Лазерное исследование активности мозга
Исследователи из Университета Цинхуа и Университета науки и технологии Хуажонг разработали систему фотометрии с передачей данных по волокнам, которая позволяет одновременно проводить оптогенетические манипуляции и многоцветную запись активности нейронов и высвобождения нейротрансмиттеров.
Чтобы более эффективно изучать нейронные схемы и неврологические заболевания, ученым нужна возможность одновременно отслеживать и манипулировать активностью нейронов. Большинство оптогенетических методов, используемых для управления активностью нейронов, работают независимо от методов, используемых для мониторинга и регистрации активности мозга.
Многоканальный пучок волокон, не зависящий от длины волны, предназначен для передачи по всем волокнам как возбуждающего света для оптогенетической стимуляции, так и испускаемого света. Используя небольшой многоветвевой пучок волокон вместо дихроичных зеркал и объектива, исследователи реализовали в одном пучке волокон три источника возбуждения и два источника излучения. Такой подход упростил систему и сделал ее более надежной и гибкой для использования в экспериментах на свободно движущихся животных.
Спектральный коэффициент пропускания многоканального пучка составляет около 60% на метр в диапазоне от 400 до 900 нм. Чтобы уменьшить потери оптической передачи, исследователи ограничили длину пучка примерно 350 мм, что позволяет передавать около 84% света.
Артефакты оптогенетической стимуляции могут быть обычным явлением во время записи, поскольку трудно полностью отфильтровать свет оптогенетической стимуляции. Чтобы подавить артефакты, вызванные оптогенетической стимуляцией, и перекрестные помехи каналов, исследователи использовали лазер с узкой шириной линии 660 нм для активации управляемого красным светом канала родопсина — световых ионных каналов — и подавляли артефакты, вызванные стимуляцией, с помощью блокировки.
Этот подход также позволил исследователям разделить сигналы флуоресценции двухцветных каналов. Кроме того, исследователи использовали систему для извлечения сигналов флуоресценции двух разных цветов — на основе зеленого флуоресцентного белка и на основе красного флуоресцентного белка — при этом она подавляла потенциальные артефакты, вызванные оптогенетической манипуляцией.
Чтобы охарактеризовать потерю флуоресцентного сигнала в системе фотометрии волокон, исследователи проверили эффективность сбора с использованием ряда растворов флуоресцеина натрия и сравнили результаты с результатами, полученными с использованием традиционной эпифлуоресцентной системы. Результаты показали, что система фотометрии с полностью оптоволоконным пропусканием эффективно возбуждала и собирала флуоресцентные сигналы, а эффективность сбора системы превосходила традиционную эпифлуоресцентную систему.
В дополнительных тестах исследователи зафиксировали динамические реакции дофамина на неожиданное вознаграждение в прилежащем ядре свободно движущейся мыши. Команда также продемонстрировала одновременную двухцветную запись нейронных сигналов кальция и динамику дофамина в прилежащем ядре при доставке неожиданного вознаграждения и одновременную оптогенетическую активацию дофаминергических окончаний в том же месте.
Исследователи заявили, что систему фотометрии волокон можно легко модифицировать для других флуоресцентных зондов и датчиков на основе опсина, изменив источники света и положение фильтров. Он также может быть преобразован в систему с замкнутым контуром, которая может управлять оптогенетическими манипуляциями, основанными на мониторинге в реальном времени.