(57)【要約】本明細書に提供されるのは、同時に、拡大されたサンプルを撮像し、サンプルのうちの少なくともある割合を刺激するためのシステムおよび方法である。撮像および刺激は、顕微鏡システムを用いて行われることができる。本明細書に提供されるのは、顕微鏡システムを使用した同時撮像および刺激のためのシステムならびに方法である。顕微鏡システムは、平均的顕微鏡システムと比較して、比較的に小型サイズを有することができる。顕微鏡は、部分的に撮像光源と、刺激光源とを備えることができる。撮像光源および刺激光源からの光は、スペクトル的に分離され、刺激光と撮像光との間のクロストークを低減させることができる。
2018533768.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象内の組織の同時撮像および刺激のための顕微鏡システムであって、
ａ）光学アセンブリであって、
ｉ．１つまたはそれを上回る発光要素を備え、撮像光を規定された視野内の組織に指向するように構成される、照明光学経路と、
ｉｉ．１つまたはそれを上回る発光要素を備え、刺激光を前記視野内の組織、前記視野外の組織、または部分的に前記視野内の組織に指向するように構成される、刺激光学経路と、
ｉｉｉ．１つまたはそれを上回る画像センサを備え、前記組織によって反射、散乱、または放出された光を受光し、前記視野内の組織の画像を生成するように構成される、撮像光学経路と
を備える、光学アセンブリと、
ｂ）ベースプレートであって、前記ベースプレートは、固定位置において前記対象上に搭載され、前記光学アセンブリを受容するように構成され、それによって、前記ベースプレートへの取付に応じて、前記光学アセンブリを前記対象の組織に対して整合させ、前記光学アセンブリは、前記ベースプレートから除去可能である、ベースプレートと
を備える、顕微鏡システム。
【請求項２】
前記規定された視野は、約１ｍｍ×１ｍｍである、請求項１に記載の顕微鏡システム。
【請求項３】
前記規定された視野は、約２ｍｍ×２ｍｍである、請求項１または請求項２に記載の顕微鏡システム。
【請求項４】
前記規定された視野は、約４ｍｍ×４ｍｍである、請求項１から３のいずれか１項に記載の顕微鏡システム。
【請求項５】
前記撮像光は、蛍光励起光である、請求項１から４のいずれか１項に記載の顕微鏡システム。
【請求項６】
前記蛍光励起光は、４００ｎｍ〜５００ｎｍの波長範囲内で提供され、前記刺激光は、５００ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲内で提供される、請求項５に記載の顕微鏡システム。
【請求項７】
前記蛍光励起光は、５００ｎｍ〜６５０ｎｍの波長範囲内で提供され、前記刺激光は、３５０ｎｍ〜５６０ｎｍの波長範囲内で提供される、請求項５に記載の顕微鏡システム。
【請求項８】
前記光学アセンブリは、前記視野の中心において約２μｍより優れた空間分解能を伴う画像を取得するように構成される、請求項１から７のいずれか１項に記載の顕微鏡システム。
【請求項９】
前記光学アセンブリは、１つまたはそれを上回る補正光学要素を前記光学アセンブリに追加することによって、前記視野全体にわたって約２μｍより優れた空間分解能を伴う画像を取得するように構成される、請求項１から８のいずれか１項に記載の顕微鏡システム。
【請求項１０】
前記光学アセンブリはさらに、前記撮像光学経路、前記刺激光学経路、または両方の焦点深度を調節するように構成される、１つまたはそれを上回る変形可能レンズを備える、請求項１から９のいずれか１項に記載の顕微鏡システム。
【請求項１１】
前記照明光学経路、刺激光学経路、および撮像光学経路は、少なくとも１つの変形可能レンズを共有する、請求項１０に記載の顕微鏡システム。
【請求項１２】
前記１つまたはそれを上回る変形可能レンズは、空間分解能の損失を伴わずに、約３００μｍの範囲にわたって、前記撮像光学経路、前記刺激光学経路、または両方の焦点深度を調節するように構成される、請求項１０に記載の顕微鏡システム。
【請求項１３】
前記１つまたはそれを上回る変形可能レンズは、液体レンズ、液晶レンズ、および圧電作動式チューナブルレンズ、または任意のそれらの組み合わせから成る群から選択される、請求項１０に記載の顕微鏡システム。
【請求項１４】
前記１つまたはそれを上回る変形可能レンズは、前記撮像光学経路および前記刺激光学経路が光を同一焦点面に指向するように構成される、請求項１０に記載の顕微鏡システム。
【請求項１５】
前記光学アセンブリは、約１ｍｍ×１ｍｍ×３００μｍの組織体積にわたって画像を取得するように構成される、請求項１０に記載の顕微鏡システム。
【請求項１６】
前記刺激光学経路はさらに、ユーザ定義空間パターンにおいて前記刺激光を前記組織に指向するように構成される、請求項１から１５のいずれか１項に記載の顕微鏡システム。
【請求項１７】
前記ユーザ定義空間パターンは、前記焦点面において約５μｍより優れた空間分解能を有する、請求項１６に記載の顕微鏡システム。
【請求項１８】
第１のプロセッサと、メモリデバイスとをさらに備え、前記プロセッサは、前記メモリデバイス内に記憶される一連のソフトウェアエンコードされた命令を実行するように構成される、請求項１から１７のいずれか１項に記載の顕微鏡システム。
【請求項１９】
前記ソフトウェアエンコードされた命令は、（ｉ）前記撮像光強度を時間依存または空間依存様式で変調させる、（ｉｉ）前記刺激光強度を時間依存または空間依存様式で変調させる、（ｉｉｉ）前記焦点深度を時間依存様式で変動させる、および（ｉｖ）前記規定された視野内の組織の１つまたはそれを上回る画像を規定された時間において捕捉する、または任意のそれらの組み合わせのための命令を含む、請求項１８に記載の顕微鏡システム。
【請求項２０】
前記組織は、脳組織であり、前記ソフトウェアエンコードされた命令は、前記刺激光を時間依存または空間依存様式で変調させ、前記脳組織内の神経応答を誘発するための命令を備える、請求項１９に記載の顕微鏡システム。
【請求項２１】
前記システムの総体積は、約５ｃｍ３未満である、請求項１から２０のいずれか１項に記載の顕微鏡システム。
【請求項２２】
前記システムの総重量は、約４グラム未満である、請求項１から２１のいずれか１項に記載の顕微鏡システム。
【請求項２３】
前記照明および撮像光学経路は、第１の筐体内に光学撮像プローブとしてパッケージ化される、請求項１から２２のいずれか１項に記載の顕微鏡システム。
【請求項２４】
前記刺激光学経路は、第２の筐体内に光学刺激プローブとしてパッケージ化される、請求項２３に記載の顕微鏡システム。
【請求項２５】
前記システムは、前記ベースプレートに取り付けられる、少なくとも第２の光学撮像プローブ、少なくとも第２の光学刺激プローブ、または任意のそれらの組み合わせを備える、請求項２３または請求項２４に記載の顕微鏡システム。
【請求項２６】
前記照明光学経路または前記刺激光学経路の前記１つまたはそれを上回る発光要素は、１つまたはそれを上回る外部光源に結合される光ファイバを備える、請求項１から２５のいずれか１項に記載の顕微鏡システム。
【請求項２７】
前記システムは、自由に移動する対象上に搭載される、または部分的にその中に埋め込まれる、請求項１から２６のいずれか１項に記載の顕微鏡システム。
【請求項２８】
前記照明光学経路、前記刺激光学経路、および前記撮像光学経路はさらに、前記対象の組織内に部分的に埋め込まれる共有内視鏡プローブを備える、請求項１から２７のいずれか１項に記載の顕微鏡システム。
【請求項２９】
前記対象は、マウス、ラット、ネコ、イヌ、ブタ、ウシ、ウマ、サル、チンパンジー、オランウータン、ゴリラ、およびヒトから成る群から選択される、請求項１から２８のいずれか１項に記載の顕微鏡システム。
【請求項３０】
前記システムは、臨床前研究のために使用される、請求項１から２９のいずれか１項に記載の顕微鏡システム。
【請求項３１】
前記システムは、臨床研究のために使用される、請求項１から３０のいずれか１項に記載の顕微鏡システム。
【請求項３２】
前記システムは、臨床診断試験結果を判定するために使用される、請求項１から３１のいずれか１項に記載の顕微鏡システム。
【請求項３３】
前記システムは、中枢神経系、末梢神経系、または両方のニューロン組織の光刺激のために使用される、請求項１から３２のいずれか１項に記載の顕微鏡システム。
【請求項３４】
前記システムは、治療効果をもたらす時間変調または空間変調様式において刺激光を前記組織に指向するために使用される、請求項１９に記載の顕微鏡システム。
【請求項３５】
対象内の組織の同時刺激および撮像のための方法であって、
ａ）請求項３４に記載の顕微鏡システムを提供するステップと、
ｂ）刺激および撮像されるべき組織を備える対象を提供するステップと、
ｃ）ステップ（ａ）の顕微鏡システムを前記対象上または前記対象内に搭載する、または埋め込むステップと、
ｄ）時間変調または空間変調様式で刺激光を前記対象の組織に指向する前、間、または後に、前記組織の１つまたはそれを上回る画像を生成するステップと
を含む、方法。
【請求項３６】
前記対象は、マウス、ラット、ネコ、イヌ、ブタ、ウシ、ウマ、サル、チンパンジー、オランウータン、ゴリラ、およびヒトから成る群から選択される、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記方法は、臨床前研究の一部として行われる、請求項３５または請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記方法は、臨床研究の一部として行われる、請求項３５から３７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３９】
前記方法はさらに、臨床診断試験結果を判定するステップを含む、請求項３５から３８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４０】
前記方法はさらに、治療効果をもたらす時間変調または空間変調様式で刺激光を前記組織に指向するステップを含む、請求項３５から３９のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本願は、２０１５年１１月５日に出願された米国仮出願第６２／２５１，５０１号および２０１６年９月２日に出願された米国仮出願第６２／３８３，１２２号の利益を主張するものであり、これらの開示の全体は、参照により本明細書中に援用される。
【背景技術】
【０００２】
生物学的サンプルは、光エネルギーによって刺激されることができる。刺激は、光エネルギーによって刺激された生物学的サンプルの一部によって行われる１つまたはそれを上回る活動を開始、増強、および／または阻止することができる。ある場合には、神経細胞は、光エネルギーによって活性または非活性化されることができる。神経細胞の１つまたはそれを上回る集団が、光エネルギーによる活性化に基づいて、信号を通信することができる。生物学的サンプルは、ヒトの眼に可視ではない細胞等の１つまたはそれを上回る特徴から成り得るような小空間規模を有し得る。顕微鏡が、生物学的サンプルの小特徴を可視化するために採用されることができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本明細書に提供されるのは、同時に、拡大されたサンプルを撮像し、サンプルのうちの少なくともある割合を刺激するためのシステムおよび方法である。撮像および刺激は、顕微鏡システムを用いて行われることができる。顕微鏡システムは、１立方インチ未満の総体積を伴う、小型顕微鏡を含むことができる。顕微鏡は、刺激光源と、撮像光源とを備えることができる。刺激光源は、撮像光が入射する面積より小さい面積に入射することができる。顕微鏡システムは、撮像光を刺激光と比較して比較的により低い強度で送達することができる。撮像光および刺激光の波性質（例えば、波長、周波数、強度、および電力）は、撮像光と刺激光との間のクロストークを低減させるように変調されることができる。
【０００４】
したがって、一側面では、同時撮像および刺激のための顕微鏡システムが、提供される。本システムは、撮像光を撮像光源から顕微鏡システムの視野内のサンプルに指向する、撮像光指向配列と、サンプルが撮像光指向配列からの撮像光によって照明される間、サンプルの一部の刺激のために、刺激光を刺激光源からサンプルの少なくとも一部に指向する、刺激光指向配列と、撮像光および刺激光をサンプルに指向する、光学経路であって、撮像光および刺激光は、光学経路内の少なくとも１つの共有光学要素を通して透過され、刺激光は、サンプルにおいて撮像光と重複する、光学経路と、サンプルの一部の刺激のために、刺激光がサンプルの一部に指向される間、サンプルから放出される光を受光し、サンプルの画像を生成する、画像センサとを備える。
【０００５】
いくつかの実施形態では、刺激光源は、（１）空間光変調器によってパターン化される、単一刺激光源、または（２）複数の刺激光源を備える。いくつかの実施形態では、（１）パターン化された刺激光は、空間的もしくは時間的に変調される、または（２）複数の刺激光源のうちの少なくともある割合は、刺激光指向配列が刺激光をサンプルの一部に指向するとオンにされる。いくつかの実施形態では、（１）パターン化された刺激光は、刺激光をサンプルの規定された部分に指向するためのコマンドに基づいて、空間的もしくは時間的に変調される、または（２）オンにされる複数の刺激光源の割合は、刺激光をサンプルの規定された部分に指向するためのコマンドに基づく。いくつかの実施形態では、パターン化された刺激光または複数の刺激光源は、画像センサによって生成された画像上で画像分析を行う、コンピュータシステムによって制御される。いくつかの実施形態では、画像分析は、サンプル中の１つまたはそれを上回る着目物体の場所を判定する。いくつかの実施形態では、撮像光および刺激光は、同一光学経路を通してサンプルに送達される。いくつかの実施形態では、撮像光および刺激光をサンプルに指向する、同一光学経路は、（１）サンプルへの撮像光および刺激光の送達を促進し、（２）画像センサへのサンプルの画像の中継を促進する、光学プローブを備える。いくつかの実施形態では、コンピュータシステムは、画像センサによって生成された画像上での画像分析に基づいて、１つまたはそれを上回るプロセッサを用いて、刺激光源の照明パターンを制御する。いくつかの実施形態では、顕微鏡は、約１立方インチの体積を有する。いくつかの実施形態では、顕微鏡は、自由に移動する有機体上に搭載される。いくつかの実施形態では、サンプルは、脳組織を備える。いくつかの実施形態では、刺激光の電力密度は、撮像光の電力密度の少なくとも１０倍である。いくつかの実施形態では、刺激光の波長範囲は、撮像光の波長範囲から少なくとも１０ｎｍスペクトル的に分離される。いくつかの実施形態では、サンプルから放出される光を受光する、画像センサは、少なくとも５０μｍまたはより優れた空間分解能を伴うサンプルの画像を生成する。いくつかの実施形態では、撮像光指向配列は、顕微鏡システムのオフボードである光源と光学通信する。いくつかの実施形態では、刺激光指向配列は、顕微鏡システムのオフボードである光源と光学通信する。
【０００６】
別の側面では、顕微鏡を用いてサンプルを同時に撮像および刺激するための方法が、提供される。本方法は、撮像光を撮像光源から顕微鏡の視野内のサンプルの少なくとも一部に指向する、撮像光指向配列を用いて、撮像光を指向するステップであって、撮像光は、紫外線、可視、または近赤外線波長スペクトル内の波長を有する、ステップと、サンプルから放出される光を受光し、サンプルの画像を生成する、顕微鏡の画像センサを用いて、サンプルの画像を生成するステップと、サンプルが撮像光指向配列からの撮像光によって照明される間、サンプルの一部の刺激のために、刺激光を刺激光源からサンプルの一部に指向する、刺激光指向配列を用いて、刺激光を指向するステップとを含む。
【０００７】
いくつかの実施形態では、刺激光源は、空間光変調器によってパターン化される、単一光源を備える、または刺激光源は、複数の空間的に明確に異なる刺激光源を備える。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、（１）パターン化された刺激光源を時間的もしくは空間的に変調させるステップ、または（２）複数の刺激光源のうちの少なくともある割合をオンにし、刺激光をサンプルの一部に指向するステップとを含む。いくつかの実施形態では、パターン化された刺激光源は、刺激光をサンプルの規定された部分に指向するためのコマンドに基づいて、空間的または時間的に変調される、またはオンにされる複数の刺激光源の割合は、刺激光をサンプルの規定された部分に指向するためのコマンドに基づく。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、コンピュータシステムの１つまたはそれを上回るプロセッサによって、サンプルの画像を分析するステップと、サンプルの画像の分析に基づいて、パターン化された刺激光源または複数の刺激光源を制御するステップとを含む。いくつかの実施形態では、画像の分析は、サンプル中の１つまたはそれを上回る着目物体の場所を判定するステップを含む。いくつかの実施形態では、撮像光および刺激光は、同一光学経路を通してサンプルに送達される。いくつかの実施形態では、同時に撮像光および刺激光をサンプルに指向する、同一光学経路は、（１）サンプルへの撮像光および刺激光の送達を促進し、（２）画像センサへの物体の画像の中継を促進する、光学プローブを備える。いくつかの実施形態では、顕微鏡は、約１立方インチの体積を有する。いくつかの実施形態では、顕微鏡は、自由に移動する有機体上に搭載される。いくつかの実施形態では、サンプルは、脳組織を備える。いくつかの実施形態では、刺激光の電力密度は、撮像光の電力密度の少なくとも１０倍である。いくつかの実施形態では、刺激光の波長範囲は、撮像光の波長範囲から少なくとも１０ｎｍスペクトル的に分離される。いくつかの実施形態では、サンプルから放出される光を受光する、画像センサは、少なくとも２０μｍの空間分解能を伴うサンプルの画像を生成する。
【０００８】
別の側面では、同時撮像および刺激のための顕微鏡システムが、提供される。本システムは、撮像光を撮像光源から顕微鏡システムの視野内のサンプルに指向する、撮像光指向配列と、サンプルが撮像光指向配列からの撮像光によって照明される間、サンプルの異なる部分の刺激のために、刺激光を刺激光源から視野外のサンプルの異なる部分に指向する、刺激光指向配列と、サンプルの異なる部分の刺激のために、刺激光がサンプルの異なる部分指向される間、サンプルから放出される光を受光し、サンプルの画像を生成するための画像センサとを備える。
【０００９】
いくつかの実施形態では、刺激光源は、（１）空間光変調器によってパターン化される、単一刺激光源、または（２）複数の刺激光源を備える。いくつかの実施形態では、（１）パターン化された刺激光は、空間的もしくは時間的に変調される、または（２）複数の刺激光源のうちの少なくともある割合は、刺激光指向配列が刺激光をサンプルの異なる部分に指向するとオンにされる。いくつかの実施形態では、（１）パターン化された刺激光は、刺激光をサンプルの規定された部分に指向するためのコマンドに基づいて、空間的または時間的に変調される、または（２）オンにされる複数の刺激光源の割合は、刺激光をサンプルの規定された部分に指向するためのコマンドに基づく。いくつかの実施形態では、パターン化された刺激光または複数の刺激光源は、画像センサによって生成された画像上で画像分析を行う、コンピュータシステムによって制御される。いくつかの実施形態では、画像分析は、サンプル中の１つまたはそれを上回る着目物体の場所を判定する。いくつかの実施形態では、撮像光および刺激光は、異なる光学経路を通してサンプルに送達される。いくつかの実施形態では、光学経路のうちの少なくとも１つは、（１）サンプルへの撮像光または刺激光の送達を促進し、（２）画像センサへのサンプルの画像の中継を促進する、光学プローブを備える。いくつかの実施形態では、コンピュータシステムは、画像センサによって生成された画像上での画像分析に基づいて、１つまたはそれを上回るプロセッサを用いて、刺激光源の照明パターンを制御する。いくつかの実施形態では、顕微鏡は、約１立方インチの体積を有する。いくつかの実施形態では、顕微鏡は、自由に移動する有機体上に搭載される。いくつかの実施形態では、サンプルは、脳組織を備える。いくつかの実施形態では、刺激光の電力密度は、撮像光の電力密度の少なくとも１０倍である。いくつかの実施形態では、刺激光の波長範囲は、撮像光の波長範囲から少なくとも１０ｎｍスペクトル的に分離される。いくつかの実施形態では、サンプルから放出される光を受光する、画像センサは、少なくとも５０μｍまたはより優れた空間分解能を伴うサンプルの画像を生成する。いくつかの実施形態では、撮像光指向配列は、顕微鏡システムのオフボードである光源と光学通信する。いくつかの実施形態では、刺激光指向配列は、顕微鏡システムのオフボードである光源と光学通信する。いくつかの実施形態では、視野は、撮像視野である。いくつかの実施形態では、刺激光は、サンプルにおいて撮像光と重複しない。
【００１０】
本明細書に開示されるのは、対象内の組織の同時撮像および刺激のための光学システムであって、本システムは、ａ）ｉ）１つまたはそれを上回る発光要素を備え、撮像光を規定された視野内の組織に指向するように構成される、撮像光源と、ｉｉ）１つまたはそれを上回る発光要素を備え、刺激光を該視野の少なくとも一部内の組織に指向するように構成される、刺激光源と、ｉｉｉ）撮像光および刺激光を組織に指向する、光学経路であって、撮像光および刺激光は、少なくとも１つの共有変形可能レンズを通して組織に透過される、光学経路と、ｉｖ）組織によって反射、散乱、または放出された光を受光し、該視野内の組織の画像を生成するように構成される、画像センサとを備える、光学アセンブリと、ｂ）ベースプレートであって、固定位置において対象上に搭載され、光学アセンブリを受容するように構成され、それによって、ベースプレートへの取付に応じて、光学アセンブリを対象の組織に対して整合させ、光学アセンブリは、ベースプレートから除去可能である、ベースプレートとを備える。
【００１１】
