0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

全光纤传输光度测量系统独特的功能

sade2020616 来源:光电读书 作者:光电读书 2022-10-25 14:44 次阅读

与传统的大脑成像技术相比,光纤光度法越来越受欢迎,它可以更好地掌握大脑的内部运作。随着方法的不断改进,这是一个新技术的开始。

250849d4-5417-11ed-a3b6-dac502259ad0.jpg

图 1. 多通道光纤光度测量系统(photometry system)的构建。488nm 激光器的光束通过物镜同时耦合到一系列多模光纤中。然后发射的荧光由同一组光纤收集并由 sCMOS 相机 (a) 检测。双通道模式 (b) 和四通道模式 (c) 的 sCMOS 相机上的光纤端面。

对大脑复杂性的全面、完整的理解仍然难以捉摸。揭开它的奥秘是了解神经系统疾病的关键——从阿尔茨海默氏症(Alzheimer’s)和痴呆症(dementia)到癫痫(epilepsy)和多发性硬化症(multiple sclerosis)——以及更有效地治疗甚至治愈它们的能力。

长期依赖的非侵入性成像技术(non-invasive imagingtechniques),如 MRI 和 CT 扫描提供了对大脑内部的观察条件,但使用光纤的方法显示出更为良好的效果,尤其是光纤光度法(fiber photometry)。

光纤光度法是一种用于研究神经回路的光学成像技术,最初由慕尼黑路德维希马克西米利安大学(Ludwig Maximilian Universityof Munich)的一个团队于 2005 年开发,用于记录新生小鼠静息时的皮质(大脑外层the outer layer of the cerebrum)钙离子波(Ca2+) 。它涉及将光纤植入大脑,以观察和记录大脑不同区域内特定类型细胞的神经元群体水平(population-level)的 Ca2+ 活动。在大脑中,钙活动是控制突触运动和记忆形成等活动的核心。

与基因编码(genetically encoded)的钙指示剂(calcium indicators)结合使用,纤维光度法可以实时监测神经活动。

“纤维光度法提供了一种独特的功能,可以轻松稳定地记录自由活动动物中具有细胞类型特异性的种群活动,” 华中科技大学的Ruonan Fan 博士说。她在华中武汉光电子国家实验室助理主任、布里顿机会生物医学光子学中心首席研究员傅玲领导的实验室工作。

不断增长的优势

虽然低时间和空间分辨率是一个显着的挑战,但光度法仍然是优于其他钙成像技术(如单光子或双光子显微镜)的首选方法。光纤更容易植入,重量也更轻,允许受试者自由移动和执行自然行为,这也是该技术的关键。光纤光度法也更能抵抗电磁干扰,更有效地收集数据,并且迄今为止已被证明对于长期神经监测更稳定。

“它已成为神经科学中一种广泛使用的光学方法,”范博士提到,并引用了 Fu 教授团队在 2015 年开发的可扩展多通道光纤光度测量系统,该系统可以同时监测动物甚至不同动物的多个大脑区域的神经活动。

Fu 实验室领导的另一项研究涉及在 2019 年开发特定于轴突末端的多通道光纤光度计。研究小组在研究中解释说,轴突主要通过其末端的突触将信息从一个神经元传输到另一个神经元,并且“从自由移动动物的轴突末端记录是了解动物行为过程中信息处理的重要步骤。”

现在,由 Fu 团队领导的正在进行的研究(今年 5 月首次发表)在传统技术的基础上提供了更多优势。

“我们开发了一种兼容且灵活的全光纤传输光度测量系统,”范说。“我们可以同时实现光遗传学操作和神经元活动的多色记录以及自由移动(neuronal activities)动物的神经递质释放(neurotransmitter release)。”

该团队一直在研究在动物行为期间以细胞类型特异性和精确的时空分辨率来操纵和实时监测神经元活动。“这些是探索体内神经回路的功能连接、信息传递和生理功能的基础技术,”范说。

新的全光纤传输光度测量系统基于多分支光纤束(图 1)。它允许在自由移动的动物中同时进行光遗传学操作和多色记录神经元 Ca2+(或神经递质信号)。

“这是对当前光纤光度测量系统的有效补充,”范说。

新系统实现了对可见光谱(visible spectrum)的全覆盖,用于多色激发和光遗传学(optogenetic)操作,以及激发和发射光的全光纤传输。范说,这是通过结合非波长选择性四分支纤维束专门完成的,该纤维束可以实现多色记录(multicolor recording),同时还支持精确的光遗传学刺激(图 2)。该束与光电倍增管 (PMT) 相结合,以取代传统的成像结构。还使用了定制设计的锁定放大器,以准确分离 PMT 检测到的具有不同波长的两个荧光信号,并有效抑制光遗传学刺激引起的伪影(artifacts)和通道串扰(channel crosstalk)。

