時序圖概述了這一概念。

圖2：滾動快門相機的工作時序，以及通過光源觸發實現全局曝光。

相機在開始曝光前必須等待的時間被稱為“死區時間”或“幀時間”，它直接由相機的幀率決定。相機速度越快，能夠獲取的全局數據就越多。

Kinetix相機具有低噪聲和高速讀出特性，這使我們能夠在更高幀率下成像的同時捕獲更多光子。——基里爾·沃林斯基教授

解決方案

Kinetix是一款革命性的sCMOS相機，其量子效率與Prime 95B一樣接近完美的95%，同時憑借其“靈敏度”模式下更低的讀出噪聲，能夠更準確地測量信號。此外，它在幀率和傳感器尺寸方面均有提升。Kinetix是一款1000萬像素的相機，擁有巨大的29.4毫米對角線傳感器——在其“靈敏度”模式下，整個視場可以以每秒88幀的速度讀出;而Kinetix還具備“速度”模式，在該模式下，整個1000萬像素傳感器可以驚人的每秒500幀的速度讀出。

Kinetix的“靈敏度”和“速度”模式將為偽全局快門成像帶來哪些改進?

靈敏度模式：更長的曝光時間

對Volynski教授來說，延長有效曝光時間(即“幀時間”加上“觸發開啟”時間)至關重要。Kinetix的幀時間比Prime 95B快得多，那么，如果我們比較Kinetix在靈敏度模式下與Prime 95B的相似200行感興趣區域(ROI)，這是否會導致更長的有效曝光時間?

在200行ROI下，兩臺相機的速度均為300fps，即每幀3.3毫秒。區別在于幀時間：Prime 95B為2.08毫秒，留給光源開啟和光子收集的時間為1.25毫秒;而Kinetix在靈敏度模式下為0.71毫秒，留給光源開啟的時間為2.6毫秒，是Prime 95B的兩倍多。因此，在相同幀率下，Kinetix更短的幀時間實現了更長的有效曝光，如圖3所示。

圖3：Prime 95B與Kinetix(靈敏度模式)的偽全局快門時序示意圖。兩臺相機在200行ROI下均以300fps運行。由于Kinetix的幀時間更短，其“靈敏度”模式能實現顯著更長的“觸發開啟”時間，從而收集更多光子。

速度模式：更長的曝光時間與更高速度

除了更長的有效曝光時間，Volynski教授還追求高速度以捕捉動態鈣活動。這正是Kinetix速度模式的用武之地，它能以500幀/秒的全傳感器速度運行，從而捕捉超快速特征。

以前述相同示例為例，當Kinetix處于速度模式時，其幀時間極短(0.13毫秒)，因此有足夠時間完成200行掃描，最終實現600幀/秒的整體幀率。即使采集速度提升了一倍，其觸發時間仍比Prime 95B的1.54毫秒長20%，從而實現了更高的速度與更長的照明時間，如圖4所示。

圖4：Prime 95B與Kinetix(速度模式)的偽全局快門時序圖。目標與之前相同，均為300幀/秒和200行感興趣區域。在速度模式下，Kinetix的幀時間快得多，因此能在相同時間內采集到兩倍的幀數，同時還能保持每幀多20%的“觸發開啟”時間用于光線收集。

Kinetix是一款突破性的相機，將速度與靈敏度完美結合，在大尺寸傳感器上實現了超高速與超低噪聲。它不僅性能強大，還具備極高的靈活性，可通過先進的硬件觸發和讀出模式(如偽全局快門)對讀出進行精細控制。

與上一代CMOS相機相比，Kinetix的速度提升，在其“靈敏度”模式下，可為偽全局快門應用帶來有效曝光時間的顯著增加，從而收集更多光線。而其“速度”模式擁有極快的幀時間，既能提升速度，又能增加有效曝光時間。

此外，Kinetix的傳感器寬度更大，還能提供比前代產品寬18%的水平視場。

審核編輯 黃宇