いくつかの実施形態では、視野は、約１ｍｍ×１ｍｍである。いくつかの実施形態では、該画像の焦点面は、空間分解能の損失を伴わずに、約３００μｍの範囲にわたって調節可能である。いくつかの実施形態では、光学アセンブリは、約１ｍｍ×１ｍｍ×３００μｍの組織体積にわたって画像を生成可能である。いくつかの実施形態では、光学アセンブリは、視野の中心において２μｍより優れた空間分解能を伴う画像を生成可能である。いくつかの実施形態では、光学アセンブリはさらに、１つまたはそれを上回る補正光学要素を備え、視野全体にわたって２μｍより優れた空間分解能を伴う画像を生成可能である。いくつかの実施形態では、光学アセンブリはさらに、少なくとも第２の変形可能レンズを備える。いくつかの実施形態では、該画像の焦点面は、該刺激光源によって生成された刺激光のための焦点面と同一である。いくつかの実施形態では、該画像の焦点面は、該刺激光源によって生成された刺激光のための焦点面と異なる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの変形可能レンズは、液体レンズ、液晶レンズ、および圧電作動式チューナブルレンズ、または任意のそれらの組み合わせから成る群から選択される。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの共有変形可能レンズは、屈折率分布（ＧＲＩＮ）対物レンズに近接近して位置付けられる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの共有変形可能レンズは、組織から最も遠い屈折率分布（ＧＲＩＮ）対物レンズの端部に近接近して位置付けられる。いくつかの実施形態では、光学アセンブリはさらに、組織内に部分的に埋め込まれ得る、プローブを備える。いくつかの実施形態では、組織／画像センサ経路長は、約５ｃｍ未満である。いくつかの実施形態では、組織／撮像光源経路長は、約５ｃｍ未満である。いくつかの実施形態では、撮像光源は、２つまたはそれを上回る発光要素を備え、２つまたはそれを上回る異なる波長の撮像光を規定された視野内の組織に指向するように構成される。いくつかの実施形態では、刺激光源は、２つまたはそれを上回る発光要素を備え、２つまたはそれを上回る異なる波長の刺激光を該視野の少なくとも一部内の組織に指向するように構成される。いくつかの実施形態では、刺激光源は、刺激光をユーザ定義空間パターン内の組織に指向するように構成される。いくつかの実施形態では、ユーザ定義空間パターンは、焦点面において５μｍより優れた空間分解能を有する。いくつかの実施形態では、光学システムはさらに、プロセッサと、メモリデバイスとを備え、プロセッサは、メモリデバイス内に記憶される一連のソフトウェアエンコードされた命令を実行するように構成される。いくつかの実施形態では、ソフトウェアエンコードされた命令は、（ｉ）撮像光強度を時間依存または空間依存様式で変調させる、（ｉｉ）刺激光強度を時間依存または空間依存様式で変調させる、（ｉｉｉ）焦点深度を時間依存様式で変動させる、および（ｉｖ）規定された視野内の組織の１つまたはそれを上回る画像を規定された時間において捕捉する、または任意のそれらの組み合わせのための命令を含む。いくつかの実施形態では、組織は、脳組織であって、ソフトウェアエンコードされた命令は、刺激光を時間依存ま��は空間依存様式で変調させ、該脳組織内の神経応答を誘発するための命令を備える。いくつかの実施形態では、システムの総体積は、約５ｃｍ３未満である。いくつかの実施形態では、システムの総重量は、約４グラム未満である。いくつかの実施形態では、本システムは、同一ベースプレート上に搭載され得る、少なくとも第２の光学アセンブリを備える。いくつかの実施形態では、撮像光源または刺激光源の１つまたはそれを上回る発光要素は、１つまたはそれを上回る外部光源に結合される光ファイバを備える。いくつかの実施形態では、システムは、自由に移動する対象上に該ベースプレートを用いて搭載される。いくつかの実施形態では、対象は、マウス、ラット、ネコ、イヌ、ブタ、ウシ、ウマ、サル、チンパンジー、オランウータン、ゴリラ、およびヒトから成る群から選択される。いくつかの実施形態では、本システムは、臨床前研究のために使用される。いくつかの実施形態では、本システムは、臨床研究のために使用される。いくつかの実施形態では、本システムは、臨床診断試験結果を判定するために使用される。いくつかの実施形態では、本システムは、治療効果をもたらす時間変調または空間変調様式において刺激光を組織に指向するために使用される。
【００１２】
本明細書に開示されるのは、対象内の組織の同時撮像および刺激のための光学システムであって、本システムは、撮像光源および画像センサを備え、組織によって反射、散乱、または放出された光を受光し、規定された視野内の組織の画像を生成するように構成される、光学撮像プローブと、１つまたはそれを上回る発光要素を備え、刺激光を該視野内の組織、該視野外の組織、または任意のそれらの組み合わせに指向するように構成される、光学刺激プローブと、ベースプレートであって、固定位置において対象上に搭載され、光学撮像および刺激プローブを受容するように構成され、それによって、ベースプレートへの取付に応じて、光学撮像および刺激プローブを対象の組織に対して整合させ、光学撮像および刺激プローブは、ベースプレートから除去可能である、ベースプレートとを備える。
【００１３】
いくつかの実施形態では、光学システムはさらに、同一ベースプレートに取り付けられる、少なくとも第２の光学撮像プローブ、少なくとも第２の光学刺激プローブ、または任意のそれらの組み合わせを備え、ベースプレートの構成は、光学撮像と光学刺激プローブとの間の側方距離を判定する。いくつかの実施形態では、光学撮像プローブおよび光学刺激プローブはそれぞれ、空間分解能の損失を伴わずに、約３００μｍの範囲にわたって焦点面の調節を可能にする、少なくとも１つの変形可能レンズを備える。いくつかの実施形態では、光学撮像プローブの視野は、約１ｍｍ×１ｍｍである。いくつかの実施形態では、光学撮像プローブは、約１ｍｍ×１ｍｍ×３００μｍの組織体積にわたって画像を生成可能である。いくつかの実施形態では、光学撮像プローブは、視野の中心において２μｍより優れた空間分解能を伴う画像を生成可能である。いくつかの実施形態では、光学撮像プローブはさらに、１つまたはそれを上回る補正光学要素を備え、視野全体にわたって２μｍより優れた空間分解能を伴う画像を生成可能である。いくつかの実施形態では、該画像の焦点面は、該光学刺激プローブによって生成された刺激光のための焦点面と同一である。いくつかの実施形態では、該画像の焦点面は、該光学刺激プローブによって生成された刺激光のための焦点面と異なる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの変形可能レンズは、液体レンズ、液晶レンズ、および圧電作動式チューナブルレンズ、または任意のそれらの組み合わせから成る群から選択される。いくつかの実施形態では、光学撮像プローブの少なくとも１つの変形可能レンズは、屈折率分布（ＧＲＩＮ）対物レンズに近接近して位置付けられる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの変形可能レンズは、組織から最も遠い屈折率分布（ＧＲＩＮ）対物レンズの端部に近接近して位置付けられる。いくつかの実施形態では、光学撮像プローブは、組織内に部分的に埋め込まれてもよい。いくつかの実施形態では、光学刺激プローブは、組織内に部分的に埋め込まれてもよい。いくつかの実施形態では、光学撮像プローブの組織／画像センサ経路長は、約５ｃｍ未満である。いくつかの実施形態では、光学刺激プローブの組織／撮像光源経路長は、約５ｃｍ未満である。いくつかの実施形態では、撮像光源は、２つまたはそれを上回る発光要素を備え、２つまたはそれを上回る異なる波長の撮像光を規定された視野内の組織に指向するように構成される。いくつかの実施形態では、光学刺激プローブは、２つまたはそれを上回る異なる波長の刺激光を該視野内の組織、該視野の外組織、または任意のそれらの組み合わせに指向するように構成される、２つまたはそれを上回る発光要素を備える。いくつかの実施形態では、光学刺激プローブは、刺激光をユーザ定義空間パターン内の組織に指向するように構成される。いくつかの実施形態では、ユーザ定義空間パターンは、焦点面において５μｍより優れた空間分解能を有する。いくつかの実施形態では、光学システムはさらに、プロセッサと、メモリデバイスとを備え、プロセッサは、メモリデバイス内に記憶される一連のソフトウェアエンコードされた命令を実行するように構成される。いくつかの実施形��では、ソフトウェアエンコードされた命令は、（ｉ）撮像光強度を時間依存または空間依存様式で変調させる、（ｉｉ）刺激光強度を時間依存または空間依存様式で変調させる、（ｉｉｉ）焦点深度を時間依存様式で変動させる、および（ｉｖ）規定された視野内の組織の１つまたはそれを上回る画像を規定された時間において捕捉する、または任意のそれらの組み合わせのための命令を含む。いくつかの実施形態では、組織は、脳組織であって、ソフトウェアエンコードされた命令は、刺激光を時間依存または空間依存様式で変調させ、該脳組織内の神経応答を誘発するための命令を備える。いくつかの実施形態では、システムの総体積は、約５ｃｍ３未満である。いくつかの実施形態では、システムの総重量は、約４グラム未満である。いくつかの実施形態では、撮像光源または光学刺激プローブの１つまたはそれを上回る発光要素は、１つまたはそれを上回る外部光源に結合される光ファイバを備える。いくつかの実施形態では、本システムは、自由に移動する対象上に該ベースプレートを用いて搭載される。いくつかの実施形態では、対象は、マウス、ラット、ネコ、イヌ、ブタ、ウシ、ウマ、サル、チンパンジー、オランウータン、ゴリラ、およびヒトから成る群から選択される。いくつかの実施形態では、本システムは、臨床前研究のために使用される。いくつかの実施形態では、本システムは、臨床研究のために使用される。いくつかの実施形態では、本システムは、臨床診断試験結果を判定するために使用される。いくつかの実施形態では、本システムは、治療効果をもたらす時間変調または空間変調様式において刺激光を組織に指向するために使用される。
【００１４】
本明細書に開示されるのは、対象内の組織の同時撮像および刺激のための光学システムであって、本システムは、撮像光源および画像センサを備え、組織によって反射、散乱、または放出された光を受光し、規定された視野内の組織の画像を生成するように構成される、光学撮像プローブと、１つまたはそれを上回る発光要素を備え、刺激光を該視野内の組織、該視野外の組織、または任意のそれらの組み合わせに指向するように構成される、光学刺激プローブとを備える、光学アセンブリと、ベースプレートであって、固定位置において対象上に搭載され、光学アセンブリを受容するように構成され、それによって、ベースプレートへの取付に応じて、光学アセンブリを対象の組織に対して整合させ、光学アセンブリは、約５ｃｍ３未満の総体積を有し、ベースプレートから除去可能である、ベースプレートとを備える。
【００１５】
また、本明細書に開示されるのは、対象内の組織の同時撮像および刺激のための光学システムであって、本システムは、撮像光源、変形可能レンズ、および画像センサを備え、組織によって反射、散乱、または放出された光を受光し、約３００μｍの深度にわたって約１ｍｍ×１ｍｍの視野内の組織の一連の断層撮影画像を生成するように構成される、光学撮像プローブと、１つまたはそれを上回る発光要素を備え、刺激光を該視野内の組織、該視野外の組織、または任意のそれらの組み合わせに指向するように構成される、光学刺激プローブとを備える、光学アセンブリと、ベースプレートであって、固定位置において対象上に搭載され、光学アセンブリを受容するように構成され、それによって、ベースプレートへの取付に応じて、光学アセンブリを対象の組織に対して整合させ、光学アセンブリは、約５ｃｍ３未満の総体積を有し、ベースプレートから除去可能である、ベースプレートとを備える。
【００１６】
いくつかの実施形態では、撮像光源によって生産された撮像光および刺激光は、空間分解能の損失を伴わずに、約３００μｍの範囲にわたって焦点面の調節を可能にする、少なくとも１つの共有変形可能レンズを通して組織に透過される。いくつかの実施形態では、光学撮像プローブの視野は、約１ｍｍ×１ｍｍである。いくつかの実施形態では、光学撮像プローブは、約１ｍｍ×１ｍｍ×３００μｍの組織体積にわたって画像を生成可能である。いくつかの実施形態では、光学撮像プローブは、視野の中心において２μｍより優れた空間分解能を伴う画像を生成可能である。いくつかの実施形態では、光学撮像プローブはさらに、１つまたはそれを上回る補正光学要素を備え、視野全体にわたって２μｍより優れた空間分解能を伴う画像を生成可能である。いくつかの実施形態では、該画像の焦点面は、該光学刺激プローブによって生成された刺激光のための焦点面と同一である。いくつかの実施形態では、該画像の焦点面は、該光学刺激プローブによって生成された刺激光のための焦点面と異なる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの変形可能レンズは、液体レンズ、液晶レンズ、および圧電作動式チューナブルレンズ、または任意のそれらの組み合わせから成る群から選択される。いくつかの実施形態では、光学撮像プローブの少なくとも１つの変形可能レンズは、屈折率分布（ＧＲＩＮ）対物レンズに近接近して位置付けられる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの変形可能レンズは、組織から最も遠い屈折率分布（ＧＲＩＮ）対物レンズの端部に近接近して位置付けられる。いくつかの実施形態では、光学撮像プローブは、組織内に部分的に埋め込まれてもよい。いくつかの実施形態では、光学刺激プローブは、組織内に部分的に埋め込まれてもよい。いくつかの実施形態では、光学撮像プローブの組織／画像センサ経路長は、約５ｃｍ未満である。いくつかの実施形態では、光学刺激プローブの組織／撮像光源経路長は、約５ｃｍ未満である。いくつかの実施形態では、撮像光源は、２つまたはそれを上回る発光要素を備え、２つまたはそれを上回る異なるピーク波長の撮像光を規定された視野内の組織に指向するように構成される。いくつかの実施形態では、光学刺激プローブは、２つまたはそれを上回る異なるピーク波長の刺激光を該視野内の組織、該視野外の組織、または任意のそれらの組み合わせに指向するように構成される、２つまたはそれを上回る発光要素を備える。いくつかの実施形態では、光学刺激プローブは、刺激光をユーザ定義空間パターン内の組織に指向するように構成される。いくつかの実施形態では、ユーザ定義空間パターンは、焦点面において５μｍより優れた空間分解能を有する。いくつかの実施形態では、光学システムはさらに、プロセッサと、メモリデバイスとを備え、プロセッサは、メモリデバイス内に記憶される一連のソフトウェアエンコードされた命令を実行するように構成される。いくつかの実施形態では、ソフトウェアエンコードされた命令は、（ｉ）撮像光強度を時間依存または空間依存様式で変調させる、（ｉｉ）刺激光強度を時間依存または空間依存様式で変調させる、（ｉｉｉ）焦点深度を時間依存様式で変動させる、および（ｉｖ）規定された視野��の組織の１つまたはそれを上回る画像を規定された時間において捕捉する、または任意のそれらの組み合わせのための命令を含む。いくつかの実施形態では、組織は、脳組織であって、ソフトウェアエンコードされた命令は、刺激光を時間依存または空間依存様式で変調させ、該脳組織内の神経応答を誘発するための命令を備える。いくつかの実施形態では、システムの総体積は、約５ｃｍ３未満である。いくつかの実施形態では、システムの総重量は、約４グラム未満である。いくつかの実施形態では、撮像光源または光学刺激プローブの１つまたはそれを上回る発光要素は、１つまたはそれを上回る外部光源に結合される光ファイバを備える。いくつかの実施形態では、本システムは、自由に移動する対象上に該ベースプレートを用いて搭載される。いくつかの実施形態では、対象は、マウス、ラット、ネコ、イヌ、ブタ、ウシ、ウマ、サル、チンパンジー、オランウータン、ゴリラ、およびヒトから成る群から選択される。いくつかの実施形態では、本システムは、臨床前研究のために使用される。いくつかの実施形態では、システムは、臨床研究のために使用される。いくつかの実施形態では、本システムは、臨床診断試験結果を判定するために使用される。いくつかの実施形態では、本システムは、治療効果をもたらす時間変調または空間変調様式において刺激光を組織に指向するために使用される。
【００１７】
本明細書に開示されるのは、対象内の組織の同時撮像および刺激のための光学システムであって、本システムは、１つまたはそれを上回る発光要素を備え、撮像光を規定された視野内の組織に指向するように構成される、照明光学経路と、１つまたはそれを上回る発光要素を備え、刺激光を該視野内の組織、該視野外の組織、または任意のそれらの組み合わせに指向するように構成される、刺激光学経路と、１つまたはそれを上回る画像センサを備え、組織によって反射、散乱、または放出された光を受光し、該視野内の組織の画像を生成するように構成される、撮像光学経路とを備える、光学アセンブリと、ベースプレートであって、固定位置において対象上に搭載され、光学アセンブリを受容するように構成され、それによって、ベースプレートへの取付に応じて、光学アセンブリを対象の組織に対して整合させ、光学アセンブリは、ベースプレートから除去可能である、ベースプレートとを備える。
【００１８】
本明細書に開示されるのは、対象内の組織の同時撮像および刺激のための光学システムであって、本システムは、ａ）１つまたはそれを上回る発光要素を備え、撮像光を規定された視野内の組織に指向するように構成される、照明光学経路と、１つまたはそれを上回る発光要素を備え、刺激光を該視野内の組織、該視野外の組織、または任意のそれらの組み合わせに指向するように構成される、刺激光学経路と、１つまたはそれを上回る画像センサを備え、組織によって反射、散乱、または放出された光を受光し、該視野内の組織の画像を生成するように構成される、撮像光学経路とを備える、光学アセンブリと、情報または電力の無線通信を光学アセンブリと外部コントローラとの間に提供するように構成される、無線アダプタと、光学アセンブリおよび無線アダプタを封入するように構成される、筐体であって、筐体は、密閉してシールされれ、生体適合性外側表面を備え、光学システムは、対象の組織内に部分的または完全に埋込可能である、筐体とを備える。
【００１９】
いくつかの実施形態では、規定された視野は、約１ｍｍ×１ｍｍである。いくつかの実施形態では、光学アセンブリは、視野の中心において約２μｍより優れた空間分解能を伴う画像を取得するように構成される。いくつかの実施形態では、光学アセンブリは、１つまたはそれを上回る補正光学要素を光学アセンブリに追加することによって、視野全体にわたって約２μｍより優れた空間分解能を伴う画像を取得するように構成される。いくつかの実施形態では、光学アセンブリはさらに、撮像光学経路、刺激光学経路、または両方の焦点深度を調節するように構成される、１つまたはそれを上回る変形可能レンズを備える。いくつかの実施形態では、１つまたはそれを上回る変形可能レンズは、空間分解能の損失を伴わずに、約３００μｍの範囲にわたって、撮像光学経路、刺激光学経路、または両方の焦点深度を調節するように構成される。いくつかの実施形態では、１つまたはそれを上回る変形可能レンズは、液体レンズ、液晶レンズ、および圧電作動式チューナブルレンズ、または任意のそれらの組み合わせから成る群から選択される。いくつかの実施形態では、１つまたはそれを上回る変形可能レンズは、撮像光学経路および刺激光学経路が光を同一焦点面に指向するように構成される。いくつかの実施形態では、光学アセンブリは、約１ｍｍ×１ｍｍ×３００μｍの組織体積にわたって画像を取得するように構成される。いくつかの実施形態では、刺激光学経路はさらに、ユーザ定義空間パターンにおいて刺激光を組織に指向するように構成される。いくつかの実施形態では、ユーザ定義空間パターンは、焦点面において約５μｍより優れた空間分解能を有する。いくつかの実施形態では、光学システムはさらに、第１のプロセッサと、メモリデバイスとを備え、プロセッサは、メモリデバイス内に記憶される一連のソフトウェアエンコードされた命令を実行するように構成される。いくつかの実施形態では、ソフトウェアエンコードされた命令は、（ｉ）撮像光強度を時間依存または空間依存様式で変調させる、（ｉｉ）刺激光強度を時間依存または空間依存様式で変調させる、（ｉｉｉ）焦点深度を時間依存様式で変動させる、および（ｉｖ）規定された視野内の組織の１つまたはそれを上回る画像を規定された時間において捕捉する、または任意のそれらの組み合わせのための命令を含む。いくつかの実施形態では、組織は、脳組織であって、ソフトウェアエンコードされた命令は、刺激光を時間依存または空間依存様式で変調させ、該脳組織内の神経応答を誘発するための命令を備える。いくつかの実施形態では、システムの総体積は、約５ｃｍ３未満である。いくつかの実施形態では、システムの総重量は、約４グラム未満である。いくつかの実施形態では、本システムは、少なくとも第２の照明光学経路、少なくとも第２の刺激光学経路、少なくとも第２の撮像光学経路、または任意のそれらの組み合わせを備える。いくつかの実施形態では、照明光学経路または刺激光学経路の１つもしくはそれを上回る発光要素は、１つまたはそれを上回る外部光源に結合される光ファイバを備える。いくつかの実施形態では、ベースプレートは、２つまたはそれを上回る光学アセンブリの取付を可能にするように構成される��いくつかの実施形態では、無線アダプタは、無線周波数または光学リンクを介して、無線通信を提供するように構成される。いくつかの実施形態では、無線アダプタは、無線読取および書込動作を別個または同時に可能にするように構成される。いくつかの実施形態では、本システムは、自由に移動する対象上に搭載される、その中に部分的に埋め込まれる、またはその中に完全に埋め込まれる。いくつかの実施形態では、対象は、マウス、ラット、ネコ、イヌ、ブタ、ウシ、ウマ、サル、チンパンジー、オランウータン、ゴリラ、およびヒトから成る群から選択される。いくつかの実施形態では、本システムは、臨床前研究のために使用される。いくつかの実施形態では、本システムは、臨床研究のために使用される。いくつかの実施形態では、本システムは、臨床診断試験結果を判定するために使用される。いくつかの実施形態では、本システムは、治療効果をもたらす時間変調または空間変調様式において刺激光を組織に指向するために使用される。
【００２０】
本明細書に開示されるのは、対象内の組織の同時刺激および撮像のための方法であって、本方法は、本明細書に開示される実施形態のうちの任意の１つによる光学システムを提供するステップと、刺激および撮像されるべき組織を備える対象を提供するステップと、ステップ（ａ）の光学システムを対象上または内に搭載する、または埋め込むステップと、時間変調または空間変調様式で刺激光を該対象の組織に指向する前、間、または後に、組織の１つもしくはそれを上回る画像を生成するステップとを含む。
【００２１】
いくつかの実施形態では、対象は、マウス、ラット、ネコ、イヌ、ブタ、ウシ、ウマ、サル、チンパンジー、オランウータン、ゴリラ、およびヒトから成る群から選択される。いくつかの実施形態では、本方法は、臨床前研究の一部として行われる。いくつかの実施形態では、本方法は、臨床研究の一部として行われる。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、臨床診断試験結果を判定するステップを含む。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、治療効果をもたらす時間変調または空間変調様式で刺激光を組織に指向するステップを含む。
【００２２】
本明細書に開示されるのは、対象内の組織の同時撮像および刺激のための顕微鏡システムであって、顕微鏡システムは、１つまたはそれを上回る発光要素を備え、撮像光を規定された視野内の組織に指向するように構成される、照明光学経路と、１つまたはそれを上回る発光要素を備え、刺激光を該視野内の組織、該視野外の組織、または部分的に該視野内の組織に指向するように構成される、刺激光学経路と、１つまたはそれを上回る画像センサを備え、組織によって反射、散乱、または放出された光を受光し、該視野内の組織の画像を生成するように構成される、撮像光学経路とを備える、光学アセンブリと、ベースプレートであって、固定位置において対象上に搭載され、光学アセンブリを受容するように構成され、それによって、ベースプレートへの取付に応じて、光学アセンブリを対象の組織に対して整合させ、光学アセンブリは、ベースプレートから除去可能である、ベースプレートとを備える。
【００２３】