25468a3c-5417-11ed-a3b6-dac502259ad0.jpg

图 2. 定制设计的四分支光纤束和多功能光纤光度测量系统。四分支纤维束(a)包括单纤维分支(i~iii)、集合分支(iv)和公共分支(v)。四分支光纤束 (b) 普通分支 (v) 示意图。公共分支 v (500 μm) 总共由 85 根六边形分布式光纤 (Φ50 μm/0.54 NA) 组成。束中心的三个较亮的光纤对应于三个单光纤分支 (i~iii),用于耦合到三个不同的激发光。四分支光纤束构建的多功能光纤测光系统示意图。将三个不同波长的光源耦合到多模光纤中,并通过三个单纤分支 i~iii (c) 连接到鼠标。多功能光纤测光系统的锁定放大器示意图(d)。这两种激发光由具有不同频率(450 nm,211 Hz;561 nm,531 Hz)的正弦信号调制。

“我们进行了一系列实验,表明该系统具有出色的透光性能。它能够有效地激发和收集荧光信号,收集效率比传统系统提高 20% 到 30%。”范说。

研究小组没有发现实质性的通道串扰,并成功记录了伏隔核 (NAc) 中的神经元 Ca2+ 和神经递质动态信号——一种主要由中等多刺神经元组成的结构,其特点是多巴胺受体(dopamine receptors)的相对表达——同时在自由移动的小鼠身上对同一部位的多巴胺能末端进行精确的光遗传学操作。研究人员还能够在记录时将刺激伪影(由于它们是非生理性的而导致噪声干扰的短时间、高振幅的神经尖峰)抑制到基础噪声水平(basal noise level)(图 3)。

25785864-5417-11ed-a3b6-dac502259ad0.jpg

图 3. 自由移动小鼠 NAcLat(伏隔核外侧壳)中神经元活动的同时双色记录和光遗传学操作。 (a) 神经元活动手术同步双色记录和光遗传学操作示意图。 (b) 组织学证实 NAcLat 中 GFP (绿色) 标记的神经元和 ChrimsonR (红色) 标记的多巴胺能神经元末端表达。脑切片在前囟前 1.1 毫米处。 (c) 在该系统中同时进行光遗传学操作和实时双色记录时不存在刺激伪影。红色条表示刺激时间。 (d) 在自由移动的小鼠的 NAcLat 中同时记录的 DA 和神经元 Ca2+ 痕迹的示例。 (e) 响应阶段性光遗传学刺激的平均 DA 信号和神经元 Ca2+ 信号瞬变(10 次试验)。红色条表示刺激时间。橙色段表示从基线统计显着增加。 (f) 响应强直光遗传学的平均 DA 信号和神经元 Ca2+ 信号瞬变。红色条表示刺激时间。

“随着它的进步,纤维光度法在神经科学家中越来越受欢迎,作为记录基因定义的神经元群体的便捷工具,”范说。“而后续的改进主要集中在不同的应用需求上。”

早期用于光遗传学操纵或记录神经元活动的光纤测光技术和系统通常是分开的并独立工作,它们只能在单个波长下进行操纵和单通道记录。另一个挑战是,由于光敏蛋白(spectrum of photosensitiveproteins)的激发光谱与基因编码的钙指示剂的发射光谱之间的重叠,在多色记录和操作过程中会出现刺激伪影(stimulation artifacts)。

“为了同时实现光遗传学操作和双色记录,需要涉及更多具有光谱间距的波长范围荧光蛋白,”范说。“因此,光学系统需要完全覆盖可见光谱。”

但范补充说,这是目前可用的光纤光度测量系统的一个问题,因为它们使用经典的落射荧光成像架构(classical epifluorescenceimaging architecture)仅覆盖 405 到 600 nm 左右的光谱,该架构由一个物镜和两个或三个二向色镜组成。 “在这种情况下,”她说,“需要更多的分色镜将多波长光束耦合到一根光纤中,这使得系统扩展光谱更加复杂。”

新的全光纤传输光度测量系统可用于“进一步观察不同类型神经元的活动,同时进行光遗传学操作和多色记录,以监测光遗传学干预神经回路引起的反馈效应,”范说。 “这现在被认为是神经回路和神经系统疾病因果研究的‘梦想方法’。”

