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光学超细纤维助力大脑动力学的深入研究

发布:optics1    |    2019-02-28 16:44    阅读:370
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在神经医学界,科研工作者可以利用光纤来检测荧光蛋白的存在以监测神经活动。近期,美国研究人?#26412;?#23637;示了他们的研究发现:他?#21069;?#25968;百或数千个光学超细纤维束穿透大脑后,再把它们分离、扩散,它们就可以占据到脑组织一个3D上的体积。此外他们还发现,当采样密度足够高时,源分离技术可用于隔离出单个神经元的行为。这项工作将通过揭示神经回路如何与动物行为相关联来进一步推动系统神经科学领域的发展。

光学接口作为一种监测和影响大脑活动相对较新的方法,它可以被用在转基因动物身上,在安装前,研究人员在这些动物出生前或就在出生后通过植入大脑的一种工程病毒为它们的神经元进行修饰,以表达一种特定的蛋?#23383;省?/p>

图1 观察光学超细纤维尖端遍布脑组织的放大图像。致谢提供?#35745;?#30340;研究人员L Nathan Perkins

研究人员Nathan Perkins与其来自波士顿大学和加州大学圣地亚哥?#20013;#║CSD)的同事发现,他们研究所使用的蛋?#23383;?#22312;与?#24179;?#21512;时会改变形状,并且在这种状态下,这些荧光蛋白在蓝光的激发下会发出绿色荧光。钙离子动力学是脑细胞中一种动作电位的基础机制,因此观察这些离子如何积聚和消散可以了解到大脑的相关神经活动。

由于脑组织具有散射特性,研究人员很难精确地实现深度大于1mm的目标神经元直接照射,于是激发光和所得荧光信号通常是通过植入光纤传输和收集的。

该研究小组先前发现,几千束光学超细纤维(每束只有8μm宽,或大?#23478;?#20010;神经元细胞体大小)可以被引入4mm的深度,在这个深度线以下不会?#29616;?#25439;害大脑或激发免疫反应。当大脑组织抵触超细纤维的穿透时,微小的机械力会导致它们的轨迹发散,将单个纤维的尖端分散到大约1.5平方毫米的区域。

研究人员Perkins表示:“这个分散的方法不需要任何修正程序就可以方便地把纤维穿透深度扩展到5mm,但是纤维的柔韧性会面临新的挑战。按照人类大脑的标?#36857;?#31359;透5mm根本无法让我们深入探测以进行研究,但?#26434;?#32769;鼠和鸣禽来说,这个穿透深度足以让我们能够接触深入到它们大脑的大部分区域。”

模拟信号

利用设备设置的随机模拟,Perkins及其同事模拟了分别在不同神经元密?#32676;?#36229;细纤维数量下所获得的荧光信号,发现后者对设备可以同时检测到多少神经元的影响最大。随后他们又在这个范围的?#27426;?#19979;限数?#30340;冢?#27169;拟一个由超细纤维(少于200个)组成的束,其中的兴奋区域之间几乎没有重叠,每个尖端都可以检测到两个或三个神经元组成的单独群体活动。

随着超细纤维数目?#33041;?#21152;,激发光在整个模型体积中的传递更加均匀,导致越来越多的神经元在高于检测阈值的水平上发出荧光。在超细纤维密度足够大的情况下(也就是在光照强度足够大的情况下),每个针尖的视场会扩大到能够包含极多的荧光神经元,以至于任何单个细胞都可能被不止一个超细纤维记录下来。

研究人员表示,在这?#26234;?#20917;下,由单个超细纤维接收到的荧光信号可以相互关联,这使得源分离技术可?#26434;?#26469;分离单个神经元的活动。该方法在信号稀疏的情况下应用最高效(因此,给定神经元的信号不会被背景活动淹没),并且尤其适用于荧光指示剂在信号达到峰值后迅速衰减的情况。

到目前为止,这种程度的细节?#27493;?#20165;适用于可以直接成像的大脑表面区域。在超细纤维穿透的更深处,研究人员观察到单个神经元处于孤立状态,还在区域尺度上观察?#28966;?#27867;的活动模式,但是一组神经元的长期行为记录很难获得,而了解这一层次的动力学?#26434;?#23398;习大脑如何编码信息至关重要。

大脑中的音乐

从Perkins早期的研究开?#36857;?#21487;?#26434;?#36825;种方法研究的某个现象就吸引了他:“斑胸草雀是了不起的鸟,每只雄?#38405;?#37117;会学习一首独特的鸣声,这是它们从导师(通常是它们的父亲)得到的启发,然后他们可以在余生中以惊人的精度每天数百甚至数千次演唱这首歌。”

Perkins表示:“这个谜团是神经元能够产生这?#24535;?#30830;、稳定的行为,?#35789;?#23427;们像生物学行为一样都是嘈杂和不一致的”。

以前一般会使用光子器件记录大脑表面进行的活动,并手术植入深度电极,这些实验表明,?#35789;?#21442;与神经元的数量不同,鸟类声音表现背后的活动模式?#21592;?#25345;稳定。虽然深电极的形状与最近研究中所使用到的分散的光学超细纤维相似,但它跟踪单个神经元活动的时间不能超过一天。

Perkins表示:“电生理接口和光学接口提供了非常明显的?#21592;?#26435;衡,电生理接口具有更好的时间分辨率,它也不需要荧光蛋白,但电极很少能长时间从特定细胞中记录到其行为活动;光学接口则能完成更长时间的记录,允许特定神经元在数天内被跟踪,并且具备针对特定神经亚群的跟踪能力。”

采用光学方法的另一个优点是,它既能控制神经活动,又能监测神经活动。这是通过神经元工程来实现的,并?#31227;?#27492;它们就能表达形成光门控离子通道(光门控离子通道是细胞膜?#31995;?#33410;离子运输的结构的对光敏?#26800;脑?#29289;变体)所必需的蛋?#23383;省?/p>

由于这些离子通道和荧光指示蛋白会对不同频?#23454;?#20809;作出响应,这两个过程可以同时发生。Perkins表示:“通过记录神经元在一个环境中的活动,并在另一个环境中重新激活相同的神经元,我们就有可能进一步了解它们在控制行为方面的作用。”

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