いくつかの実施形態では、規定された視野は、約１ｍｍ×１ｍｍである。いくつかの実施形態では、規定された視野は、約２ｍｍ×２ｍｍである。いくつかの実施形態では、規定された視野は、約４ｍｍ×４ｍｍである。いくつかの実施形態では、撮像光は、蛍光励起光である。いくつかの実施形態では、蛍光励起光は、４００ｎｍ〜５００ｎｍの波長範囲内で提供され、刺激光は、５００ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲内で提供される。いくつかの実施形態では、蛍光励起光は、５００ｎｍ〜６５０ｎｍの波長範囲内で提供され、刺激光は、３５０ｎｍ〜５６０ｎｍの波長範囲内で提供される。いくつかの実施形態では、光学アセンブリは、視野の中心において約２μｍより優れた空間分解能を伴う画像を取得するように構成される。いくつかの実施形態では、光学アセンブリは、１つまたはそれを上回る補正光学要素を光学アセンブリに追加することによって、視野全体にわたって約２μｍより優れた空間分解能を伴う画像を取得するように構成される。いくつかの実施形態では、光学アセンブリはさらに、撮像光学経路、刺激光学経路、または両方の焦点深度を調節するように構成される、１つまたはそれを上回る変形可能レンズを備える。いくつかの実施形態では、照明光学経路、刺激光学経路、および撮像光学経路は、少なくとも１つの変形可能レンズを共有する。いくつかの実施形態では、１つまたはそれを上回る変形可能レンズは、空間分解能の損失を伴わずに、約３００μｍの範囲にわたって、撮像光学経路、刺激光学経路、または両方の焦点深度を調節するように構成される、。いくつかの実施形態では、１つまたはそれを上回る変形可能レンズは、液体レンズ、液晶レンズ、および圧電作動式チューナブルレンズ、または任意のそれらの組み合わせから成る群から選択される。いくつかの実施形態では、１つまたはそれを上回る変形可能レンズは、撮像光学経路および刺激光学経路が光を同一焦点面に指向するように構成される。いくつかの実施形態では、光学アセンブリは、約１ｍｍ×１ｍｍ×３００μｍの組織体積にわたって画像を取得するように構成される。いくつかの実施形態では、刺激光学経路はさらに、ユーザ定義空間パターンにおいて刺激光を組織に指向するように構成される。いくつかの実施形態では、ユーザ定義空間パターンは、焦点面において約５μｍより優れた空間分解能を有する。いくつかの実施形態では、顕微鏡システムはさらに、第１のプロセッサと、メモリデバイスとを備え、プロセッサは、メモリデバイス内に記憶される一連のソフトウェアエンコードされた命令を実行するように構成される。いくつかの実施形態では、ソフトウェアエンコードされた命令は、（ｉ）撮像光強度を時間依存または空間依存様式で変調させる、（ｉｉ）刺激光強度を時間依存または空間依存様式で変調させる、（ｉｉｉ）焦点深度を時間依存様式で変動させる、および（ｉｖ）規定された視野内の組織の１つまたはそれを上回る画像を規定された時間において捕捉する、または任意のそれらの組み合わせのための命令を含む。いくつかの実施形態では、組織は、脳組織であって、ソフトウェアエンコードされた命令は、刺激光を時間依存または空間依存様式で変調させ、該脳組織内の神経応答を誘発する���めの命令を備える。いくつかの実施形態では、システムの総体積は、約５ｃｍ３未満である。いくつかの実施形態では、システムの総重量は、約４グラム未満である。いくつかの実施形態では、照明および撮像光学経路は、第１の筐体内に光学撮像プローブとしてパッケージ化される。いくつかの実施形態では、刺激光学経路は、第２の筐体内に光学刺激プローブとしてパッケージ化される。いくつかの実施形態では、本システムは、ベースプレートに取り付けられる、少なくとも第２の光学撮像プローブ、少なくとも第２の光学刺激プローブ、または任意のそれらの組み合わせを備える。いくつかの実施形態では、照明光学経路または刺激光学経路の１つまたはそれを上回る発光要素は、１つまたはそれを上回る外部光源に結合される光ファイバを備える。いくつかの実施形態では、本システムは、自由に移動する対象上に搭載される、または部分的にその中に埋め込まれる。いくつかの実施形態では、照明光学経路、刺激光学経路、および撮像光学経路はさらに、対象の組織内に部分的に埋め込まれる共有内視鏡プローブを備える。いくつかの実施形態では、対象は、マウス、ラット、ネコ、イヌ、ブタ、ウシ、ウマ、サル、チンパンジー、オランウータン、ゴリラ、およびヒトから成る群から選択される。いくつかの実施形態では、本システムは、臨床前研究のために使用される。いくつかの実施形態では、本システムは、臨床研究のために使用される。いくつかの実施形態では、本システムは、臨床診断試験結果を判定するために使用される。いくつかの実施形態では、本システムは、中枢神経系、末梢神経系、または両方のニューロン組織の光刺激のために使用される。いくつかの実施形態では、本システムは、治療効果をもたらす時間変調または空間変調様式において刺激光を組織に指向するために使用される。
【００２４】
本明細書に開示されるのは、対象内の組織の同時刺激および撮像のための方法であって、本方法は、請求項３４に記載の顕微鏡システムを提供するステップと、刺激および撮像されるべき組織を備える対象を提供するステップと、ステップ（ａ）の顕微鏡システムを対象上または内に搭載する、または埋め込むステップと、時間変調または空間変調様式で刺激光を該対象の組織に指向する前、間、または後に、組織の１つまたはそれを上回る画像を生成するステップとを含む。
【００２５】
いくつかの実施形態では、対象は、マウス、ラット、ネコ、イヌ、ブタ、ウシ、ウマ、サル、チンパンジー、オランウータン、ゴリラ、およびヒトから成る群から選択される。いくつかの実施形態では、本方法は、臨床前研究の一部として行われる。いくつかの実施形態では、本方法は、臨床研究の一部として行われる。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、臨床診断試験結果を判定するステップを含む。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、治療効果をもたらす時間変調または空間変調様式で刺激光を組織に指向するステップを含む。
【００２６】
本開示の付加的な側面および利点は、本開示の例証的実施形態のみが示され、説明される、以下の詳細な説明から、当業者に容易に明白となるであろう。認識されるように、本開示は、他の異なる実施形態が可能であり、そのいくつかの詳細は、全て本開示から逸脱することなく、種々の明白な点で修正が可能である。したがって、図面および説明は、制限的ではなく、本質的に例証的と見なされるものである。
参照による引用
【００２７】
本明細書で記述される全ての出版物、特許、および特許出願は、各個別出版物、特許、または特許出願が、参照することによりその全体として組み込まれるように特異的かつ個別に示された場合と同一の程度に、参照することによりその全体として本明細書に組み込まれる。本明細書における用語と参考文献に組み込まれる用語との間に矛盾が生じる場合、本明細書における用語が優先するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
本発明の新規の特徴が、添付の請求項で詳細に記載される。本発明の原理が利用される、例証的実施形態を記載する以下の発明を実施するための形態、ならびに添付図面（また、本明細書では「図」（ｆｉｇｕｒｅおよびＦＩＧ．））を参照することにより、本発明の特徴および利点のより深い理解が得られるであろう。
【００２９】
【図１】図１は、小型光遺伝学顕微鏡システムの概略図を示す。
【００３０】
【図２Ａ】図２Ａは、複数の光源を備える、刺激光源の概略図を示す。
【００３１】
【図２Ｂ】図２Ｂは、顕微鏡システムによって撮像される視野の概略図を示し、該視野は、刺激光が入射する複数の着目物体を備える。
【００３２】
【図３】図３は、顕微鏡システムによって撮像される視野を示すためにユーザに提供され得る、ディスプレイを示す。
【００３３】
【図４】図４は、コンピュータ制御システムと通信する、小型光遺伝学顕微鏡システムの概略図を示す。
【００３４】
【図５】図５は、顕微鏡システムを制御するように構成される、コンピュータシステムを示す。
【００３５】
【図６】図６は、撮像および刺激光源のための波長の関数として可能な放出スペクタクルを示す。
【００３６】
【図７】図７は、コンパクト光遺伝学顕微鏡システムの一実施形態の概略図を示す。
【００３７】
【図８】図８Ａ−Ｂは、コンパクト光遺伝学顕微鏡のための構成の２つの非限定的実施例を図示する。図８Ａは、４５５ｎｍ励起ＬＥＤ、５９０ｎｍ活性化ＬＥＤである。図８Ｂは、５６０ｎｍ励起ＬＥＤ、４５５ｎｍ活性化ＬＥＤである。
【００３８】
【図９】図９Ａ−Ｃは、コンパクト光遺伝学顕微鏡システムのための異なる撮像用途の非限定的実施例を図示する。
【００３９】
【図１０Ａ】図１０Ａ−Ｄは、興奮性オプシンとの生物学的クロストークのインビトロ特性評価のためのデータの実施例を示す。
【図１０Ｂ】図１０Ａ−Ｄは、興奮性オプシンとの生物学的クロストークのインビトロ特性評価のためのデータの実施例を示す。
【図１０Ｃ】図１０Ａ−Ｄは、興奮性オプシンとの生物学的クロストークのインビトロ特性評価のためのデータの実施例を示す。
【図１０Ｄ】図１０Ａ−Ｄは、興奮性オプシンとの生物学的クロストークのインビトロ特性評価のためのデータの実施例を示す。
【００４０】
【図１１Ａ】図１１Ａ−Ｂは、抑制性オプシンとの生物学的クロストークのインビトロ特性評価のためのデータの実施例を示す。
【図１１Ｂ】図１１Ａ−Ｂは、抑制性オプシンとの生物学的クロストークのインビトロ特性評価のためのデータの実施例を示す。
【００４１】
【図１２】図１２Ａ−Ｂは、生物学的クロストークのインビボ特性評価のためのデータの実施例を示す。
【００４２】
【図１３】図１３Ａ−Ｂは、光学的クロストークのインビボ特性評価のためのデータの実施例を示す。
【００４３】
【図１４】図１４は、開示されるコンパクト光遺伝学顕微鏡システムと併用するための好適なオプシン／インジケータの組み合わせの非限定的実施例を示す。
【００４４】
【図１５】図１５は、開示されるコンパクト光遺伝学顕微鏡システムを使用した光遺伝学研究を設定および実施する際に行われるステップの１つの非限定的実施例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
本発明の種々の実施形態が、本明細書に図示および説明されるが、そのような実施形態は、実施例のみとして提供されることが、当業者に明白となるであろう。多数の変形例、変更、および代用が、本発明から逸脱することなく、当業者に想起され得る。本明細書に説明される本発明の実施形態の種々の代替が、採用されてもよいことを理解されたい。
【００４６】
本明細書に提供されるのは、本明細書では、光学システムおよび／または光遺伝学顕微鏡システムとも称される、顕微鏡システムの動作のためのシステムおよび方法である。顕微鏡システムは、サンプルの同時操作および観察を提供するように構成されてもよい。サンプルは、生物学的サンプルであることができる。サンプルの少なくとも一部は、１つまたはそれを上回る着目物体、例えば、細胞を備えることができる。ある場合には、サンプルは、ニューロン集団を備えることができる。１つまたはそれを上回る着目物体を含む、サンプルの少なくとも一部は、顕微鏡システムからの光刺激によって活性化または非活性化されることができる。刺激光は、細胞膜内の光活性化イオンチャネル（例えば、オプシン）を刺激することができる（本プロセスはまた、「光遺伝学刺激」または「光遺伝学変調」とも称され得る）。オプシンは、細胞膜内で自然に生じることができる。ある場合には、オプシンは、細胞膜にオプシンを組み込ませる細胞の遺伝子修飾によって、細胞膜の中に装填されることができる。オプシンを生成する遺伝子は、ウイルス媒介移入を通して細胞の中に導入されることができる。顕微鏡システムは、刺激光をサンプルに提供しながら、同時に、サンプルを撮像することができる（例えば、蛍光を使用して）。同時撮像および刺激は、ユーザが、刺激光によって刺激されるサンプルの１つまたはそれを上回る部分（例えば、細胞、ニューロン、またはニューロン集団）を観察することを可能にすることができる。サンプルは、単一の統合された光遺伝学顕微鏡システムを用いて、同時に、刺激光によって刺激され、撮像光によって撮像されることができる。サンプルは、例えば、サンプルによって散乱、反射、もしくは透過された撮像光を収集することによって、または励起撮像光源を使用して、サンプル中の蛍光を励起させ、放出された蛍光光を収集し、画像を形成することによって、光学的に撮像されることができる。サンプルは、サンプルに直接提供される光によって撮像されることができる。サンプルは、サンプルへの入射に先立って皮膚または骨等の１つまたはそれを上回る境界を通して透過されない光によって撮像されることができる。いくつかの実施形態では、開示される光遺伝学顕微鏡システムはさらに、固定位置において自由に移動する対象上に搭載される、または埋め込まれ得る、ベースプレートを備える。ベースプレートは、光遺伝学顕微鏡を受容するように構成されてもよく、それによって、ベースプレートへの顕微鏡の取付に応じて、顕微鏡を対象の組織に対して整合させ、また、顕微鏡の後続除去または交換を可能にする。
【００４７】
光遺伝学顕微鏡は、光をサンプルに第１の光源から送達し、サンプルの画像を生成し、交互または同時に、光をサンプルに第２の光源から送達し、サンプルの少なくとも一部を刺激するように構成される、任意の顕微鏡であることができる。サンプルの刺激は、サンプルから電気化学信号を開始させるステップを含むことができる。図１は、撮像光および刺激光をサンプルに送達するように構成される、光遺伝学顕微鏡システム１００の略図を示す。顕微鏡システム１００は、撮像光および刺激光をサンプルに同時に送達することができる。顕微鏡システムは、撮像光および刺激光をサンプルに別個の時間周期において送達することができる。
【００４８】
本明細書に開示されるコンパクト光遺伝学顕微鏡は、光学システムの１つの非限定的実施例である。本明細書で使用されるように、光学デバイスまたは光学システムは、デバイスまたはシステムが、光を規定された視野に送達する、光を規定された視野から収集し、規定された焦点面における画像を形成する、規定された視野の拡大された画像を提供する、および同等物等、光学機能を行うような様式で配列される、１つまたはそれを上回る光学構成要素、例えば、レンズ、ミラー、光学フィルタ、プリズム、回折格子、モノクロメータ、および同等物を備える、任意のデバイスまたはシステムであってもよい。光学デバイスまたは光学システムの光学構成要素の配列は、したがって、光を空間内の１つの位置から別の位置に伝達するように機能する、「光学経路」を構成する。したがって、例えば、撮像光を画定された視野内のサンプルまたは組織に送達するために使用される「照明光学経路」、または刺激光を画定された視野内のサンプルまたは組織に送達するために使用される「刺激光学経路」、もしくは画定された視野内のサンプルまたは組織から収集される光を画像センサに送達するために使用される「撮像光学経路」を指し得る。
【００４９】
本明細書で使用されるように、「光学アセンブリ」は、光学デバイスまたはシステムの光学構成要素の全部または一部を備え、多くの場合、電子構成要素、例えば、光源または光検出器と、機械的構成要素、例えば、個々の光学構成要素を相互に対して固定または調節可能配向および／もしくは相互に対して固定または調節可能距離に保持する、搭載部もしくは固定具とをさらに備え得る、１つまたはそれを上回る光学構成要素の群を指し得る。いくつかの事例では、光学デバイスまたはシステムは、１つを上回る光学アセンブリ（または光学サブシステム）を備えてもよい。いくつかの事例では、光学デバイスまたはシステムは、２つもしくはそれを上回る光学アセンブリを備えてもよく、２つまたはそれを上回る異なる光学アセンブリは、同一または異なる機能を行うように構成される。例えば、光学アセンブリ（例えば、照明光学アセンブリまたは「光学照明プローブ」）は、撮像光を画定された視野内のサンプルに送達するために要求される、光学および電子構成要素を備えてもよい。代替として、光学アセンブリ（例えば、刺激光学アセンブリまたは「光学刺激プローブ」）は、光刺激光を画定された視野内のサンプルに送達するために要求される、光学構成要素を備えてもよい。
【００５０】
別の事例では、光学アセンブリ（例えば、撮像光学アセンブリまたは「光学撮像プローブ」）は、撮像光を画定された視野内のサンプルに送達し、かつサンプルによって反射、散乱、または放出された光を収集し、画定された視野内のサンプルの画像を捕捉するために要求される、光学および電子構成要素を備えてもよい。したがって、本明細書に開示される光遺伝学顕微鏡システム等の光学システムは、いくつかの実施形態では、任意の組み合わせにおいて、１つまたはそれを上回る光学アセンブリまたは光学プローブを備え、種々の照明、光刺激、および撮像機能性を提供してもよい。いくつかの実施形態では、開示される光遺伝学顕微鏡システムはさらに、付加的機械的構成要素、例えば、筐体、ベースプレート、または位置調節機構、電気機械的構成要素、例えば、手動またはモータ式平行移動段もしくは他の微小位置決めデバイス、または電子構成要素、例えば、光源、光検出器、画像センサ、光源、温度センサ、温度制御要素、温度コントローラ、アナログ／デジタルコンバータ、デジタル／アナログコンバータ、増幅器、プロセッサ、メモリデバイス、および同等物を備えてもよい。
【００５１】
顕微鏡システムは、撮像光指向配列１０３と、刺激光指向配列１０２とを備えることができる。撮像光指向配列および刺激光指向配列は、顕微鏡システムの１つまたはそれを上回る光学構成要素のうちの少なくともある割合を含有する、筐体内に含有されることができる。光指向配列は、周囲光から光学的に隔離されてもよい。撮像光指向配列は、撮像光源を含むことができる。撮像光源は、顕微鏡のオンボードであることができる。撮像光源は、撮像光を生成することができる。撮像光指向配列は、光指向配列のオフボードである、撮像光源と光学通信することができる。撮像光源は、顕微鏡のオフボードであることができる。撮像光源は、筐体内に含有されてもよい、またはそうではなくてもよい。撮像光指向配列は、光学透過要素、例えば、光ファイバ要素を通して、撮像光源と光学通信することができる。刺激光指向配列は、光指向配列のオフボードである、刺激光源と光学通信することができる。刺激光源は、刺激光を生成することができる。刺激光源は、顕微鏡のオンボードであることができる。刺激光源は、顕微鏡のオフボードであることができる。刺激光源は、筐体内に含有されてもよい、またはそうではなくてもよい。刺激光指向配列は、光学透過要素、例えば、光ファイバ要素を通して、刺激光源と光学通信することができる。
【００５２】
光遺伝学顕微鏡は、ユーザが異なる細胞成分および／または相互作用を研究し得るように、異なる波長（例えば、色）においてサンプルからの光を撮像することができる。ある場合には、異なる細胞集団が、異なる色蛍光タグの撮像によって識別されることができる。顕微鏡は、ユーザがユーザの眼によって検出可能なサイズ範囲外の成分および／または相互作用を研究し得るように、サンプルの１つまたはそれを上回る特徴を拡大するように構成されることができる。異なる波長においてサンプルから撮像された光は、マルチカラー顕微鏡撮像プロセスにおいて撮像され得る、異なる色に対応することができる。顕微鏡システムは、複数の色の光を同時に検出するように構成されることができる。
【００５３】
光遺伝学顕微鏡は、単色またはマルチカラー撮像を行うように構成されることができる。光遺伝学顕微鏡は、サンプルからの２つまたはそれを上回る異なる色（例えば、波長）の放出（例えば、蛍光）を撮像しながら、同時に、サンプルを刺激することができる。ある場合には、２つまたはそれを上回る異なる色は、サンプルに添加された２つまたはそれを上回る異なる色素からのものであることができる。色素は、蛍光色素であることができる。異なるタンパク質および／または異なる遺伝子マーカならびに／もしくは異なる神経的機能を伴う細胞が、異なる色素を用いて識別されることができる。２つの色撮像は、光遺伝学顕微鏡からの刺激光を標的化するために、着目物体（例えば、細胞集団）を識別することを補助することができる。
【００５４】
複数の色を同時に撮像することは、ユーザが、異なるサンプル、例えば、異なる細胞集団および異なる細胞集団間の相互作用を撮像することを可能にすることができる。異なる細胞集団は、顕微鏡システムによって検出され得る、色マーカを用いて染色されることができる。代替として、異なる細胞集団は、顕微鏡システムによって検出され得る、異なる色マーカを自然に放出することができる。ある場合には、集団内の亜集団が、タンパク質または遺伝子マーカを検出することによって、マルチカラー顕微鏡検査を用いて識別されることができる。亜集団内の差異は、マルチカラー撮像を用いて、刺激光による刺激によって研究されることができる。ある場合には、１つの細胞集団からの動態および血液動態を撮像することは、代謝および／または血液脳関門現象（例えば、薬物送達）を識別するために研究されることができる。
【００５５】
ある場合には、光遺伝学顕微鏡は、単色撮像を行うように構成されることができる。光遺伝学顕微鏡は、サンプルからの単色（例えば、波長または波長帯）放出（例えば、蛍光）を撮像しながら、同時に、サンプルを刺激することができる。光遺伝学顕微鏡は、波長の可視範囲内のサンプルからの光を検出する、モノクロ画像センサを備えることができる。光遺伝学顕微鏡は、波長の可視範囲外のサンプルからの光を検出する、モノクロ画像センサを備えることができる。光遺伝学顕微鏡は、波長の可視範囲外および内のサンプルからの光を検出する、モノクロ画像センサを備えることができる。いくつかの実施形態では、光遺伝学顕微鏡は、１つを上回る画像センサ、例えば、２つ、３つ、４つ、またはそれを上回る画像センサを備えることができる。
【００５６】
本明細書に提供される顕微鏡システムは、生体サンプルの１つまたはそれを上回る部分のリアルタイム同時撮像および刺激を提供するように構成されることができる。生体サンプルの各部分は、細胞または細胞集団等の１つもしくはそれを上回る着目物体を備えることができる。生体サンプルは、生体サンプルの１つまたはそれを上回る着目物体（例えば、細胞）が同時に撮像および刺激される間、種々の刺激を受けることができる。生体サンプルは、顕微鏡システムによる同時撮像および刺激に先立って、またはその間、医薬品の影響を受けることができる。ある場合には、生体サンプルは、有機体内の器官および／または組織であることができる。有機体は、有機体の１つまたはそれを上回る着目物体（例えば、細胞）が同時に撮像および刺激される間、種々の刺激を受けることができる。ある場合には、刺激は、ストレス、平静、興奮、および／または有機体による別の所定の生物学的応答を生じさせるように選定されることができる。
【００５７】
ある場合には、本明細書に説明される顕微鏡システムは、サンプル中の第１の細胞群と第２の細胞群との間の相互作用の観察を可能にすることができる。第１の細胞群および第２の細胞群のうちの少なくとも１つは、ニューロンの集団であることができる。ある実施例では、ユーザは、顕微鏡システムの撮像機能性を使用して、撮像光をサンプルに指向することによって、サンプル中の第１の細胞群および第２の細胞群を検出することができる。ユーザは、次いで、顕微鏡システムの刺激機能性を使用して、刺激光を第１の細胞群および第２の細胞群のうちの少なくとも１つに提供することができる。刺激および撮像光は、第１の細胞群および第２の細胞群のうちの少なくとも１つが刺激される間、ユーザが第１の細胞群および第２の細胞群を継続して観察し得るように、サンプルに同時に提供されることができる。ユーザは、第１の細胞群および第２の細胞群のうちの少なくとも１つが刺激されると、第１の細胞群と第２の細胞群との間に生じる活動パターンを観察することができる。
【００５８】
撮像光源は、１つまたはそれを上回るＬＥＤもしくは他のタイプの発光要素を備えてもよい。撮像光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）または有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）であることができる。撮像光源１０４からの光は、１つまたはそれを上回る光学要素を備える光学配列を通して、サンプル１０６に指向されることができる。撮像光源は、本質的に、モノクロ光を提供してもよい。代替として、撮像光源は、複数の波長における撮像光を提供してもよい。一実施例では、撮像光源は、２つまたはそれを上回る異なる色（例えば、波長または波長範囲）において光を放出する、２つまたはそれを上回るＬＥＤ（または他の発光要素）を備えてもよい。撮像光源は、照明光学経路によって、開示される光遺伝学顕微鏡または光学プローブの視野内のサンプルもしくは組織の全部または一部に指向される、単色またはマルチカラー撮像のための光を提供してもよい。いくつかの実施形態では、撮像光源の１つまたはそれを上回る発光要素は、１つもしくはそれを上回る外部光源に光学的および／または機械的に結合される、光ファイバを備えてもよい。