审核编辑:彭静
声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 放大器
    +关注

    关注

    143

    文章

    13583

    浏览量

    213368
  • 测量系统
    +关注

    关注

    2

    文章

    537

    浏览量

    41386
  • 光纤传输
    +关注

    关注

    0

    文章

    161

    浏览量

    20238

原文标题:纤维光度学的进步揭开大脑的神秘面纱

文章出处:【微信号:光电读书,微信公众号:光电读书】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    光纤传感器位移测量实验

    光纤传感器位移测量实验光纤传感器一种用来检测光在光纤中传播时,因光纤所在环境(物理量或化学量等)的变化带来光
    发表于 06-04 11:09

    光纤音频信号传输实验

    本帖最后由 luna 于 2011-3-3 14:43 编辑 光纤传输系统,一般由三部分组成:光信号发送端;用于传送光信号的光纤;光信号接收端。光信号发送端的
    发表于 03-03 00:11

    基于光纤传输的延时系统设计

    的延时和功率控制功能,基于光纤传输的延时系统包括输入衰减器、延时光路、输出衰减器和控制模块,系统框图如图1所示。[/url]2.1功率控制模
    发表于 10-08 10:52

    光纤专题:全面介绍光纤光纤接口

    介绍。 什么是光纤光纤是光导纤维的简写,是一种由玻璃或塑料制成的纤维,可作为光传导工具。微细的光纤封装在塑料护套中,使得它能够弯曲而不至于断裂。 [在这里要注意]光纤和光缆是有区别
    发表于 03-12 15:32

    简论光纤传感器在测量技术中的应用

    ,感温探头内测量光栅对该宽带光有选择性地反射附一窄带光,经同一传输光缆传送到调制解调器,通过接收系统进行解调,测定窄带光的中心波长,从而测定现场温度。  5 结语  因为光纤传感器与
    发表于 11-13 16:15

    采用光纤传感的安防监控系统设计

    (一)工作原理光纤不仅可以用于信号传输,还可以作为安全防范应用中的传感器。当光纤传感器受到外界干扰影响时,光纤传输光的部分特性就会改变,通
    发表于 06-21 07:40

    光纤光栅传感系统的传感原理是什么?测量技术怎么区分?

    征自相干能力强和在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量独特优势。故光纤光栅传感器已成为当前传感器的研究热点。由光源、光纤
    发表于 11-07 07:26

    工业传输控制网朝向光纤发展的趋势

    本文探讨工业传输控制网朝向光纤发展的趋势。阐述采用光纤工业传输控制网的技术难点、性能优势、解
    发表于 02-22 07:23

    数字信号传输光模块首次应用在航天工程上

    在本次天舟一号任务中,中国电子科技集团公司自主研发了数字信号传输光模块、多组光缆及光纤连接器等,这是数字信号传输光模块首次在航天工程上应用。
    发表于 08-19 17:38 1122次阅读

    基本辐射测量光度测量

    基本辐射测量光度测量
    发表于 11-15 19:24 1次下载
    基本辐射<b class='flag-5'>测量</b>和<b class='flag-5'>光度</b><b class='flag-5'>测量</b>

    光纤传输基础常识

    光纤是由通过内部全反射来传输光信号的玻璃构成的。玻璃光纤的标准直径为125微米(0.125毫米),表面覆盖有直径250微米或900微米的树脂保护涂敷层。玻璃光纤的传送光的中心部分称为“
    的头像 发表于 08-30 10:23 738次阅读

    光纤传输基础常识

    光纤是由通过内部全反射来传输光信号的玻璃构成的。玻璃光纤的标准直径为125微米(0.125毫米),表面覆盖有直径250微米或900微米的树脂保护涂敷层。玻璃光纤的传送光的中心部分称为“
    的头像 发表于 09-05 10:02 561次阅读

    光纤是如何传输光的?光纤为什么没有光?

    光纤是如何传输光的?光纤为什么没有光?  光纤是一种用来传输信息的光学纤维,其优越的传输性能使得
    的头像 发表于 09-07 14:46 2438次阅读

    光纤通信传输设备有哪些?传输光纤经过哪些设备?

    光纤通信传输设备有哪些?传输光纤经过哪些设备? 光纤通信传输设备 光纤通信是利用
    的头像 发表于 09-07 14:56 6036次阅读

    高功率单模光纤跳线独特的特点有哪些

    高功率单模光纤跳线是一种特殊类型的光纤连接器材,具有一系列独特的性能和特点。 首先,高功率单模光纤跳线能够实现更低的衰减,使信号能够传播得更快更远。这得益于其
    的头像 发表于 06-11 17:52 465次阅读