【００５９】
撮像光は、撮像光からの光がサンプルに入射すると、サンプルがサンプル中に含有される１つまたはそれを上回る蛍光色素から蛍光を放出するような励起光源であることができる。蛍光色素は、サンプル中で自然に生じることができる、またはそれらは、サンプルに添加されることができる。いくつかの実施形態では、任意のタイプのルミネセンスが、サンプルの撮像のために検出されてもよく、限定ではないが、光ルミネセンス（例えば、蛍光、燐光）、化学ルミネセンス、生物ルミネセンス、または電気ルミネセンスを含む。反射、ルミネセンス、散乱、または他の光相互作用の結果として、複数の色が、検出されてもよい。ある場合には、撮像光源からの光は、サンプルに入射することができ、光のうちの少なくともある割合は、サンプルによって反射されることができる。反射された光は、検出され、サンプルの画像を生成することができる。
【００６０】
ある場合には、撮像光は、最大で約１，０００μＷ／ｍｍ２、９００μＷ／ｍｍ２、８００μＷ／ｍｍ２、７００μＷ／ｍｍ２、６００μＷ／ｍｍ２、５００μＷ／ｍｍ２、５５０μＷ／ｍｍ２、５００μＷ／ｍｍ２、４５０μＷ／ｍｍ２、４００μＷ／ｍｍ２、３５０μＷ／ｍｍ２、３００μＷ／ｍｍ２、２５０μＷ／ｍｍ２、２００μＷ／ｍｍ２、１５０μＷ／ｍｍ２、１００μＷ／ｍｍ２、７５μＷ／ｍｍ２、５０μＷ／ｍｍ２、２５μＷ／ｍｍ２、１５μＷ／ｍｍ２、１０μＷ／ｍｍ２、５μＷ／ｍｍ２、１μＷ／ｍｍ２、０．５μＷ／ｍｍ２、または０．１μＷ／ｍｍ２の電力密度を伴う撮像光をサンプルに提供することができる。ある場合には、電力密度は、１，０００μＷ／ｍｍ２を上回ることができる。撮像光によって提供される電力密度は、列挙された値のいずれか間にあることができる。撮像光の最高レベルは、サンプルに入射する撮像光の電力密度を指し得る。代替として、撮像光のより高いレベルは、撮像光をサンプルに指向する光経路内の光学要素の表面に入射する、撮像光の電力密度を指し得る。撮像光の最高レベルはまた、撮像光源によって消費された電力を指し得る。
【００６１】
顕微鏡デバイスは、加えて、刺激光源を備えることができる。刺激光源は、単一光源または複数の（例えば、２つまたはそれを上回る）光源であることができる。刺激光源は、ｍ×ｎ光源の行列内の行および／または列に配列される、複数の光源を備えることができ、ｍは、１〜１，０００の整数であることができ、ｎは、１〜１，０００の整数であることができる。刺激光源内の複数の光源は、１つまたはそれを上回る列内に配列されることができる。刺激光源内の複数の光源は、１つまたはそれを上回る行内に配列されることができる。刺激光源内の複数の光源は、不規則パターンで配列されることができる。刺激光源内の複数の光源は、アレイで配列されることができる。光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）であることができる。光源は、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）であることができる。光源は、マイクロＬＥＤであることができる。光源は、高電力ＬＥＤであることができる。光源は、レーザダイオードであることができる。光源は、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であることができる。光源は、任意の他の発光要素であることができる。ある場合には、刺激光源は、２つのより異なる色（例えば、波長または波長範囲）において光を放出する、２つまたはそれを上回る発光要素を備えてもよい。ある場合には、高電力ＬＥＤは、少なくとも約０．１Ｗ、０．２５Ｗ、０．５Ｗ、０．７５Ｗ、１Ｗ、２Ｗ、３Ｗ、４Ｗ、５Ｗ、１０Ｗ、１５Ｗ、２０Ｗ、または２５Ｗの電力を伴う光を放出することができる。高電力ＬＥＤは、撮像光源によって放出される光を上回る電力において光を放出することができる。
【００６２】
本刺激光源は、刺激光１０８を生成することができる。刺激光は、光学配列によってサンプル１０６に指向されることができる。刺激光をサンプルに指向する光学配列は、撮像光をサンプルに指向する光学配列と同一光学要素のうちの少なくともいくつかを含むことができる。撮像光をサンプルに指向する光学配列の１つまたはそれを上回る光学要素は、刺激光をサンプルに指向するための光学配列と共有されることができる。刺激光および撮像光は、共有光学要素を通して同時に透過されることができる。ある場合には、光学要素のうちの１つまたはそれを上回るものは、フィルタ要素であることができる。フィルタは、波長の所定の範囲内の光を透過するように構成される、スペクトルフィルタであることができる。同一フィルタおよび／または異なるフィルタが、撮像および刺激光のために提供されてもよい。異なるフィルタは、異なる離散波長および／または波長の範囲を透過するように構成されることができる。異なるフィルタは、同一離散波長および／または波長の範囲を透過するように構成されることができる。
【００６３】
ある場合には、刺激光は、撮像光と比較してより高い電力密度においてサンプルに提供されることができる。撮像光の低レベル電力密度は、撮像光がサンプルの一部を不注意に刺激するであろう確率を低減させることができる。刺激光の電力密度は、撮像光の電力密度の少なくとも約１．５倍、２倍、３倍、４倍、５倍、６倍、７倍、８倍、９倍、１０倍、２０倍、３０倍、４０倍、５０倍、６０倍、７０倍、８０倍、９０倍、または１００倍であることができる。
【００６４】
刺激光指向配列からの刺激光および撮像光指向配列からの撮像光は、ダイクロイックミラー１３６を通して指向されることができる。刺激光は、撮像光を用いてダイクロイックミラーに指向されることに先立って、集光レンズ１１０を通して透過されることができる。集光レンズは、刺激光源に近接して設置されることができる。集光レンズは、刺激光源にほぼ触れていることができる。集光レンズは、刺激光源に接触することができる。集光レンズと刺激光源との間の距離は、最大で約０．００１ｍｍ、０．００５ｍｍ、０．０１ｍｍ、０．０５ｍｍ、０．１ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍ、４０ｍｍ、または５０ｍｍであることができる。集光レンズは、刺激光源からの光を平坦強度プロファイル（例えば、空間的に均一強度）を伴う光ビームに凝縮させることができる。集光レンズは、刺激光をコリメートすることができる。集光レンズは、刺激光源からの光をビーム面積を横断して強度に殆どまたは全く変動を有していない光ビームに凝縮することができる。ある場合には、集光レンズを通した透過後の刺激光のビーム面積を横断した強度の変動は、最大で約５０％であることができる。ある場合には、集光レンズを通した透過後の刺激光のビーム面積を横断した強度は、最大で約２５％変動し得る。ある場合には、集光レンズを通した透過後の刺激光のビーム面積を横断した強度の変動は、最大で約１０％であることができる。ある場合には、集光レンズを通した透過後の刺激光のビーム面積を横断した強度の変動は、最大で約５％であることができる。ある場合には、集光レンズを通した透過後の刺激光のビーム面積を横断した強度の変動は、最大で約１％であることができる。刺激光の均一ビームを提供することは、サンプルの均一刺激を生成するために重要であり得る。
【００６５】
ダイクロイックミラー１３６を通して透過された後、刺激光および撮像光は、第２の集光レンズ１１２および励起フィルタ１１４を通して透過されることができる。第２の集光レンズは、刺激光源および／または撮像光源からサンプルへの光の減衰を増加させることができる。第２の集光レンズは、異なる角度からの光を収集し、サンプルへの送達のために、本光をコリメートされたビームの中に再指向することができる。集光レンズがない場合、これらの異なる角度のいくつかにおいて進行する光は、サンプルに送達される光学経路内に留まり得ない。集光レンズがない場合、撮像光源の照射は、撮像のための十分な光をサンプルに提供するために、増加される必要があり得る。撮像光の照射を増加させることは、撮像光を用いたサンプルの望ましくない刺激の確率を増加させ得る。
【００６６】
第２のダイクロイック要素１３４は、刺激および／または撮像光をサンプルに指向することができる。
【００６７】
サンプルからの光、例えば、蛍光放出および／またはサンプルから反射された光は、光学経路を通して画像センサ１２６に指向され、サンプルの画像のデジタル表現を生成することができる。サンプルからの光が、２つまたはそれを上回る異なる波長範囲（例えば、色）内で放出および／または反射されるとき、色収差補正要素１２８が、サンプルと画像センサとの間の光学経路内に提供されることができる。色収差補正要素は、焦点が実質的に同一であるように、異なる波長範囲のうちの１つまたはそれを上回るもの内の光の焦点距離を調節することができる。色収差補正要素は、異なる波長範囲のそれぞれ内の光が画像センサ内の光検出器上に集束されるように、異なる波長範囲のうちの１つまたはそれを上回るもの内の焦点距離を調節することができる。
【００６８】
サンプルから画像センサまでの光学経路はまた、放出フィルタ１３０および／またはチューブレンズ１３２を含むことができる。放出フィルタは、１つまたはそれを上回る波長範囲内の光が画像センサに透過されないように防止することができる。放出フィルタは、１つまたはそれを上回る波長範囲内の光が画像センサに透過されるように選択することができる。チューブレンズは、サンプルからの光を画像センサ上に集束させることができる。チューブレンズは、球面および色収差を補正することができる。
【００６９】
顕微鏡システムは、顕微鏡システムが有機体の１つまたはそれを上回る組織もしくは器官の少なくとも一部の撮像および刺激を行う間、生体有機体が顕微鏡システムを装着し得るように定寸および成形されることができる。顕微鏡システムは、顕微鏡システムが生体有機体によって装着される、またはそれに取り付けられるとき、生体有機体の典型的運動および／または活動が顕微鏡システムによって妨害ならびに／もしくは改変されないように定寸および成形されることができる。例えば、生体有機体は、顕微鏡システムが生体有機体の組織を撮像および刺激する間、自由に移動してもよい。生体有機体は、顕微鏡システムが脳組織等の有機体の組織を撮像および／または刺激する間、歩き回ってもよい。
【００７０】
ある場合には、開示される顕微鏡および光学システム（例えば、光学プローブ）は、比較的に小型であることができる。顕微鏡またはシステムは、約５インチ、４インチ、３インチ、２インチ、１インチ、または０．５インチ未満の最大寸法を有することができる。顕微鏡またはシステムは、約１２．７ｃｍ、１０．２ｃｍ、７．６ｃｍ、５．１ｃｍ、２．５ｃｍ、または１．３ｃｍ未満の最大寸法を有することができる。顕微鏡またはシステムの最大寸法は、顕微鏡の他の寸法を上回る、顕微鏡またはシステムの任意の寸法（例えば、長さ、幅、高さ、直径）であってもよい。顕微鏡またはシステムは、約１０立方インチ、７立方インチ、６立方インチ、５立方インチ、４立方インチ、３立方インチ、２．５立方インチ、２立方インチ、１．５立方インチ、１立方インチ、０．７立方インチ、０．５立方インチ、０．３立方インチ、０．１立方インチ、０．０５立方インチ、０．０１立方インチ、０．００５立方インチ、または０．００１立方インチ未満もしくはそれと等しい体積を有してもよい。顕微鏡またはシステムは、約１７０ｃｍ３、１１５ｃｍ３、１００ｃｍ３、８２ｃｍ３、６６ｃｍ３，５０ｃｍ３、４０ｃｍ３、３３ｃｍ３、２５ｃｍ３、１６ｃｍ３、１１ｃｍ３、８ｃｍ３、５ｃｍ３、１．６ｃｍ３、０．８ｃｍ３、０．２ｃｍ３、または０．０２ｃｍ３未満もしくはそれと等しい体積を有してもよい。顕微鏡またはシステムは、約５平方インチ、４平方インチ、３平方インチ、２平方インチ、１．５平方インチ、１．２平方インチ、１平方インチ、０．９平方インチ、０．８平方インチ、０．７平方インチ、０．６平方インチ、０．５平方インチ、０．３平方インチ、０．１平方インチ、０．０５平方インチ、０．０１平方インチ、０．００５平方インチ、または０．００１平方インチ未満もしくはそれと等しい側方断面（例えば、占有面積）を有してもよい。顕微鏡またはシステムは、約１０グラム、７グラム、５グラム、４グラム、３．５グラム、３グラム、２．５グラム、２グラム、１．５グラム、１グラム、０．５グラム、または０．１グラム未満もしくはそれと等しい質量を有してもよい。小寸法は、顕微鏡による対象の活動に低減された干渉を提供するために、対象が小型であり得る用途に有用であり得る。小側方断面は、対象が小型であるとき、および／または顕微鏡もしくはシステムが搭載され得る空間または面積が限定されるとき、有用である。小側方断面は、多くの顕微鏡または光学プローブが限定された面積を伴う空間内に搭載されることを可能にすることができる。小型顕微鏡または光学システムは、本明細書に説明されるように、同時刺激および撮像が可能であってもよい。小型顕微鏡または光学システムは、有利には、本明細書のいずれかに説明されるような限定された寸法内で同時刺激および撮像を提供するように構成され得る。
【００７１】
図１に示されるように、顕微鏡システム１００は、複数の構成要素（例えば、光学要素）を寸法１２０および１２２内に含むことができる。寸法１２０および１２２と垂直に延在する、さらなる寸法は、示されていない。必ずしもそれに限定されないが、これらの寸法はそれぞれ、インチ未満であることができる。ある場合には、寸法１２０は、最大で約０．００１インチ、０．０１インチ、０．０５インチ、０．１インチ、０．２インチ、０．３インチ、０．４インチ、０．５インチ、０．６インチ、０．７インチ、０．８インチ、０．９インチ、１インチ、または５インチであることができる。ある場合には、寸法１２２は、最大で約０．００１インチ、０．０１インチ、０．０５インチ、０．１インチ、０．２インチ、０．３インチ、０．４インチ、０．５インチ、０．６インチ、０．７インチ、０．８インチ、０．９インチ、１インチ、または５インチであることができる。ある場合には、寸法１２０および１２２と垂直に延在する寸法は、最大で約０．００１インチ、０．０１インチ、０．０５インチ、０．１インチ、０．２インチ、０．３インチ、０．４インチ、０．５インチ、０．６インチ、０．７インチ、０．８インチ、０．９インチ、１インチ、または５インチであることができる。
【００７２】
顕微鏡は、ユーザがユーザの眼によって検出可能なサイズ範囲外のサンプルの１つまたはそれを上回る部分を研究し得るように、サンプルの１つまたはそれを上回る部分を拡大するように構成されることができる。顕微鏡システムは、ユーザが刺激光を使用して刺激し得るように、１つまたはそれを上回る着目物体を含有する、サンプルの一部を拡大するように構成されることができる。ある場合には、顕微鏡は、比較的に小型顕微鏡であることができる。顕微鏡は、生体有機体または非生体有機体上に搭載される、またはそこに取り付けられてもよい。ある事例では、顕微鏡は、有機体の外部に（例えば、有機体の皮膚にわたって）搭載されてもよい。顕微鏡は、有機体上またはその中のサンプルを撮像するために使用されてもよい。例えば、顕微鏡は、対象の頭部に搭載され、有機体の脳組織を撮像するために使用されてもよい。顕微鏡は、対象に搭載され、対象上またはその中の任意の他の組織を撮像するために使用されてもよい。サンプルの実施例は、神経組織（例えば、脳組織）、筋肉組織、結合組織、癌組織、器官組織、心臓組織、血管組織、または内皮組織等の任意の生物学的サンプルもしくは組織を含んでもよい。対象は、ヒト対象または動物対象であってもよい。いくつかの実施形態では、動物対象は、齧歯類（例えば、マウス、ラット、ウサギ、モルモット、アレチネズミ、ハムスター）、類人猿（例えば、サル、チンパンジー、オランウータン、ゴリラ、およびヒト）、ウマ科（例えば、ウマ）、ウシ科（例えば、ウシ）、イヌ科（例えば、家イヌ）、ネコ科（例えば、家ネコ）、鳥類、昆虫、または任意の他のタイプの動物を含んでもよい。いくつかの事例では、対象は、約５０ｋｇ、４０ｋｇ、３０ｋｇ、２０ｋｇ、１５ｋｇ、１０ｋｇ、５ｋｇ、３ｋｇ、２ｋｇ、１ｋｇ、７５０グラム、５００グラム、４００グラム、３００グラム、２００グラム、１００グラム、７５グラム、５０グラム、４０グラム、３０グラム、２５グラム、２０グラム、１０グラム、５グラム、３グラム、または１グラム未満の体重であってもよい。いくつかの実施形態では、顕微鏡は、生体有機体または非生体有機体上に搭載される、もしくはその中に挿入され、臨床前または臨床研究のために使用されることができる。いくつかの実施形態では、顕微鏡は、臨床診断、例えば、臨床診断試験結果を判定するため、または治療用途、例えば、ニューロン組織の光刺激のために使用されることができる。いくつかの実施形態では、開示される顕微鏡または関連光学システムは、中枢神経系のニューロン組織の撮像および／または光刺激のために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、開示される顕微鏡または関連光学システムは、末梢神経系のニューロン組織の撮像および／または光刺激のために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、開示される顕微鏡または関連光学システムは、中枢および末梢神経系の両方のニューロン組織の撮像ならびに／または光刺激のために使用されてもよい。
【００７３】
顕微鏡（またはその光学アセンブリ）は、光学的におよび／または機械的に、有機体の中に挿入されたプローブに結合されることができる。プローブは、有機体の組織に接触してもよい、またはそうではなくてもよい。プローブは、有機体の組織内に部分的に埋め込まれてもよい。プローブは、撮像光および刺激光をサンプルに同時に送達することができる。プローブは、撮像光および刺激光をサンプルに直接送達することができる。プローブは、皮膚または骨等の生物学的障壁を通して撮像光および／または刺激光を透過せずに、撮像光および刺激光をサンプルに送達することができる。プローブは、対物レンズを備えることができる。代替として、プローブは、対物レンズを含まなくてもよい。
【００７４】
顕微鏡は、インビボまたはインビトロで使用されることができる。いくつかの事例では、顕微鏡は、意識のある対象のためにインビボで使用されてもよい。顕微鏡は、麻酔されずに対象のためにインビボで使用されてもよい。顕微鏡は、自由に動き回る、または運動能力があり得る、対象のためにインビボで使用されてもよい。対象は、顕微鏡が対象に接続されている（例えば、その上に搭載される、その中に挿入される）間、環境を自由に歩行することが可能であってもよい。対象は、顕微鏡が対象のサンプルを撮像している間、環境を自由に歩行することが可能であってもよい。本明細書のいずれかに説明されるような寸法を有するもの等の小型顕微鏡は、対象の活動に殆ど干渉をもたらさない、または本明細書に説明される特性を有するもの等のより小型の対象でも使用されるという利点を有し得る。
【００７５】
撮像および／または刺激光をサンプルに指向する、光学要素（例えば、集光レンズ、ダイクロイックミラー、およびフィルタ要素）のうちの少なくともある割合は、サンプルからの光放出を画像センサに指向する、光学経路の外側にあることができる。撮像および／または刺激光をサンプルに指向する光学要素のうちの少なくともある割合をサンプルと画像センサとの間の光学経路の外側に設置することは、サンプルから画像センサへの光の伝達効率を増加させることができる。サンプルから画像センサへの光の高伝達効率を提供することは、比較的に低電力密度レベルの撮像光がサンプルに送達されることを可能にすることができる。
【００７６】
本明細書に説明される顕微鏡システムは、撮像光と刺激光との間のクロストークを伴わずに、サンプルの少なくとも一部を同時に撮像および刺激することができる。クロストークは、刺激が刺激光によってによってのみ完全に制御されないように、撮像光がサンプルの少なくとも一部を偶発的に刺激するときに生じ得る。同様に、クロストークは、刺激光がサンプルから反射し、および／またはサンプルの蛍光を生じさせ、迷光を画像センサに送達させるときにも生じ得る。
【００７７】
サンプルの画像を生成するために要求される単位面積あたりサンプルに送達される光子の数は、サンプルと画像センサとの間の光収集経路の効率を最適化することによって、最小限にまたは低減されることができる。サンプルに指向される撮像光の電力密度を低減させることは、撮像光を用いて標的物体を偶発的に刺激する確率を減少させることができる。刺激光と比較して低レベルの撮像光は、撮像光と刺激光との間のクロストークを最小限にすることができる。クロストークは、撮像光がサンプルの１つまたはそれを上回る部分を不注意に刺激するときに生じ得る。刺激光によって刺激される、サンプル（例えば、オプシン）の一部は、撮像光の電力密度が所定の閾値を超える場合、撮像光によっても同様に刺激され得る。本所定の閾値は、オプシンのタイプ、細胞膜内のオプシンの濃度、および撮像光の波長を含む、種々の要因によって決定されることができる。ユーザは、刺激光をサンプルの１つまたはそれを上回る部分に意図的に提供しながら、撮像光によってサンプルの１つまたはそれを上回る部分を非意図的に刺激する確率を低減させることを所望し得る。本明細書に説明されるシステムおよび方法は、サンプルと画像センサとの間に殆ど光学要素を伴わずに、低レベル（例えば、電力密度）の撮像光の使用を可能にする、効率的光学経路を提供する。本明細書に説明されるシステム内で使用される撮像光のレベルは、サンプルの１つまたはそれを上回る部分を刺激するレベルを下回ることができる。
【００７８】
ある場合には、刺激光源および撮像光は、実質的に同一電力において提供されることができる。実質的に同一電力における刺激光源と撮像光源との間のクロストークは、刺激光源および撮像光源のスペクトル分離によって低減されることができる。代替として、または加えて、撮像光源と刺激光源との間のクロストークは、フィルタアレイを用いて低減されることができる。代替として、または加えて、撮像光源と刺激光源との間のクロストークは、光源からの光を物理的に分離するように構成されるバッフルを用いて低減されることができる。
【００７９】
サンプルからの放出は、画像センサの１つまたはそれを上回る光検出器（例えば、ピクセル）によって収集され、サンプルの画像の電子表現を生成することができる。ある場合には、放出は、撮像光によって刺激される蛍光放出であることができる。刺激光は、サンプルから反射し、および／または蛍光放出を誘発し得、これは、撮像の間、撮像光と刺激光との間のクロストークを生じさせ得る。反射からのクロストークおよび／または刺激光からの蛍光は、撮像光と刺激光との間のスペクトル分離を提供することによって低減または排除されることができる。ある場合には、サンプルに入射する撮像光および刺激光は、第１の波長における撮像光と、第１の波長より実質的に高いまたは低い、第２の波長における刺激光とを提供することによって、スペクトル的に分離されることができる。ある場合には、撮像光の離散波長または波長の範囲および刺激光の離散波長もしくは波長の範囲は、少なくとも約５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍ、４０ｎｍ、５０ｎｍ、６０ｎｍ、７０ｎｍ、８０ｎｍ、９０ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ、７００ｎｍ、８００ｎｍ、９００ｎｍ、１，０００ｎｍスペクトル的に分離されることができる。ある場合には、撮像光と刺激光との間のスペクトル分離は、５ｎｍ未満であることができる。撮像光と刺激光との間のスペクトル分離は、本明細書に列挙された値のいずれか間にあることができる。
【００８０】
撮像光に応答してサンプルによって放出される放出（例えば、蛍光）の波長は、光が画像センサによって検出される前に、フィルタが予期される波長範囲内にない光を分離するために使用され得るように、入射撮像光の既知の波長の関数であることができる。ある場合には、予期される範囲外の光は、刺激光によって生じるサンプルからの望ましくない放出であり得る。異なるフィルタが、撮像および／または刺激光の離散波長もしくは波長の範囲が変動され得るように、異なるサンプルまたは異なるタイプの撮像研究のために使用されることができる。ある場合には、撮像光（例えば、蛍光励起光）は、約１００ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ、７００ｎｍ、８００ｎｍ、９００ｎｍ、１，０００ｎｍ、１，１００ｎｍ、１，２００ｎｍ、１，３００ｎｍ、１，４００ｎｍ、１，５００ｎｍ、１，６００ｎｍ、１，７００ｎｍ、１，８００ｎｍ、１，９００ｎｍ、または２，０００ｎｍの波長において提供されることができる。撮像光は、列挙された値を上回る、列挙された値未満、または列挙された値のいずれか間の値の波長において提供されることができる。ある場合には、刺激光（例えば、光遺伝学刺激光）は、約１００ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ、７００ｎｍ、８００ｎｍ、９００ｎｍ、１，０００ｎｍ、１，１００ｎｍ、１，２００ｎｍ、１，３００ｎｍ、１，４００ｎｍ、１，５００ｎｍ、１，６００ｎｍ、１，７００ｎｍ、１，８００ｎｍ、１，９００ｎｍ、または２，０００ｎｍの波長において提供されることができる。刺激光は、列挙された値を上回る、列挙された値未満、または列挙された値のいずれか間の値の波長において提供されることができる。撮像光は、ある波長の範囲にわたって提供されることができる。刺激光は、ある波長の範囲にわたって提供されることができる。撮像光の波長の範囲は、刺激光の波長の範囲と比較してより大きくあることができる。代替として、撮像光の波長の範囲は、刺激光の波長の範囲と比較してより小さくあることができる。ある場合には、撮像光の波長の範囲および刺激光の波長の範囲は、少なくともある割合の重複範囲を有することができるは。図６は、スペクトル的に分離される撮像光および刺激光のグラフ実施例を示す。グラフ６００および６０６はそれぞれ、波長の関数として強度を示す。グラフ６００では、撮像光６０１は、刺激光６０２より短い波長範囲において光を放出する。例えば、撮像光は、第１の波長の範囲６０３内で放出することができる。刺激光は、第２の波長の範囲６０４内で放出することができる。間隙６０５が、第１の波長の範囲６０３と第２の波長の範囲６０４との間に提供されることができる。グラフ６０６では、撮像光６０７は、刺激光６０８より長い波長において光を放出する。例えば、撮像光は、第１の波長の範囲６１０において放出することができる。刺激光は、第２の波長の範囲６１１において放出することができる。間隙６０９が、第１の波長の範囲６１０と第２の波長の範囲６１１との間に提供されることができる。
【００８１】
ある場合には、撮像のために要求される撮像光の電力密度は、撮像（例えば、励起）光の光学源とサンプルとの間に近接近度を提供することによってさらに低減されることができる。落射蛍光撮像のために、撮像光とサンプルとの間の相互作用は、サンプルからの蛍光放出の生成を生じさせる。撮像光は、標的物体に向かって指向されることができ、蛍光色素、蛍光マーカ、または蛍光プローブによる吸収のために構成される、具体的波長を有してもよい。蛍光色素は、次いで、異なる（例えば、より長い）波長で光を放出する。異なる蛍光色素は、異なる波長（例えば、色）で光を放出することができる。吸収される光の量は、標的物体に送達された撮像光の電力密度に関連することができる。このように、生成された蛍光の量は、撮像光の電力密度に相関する。種々の光送達機構が、媒体を通して進行するにつれて、光の減衰を低減させることに役立ち得るが、光の減衰は、媒体を通した進行距離が増加するにつれて、増加するであろう。また、空気および他の媒体を使用するとき、媒体の組成および他の分散属性が、光の送達および／または減衰に有意な役割を果たし得る。いくつかの事例では、顕微鏡システムは、撮像光が、サンプルに近接近して配列されることを可能にし、それによって、比較的に低電力撮像光源の使用を促進するように設計されることができる。ある場合には、撮像光の光学源と標的物体との間の線形距離（例えば、組織／撮像光源経路長）は、最大で約５ｃｍ、２ｃｍ、１ｃｍ、５ｍｍ、１ｍｍ、０．１ｍｍ、０．０１ｍｍ、０．００１ｍｍ、０．０００５ｍｍ、または０．０００１ｍｍであることができる。
【００８２】
同様に、画像分解能も、サンプルから画像センサに透過される光の量に依存し得る。ある場合には、サンプルと画像センサとの間の線形距離（例えば、組織／画像センサ経路長）は、最大で約５ｃｍ、２ｃｍ、１ｃｍ、５ｍｍ、１ｍｍ、０．１ｍｍ、０．０１ｍｍ、０．００１ｍｍ、０．０００５ｍｍ、または０．０００１ｍｍであることができる。サンプルから放出される光を集束させる対物レンズと画像センサとの間の線形距離は、最大で約５ｃｍ、２ｃｍ、１ｃｍ、５ｍｍ、１ｍｍ、０．１ｍｍ、０．０１ｍｍ、０．００１ｍｍ、０．０００５ｍｍ、または０．０００１ｍｍであることができる。対物レンズ焦点面と画像センサとの間の線形距離は、最大で約５ｃｍ、２ｃｍ、１ｃｍ、５ｍｍ、１ｍｍ、０．１ｍｍ、０．０１ｍｍ、０．００１ｍｍ、０．０００５ｍｍ、または０．０００１ｍｍであることができる。
【００８３】
種々の蛍光源が、本明細書に議論される１つまたはそれを上回る実施形態に従って使用されることができる。特定の蛍光源の言及は、必ずしも、他の蛍光源（例えば、ＧＦＰ、ＧＣａＭＰ、ｍＣｈｅｒｒｙ、およびその異型等の遺伝的コード化蛍光タンパク質）の使用を除外するものではない。
【００８４】
本開示の実施形態は、比較的に広視野のための画像データ、すなわち、サンプルの高分解能を提供する画像データを捕捉する、顕微鏡デバイスおよびシステムに関する。視野は、少なくとも約０．１ｍｍ２、０．２ｍｍ２、０．３ｍｍ２、０．４ｍｍ２、０．５ｍｍ２、１ｍｍ２、または５ｍｍ２であることができる。視野全体が、一度に撮像されることができる。刺激光は、視野の任意の部分または視野全体に指向されることができる。視野全体が、視野をサブセットに分割し、各サブセットを個々に走査し、視野全体を撮像せずに、一度に撮像されることができる。視野全体が、高分解能において同時に捕捉されることができる。視野全体が、少なくとも約０．１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、３μｍ、４μｍ、５μｍ、１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、４０μｍ、または５０μｍの分解能を伴って同時に捕捉されることができる。分解能は、顕微鏡システム内で捕捉された画像内の１つまたはそれを上回る細胞を識別するために十分であることができる。分解能は、顕微鏡システムによって捕捉された画像内の１つまたはそれを上回る細胞構造を識別するために十分であることができる。分解能は、顕微鏡システムによって捕捉された画像内の１つまたはそれを上回る樹状突起を識別するために十分であることができる。分解能は、顕微鏡システムによって捕捉された画像内の１つまたはそれを上回る神経細胞軸索を識別するために十分であることができる。比較的に大きい視野は、ユーザが、同一視野内の２つまたはそれを上回る細胞または細胞集団を刺激し、刺激された細胞または細胞集団の相互作用を観察することを可能にすることができる。
【００８５】
視野全体は、画像センサに指向されるサンプルからの光の処理によって撮像されることができる。画像センサは、視野を撮像するために提供されるセンサ要素またはピクセルのアレイを備えることができる。センサ要素は、視野の異なる部分のためのサンプルからの光放出を検出する。センサ要素は、モノクロ光検出器であることができる。センサ要素は、１つまたはそれを上回る所定の波長範囲内の光を検出することができる。センサ要素は、サンプルに対して十分な感度および近接度を伴って構成され、サンプルの少なくとも一部の画像捕捉および生成を促進することができる。
【００８６】
ある場合には、本明細書に説明される顕微鏡システムの動作は、顕微鏡システム内で熱を生成し得る。１つまたはそれを上回る電子回路要素および／もしくは１つまたはそれを上回る光源からの内部抵抗は、熱を生成し、顕微鏡システムと熱連通する１つまたはそれを上回る光学要素、顕微鏡筐体、もしくは他の構成要素の表面温度を増加させ得る。ある場合には、顕微鏡システムは、生体組織上またはその近傍にあることができる。本生成された熱は、顕微鏡が使用され得る時間の持続時間に限定を課し得る。生成された熱は、生体組織に伝達され得、生体組織を加熱させ得る。生体組織は、組織が、死滅、焼失、分解、酸化、または別様に劣化する温度まで加熱され得る。ある場合には、生成された熱は、影響細胞活動に影響を及ぼし、光遺伝学実験の結果を混乱させ得る観察につながり得る。いくつかの細胞は、観察される細胞活動が、高温が刺激光の代わりに、生成された熱によって生じる結果をもたらすように、高温でより活性であり得る。ある場合には、１つまたはそれを上回る冷却フィン、ヒートシンク、または熱パイプが、顕微鏡上に設置され、放射、伝導、および／または対流によって生成された熱を除去することができる。冷却フィン、熱パイプ、またはヒートシンクは、顕微鏡システムから生体組織に伝達する熱を防止および／または低減させることができる。
【００８７】
ある場合には、顕微鏡は、小サイズの１つまたはそれを上回るサンプルのために、視野の高分解能撮像を伴う比較的低光学拡大率を用いて動作することができる。拡大率は、最大で約１，０００倍、５００倍、１００倍、または５０倍、１０倍、８倍、５倍、４倍、３倍、２倍、１．５倍、または１倍であることができる。低レベルの拡大率は、顕微鏡が、本明細書のいずれかに説明されるような視野のための高レベルの分解能を達成することを可能にし得る。高レベルの分解能は、比較的に低拡大率を使用して、顕微鏡システムによって達成されることができる。特定のレベルの撮像のために要求される光学拡大率の最大拡大率能力は、本明細書で議論される種々の側面に従って、顕微鏡デバイスおよびシステムの慎重な設計ならびに用途を通して緩和されることができる。
【００８８】
本明細書に説明される顕微鏡システムは、本明細書で議論される側面に準拠する顕微鏡デバイスおよび／またはシステムを使用して、サンプルの１つまたはそれを上回る部分のリアルタイム同時撮像および刺激を可能にする。顕微鏡システムは、標的物体のインビボまたはインビトロリアルタイム同時撮像および刺激を促進することができる。例えば、生体対象のインビボ撮像および刺激は、特に、外部刺激および他の要因と捕捉された画像を相関させるために有用であり得る。本相関は、例えば、捕捉された画像の性質と外部刺激を関連付けることによって、診断／研究ツールとして使用されることができる。高フレームレートにおけるリアルタイム撮像はさらに、時間の関数としてそのような相関を提供することができる。
【００８９】
顕微鏡システムは、ユーザが、撮像光をサンプルに指向し、サンプルを撮像し、ユーザが刺激することを所望するであろう、サンプルの１つまたはそれを上回る部分を検出することを可能にすることができる。ユーザは、次いで、刺激光を撮像光を用いて検出されたサンプルの１つまたはそれを上回る部分に提供することができる。ユーザは、刺激光がサンプルの１つまたはそれを上回る部分に送達される間、リアルタイムで、サンプルを継続して観察することができる。ある実施例では、ユーザは、顕微鏡システムを用いて、サンプル中の神経回路を観察することができる。ユーザは、刺激光を神経回路の一部に指向し、神経回路の１つまたはそれを上回る他の部分の応答をリアルタイムで観察することができる。ある場合には、ユーザは、刺激光を提供し、サンプルの１つまたはそれを上回る部分内の活動を阻止することができる。ユーザは、顕微鏡システムからの撮像光を使用して、活動を観察することができる。ユーザが、活動を観察するとき、ユーザは、刺激光をサンプルの少なくとも一部に提供し、活動を阻止することができる。ある実施例では、ユーザは、発作前／早期発作活動を示す、２つまたはそれを上回るニューロン集団間の活動を観察することができる。ユーザは、刺激光を１つまたはそれを上回るニューロン集団に提供し、発作を防止または軽減することができる。
【００９０】
顕微鏡デバイスおよび／またはシステムは、顕微鏡デバイスの種々の構成要素の取外および再取付を促進するモジュール式設計を有することができる。取外および再取付は、モジュール式構成要素を新しいおよび／または異なるモジュール式構成要素と交換するために使用されることができる。例えば、光源は、同一または異なる光学および／もしくは電気性質を有する、新しい光源と交換されることができる。刺激光源および撮像光源のいずれかまたは両方は、交換可能であることができる。光学センサおよび／または光学指向要素（例えば、ミラー、フィルタ、およびレンズ）のアレイもまた、除去および交換されることができる。所望に応じて、光学センサもまた、除去および交換されることができる。
【００９１】
顕微鏡システムは、外部光学データ処理（記録および／または構成）システムとインターフェースをとるための同期回路を含むことができる。同期回路は、フレーム基準／アクティブ信号を通信するように構成および配列される、論理回路（例えば、マイクロコントローラまたはＡＳＩＣのようなプログラマブルもしくは半プログラマブルチップ）を含む。同期回路は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を含むことができる。同期回路は、ＡＲＭベースのマイクロコントローラを含むことができる。典型的用途では、フレームアクティブ信号は、顕微鏡システムと外部システムとの間で通信されるデータのために、かつそれとともに、例えば、ＩＥＥＥ通信規格において定義されるような同期情報を提供するであろう。そのような光学データ記録／構成システムは、ソフトウェアをインストールし、実験および手順のための設定パラメータを構成し、そのような実験および手順の間、視覚的フィードバックを提供し、操作およびさらなる研究のために、光学データを記録するために使用されることができる。外部光学データ処理（記録および／または構成）システムは、本明細書のいずれかに説明されるような刺激光源を制御するように構成されることができる。
【００９２】
なおもさらなる実施形態では、本開示は、本明細書に説明される画像デバイスの使用方法を対象とする。開示されるデバイスおよびシステムのあるものは、支持／安定性を提供し、また、顕微鏡または光学プローブ（再）整合を可能にする、基本構造として作用するベースプレートを備えてもよい。これらの方法は、顕微鏡または光学プローブ整合が精密となることを可能にするために、顕微鏡または光学プローブをベースプレートに取付および再取付するステップを含む。そのような精度は、例えば、長期にわたる実験の間、共通撮像場所の反復撮像のために十分であるべきである。ベースプレートは、生体有機体に取り付けられることができる。ベースプレートは、生体有機体の頭部に取り付けられることができる。ベースプレートは、生体有機体の頭蓋骨に取り付けられることができる。ある場合には、ベースプレートは、顕微鏡がベースプレートから除去される間、生体有機体に取り付けられたままであることができる。ベースプレートは、ヘルメット、ベルト、および／またはハーネスを用いて、生体有機体に取り付けられることができる。
【００９３】
ある場合には、顕微鏡は、同時に、サンプルの一部を刺激し、サンプルの一部を撮像（例えば、観察）するように構成されることができる。サンプルの一部は、着目物体を備えることができる。着目物体は、光エネルギーによって刺激および／または非活性化され得る、物体であることができる。着目物体は、１つまたはそれを上回る細胞であることができる。着目物体は、１つまたはそれを上回る神経細胞（例えば、ニューロン）であることができる。選定される１つまたはそれを上回る細胞は、光活性化チャネル（例えば、オプシン）を選定される１つまたはそれを上回る細胞の細胞膜の中に遺伝子的に装填することによって、刺激または非活性化されることができる。ある場合には、光活性化チャネルは、規定された波長および／または強度の光によって活性化されることができる。刺激光源の波長は、異なる光活性化チャネルを活性化するように変調されることができる。
【００９４】
刺激光源は、単一光源であることができる。代替として、刺激光源２００は、図２Ａに示されるように、光源２０１のアレイを備えることができる。刺激光源２００は、少なくとも約１平方ミクロン、５平方ミクロン、１０平方ミクロン、５０平方ミクロン、１００平方ミクロン、０．００１平方ｍｍ、０．０１平方ｍｍ、０．１平方ｍｍ、１平方ｍｍ、５平方ｍｍ、１０平方ｍｍ、または５０平方ｍｍの面積を有することができる。刺激光源２００は、１×ｎ光源２０１のアレイを備えることができ、ｎは、１〜１，０００の整数であることができる。ある場合には、刺激光源は、ｍ×ｎ光源の行列を備えることができ、ｍは、１〜１，０００の整数であることができ、ｎは、１〜１，０００の整数であることができる。ある場合には、光源の行列は、個々の細胞、サンプルの一部、または物体の刺激を可能にすることができる。光源の行列は、個々のニューロンまたはニューロンの個々の集団の刺激を可能にすることができる。光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）であることができる。光源は、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）であることができる。光源は、マイクロＬＥＤであることができる。光源は、高電力ＬＥＤであることができる。光源は、空間光変調器を通して指向されることができる。光源は、結合されたファイバ束を通してパターン化された光を含むことができる。光源は、レーザダイオードのパターンを含むことができる。ある場合には、高電力ＬＥＤは、少なくとも約０．１Ｗ、０．２５Ｗ、０．５Ｗ、０．７５Ｗ、１Ｗ、２Ｗ、３Ｗ、４Ｗ、５Ｗ、１０Ｗ、１５Ｗ、２０Ｗ、または２５Ｗの電力を伴う光を放出することができる。
【００９５】
刺激光源は、コントローラと通信することができる。刺激光源は、有線または無線接続を通してコントローラと通信することができる。コントローラは、顕微鏡のオンボードまたはオフボードであることができる。コントローラは、刺激光源を制御するようにプログラムされる、１つまたはそれを上回るプロセッサを備えることができる。行列またはアレイ内の刺激光源のうちの１つもしくはそれを上回るものは、刺激光を着目物体（例えば、細胞）に送達するために、コントローラによってオンにされ、刺激光を標的物体上の規定された場所に提供することができる。図２Ａは、複数のオンにされた光源２０２と、複数のオフにされた光源２０３とを伴う、刺激光源２００を示す。任意の数の光源が、刺激光源内でオンにされることができる。例えば、ゼロ、１つ、２つ、３つ、４つ、５つ、またはそれを上回る光源が、刺激光源２００内でオンにされることができる。任意の数の光源が、刺激光源内でオフにされることができる。例えば、ゼロ、１つ、２つ、３つ、４つ、５つまたはそれを上回る光源が、刺激光源２００内でオフにされることができる。刺激光源は、刺激光を標的物体の規定された領域、例えば、１つまたはそれを上回る着目物体に送達するために、あるパターンでオンにされることができる。１つまたはそれを上回るプロセッサは、刺激光を標的物体の規定された領域に送達するために、１つまたはそれを上回る光源がオンおよびオフにされるべきパターンを判定するようにプログラムされることができる。１つまたはそれを上回るプロセッサは、パターンを判定するとき、顕微鏡からの標的物体の画像を入力として受信することができる。ある実施例では、サンプルは、複数の神経細胞を備えることができる。ユーザは、刺激光をサンプルのうちのある割合のみに送達することによって、隣接する神経細胞を刺激せずに、サンプル中の単一神経細胞を刺激することができる。ユーザは、他の刺激されていない神経細胞と刺激された神経細胞の反応を観察することができる。
【００９６】
図２Ｂは、顕微鏡システムによって撮像され得るサンプルを備える、視野２０４を示す。視野２０４は、１つまたはそれを上回る着目物体２０５を備えることができる。着目物体２０５は、刺激光源に応答する、物体であることができる。着目物体は、細胞であることができる。着目物体は、神経細胞であることができる。刺激光２０６は、着目物体２０５に入射することができる。刺激光は、２つまたはそれを上回る着目物体２０５に同時に入射することができる。刺激光は、視野２０４のうちの少なくともある割合に入射することができる。刺激光は、視野２０４内に含有されるサンプルまたはサンプルの一部の少なくとも約１％、５％、１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、または７０％に入射することができる。撮像光は、刺激光に対する１つまたはそれを上回る着目物体２０５の反応が撮像され得るように、刺激光が１つまたはそれを上回る着目物体２０５に提供される間、視野２０４に提供されることができる。刺激光２０６は、図２Ｂでは、刺激されている物体（例えば、細胞）２０５より小さく示されるが、刺激光は、着目物体より小載架、またはより大きいかのいずれかであることができることを理解されたい。
【００９７】
代替として、または加えて、刺激光２０７は、視野外のサンプルの一部に入射してもよい。例えば、刺激光は、撮像光と異なるサンプルの部分に入射してもよい。例えば、視野（例えば、撮像視野）は、刺激光が表示されていないサンプルの異なる部分に入射する間、視認者による観察のために表示されてもよい（例えば、ディスプレイ上に）。いくつかの事例では、刺激光は、着目物体を備える視野２０４が脳の左側を示す間、脳（例えば、マウスの脳）の右側を刺激する、またはその逆であってもよい。いくつかの事例では、刺激光は、完全または部分的にのいずれかにおいて、撮像光と重複してもよい（例えば、サンプルにおいて）。いくつかの事例では、刺激光は、撮像光と重複しなくてもよい。例えば、刺激光は、撮像光が脳の左側に入射する間、脳（例えば、マウス脳）の右側を刺激する、またはその逆であってもよい。いくつかの事例では、撮像光および刺激光は、同一光学経路の少なくとも一部を共有してもよい。いくつかの事例では、刺激光および撮像光の光学経路は、独立してもよい。いくつかの事例では、刺激光および撮像光の光学経路は、異なってもよい。刺激光および撮像光は、本明細書に前述されるように、時間的に変調されてもよい。例えば、刺激光は、サンプルの一部（例えば、異なる部分）が撮像光によって照明されている間、サンプルの一部を刺激してもよい。
【００９８】
刺激光源は、刺激光を顕微鏡システムによって生成された画像に示される１つまたはそれを上回る着目物体に送達するように構成されるパターンでオンにされることができる。パターンは、所定のパターンであることができる。ある場合には、パターンは、ユーザによって選定され、入力として、刺激光源を制御するように構成される、コンピュータシステムに提供されることができる。コンピュータシステムは、パターンを生成してもよい。コンピュータシステムまたはユーザは、視野の画像を分析し、分析に応答して、パターンまたは既存のパターンへの修正を生成してもよい。パターンは、経時的に、または撮像されたサンプルに応答して、変化してもよい。フィードバックが、以前の刺激パターンに対する応答の画像を介して提供されてもよく、これは、後続刺激パターンを編成するために使用されてもよい。コンピュータシステムは、本明細書に詳細に説明されるであろう。パターンは、一定パターンであることができる。代替として、パターンは、経時的に変化することができる。パターンは、所定の周波数に伴って変化することができる。パターンは、視野が異なるサンプルまたは現在のサンプルの異なる領域に対して変化すると、変化することができる。
【００９９】
刺激光は、所定のパターンを用いて、１つまたはそれを上回る着目物体を含有するサンプルの少なくとも一部に提供されることができる。パターンは、時間的シーケンスにおいて、行列またはアレイ内の光源のうちの１つまたはそれを上回るものを照明するステップを含むことができる。パターンは、具体的周波数、強度、電力、時間持続時間、および／または波長分布（例えば、離散波長または波長の範囲）を用いて、行列またはアレイ内の光源のうちの１つもしくはそれを上回るものを照明するステップ含むことができる。
【０１００】
刺激光源および／または照明光源は、コンピュータシステムによって制御されることができる。刺激光源および／または照明光源は、無線または有線接続を通して、コンピュータシステムと通信することができる。コンピュータシステムは、刺激光源によって標的物体のパターン化された刺激を生成する、プログラムを実行するように構成される、１つまたはそれを上回るプロセッサを備えることができる。プログラムは、アルゴリズムを使用して、パターン化された刺激を生成することができる。アルゴリズムは、刺激パターンを構築するとき、システムの１つまたはそれを上回る光学性質を入力としてとることができる。光学性質入力は、顕微鏡内の光学構成要素、光学構成要素を通した１つまたはそれを上回る光源の焦点距離、および／もしくは１つまたはそれを上回る光学構成要素の光透過（例えば、波長、周波数、および／または強度の関数としての透過率、反射率、および／または吸光率）を備えることができる。アルゴリズムは、撮像光の検出によって生成された画像を入力として使用して、刺激光による刺激のための視野内の標的物体の１つまたはそれを上回る場所を識別することができる。アルゴリズムは、画像分析を行い、刺激光の送達のために、１つまたはそれを上回る着目物体を検出することができる。アルゴリズムは、刺激光を画像内で検出された１つまたはそれを上回る着目物体に指向するために照明されるべき、刺激光源のアレイおよび／または行列内の刺激光源を判定することができる。アルゴリズムは、画像内で検出された１つまたはそれを上回る着目物体を刺激するために必要とされる刺激光の電力密度を判定することができる。
【０１０１】
アルゴリズムの代替として、またはそれに加えて、ユーザは、直接、刺激光源を制御するようにコンピュータシステムに命令することができる。ユーザは、顕微鏡システムのオペレータであることができる。ユーザは、ディスプレイデバイス上に顕微鏡システムによって生成された視野の画像を視認することができる。図３は、ディスプレイデバイス３０２上においてユーザに提供され得る、視野３０１の概略実施例を示す。視野３０１は、１つまたはそれを上回る着目物体３０３を備えることができる。ユーザは、ディスプレイデバイス３０２上に示される着目物体の場所に基づいて、刺激光源によって追従されるべき具体的刺激パターンを選択することができる。ある場合には、ユーザは、刺激光に対する１つまたはそれを上回る着目物体の応答に基づいて、刺激光源パターンを改変することができる。代替として、または加えて、コンピュータシステムの１つまたはそれを上回るプロセッサは、視野の画像分析を実行し、１つまたはそれを上回る着目物体３０３を自動的に検出し、刺激光を１つまたはそれを上回る着目物体３０３に送達するために刺激光源によって追従されるべきパターンを提案または開始することができる。
【０１０２】
ユーザは、新しい刺激パターンを規定することができる、またはユーザは、コンピュータシステム上のメモリ記憶デバイス内に記憶される以前に使用された、または一般的刺激パターンを選定することができる。ユーザは、刺激パターンが時間に伴って変化することを規定することができる。ユーザは、刺激パターンが時間で変化する周波数を規定することができる。ユーザは、刺激パターンが顕微鏡によって捕捉された各画像に伴って変化することを規定することができる。ユーザは、サンプルを撮像しながら、刺激パターンを変化させることができる。ある場合には、ユーザは、サンプルの画像内で検出された１つまたはそれを上回る特性に基づいて、リアルタイムで、刺激パターンを変化させ、サンプル中の具体的物体またはその領域を標的化することができる。例えば、ユーザは、サンプルの画像内のニューロンの集団を検出し、刺激光をニューロンの集団に提供するための刺激光パターンを選定することができる。
【０１０３】
図４は、コンピュータシステム４００と通信する、顕微鏡システム１００を示す。顕微鏡システム１００は、有線または無線接続を通して、コンピュータシステム４００と通信することができる。コンピュータシステムは、１つまたはそれを上回るプロセッサ４０１を備えることができる。１つまたはそれを上回るプロセッサは、１つまたはそれを上回るプログラムを実行し、顕微鏡システムを制御するように構成されることができる。プロセッサは、１つまたはそれを上回るプログラムを実行し、顕微鏡システムの刺激光源および／または撮像光源を制御することができる。１つまたはそれを上回るプログラムのための命令は、１つまたはそれを上回るメモリ記憶デバイス４０２上に記憶されることができる。１つまたはそれを上回る記憶デバイスは、１つまたはそれを上回るプロセッサと通信することができる。メモリ記憶デバイスのうちの少なくともある割合は、コンピュータシステムと通信するサーバの一部であることができる。
【０１０４】
ユーザは、ユーザインターフェースを通して、コンピュータシステムと相互作用することができる。ユーザインターフェースは、ディスプレイデバイス４０３上のディスプレイ内に提供されることができる。ディスプレイデバイスは、コンピュータシステム４００と通信する、モニタ、画面、および／または電子デバイスであることができる。ディスプレイデバイス４０３は、無線または有線接続を通して、コンピュータシステム４００と通信することができる。ユーザインターフェースは、ディスプレイデバイスの画面上に提供されることができる。画面は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）画面またはタッチスクリーンであることができる。ディスプレイデバイスは、コンピュータモニタを備えることができる。ディスプレイデバイスは、電子デバイスを備えることができる。ディスプレイデバイスは、ハンドヘルド電子デバイス、例えば、スマートフォンまたはタブレットであることができる。
【０１０５】
顕微鏡システムは、標的物体のリアルタイム同時撮像および刺激を行うように構成されることができる。標的物体は、生体有機体であることができる。標的物体は、顕微鏡システムが動作されている間、意識があることができる。顕微鏡は、生体有機体または非生体有機体上に搭載されてもよい。いくつかの事例では、顕微鏡は、有機体の外部（例えば、有機体の皮膚にわたって）に搭載されてもよい。顕微鏡は、有機体上または内のサンプルを撮像するために使用されてもよい。例えば、顕微鏡は、対象の頭部に搭載され、有機体の脳組織を撮像するために使用されてもよい。顕微鏡は、対象に搭載され、対象上または内の任意の他の組織を撮像するために使用されてもよい。
【０１０６】
本明細書に詳細に説明される撮像および刺激光を同時に提供するように構成される、光遺伝学顕微鏡は、種々の用途のために使用されることができる。例えば、光遺伝学顕微鏡は、有機体の脳の領域をマッピングするために使用されることができる。異なる神経細胞間の接続が、光遺伝学顕微鏡を用いて識別されることができる。有機体は、生体有機体であることができる。別の実施例では、光遺伝学顕微鏡は、心房細動を行うために使用されることができる。光遺伝学顕微鏡は、生体有機体内の心臓組織を刺激するために使用されることができる。
【０１０７】
別の実施例では、光遺伝学顕微鏡は、光に敏感なタンパク質を刺激するために使用されることができる。光に敏感なタンパク質は、開もしくは閉イオンチャネルである、光遺伝学顕微鏡からの光によって刺激されると、イオンを能動的に圧送することができる。
【０１０８】
調節可能レンズを備える、コンパクト光遺伝学顕微鏡システム
図７は、顕微鏡システムの有効焦点距離および被写界深度を調節するため、または色収差を補正するための調節可能レンズ７０３を備える、コンパクト光遺伝学顕微鏡システム７００の一実施形態を図示する。撮像光および刺激光は、光源７０８および７０９によって提供され、ダイクロイックミラー７０７、レンズ７０６、光学（励起）フィルタ７０５、ダイクロイックミラー７０４、調節可能レンズ７０３、随意の補正光学要素７０２、および／または屈折率分布（ＧＲＩＮ）レンズ７０１を備える光学経路を用いて、サンプルまたは対象に指向されてもよい。サンプルまたは対象によって反射もしくは散乱された撮像光は、ＧＲＩＮレンズ７０１によって収集され、随意の補正光学要素７０２、調節可能レンズ７０３、ダイクロイック反射体７０４、光学（放出）フィルタ７１０、およびレンズ７１１を備える光学経路を用いて、画像センサ７１２に透過される。同様に、刺激光によってサンプルまたは対象中で励起された蛍光は、ＧＲＩＮレンズ７０１によって収集され、随意の補正光学要素７０２、調節可能レンズ７０３、ダイクロイック反射体７０４、光学（放出）フィルタ７１０、およびレンズ７１１を備える共通光学経路を用いて、画像センサ７１２に透過される。光学フィルタ７０５および７１０の透過性質と組み合わせて、ダイクロイックミラー７０７および７０４の透過ならびに反射性質は、撮像および刺激光の光学帯域幅ならびに画像センサ７１２に到達する反射または散乱される撮像光および蛍光光を判定する。
【０１０９】
いくつかの実施形態では、ＧＲＩＮレンズ７０１および随意の補正光学要素７０２は、顕微鏡システムの「対物」レンズを備え、他のレンズ要素に動作可能に結合される。いくつかの実施形態では、ＧＲＩＮレンズ７０１および随意の補正光学要素７０２は、顕微鏡システムの他の要素に取り付けられる、または光学的に結合される、内視鏡プローブの構成要素であって、内視鏡プローブは、サンプルまたは対象と接触する、またはその中に挿入される（例えば、その中に部分的に埋め込まれる）ように設計される。随意に、補正光学要素７０２は、ＧＲＩＮレンズ７０１と統合されてもよい。いくつかの実施形態では、内視鏡プローブはさらに、カニューレ、例えば、サンプルまたは対象の中に埋め込まれ、内視鏡プローブが挿入される、ガラスカニューレを備えてもよい。いくつかの実施形態では、内視鏡プローブは、照明光学経路、刺激光学経路、および撮像光学経路、または任意のそれらの組み合わせの共有光学構成要素であってもよい。いくつかの実施形態では、１つを上回る内視鏡プローブが、利用されてもよく、異なる内視鏡プローブが、照明光学経路、刺激光学経路、撮像光学経路、または任意のそれらの組み合わせによって利用される。いくつかの実施形態では、補正光学要素７０２は、ＧＲＩＮレンズ７０１またはＧＲＩＮレンズ７０１を備える内視鏡プローブの光学性質を補償し、顕微鏡の視野を横断して改良された空間分解能を有する、トロイダル物体場を提供する。随意の補正光学要素７０２が使用される、それらの実施形態では、好ましくは、サンプルまたは対象から遠位のＧＲＩＮレンズ７０１の端部と接触して、またはそれに近接近して設置されるが、他の設置も、可能性として考えられる。
【０１１０】
いくつかの実施形態では、コンパクト光遺伝学顕微鏡システムは、付加的開口、レンズ、光学フィルタ、ダイクロイックミラー、プリズム、ミラー、ビームスプリッタ、偏光器等を備え、サンプルまたは対象に送達される撮像および刺激光ビームの光学性質（例えば、波長、偏光、または強度）または物理的寸法をさらに精緻化してもよい。同様に、コンパクト光遺伝学顕微鏡システムは、付加的開口、レンズ、光学フィルタ、ダイクロイックミラー、プリズム、ミラー、ビームスプリッタ、偏光器等を備え、画像センサに送達される撮像および蛍光光ビームの光学性質または物理的寸法をさらに精緻化してもよい。
【０１１１】
図７に描写される構成要素はそれぞれ、例えば、図１に関していずれかで実質的に説明されるような単一筐体内に含有されてもよい。いくつかの実施形態では、図７に描写される構成要素は、２つまたはそれを上回る別個の筐体内に含有されるように構成されてもよい。代替として、図７に描写される構成要素のうちのいくつかは、単一筐体または２つもしくはそれを上回る筐体内に含有されてもよい一方、他の要素は、単一筐体または２つもしくはそれを上回る筐体の外側に位置する。例えば、ＧＲＩＮレンズ７０１および随意の補正光学要素７０２は、単一筐体の外側に位置してもよい一方、他の構成要素は、単一筐体内に位置する。ＧＲＩＮレンズ７０１および／または随意の光学補正要素７０２は、調節可能レンズ７０３等の他の光学要素と直接接触してもよい、またはそうではなくてもよい。図７に図示されるように、いくつかの実施形態では、ＧＲＩＮレンズ７０１および／または随意の補正光学要素７０２は、調節可能レンズ７０３と直接接触して、またはそれに近接近して、例えば、サンプルまたは対象（またはその組織）から最も遠いＧＲＩＮレンズ７０１（または随意の補正光学要素７０２）の端部に近接近して設置される。いくつかの実施形態では、撮像光送達光学経路および刺激光送達光学経路を備える、光学構成要素は、反射または散乱された撮像および蛍光光収集光学経路を備えるものから分離されてもよく、別個の筐体内にパッケージ化されてもよい（例えば、光学照明、刺激、および撮像プローブとして）。いくつかの実施形態では、撮像光送達光学経路を構成する光学構成要素およびそれらの光収集光学経路を構成するものは、刺激光送達経路と別個にパッケージ化されてもよい（例えば、光学撮像プローブの代替形態として）。いくつかの実施形態では、光遺伝学顕微鏡および光学プローブ筐体は、２つまたはそれを上回る完全な顕微鏡、光学照明プローブ、光学刺激プローブ、または光学撮像プローブ、もしくは任意のそれらの組み合わせが、固定または調節可能相対的位置において共通ベースプレートに除去可能に取り付けられ得るように、対象に搭載するために、共通ベースプレートに除去可能に取り付けられるように構成されてもよく、２つまたはそれを上回る顕微鏡、光学照明プローブ、光学刺激プローブ、または光学撮像プローブのための光学軸は、相互に略平行である。いくつかの実施形態では、共通ベースプレートは、２つまたはそれを上回る顕微鏡、光学照明プローブ、光学刺激プローブ、または光学撮像プローブのための光学軸が、相互に略平行ではないように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、少なくとも１、２、３、４、５、６、７、８、またはそれを上回る顕微鏡もしくは光学プローブが、共通ベースプレートに取り付けられてもよい。いくつかの実施形態では、共通ベースプレートの構成は、１つまたはそれを上回る顕微鏡、光学撮像プローブ、および光学刺激プローブ間の側方距離を判定する。多くの実施形態では、ベースプレートは、固定位置において対象上に搭載され、したがって、取り付けられた光学アセンブリ（例えば、顕微鏡、光学照明プローブ、光学刺激プローブ、または光学撮像プローブ）の対象の組織に対する再現可能な整合を提供するように設計される。別個の光学刺激プローブおよび光学撮像プローブが共通ベースプレートに取り付けられる、実施形態では、光学刺激プローブによって照明されるサンプルまたは対象の面積は、反射または散乱された撮像光および蛍光が、光学撮像プローブまたは顕微鏡の画像センサ上で収集および撮像される、サンプルまたは対象の面積（例えば、視野（ＦＯＶ））と部分的に、完全に重複する、または全く重複しなくてもよい。
【０１１２】
本願全体を通して開示されるように、撮像光源（図７、７０８または７０９）は、１つまたはそれを上回るＬＥＤもしくは他のタイプの発光要素を備えてもよい。撮像光源は、本質的に、モノクロ光を提供してもよい。代替として、撮像光源は、複数の波長における撮像光を提供してもよい。１つの非限定的実施例では、撮像光源は、異なる色（例えば、異なる波長範囲）の光を放出する、２つまたはそれを上回るＬＥＤもしくは他の発光要素を備えてもよい。撮像光源は、単色またはマルチカラー撮像のための光を提供してもよい。いくつかの実施形態では、撮像光源は、２つまたはそれを上回る発光要素、例えば、ユーザ定義空間パターンおよび／またはユーザ定義時間パターンにおいて光を放出するように構成される、ＬＥＤを備えてもよい。これらの実施形態では、ユーザ定義空間パターンは、少なくとも０．１μｍ、少なくとも０．５μｍ、少なくとも１μｍ、少なくとも５μｍ、または少なくとも１０μｍ、少なくとも１５μｍ、少なくとも２０μｍであり得る、焦点面における空間分解能を有してもよい。いくつかの実施形態では、コンパクト光遺伝学顕微鏡システムはさらに、プロセッサと、メモリデバイスとを備え、プロセッサは、メモリデバイス内に記憶される一連のソフトウェアエンコードされた命令を実行するように構成される。いくつかの実施形態では、ソフトウェアエンコードされた命令は、（ｉ）撮像光強度を時間依存または空間依存様式で変調させる、（ｉｉ）刺激光強度を時間依存または空間依存様式で変調させる、（ｉｉｉ）焦点深度を時間依存様式で変動させる、および（ｉｖ）規定された視野内の組織の１つまたはそれを上回る画像を規定された時間において捕捉する、または任意のそれらの組み合わせのための命令を含む。いくつかの実施形態では、例えば、組織は、脳組織であって、ソフトウェアエンコードされた命令は、刺激光を時間依存または空間依存様式で変調させ、該脳組織内の神経応答、例えば、治療効果を誘発するための命令を備えてもよい。
【０１１３】
多くの実施形態では、撮像光源は、撮像および／または刺激光をサンプルに送達するように構成される、光学要素と統合され、同一筐体内にパッケージ化される。いくつかの実施形態では、撮像光源は、撮像および／または刺激光をサンプルに送達する光学要素を包囲する、筐体の外部に位置し、例えば、光ファイバ、液体光導波路、または光を誘導する任意の他の好適な手段を用いて、後者に光学的に結合されてもよい。撮像光源は、光送達光学経路を備える光学要素を用いて、撮像光をサンプルもしくは対象または対象内の規定された視野内の組織に送達するように構成される。
【０１１４】
本願全体を通して開示されるように、刺激光源（図７、７０９または７０８）はまた、１つまたはそれを上回るＬＥＤもしくは他のタイプの発光要素を備えてもよい。刺激光源は、本質的に、モノクロ光を提供してもよい。代替として、刺激光源は、複数の波長における刺激光を提供してもよい。１つの非限定的実施例では、刺激光源は、異なる色（例えば、異なる波長範囲）の光を放出する、２つまたはそれを上回る高強度ＬＥＤもしくは他の発光要素を備えてもよい。刺激光源は、単色またはマルチカラー刺激（励起）のための光を提供してもよい。いくつかの実施形態では、刺激光源は、２つまたはそれを上回る発光要素、例えば、ユーザ定義空間パターンおよび／またはユーザ定義時間パターンにおいて光を放出するように構成される、高強度ＬＥＤを備えてもよい。多くの実施形態では、刺激光源は、撮像および／または刺激光をサンプルに送達するように構成される、光学要素と統合され、同一筐体内にパッケージ化される。いくつかの実施形態では、刺激光源は、撮像および／または刺激光をサンプルに送達する光学要素を包囲する、筐体の外部に位置し、例えば、光ファイバ、液体光導波路、または光を誘導する任意の他の好適な手段を用いて、後者に光学的に結合されてもよい。刺激光源は、光送達光学経路を備える光学要素を用いて、刺激光をサンプルもしくは対象または対象内の規定された照明面積もしくは視野内の組織に送達するように構成される。
【０１１５】
本願全体を通して開示されるように、画像センサ７１２は、モノクロ画像センサまたはカラー画像センサを備えてもよい。いくつかの実施形態では、コンパクト光遺伝学顕微鏡システムは、２つまたはそれを上回る画像センサを備えてもよい。好適な画像センサの実施例として、限定ではないが、ＣＣＤセンサチップおよびＣＭＯＳ画像センサが挙げられる。いくつかの実施形態では、画像センサは、グレースケールまたはＲＧＢ画像であり得る、単一画像または一連の画像を捕捉する。単一画像または一連の画像は、所定もしくはユーザ調節可能暴露時間を使用して、サンプルまたは対象への刺激光の送達前、間、または後に、捕捉されてもよい。いくつかの実施形態では、画像センサによる画像捕捉のタイミングは、対象またはサンプルへの刺激光の送達の空間および／もしくは時間変調のためのタイミングと同期されてもよい。いくつかの実施形態では、画像センサによる画像捕捉のタイミングは、サンプルまたは対象への刺激光の送達の空間および／もしくは時間変調のためのタイミングとオフセットされてもよい（位相がずれる）。サンプルもしくは対象によって、または対象内の組織によって反射、散乱、もしくは放出された光（例えば、刺激光による励起に応じて）は、光収集光学経路を備える光学要素を用いて収集され、画像センサに送達される。
【０１１６】
図７における調節可能レンズ７０３は、変形可能レンズを備えてもよい。代替として、または加えて、調節可能レンズは、移動可能な構成要素、例えば、移動可能な光学要素を備えてもよい。調節可能レンズは、電気光学的手段、機械的手段、電気機械的手段、熱光学的手段、および／または音響機械的手段によって調節されてもよい。例えば、電圧を調節可能レンズと関連付けられたレンズおよび／または構成要素に印加することによって、レンズの焦点距離は、調節されてもよい。例えば、電圧を調節可能レンズと関連付けられたレンズおよび／または構成要素に印加することによって、レンズは、傾斜されてもよい。任意の電気的に関連する手段によって調節可能な調節可能レンズは、本明細書では、電子レンズまたは「ｅ−レンズ」とも称され得る。多くの実施形態では、少なくとも１つの調節可能または変形可能レンズが、撮像光および刺激光がサンプルに透過される光学経路によって共有される、光学要素を構成してもよい。これらの実施形態では、少なくとも１つの共有調節可能または変形可能レンズは、サンプルまたは組織から最も遠い、ＧＲＩＮレンズ（または随意の補正光学要素）の端部に近接近して位置付けられてもよい。いくつかの実施形態では、コンパクト光遺伝学顕微鏡システムは、例えば、刺激および画像収集光経路の有効焦点距離を別個に調節し、それによって、刺激光が、画像収集光学によって視野として使用される、同一焦点面上に集束されることを確実にするように構成される、２つまたはそれを上回る調節可能レンズを備えてもよい。いくつかの実施形態では、刺激および画像収集光経路の有効焦点距離は、刺激光が画像収集光学によって視野として使用されるものと異なる焦点面上に集束されることを確実にするように調節されてもよい。いくつかの実施形態では、有効焦点距離は、刺激光および／または画像収集光学のための焦点面が、空間分解能の損失を伴わずに、約５０μｍ、約１００μｍ、約２００μｍ、約３００μｍ、約４００μｍ、または約５００μｍの範囲にわたって調節可能であるように調節可能である。
【０１１７】
いくつかの事例では、調節可能レンズは、圧電構成要素または機械的構成要素を備えてもよい。例えば、レンズ流体は、レンズエンクロージャの内外に圧送されてもよく、レンズ膜を拡張または後退させ、可変焦点および／またはズームを達成する。例えば、アクチュエータは、変形可能壁を押動または解放し、チャンバ内の液体の体積を変化させ、レンズ、例えば、液体レンズの曲率を調節してもよい。いくつかの事例では、圧電構成要素に印加される電圧は基板上にコーティングされた液体またはポリマー層と接触する、薄膜、例えば、薄ガラス膜を変形させ、それによって、液体またはポリマー層を変形させ、その光学性質を変化させてもよい。非限定的実施例として、調節可能レンズは、液体レンズ、液晶レンズ、および／または圧電チューナブルレンズ、または任意のそれらの組み合わせを備えてもよい。
【０１１８】
調節可能レンズは、全体を通して説明される小型顕微鏡システムとのための統合に相応しいサイズを備えてもよい。いくつかの事例では、調節可能レンズは、約１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、７ｍｍ、８ｍｍ、９ｍｍ、１０ｍｍ、１２ｍｍ、１４ｍｍ、１６ｍｍ、１８ｍｍ、または２０ｍｍと等しいもしくはそれ未満の半径を備えてもよい。随意に、調節可能レンズは、可変半径を備えてもよい。いくつかの事例では、調節可能レンズは、約１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、７ｍｍ、８ｍｍ、９ｍｍ、１０ｍｍ、１２ｍｍ、１４ｍｍ、１６ｍｍ、１８ｍｍ、または２０ｍｍと等しいもしくはそれ未満の厚さまたは高さを備えてもよい。随意に、調節可能レンズは、可変高さを備えてもよい。
【０１１９】
調節可能レンズは、調節可能光学パラメータを備えてもよい。例えば、調節可能レンズは、可変焦点距離を備えてもよい。別の実施例として、調節可能レンズは、可変光学軸を備えてもよい。いくつかの事例では、調節可能レンズは、傾斜および／またはディザリングされてもよい。調節可能レンズは、その光学軸を中心として傾斜されてもよい、またはそうではなくてもよい。いくつかの事例では、調節可能レンズの光学軸は、傾斜または調節されてもよい。調節可能レンズは、例えば、画像を合焦させる、有効焦点深度を変化させ、立体撮像を可能にする、および／または色収差を補正するために利用されてもよい。
【０１２０】
いくつかの実施形態では、調節可能レンズは、約１０ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍ、３０ｍｍ、４０ｍｍ、５０ｍｍ、６０ｍｍ、７０ｍｍ、８０ｍｍ、９０ｍｍ、または１００ｍｍ、もしくは本範囲内の任意の焦点距離と等しいまたはそれを上回る焦点距離を備えてもよい。いくつかの実施形態では、調節可能レンズは、任意の所与の時点において前述の焦点距離のいずれかを有するように調節されてもよい。
【０１２１】
いくつかの実施形態では、調節可能レンズは、負の焦点距離または無限遠の焦点距離を備えてもよい。いくつかの実施形態では、調節可能レンズは、約−１００〜約＋１００ジオプタの屈折力を提供してもよく、ジオプタは、メートル単位における焦点距離の逆数として定義される。いくつかの実施形態では、調節可能レンズは、少なくとも−１００ジオプタ、少なくとも−９０ジオプタ、少なくとも−８０ジオプタ、少なくとも−７０ジオプタ、少なくとも−６０ジオプタ、少なくとも−５０ジオプタ、少なくとも−４０ジオプタ、少なくとも−３０ジオプタ、少なくとも−２０ジオプタ、少なくとも−１０ジオプタ、少なくとも０ジオプタ、少なくとも＋１０ジオプタ、少なくとも＋２０ジオプタ、少なくとも＋３０ジオプタ、少なくとも＋４０ジオプタ、少なくとも＋５０ジオプタ、少なくとも＋６０ジオプタ、少なくとも＋７０ジオプタ、少なくとも＋８０ジオプタ、少なくとも＋９０ジオプタ、または少なくとも＋１００ジオプタの屈折力を提供してもよい。いくつかの実施形態では、調節可能レンズは、最大で＋１００ジオプタ、最大で＋９０ジオプタ、最大で＋８０ジオプタ、最大で＋７０ジオプタ、最大で＋６０ジオプタ、最大で＋５０ジオプタ、最大で＋４０ジオプタ、最大で＋３０ジオプタ、最大で＋２０ジオプタ、最大で＋１０ジオプタ、最大で＋０ジオプタ、最大で−１０ジオプタ、最大で−２０ジオプタ、最大で−３０ジオプタ、最大で−４０ジオプタ、最大で−５０ジオプタ、最大で−６０ジオプタ、最大で−７０ジオプタ、最大で−８０ジオプタ、最大で−９０ジオプタ、または最大で−１００ジオプタの屈折力を提供してもよい。本段落に説明される下限値および上限値のいずれかは、組み合わせられ、本開示内に含まれる範囲を形成してもよく、例えば、調節可能レンズは、約＋２０ジオプタ〜約＋７０ジオプタの範囲の屈折力を提供してもよい。当業者は、調節可能レンズが、本範囲内の任意の値、例えば、約＋２５ジオプタを有する屈折力を提供してもよいことを認識するであろう。
【０１２２】
本明細書で参照されるような調節可能レンズの傾斜は、調節可能レンズ自体の傾斜を指し得る。代替として、または加えて、調節可能レンズの傾斜は、調節可能レンズの光学軸が傾斜または変動されるような調節可能レンズの調節を指し得る（例えば、レンズを変形させる、液体レンズの曲率を調節する）。傾斜角度は、調節可能レンズの光学軸を中心としてもよい、またはそうではなくてもよい。随意に、調節可能レンズは、約０．１°、０．２°、０．３°、０．４°、０．６°、０．８°、１°、１．２°、１．５°、２°、２．５°、３°、４°、または５°と等しいまたはそれを上回る傾斜角度で傾斜されるように構成されてもよい。
【０１２３】
いくつかの実施形態では、開示される光遺伝学顕微鏡または構成要素である光学プローブは、少なくとも１つの調節可能または変形可能レンズ、少なくとも２つの調節可能または変形可能レンズ、少なくとも３つの調節可能または変形可能レンズ、少なくとも４つの調節可能または変形可能レンズ、またはそれを上回るものを備えてもよい。１つまたはそれを上回る調節可能もしくは変形可能レンズを利用する、それらの実施形態では、コンパクト光遺伝学顕微鏡システムまたは光学撮像プローブの有効焦点深度は、前述のように、立体撮像を可能にするように変動されてもよい。そのような実施形態では、光遺伝学顕微鏡または光学撮像プローブは、約１ｍｍ×１ｍｍ×５０μｍ深度、または約１ｍｍ×１ｍｍ×１００μｍ深度、または約１ｍｍ×１ｍｍ×２００μｍ深度、または約１ｍｍ×１ｍｍ×３００μｍ深度、または約１ｍｍ×１ｍｍ×４００μｍ深度、または約１ｍｍ×１ｍｍ×３００μｍ深度のサンプルまたは組織体積にわたって、光を収集し、画像を生成可能であってもよい。
【０１２４】
いくつかの実施形態では、顕微鏡システムまたは光学プローブのための照明面積、刺激面積、および／または視野（ＦＯＶ）は、約１００μｍ×１００μｍ〜約５ｍｍ×５ｍｍの範囲であってもよい。いくつかの実施形態では、ＦＯＶは、少なくとも１００μｍ×１００μｍ、少なくとも２００μｍ×２００μｍ、少なくとも３００μｍ×３００μｍ、少なくとも４００μｍ×４００μｍ、少なくとも５００μｍ×５００μｍ、少なくとも６００μｍ×６００μｍ、少なくとも７００μｍ×７００μｍ、少なくとも８００μｍ×８００μｍ、少なくとも９００μｍ×９００μｍ、少なくとも１ｍｍ×１ｍｍ、少なくとも１．１ｍｍ×１．１ｍｍ、少なくとも１．２ｍｍ×１．２ｍｍ、少なくとも１．３ｍｍ×１．３ｍｍ、少なくとも１．４ｍｍ×１．４ｍｍ、少なくとも１．５ｍｍ×１．５ｍｍ、少なくとも１．６ｍｍ×１．６ｍｍ、少なくとも１．７ｍｍ×１．７ｍｍ、少なくとも１．８ｍｍ×１．８ｍｍ、少なくとも１．９ｍｍ×１．９ｍｍ、少なくとも２ｍｍ×２ｍｍ、少なくとも２．５ｍｍ×２．５ｍｍ、少なくとも３ｍｍ×３ｍｍ、少なくとも３．５ｍｍ×３．５ｍｍ、少なくとも４ｍｍ×４ｍｍ、少なくとも４．５ｍｍ×４．５ｍｍ、または少なくとも５ｍｍ×５ｍｍである。いくつかの実施形態では、ＦＯＶは、最大で５ｍｍ×５ｍｍ、最大で４．５ｍｍ×４．５ｍｍ、最大で４ｍｍ×４ｍｍ、最大で３．５ｍｍ×３．５ｍｍ、最大で３ｍｍ×３ｍｍ、最大で２．５ｍｍ×２．５ｍｍ、最大で２ｍｍ×２ｍｍ、最大で１．９ｍｍ×１．９ｍｍ、最大で１．８ｍｍ×１．８ｍｍ、最大で１．７ｍｍ×１．７ｍｍ、最大で１．６ｍｍ×１．６ｍｍ、最大で１．５ｍｍ×１．５ｍｍ、最大で１．４ｍｍ×１．４ｍｍ、最大で１．３ｍｍ×１．３ｍｍ、最大で１．２ｍｍ×１．２ｍｍ、最大で１．１ｍｍ×１．１ｍｍ、最大で１ｍｍ×１ｍｍ、最大で９００μｍ×９００μｍ、最大で８００μｍ×８００μｍ、最大で７００μｍ×７００μｍ、最大で６００μｍ×６００μｍ、最大で５００μｍ×５００μｍ、最大で４００μｍ×４００μｍ、最大で３００μｍ×３００μｍ、最大で２００μｍ×２００μｍ、または最大で１００μｍ×１００μｍである。本段落に説明される下限値および上限値のいずれかは、組み合わせられ、本開示内に含まれる範囲を形成してもよく、例えば、照明／刺激面積およびＦＯＶは、約８００μｍ×８００μｍ〜約１．２ｍｍ×１．２ｍｍの範囲であってもよい。当業者は、照明／刺激およびＦＯＶが、本範囲内の任意の値、例えば、約１．１５ｍｍ×１．１５ｍｍを有してもよいことを認識するであろう。
【０１２５】
いくつかの実施形態では、顕微鏡システムの有効焦点深度は、約１０μｍ〜約１ｍｍの範囲であってもよい。いくつかの実施形態では、有効焦点深度は、少なくとも１０μｍ、少なくとも２５μｍ、少なくとも５０μｍ、少なくとも７５μｍ、少なくとも１００μｍ、少なくとも２００μｍ、少なくとも３００μｍ、少なくとも４００μｍ、少なくとも５００μｍ、少なくとも６００μｍ、少なくとも７００μｍ、少なくとも８００μｍ、少なくとも９００μｍ、または少なくとも１ｍｍであってもよい。いくつかの実施形態では、有効焦点深度は、最大で１ｍｍ、最大で９００μｍ、最大で８００μｍ、最大で７００μｍ、最大で６００μｍ、最大で５００μｍ、最大で４００μｍ、最大で３００μｍ、最大で２００μｍ、最大で１００μｍ、最大で７５μｍ、最大で５０μｍ、最大で２５μｍ、または最大で１０μｍであってもよい。本段落に説明される下限値および上限値のいずれかは、組み合わせられ、本開示内に含まれる範囲を形成してもよく、例えば、有効焦点深度は、約２００μｍ〜約５００μｍの範囲であってもよい。当業者は、有効焦点深度は、本範囲内の任意の値、例えば、約２７５μｍを有してもよいことを認識するであろう。いくつかの実施形態では、顕微鏡システムの有効焦点深度は、一連の１つまたはそれを上回る画像が各有効焦点深度設定において捕捉されるにつれて変動される。
【０１２６】
いくつかの実施形態では、コンパクト光遺伝学顕微鏡システムによって提供される画像の空間分解能は、視野の中心において約０．１μｍ〜約５μｍの範囲であってもよい。いくつかの実施形態では、空間分解能は、視野の中心において少なくとも０．１μｍ、少なくとも０．２５μｍ、少なくとも０．５μｍ、少なくとも０．７５μｍ、少なくとも１μｍ、少なくとも１．５μｍ、少なくとも２μｍ、少なくとも３μｍ、少なくとも４μｍ、または少なくとも５μｍであってもよい。いくつかの実施形態では、空間分解能は、視野の中心において最大で５μｍ、最大で４μｍ、最大で３μｍ、最大で２μｍ、最大で１．５μｍ、最大で１μｍ、最大で０．７５μｍ、最大で０．５μｍ、最大で０．２５μｍ、または最大で０．１μｍであってもよい。本段落に説明される下限値および上限値のいずれかは、組み合わせられ、本開示内に含まれる範囲を形成してもよく、例えば、空間分解能は、視野の中心において約０．７５μｍ〜約２μｍの範囲であってもよい。当業者は、空間分解能は、本範囲内の任意の値、例えば、視野の中心において約１．６μｍを有してもよいことを認識するであろう。
【０１２７】
いくつかの実施形態では、コンパクト光遺伝学顕微鏡システムによって提供される画像の空間分解能は、視野を横断して変動してもよく、約０．１μｍ〜約３０μｍの範囲であってもよい。いくつかの実施形態では、視野を横断した最小空間分解能は、少なくとも０．１μｍ、少なくとも０．５μｍ、少なくとも１μｍ、少なくとも５μｍ、少なくとも１０μｍ、少なくとも１５μｍ、少なくとも２０μｍ、少なくとも２５μｍ、または少なくとも３０μｍであってもよい。いくつかの実施形態では、最小空間分解能は、最大で３０μｍ、最大で２５μｍ、最大で２０μｍ、最大で１５μｍ、最大で１０μｍ、最大で５μｍ、最大で１μｍ、最大で０．５μｍ、または最大で０．１μｍであってもよい。本段落に説明される下限値および上限値のいずれかは、組み合わせられ、本開示内に含まれる範囲を形成してもよく、例えば、最小空間分解能が、約１μｍ〜約２０μｍの範囲であってもよい。当業者は、最小空間分解能は、本範囲内の任意の値、例えば、約２０μｍを有してもよいことを認識するであろう。
【０１２８】
いくつかの実施形態では、１つまたはそれを上回る補正光学要素（図７では７０２）が、視野全体を横断してコンパクト光遺伝学顕微鏡システムによって提供される画像の空間分解能を改良するために使用されてもよい。これらの実施形態では、視野全体を横断した最小空間分解能は、約０．１μｍ〜約５μｍの範囲であってもよい。いくつかの実施形態では、視野全体を横断した最小空間分解能は、少なくとも０．１μｍ、少なくとも０．２５μｍ、少なくとも０．５μｍ、少なくとも０．７５μｍ、少なくとも１μｍ、少なくとも１．５μｍ、少なくとも２μｍ、少なくとも３μｍ、少なくとも４μｍ、または少なくとも５μｍであってもよい。いくつかの実施形態では、視野全体を横断した最小空間分解能は、最大で５μｍ、最大で４μｍ、最大で３μｍ、最大で２μｍ、最大で１．５μｍ、最大で１μｍ、最大で０．７５μｍ、最大で０．５μｍ、最大で０．２５μｍ、または最大で０．１μｍであってもよい。本段落に説明される下限値および上限値のいずれかは、組み合わせられ、本開示内に含まれる範囲を形成してもよく、例えば、視野全体を横断した最小空間分解能は、約０．７５μｍ〜約２μｍの範囲であってもよい。当業者は、最小空間分解能が、本範囲内の任意の値、例えば、約１．６μｍを有してもよいことを認識するであろう。
【０１２９】
いくつかの実施形態では、１つまたはそれを上回る調節可能レンズが、色収差を能動的に補正するために使用されてもよい。いくつかの事例では、調節可能レンズは、色収差を軸方向に補正するために利用されてもよい。例えば、色収差は、必要に応じて、調節可能レンズの焦点距離を変化させることによって補正または緩和されてもよい。例えば、マルチカラー刺激または撮像システムは、光の異なる色（例えば、異なる波長）がレンズ等の光学要素によって異なるように集束され得るにつれて、色収差を被り得る。故に、光の異なる波長（または異なる波長範囲）のために、サンプルまたは対象を撮像するために使用されるものと同一サンプル平面上に画像を合焦させる、または刺激光を集束させるために、調節可能レンズの焦点距離を調節する必要があり得る。いくつかの実施形態では、調節可能レンズを使用した有効焦点距離の調節は、画像センサによる画像の捕捉と同期されてもよい。
【０１３０】
代替として、または加えて、調節可能レンズは、いくつかの実施形態では、側方平面における色収差を補正するために利用されてもよい。例えば、側方平面における色収差は、調節可能レンズを適切な傾斜角度に傾斜させることによって補正または緩和されてもよい。いくつかの事例では、調節可能レンズは、複数の画像が画像センサによって捕捉される間（例えば、画像捕捉プロセスと調節可能レンズの傾斜を同期させる、画像捕捉回路を使用して）、半径方向に（すなわち、レンズは、１つの方向における０度の角度（光学軸と整合される）から規定された角度（例えば、ｘ−軸に沿って）に傾斜される）、または円形パターンで（すなわち、レンズは、固定角度に傾斜され、次いで、光学軸の周囲で３６０度回転される）傾斜されてもよい。続いて、レンズの傾斜および／または回転と併せて捕捉された複数の画像は、処理され、色収差が補正された画像を提供してもよい。複数の捕捉された画像は、異なる傾斜角度において捕捉された画像を備えてもよい。異なる傾斜角度は、光学軸を中心として大きさが異なる、または傾斜方向が異なる、傾斜角度を指し得る。いくつかの事例では、複数の画像は、同一または類似大きさを有する、傾斜角度において捕捉されてもよい。代替として、複数の画像は、異なる大きさを有する、傾斜角度において捕捉されてもよい。いくつかの実施形態では、調節可能レンズの傾斜角度および方向のディザリング（すなわち、傾斜角度および方向におけるランダム変動を誘発する）が、ディザリングが、十分に高周波数で行われ、画像を捕捉するために要求される暴露時間内の全視野の網羅を提供する場合、単一画像内の色収差を補正するために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、調節可能レンズの傾斜角度は、複数の画像が同期方式で捕捉される間、ディザリングされる。
【０１３１】
いくつかの実施形態では、１つまたはそれを上回るプロセッサもまた、色収差に関する画像の補正を補助するために提供されてもよい（例えば、顕微鏡筐体内に統合される、またはコンパクト顕微鏡システムと通信する外部コントローラの一部として）。例えば、１つまたはそれを上回るプロセッサは、個々に、または集合的に、複数の捕捉された画像を利用して、色収差を補正または最小限にしてもよい。複数の画像は、上記に説明されるように、傾斜された調節可能レンズを用いて捕捉された画像であってもよい（例えば、円形または半径方向パターンで）。いくつかの事例では、複数の捕捉された画像は、例えば、画像の後処理において組み合わせられ、処理された画像を生産してもよい。調節可能レンズの異なる傾斜角度を用いて捕捉された複数の画像の組み合わせまたは処理は、例えば、側方平面における色収差を低減または排除し得る。異なる傾斜角度は、大きさまたは光学軸を中心とした方向が異なる、傾斜角度を指し得る。いくつかの事例では、色収差を補正するために使用される複数の捕捉された画像は、約５画像、１０画像、１５画像、２０画像、２５画像、３０画像、４０画像、５０画像、６０画像、８０画像、１００画像、１５０画像、２００画像、２５０画像、３００画像、４００画像、または５００画像と等しいもしくはそれを上回ってもよい。
【０１３２】
述べられたように、いくつかの実施形態では、画像センサによる画像の捕捉は、調節可能レンズの傾斜またはディザリングと同期されてもよい。例えば、調節可能レンズは、画像センサの画像捕捉率に従って傾斜またはディザリングされてもよい。代替として、調節可能レンズは、画像センサの画像捕捉率を上回る率で傾斜またはディザリングされてもよい。代替として、調節可能レンズは、センサの画像捕捉率より少ない率でディザリングまたは傾斜してもよい。画像捕捉回路は、約１０ｆｐｓ、１５ｆｐｓ、２０ｆｐｓ、２５ｆｐｓ、３０ｆｐｓ、４０ｆｐｓ、５０ｆｐｓ、６０ｆｐｓ、８０ｆｐｓ、１００ｆｐｓ、１２０ｆｐｓ、１４０ｆｐｓ、１６０ｆｐｓ、１８０ｆｐｓ、２００ｆｐｓ、２２０ｆｐｓ、２４０ｆｐｓ、２８０ｆｐｓ、３２０ｆｐｓ、３６０ｆｐｓ、４００ｆｐｓ、またはそれを上回る率と等しいもしくはそれを上回る率で画像を捕捉してもよい。調節可能レンズは、約１０調節／秒、１５調節／秒、２０調節／秒、２５調節／秒、３０調節／秒、４０調節／秒、５０調節／秒、６０調節／秒、８０調節／秒、１００調節／秒、１２０調節／秒、１４０調節／秒、１６０調節／秒、１８０調節／秒、２００調節／秒、２２０調節／秒、２４０調節／秒、２８０調節／秒、３２０調節／秒、３６０調節／秒、４００調節／秒、またはそれを上回る率と等しいもしくはそれを上回る率で調節（例えば、傾斜、ディザリング等）されてもよい。
【０１３３】
いくつかの事例では、調節可能レンズは、特に、マルチカラー刺激またはマルチカラー撮像用途に有用であり得る。本明細書に前述されたように、マルチカラー撮像は、色収差を被り得る、またはレンズ等の光学要素を通して集束されると、異なる色（例えば、波長）の光が異なる焦点距離を有し得るため、焦点から外れた画像を捕捉し得る。故に、異なる波長（例えば、異なる波長範囲）に関して、異なる焦点距離の利用は、画像を合焦させるために適切または必要であり得る。いくつかの事例では、調節可能レンズは、焦点距離が画像を異なる光の波長に対して合焦させるために適切であるように調節されてもよい。随意に、１つまたはそれを上回るプロセッサが、捕捉された画像が、常時、異なる光の波長に対して合焦し得るように、撮像システム（例えば、調節可能レンズを使用して）の焦点距離を変動させるために提供されてもよい。
【０１３４】
いくつかの事例では、異なる波長範囲の光を放出する異なる光学配列または光源は、時間的に多重化されてもよい。光学配列または光源の時間多重化と併せて、調節可能レンズは、刺激光が撮像されるべき視野を備えるものと同一サンプルまたは対象平面上に集束されるように調節されてもよい。また、光学配列または光源の時間多重化と併せて、調節可能レンズは、撮像システムが反射、散乱、または放出された光の異なる光の波長に対して合焦画像を捕捉可能であるように調節されてもよい。いくつかの事例では、調節可能レンズの焦点距離は、捕捉された画像を合焦させるために、光学配列または光源の時間多重化と実質的に同時に調節されてもよい。代替として、調節可能レンズの焦点距離は、捕捉された画像を合焦させるために、光学配列または光源の時間多重化と実質的に連続して調節されてもよい。いくつかの事例では、１つまたはそれを上回るプロセッサが、捕捉された画像を合焦させるために、撮像システムまたは調節可能レンズの焦点距離が光学配列または光源によって産生される光（例えば、励起光）に従って適切に調節されることを確実にするために提供されてもよい。代替としてまたは加えて、１つまたはそれを上回るプロセッサが、撮像システムまたは調節可能レンズの焦点距離が、捕捉された画像を合焦させるために、サンプルによって産生される光（例えば、放出光）に従って適切に調節されることを確実にするために提供されてもよい。加えて、調節可能レンズは、上記のように色収差を軽減または補正するために傾斜および／またはディザリングされてもよい。
【０１３５】
前述のように、コンパクト光遺伝学顕微鏡は、ヒト対象または動物対象の両方を研究するために使用されてもよい。１つまたはそれを上回る調節可能レンズを備える、それらの実施形態では、調節可能レンズは、例えば、撮像光および刺激光を同一または異なる焦点面ならびに／もしくは視野にもたらす、または例えば、視野内の色収差を補正するために使用されてもよい。コンパクト光遺伝学顕微鏡を使用して、同時に、対象内の組織を刺激するおよび撮像するための方法の非限定的実施例は、ａ）本明細書に開示される実施形態のいずれかによる光学システムを提供するステップと、ｂ）刺激および撮像されるべき組織を備える対象を提供するステップと、ｃ）ステップ（ａ）の光学システムを対象上または内に搭載する、もしくは埋め込むステップと、ｄ）時間変調または空間変調様式で刺激光を該対象の組織に指向する前、間、もしくは後に、組織の１つまたはそれを上回る画像を生成するステップとを含んでもよい。本明細書に開示されるコンパクト光遺伝学顕微鏡は、例えば、シナプス後細胞を撮像しながら、神経組織のシナプス前入力を変調させる、細胞の同一集団を撮像および変調させる、または同一視野内の異なる集団を撮像および変調させるために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、動物対象は、齧歯類（例えば、マウス、ラット、ウサギ、モルモット、アレチネズミ、ハムスター）、類人猿、イヌ、ネコ、鳥類、昆虫、または任意の他のタイプの動物を含んでもよい。いくつかの実施形態では、顕微鏡は、生体対象（または非生体対象）上に搭載される、またはその中に挿入され、臨床前もしくは臨床研究のために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、顕微鏡は、臨床診断または治療用途のために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、コンパクト光遺伝学顕微鏡は、光活性化イオンチャネルと併せて使用され、脳の神経組織によって処理されると、具体的効果を対象内に誘起する、光学刺激の時空間パターンを送達してもよい。光学刺激の時空間パターンの送達によって対象内で誘起され得る、具体的効果の実施例として、限定ではないが、食欲／摂食挙動の変化、恐怖／回避挙動の発動、報酬獲得挙動、全般的運動活動の強化または抑制、および睡眠パターンの改変が挙げられる。
【０１３６】
埋込型顕微鏡システム
本明細書に開示されるコンパクト光遺伝学顕微鏡システムのいくつかの実施形態では、システムは、部分的または完全埋込型デバイス（すなわち、デバイスが皮膚障壁を破壊しないもの）として構成されてもよい。これらの実施形態では、顕微鏡システムまたはその構成要素（例えば、１つまたはそれを上回る個々の光学照明プローブ、光学刺激プローブ、光学撮像プローブ、または任意のそれらの組み合わせ）は、密閉してシールされた生体適合性筐体、例えば、生体適合性材料から加工される外側表面を有する筐体内に封入されてもよい。生体適合性筐体（またはその外側表面）を加工するための好適な材料の非限定的実施例は、種々の金属（例えば、ステンレス鋼、コバルトベースの合金、チタン、およびチタンベースの合金）、ポリマー（例えば、ポリプロピレン、高密度ポリエチレン、ポリメチルメタクリレート、およびシリコーン）、セラミック（例えば、二酸化ジルコニウム）、複合材料、またはそれらの組み合わせを含んでもよい。
【０１３７】
これらの埋込型実施形態では、顕微鏡システムはさらに、外部コントローラと通信し、外部コントローラと埋め込まれたデバイスとの間の無線データおよび電力伝送を可能にする、無線送信機／受信機（または無線アダプタ、例えば、無線周波数もしくは光学無線リンク）を備えてもよい。いくつかの実施形態では、無線送信機／受信機は、データ読取およびデータ書込通信の両方を提供する（別個におよび／または同時に）。これらの実施形態における無線データ伝送率は、約１Ｍｂｉｔ／秒〜約７Ｇｂｉｔ／秒の範囲であってもよい。いくつかの実施形態では、無線データ伝送率は、少なくとも約１Ｍｂｉｔ／秒、少なくとも約５Ｍｂｉｔ／秒、少なくとも約１０Ｍｂｉｔ／秒、少なくとも約５０Ｍｂｉｔ／秒、少なくとも約１００Ｍｂｉｔ／秒、少なくとも約２００Ｍｂｉｔ／秒、少なくとも約３００Ｍｂｉｔ／秒、少なくとも約４００Ｍｂｉｔ／秒、少なくとも約５００Ｍｂｉｔ／秒、少なくとも約６００Ｍｂｉｔ／秒、少なくとも約７００Ｍｂｉｔ／秒、少なくとも約８００Ｍｂｉｔ／秒、少なくとも約９００Ｍｂｉｔ／秒、少なくとも約１Ｇｂｉｔ／秒、少なくとも約２Ｇｂｉｔ／秒、少なくとも約３Ｇｂｉｔ／秒、少なくとも約４Ｇｂｉｔ／秒、少なくとも約５Ｇｂｉｔ／秒、少なくとも約６Ｇｂｉｔ／秒、または少なくとも約７Ｇｂｉｔ／秒であってもよい。
【０１３８】
本明細書に開示される埋込型顕微鏡システムは、本明細書に開示されるコンパクト光遺伝学顕微鏡システムの他の実施形態のために説明されるような光学設計、光学性能特性、および物理的特徴を備えてもよい。埋込型顕微鏡システムの用途は、対象内における遺伝子的に修飾された組織の光学刺激を含み、組織は、遺伝子的に修飾され、光駆動イオンチャネルおよび／または蛍光カルシウムインジケータもしくは他の蛍光イオンインジケータを組み込み、埋め込まれたデバイスは、対象によって処理され、治療応答を誘起する、選択されたニューロンまたはニューロンのセットを刺激するように、刺激光パルスの空間的および／または時間的に変調されたシーケンスをデバイスの照明野および／または視野内のニューロンに送達するように構成される。いくつかの実施形態では、例えば、対象の組織が遺伝子的に修飾され、蛍光カルシウムインジケータまたは他の蛍光イオンインジケータを含むものでは、埋め込まれたデバイスは、刺激光パルスの空間的および／または時間的に変調されたシーケンスを送達し、かつ標的ニューロン（すなわち、刺激光パルスによって刺激されるニューロン）内で誘発された応答を撮像するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、標的ニューロンまたは標的ニューロンに隣接もしくは近接近するニューロン内で撮像される応答は、フィードバックループを介して、刺激光パルスの空間および／または時間的パターンを修正するために使用される。本開示の埋め込まれたデバイスのための潜在的用途の実施例として、試験対象における心房細動の光遺伝学誘発、心臓病患者における心筋組織の光遺伝学刺激、視力障害患者における網膜ニューロンの光遺伝学刺激、および癲癇患者における迷走神経の光遺伝学刺激が挙げられる。潜在的用途の他の実施例として、限定ではないが、睡眠、食欲、薬物依存、賭博、または他の習慣的挙動における改変を誘発するための刺激、パーキンソン病患者における震えの抑制、および他の運動障害における正常運動の回復が挙げられる。
【０１３９】
制御システム
本開示は、本開示の方法を実装するようにプログラムされる、コンピュータ制御システムを提供する。図５は、サンプルに入射する刺激光源を制御するようにプログラムまたは別様に構成される、コンピュータシステム５０１を示す。コンピュータシステムは、刺激光源による刺激のための１つまたはそれを上回る着目物体を備える、サンプルの領域を識別するように構成されることができる。コンピュータシステムは、例えば、強度、顕微鏡システムの視野内のサンプル上の入射光の場所、および／または刺激光源によるサンプルの照明の持続時間等、刺激光源の種々の側面を調整することができる。
【０１４０】
コンピュータシステムは、シングルコアもしくはマルチコアプロセッサまたは並列処理のための複数のプロセッサであることができる、中央処理ユニット（ＣＰＵ、また、本明細書では「プロセッサ」および「コンピュータプロセッサ」）５０５を含む。コンピュータシステムはまた、メモリまたはメモリ場所５１０（例えば、ランダムアクセスメモリ、読取専用メモリ、フラッシュメモリ）と、電子記憶ユニット５１５（例えば、ハードディスク）と、１つまたはそれを上回る他のシステムと通信するための通信インターフェース５２０（例えば、ネットワークアダプタ）と、キャッシュ、他のメモリ、データ記憶装置、および／または電子ディスプレイアダプタ等の周辺デバイス５２５とを含む。メモリ、記憶ユニット、インターフェース、および周辺デバイスは、マザーボード等の通信バス（実線）を通してＣＰＵ５０５と通信する。記憶ユニットは、データを記憶するためのデータ記憶ユニット（またはデータリポジトリ）であることができる。コンピュータシステム５０１は、通信インターフェース５２０を用いて、コンピュータネットワーク（「ネットワーク」）５３０に動作可能に結合されることができる。ネットワークは、インターネット、インターネット、および／またはエクストラネット、またはインターネットと通信する、イントラネットおよび／またはエクストラネットであることができる。ネットワークは、ある場合には、電気通信および／またはデータネットワークである。ネットワーク５３０は、クラウドコンピューティング等の分散型コンピューティングを可能にし得る、１つまたはそれを上回るコンピュータサーバを含むことができる。ネットワーク５３０は、ある場合には、コンピュータシステムを用いて、コンピュータシステムに結合されるデバイスがクライアントまたはサーバとして挙動することを可能にし得る、ピアツーピアネットワークを実装することができる。
【０１４１】
ＣＰＵ５０５は、プログラムまたはソフトウェア内に具現化され得る、機械可読命令のシーケンスを実行することができる。命令は、メモリ５１０等のメモリ場所に記憶されてもよい。ＣＰＵによって行われる動作の実施例は、フェッチ、デコード、実行、およびライトバックを含むことができる。
【０１４２】
ＣＰＵは、集積回路等の回路の一部であることができる。システムの１つまたはそれを上回る他の構成要素は、回路内に含まれることができる。ある場合には、回路は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）である。
【０１４３】
記憶ユニットは、ドライバ、ライブラリ、および保存されたプログラム等のファイルを記憶することができる。記憶ユニットは、ユーザデータ、例えば、ユーザ選好およびユーザプログラムを記憶することができる。コンピュータシステムは、ある場合には、イントラネットまたはインターネットを通してコンピュータシステムと通信する、遠隔サーバ上に位置するようなコンピュータシステムの外部の１つまたはそれを上回る付加的データ記憶ユニットを含むことができる。
【０１４４】
コンピュータシステムは、ネットワーク５３０を通して、１つまたはそれを上回る遠隔コンピュータシステムと通信することができる。例えば、コンピュータシステムは、ユーザ（例えば、オペレータ）の遠隔コンピュータシステムと通信することができる。遠隔コンピュータシステムの実施例は、パーソナルコンピュータ（例えば、ポータブルＰＣ）、スレートまたはタブレットＰＣ（例えば、Ａｐｐｌｅ（Ｒ）ｉＰａｄ（登録商標）、Ｓａｍｓｕｎｇ（Ｒ）Ｇａｌａｘｙ  Ｔａｂ）、電話、スマートフォン（例えば、Ａｐｐｌｅ（Ｒ）ｉＰｈｏｎｅ（登録商標）、Ａｎｄｒｏｉｄ対応デバイス、Ｂｌａｃｋｂｅｒｒｙ（Ｒ））、または携帯情報端末を含む。ユーザは、ネットワークを介して、コンピュータシステムにアクセスすることができる。
【０１４５】
本明細書に説明されるような方法は、例えば、メモリまたは電子記憶ユニット上等のコンピュータシステムの電子記憶場所上に記憶される機械（例えば、コンピュータプロセッサ）実行可能コードによって実装されることができる。機械実行可能または機械可読コードは、ソフトウェアの形態で提供されることができる。使用の間、コードは、プロセッサ５０５によって実行されることができる。ある場合には、コードは、記憶ユニットから読み出され、プロセッサによる容易なアクセスのためにメモリ上に記憶されることができる。いくつかの状況では、電子記憶ユニットは、排除されることができ、機械実行可能命令は、メモリ上に記憶される。
【０１４６】
コードは、コードを実行するように適合されるプロセッサを有する機械と併用するために事前にコンパイルおよび構成されることができる、またはランタイムの間にコンパイルされることができる。コードは、コードが事前コンパイルまたはコンパイル済方式で実行することを可能にするように選択され得る、プログラミング言語で供給されることができる。
【０１４７】
コンピュータシステム等の本明細書に提供されるシステムおよび方法の側面は、プログラミングにおいて具現化されることができる。本技術の種々の側面は、典型的には、あるタイプの機械可読媒体上で搬送される、またはそのように具現化される、機械（またはプロセッサ）実行可能コードおよび／または関連付けられたデータの形態における「製品」または「製造品」と見なされ得る。機械実行可能コードは、メモリ（例えば、読取専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、フラッシュメモリ）またはハードディスク等の電子記憶ユニット上に記憶されることができる。「記憶装置」タイプの媒体は、ソフトウェアプログラミングのために任意の時間に非一過性記憶を提供し得る、種々の半導体メモリ、テープドライブ、ディスクドライブ、および同等物等、コンピュータ、プロセッサもしくは同等物、またはその関連付けられたモジュールの有形メモリのいずれかまたは全てを含むことができる。ソフトウェアの全部または一部は、随時、インターネットまたは種々の他の電気通信ネットワークを通して通信されてもよい。そのような通信は、例えば、１つのコンピュータまたはプロセッサから別のものの中に、例えば、管理サーバまたはホストコンピュータからアプリケーションサーバのコンピュータプラットフォームの中にソフトウェアのロードを可能にしてもよい。したがって、ソフトウェア要素を担持し得る、別のタイプの媒体は、有線および光固定電話ネットワークを通して、ならびに種々の無線リンクを経由して、ローカルデバイス間の物理的インターフェースを横断して使用されるような光学、電気、および電磁波を含む。有線もしくは無線リンク、光学リンク、または同等物等のそのような波を搬送する、物理的要素もまた、ソフトウェアを担持する媒体と見なされ得る。本明細書で使用されるように、非一過性有形「記憶装置」媒体に制限されない限り、コンピュータまたは機械「可読媒体」等の用語は、命令を実行のためにプロセッサに提供する際に関わる任意の媒体を指す。
【０１４８】
故に、コンピュータ実行可能コード等の機械可読媒体は、限定ではないが、有形記憶媒体、搬送波媒体、または物理的透過媒体を含む、多くの形態をとってもよい。不揮発性記憶媒体は、例えば、図面に示されるようなデータベース等を実装するために使用され得るような任意のコンピュータまたは同等物内の記憶デバイスのいずれか等の光学もしくは磁気ディスクを含む。揮発性記憶媒体は、そのようなコンピュータプラットフォームのメインメモリ等の動的メモリを含む。有形透過媒体は、コンピュータシステム内にバスを備えるワイヤを含む、同軸ケーブル、銅ワイヤ、および光ファイバを含む。搬送波伝送媒体は、無線周波数（ＲＦ）および赤外線（ＩＲ）データ通信の間に生成されるもの等、電気または電磁信号もしくは音響または光波の形態をとってもよい。コンピュータ可読媒体の一般的形態は、したがって、例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、可撓性ディスク、ハードディスク、磁気テープ、任意の他の磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤまたはＤＶＤ−ＲＯＭ、任意の他の光学媒体、パンチカード紙テープ、孔のパターンを伴う任意の他の物理的記憶媒体、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＰＲＯＭおよびＥＰＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ−ＥＰＲＯＭ、任意の他のメモリチップまたはカートリッジ、データもしくは命令を伝達する搬送波、そのような搬送波を伝達するケーブルまたはリンク、もしくはコンピュータがプログラミングコードおよび／またはデータを読み取り得る、任意の他の媒体を含む。これらの形態のコンピュータ可読媒体の多くは、１つまたはそれを上回る命令の１つもしくはそれを上回るシーケンスを実行のためにプロセッサに搬送する際に関わり得る。
【０１４９】
コンピュータシステムは、例えば、顕微鏡システムによって捕捉された画像の表示を提供するためのユーザインターフェース（ＵＩ）を備える、電子ディスプレイを含む、またはそれと通信することができる。画像は、撮像光によって生成されることができる。画像は、顕微鏡システムの現在視野を備えることができる。画像は、刺激光源による刺激のための１つまたはそれを上回る着目物体を備えることができる。ＵＩのの実施例は、限定ではないが、グラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）およびウェブベースのユーザインターフェースを含む。
【実施例】
【０１５０】
自由に挙動するマウスにおける同時カルシウム撮像および光遺伝学操作
光遺伝学は、明確に異なる神経回路活動挙動を因果的に連結させるためのツールを提供することによって、システム神経科学を改革している。加えて、カルシウムインジケータおよび撮像技法における進歩は、種々の内部および外部刺激が明確に異なるニューロン集団の活動を駆動する方法の重要な発見につながっている。ここで、自由に挙動するマウスにおける同一視野内での同時および順次細胞分解能撮像および光学操作を可能にする、軽量統合式顕微鏡の２つの非限定的実施例を説明する（図８Ａ−Ｂは、異なる蛍光励起および光刺激波長を有する、コンパクト光遺伝学顕微鏡を図示する）。
【０１５１】
図９Ａ−Ｃは、コンパクト光遺伝学顕微鏡システムのための異なる撮像用途の非限定的実施例を図示する。これらの統合式顕微鏡は、シナプス後細胞を撮像しながら（図９Ａ）、細胞の同一集団を撮像および変調させるながら（図９Ｂ）、ならびに同一視野内の異なる集団を撮像および変調させながら（図９Ｃ）、シナプス前入力を変調させることを含む、同一視野内のいくつかの異なる撮像および光遺伝学用途を可能にする。
【０１５２】
図１０Ａ−Ｄは、興奮性オプシンとの生物学的クロストークのインビトロ特性評価に関するデータの実施例を示す。励起ＬＥＤ光源（ＥＸ−ＬＥＤ）が興奮性オプシンを活性化するかどうかを判定するために、マウスにＭＶＳ−Ｓｙｎ−ＣｈｒｉｍｓｏｎＲ−ｔｄＴｏｍ（図１０Ａ、左上）またはＭＶＳ−ＣａｍＫＩａ−ＣｈＲ２−ｅＹＦＰ（図１０Ｃ、左上）のいずれかを皮質の中に注入した。注射から４＋週間時点で、全細胞パッチクランプ電気生理学法を大脳皮質スライスに行った（図１０Ａおよび１０Ｃ、右上）。Ｖｉｓｔａ−ＯＰＴＯ４５５ＥＸ励起フィルタを用いてフィルタ処理された青色光が、細胞体におけるＣｈｒｉｍｓｏｎＲを有意に活性化した（図１０Ａ、左下および右下）が、終末部におけるＣｈｒｉｍｓｏｎＲでは有意な活性化を示さなかった（図１０Ｂ、より低い左およびより低い右）ことが見出された。ｎＶｉｓｔａ−ＯＰＴＯ５６０ＥＸ励起フィルタを用いてフィルタ処理された緑色光は、細胞体または終末部においてもＣｈＲ２を有意に活性化しなかった（図１０Ｃ、右下、および１０Ｄ、左下および右下）ことが見出された。
【０１５３】
図１１Ａ−Ｂは、抑制性オプシンとの生物学的クロストークのインビトロ特性評価に関するデータの実施例を示す。ＥＸ−ＬＥＤが抑制性オプシンを活性化したかどうかを判定するために、マウスに、ＭＶ５−ＣａｍＫＩＩａ−ＮｐＨＲ３．０−ｍＣｈｅｒｒｙ（図１１Ａ、左上）またはＭＶ５−ＣａｍＫＩＩ−Ｊａｗｓ−ＫＧＣ−ＧＦＰ−ＥＲ２（図１１Ｂ、左上）のいずれかを皮質の中に注入した。注射から４＋週間時点で、全細胞パッチクランプ電気生理学法を大脳皮質スライスに行った。ｎＶｉｓｔａ−ＯＰＴＯ４５５ＥＸ励起フィルタを用いてフィルタ処理された青色光は、ＮｐＨＲ３．０（図１１Ａ）およびＪａｗｓ（図１１Ｂ）のある程度の活性化をもたらしたことが見出された。しかしながら、撮像のために使用されるより低い照射では、本クロストークは、最小限であった。
【０１５４】
図１２Ａ−Ｂは、生物学的クロストークのインビボ特性評価に関するデータの実施例を示す。１）ＯＧ−ＬＥＤが、十分な電力を提供し、意図される挙動応答を生じさせたかどうと、２）ＥＸ−ＬＥＤが挙動を改変したかどうかとが判定された。ｎＶｉｓｔａ−ＯＰＴＯ４５５ＥＸに関して、マウスに、ＡＡＶＳ−ｓｙｎ−ＣｈｒｉｍｓｏｎＲ−ｔｄＴｏｍをＬＨｂの中に注入し、６ｍｍレンズが、ＲＭＴｇの上方に挿入された（図１２Ａ、上）。ｎＶｉｓｔａ−ＯＰＴＯ５６０ＥＸに関して、マウスに、ＡＡＶ５−ＣａｍＫＩＩａ−ＣｈＲ２−ｅＹＦＰを注入し、７ｍｍレンズが、ＢＮＳＴの上方に埋め込まれた（図１２Ｂ、上）。リアルタイム位置嗜好性アッセイでは、マウスは、ｎＶｉｓｔａ−ＯＰＴＯ４５５ＥＸからＥＸ−ＬＥＤへの暴露と対合されたチャンバに対して任意の選好または回避を示さなかった。マウスは、ｎＶｉｓｔａ−ＯＰＴＯ４５５ＥＸから６０ＨｚＯＧ−ＬＥＤへの暴露と対合されたチャンバの側面に対してリアルタイム場所嫌悪を示した（図１２Ａ、下）。摂食アッセイでは、マウスは、ｎＶｉｓｌａ−ＯＰＴＯ５６０ＥＸからＥＸ−ＬＥＤへの暴露の間、摂食に任意の変化を示さなかった。マウスは、ｎＶｉｓｔａ−ＯＰＴＯ５６０ＥＸから２０ＨｚＯＧ−ＬＥＤへの暴露の間、摂食増加を示した（図１２Ｂ、下）。
【０１５５】
図１３Ａ−Ｂは、機械的クロストークのインビボ特性評価に関するデータの実施例を示す。ＯＧ−ＬＥＤが脳組織、内視鏡、または顕微鏡内の自家蛍光を励起したかどうかを判定するために、ネイティブマウス（オプシンまたはインジケータを発現していない）に、４ｍｍレンズが海馬または背側線条体の上方に埋め込まれた。撮像セッションは、３０秒にわたるＯＧ−ＬＥＤオフ、３０秒にわたるＯＧ−ＬＥＤオンから成り、３回繰り返された。ＥＸ−ＬＥＤは、その間ずっとオフであった。ｎＶｉｓｔａ−ＯＰＴＯ４５５  ＥＸＯＧ−ＬＥＤは、ＯＧ−ＬＥＤオンとＯＧ−ＬＥＤオフとの間の蛍光カウントの有意な変化が認められないことによって証明されるように、脳組織、内視鏡、または顕微鏡内の任意の自家蛍光を活性化しなかった（図１３Ａ）。ｎＶｉｓｔａ−ＯＰＴＯ５６０ＥＸ  ＯＧ−ＬＥＤは、ＯＧ−ＬＥＤオンとＯＧ−ＬＥＤオフとの間の蛍光の有意に多くのカウントによって証明されるように、顕微鏡、内視鏡、および脳組織内の自家蛍光を有意に活性化した（図１３Ｂ）。
【０１５６】
図１４は、開示されるコンパクト光遺伝学顕微鏡システムと併用するための好適なオプシン／インジケータの組み合わせの非限定的実施例を示す。ＣｈＲ２は、最小限のインビトロおよびインビボクロストークを示す。ＲＧＥＣＯおよびＲＣａＭＰは、現時点で、インビボで有効であると証明される。細胞体赤方偏移オプシン操作を用いた同時ＧＣａＭＰ撮像は、それらが青色光によって細胞体励起されないように、赤方偏移オプシンのさらなるエンジニアリングを要求するであろう。
【０１５７】
図１５は、開示されるコンパクト光遺伝学顕微鏡システムを使用する光遺伝学研究の設定および実施において行われるステップの１つの非限定的実施例を図示する。マウスに、ＡＡＶＳ−Ｓｙｎ−ＣｈｒｉｍｓｏｎＲ−ｔｄＴｏｍをＢＬＡの中に注入した。４週間後、マウスに、ＡＡＶ１−ＣａｍＫＩＩａ−ＧＣａＭＰ６ｆをＮＡｃの中に注入した。同一外科手術において、マウスに、７ｍｍ中継レンズをＮＡｃの上方に埋め込んだ。３週間後、マウスに、ｎＶｉｓｔａ−ＯＰＴＯ顕微鏡の取付を可能にするベースプレートを埋め込んだ。マウスは、２０分にわたって、開放チャンバへのアクセスが与えられた。マウスがチャンバの１ｈｅ刺激対合側へと横切った場合、Ｓｓあたり１秒の２０ＨｚＯＧ−ＬＥＤを受けた。マウスが無刺激対側を横切った場合、ＯＧ−ＬＥＤ刺激は受けなかった。ＥＸ−ＬＥＤを介した撮像は、全２０分の間、生じた。予期されるように、マウスは、チャンバの刺激対合側においてより多くの時間を費やすことが見出され、ＢＬＡ−Ｉｏ−ＮＡｃ回路が報酬を受けていることが実証された。加えて、ＯＧ−ＬＥＤの送達と一致する、カルシウム活性における増加も観察された。
【０１５８】
我々は、自由に挙動する動物における同一視野内で撮像および光遺伝学操作を可能にする、２つの新しいコンパクト光遺伝学顕微鏡システムを開発した。我々は、各顕微鏡を用いて実行可能なオプシン／インジケータの組み合わせを判定するためのインビトロおよびインビボ生物学的実行可能研究を行った。最後に、我々は、自由に挙動するマウスにおける同時光遺伝学操作およびカルシウム撮像を実証した。統合型軽量顕微鏡における光遺伝学およびカルシウム撮像の組み合わせは、研究者が、神経回路動態と挙動との間の因果的関連の確立を開始することを可能にし得る。
【０１５９】
本発明の好ましい実施形態が、本明細書で示され、説明されているが、そのような実施形態は、一例のみとして提供されることが当業者に明白となるであろう。本発明が本明細書内で提供される具体的実施例によって限定されることは、意図されない。本発明は、前述の明細書を参照して説明されているが、本明細書の実施形態の説明および例証は、限定的な意味で解釈されるように意図されていない。多数の変形例、変更、および置換が、本発明から逸脱することなく、当業者に想起されるであろう。さらに、本発明の全ての側面は、種々の条件および変数に依存する、本明細書に記載される具体的描写、構成、または相対的割合に限定されないことを理解されたい。本明細書で説明される本発明の実施形態の種々の代替案が、本発明を実践する際に採用されてもよいことを理解されたい。したがって、本発明はまた、任意のそのような代替案、修正、変形例、または均等物も網羅するものとすると考慮される。以下の請求項は、本発明の範囲を定義し、それにより、これらの請求項およびそれらの均等物の範囲内の方法ならびに構造が対象となることが意図される。
【図１】
2018533768.tif 000003
【図２Ａ】
2018533768.tif 000004
【図２Ｂ】
2018533768.tif 000005
【図３】
2018533768.tif 000006
【図４】
2018533768.tif 000007
【図５】
2018533768.tif 000008
【図６】
2018533768.tif 000009
【図７】
2018533768.tif 000010
【図８】
2018533768.tif 000011
【図９】
2018533768.tif 000012
【図１０Ａ】
2018533768.tif 000013
【図１０Ｂ】
2018533768.tif 000014
【図１０Ｃ】
2018533768.tif 000015
【図１０Ｄ】
2018533768.tif 000016
【図１１Ａ】
2018533768.tif 000017
【図１１Ｂ】
2018533768.tif 000018
【図１２】
2018533768.tif 000019
【図１３】
2018533768.tif 000020
【図１４】
2018533768.tif 000021
【図１５】
2018533768.tif 000022
【国際調査報告】
2018533768.tif 000023
2018533768.tif 000024