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Articles by Brendon Watson in JoVE
JoVE Neuroscience
A gran escala de grabación de las neuronas por medio de sondas de silicio móviles en comportarse roedores
1Center for Molecular and Behavioral Neuroscience, University of New Jersey, 2Center for Interdisciplinary Research in Biology, Collège de France, 3Janelia Farm Research Campus, Howards Hughes Medical Institute, 4Deptartment of Psychology, University of Wisconsin at Milwaukee
Se describen métodos para la gran escala de grabación de múltiples unidades individuales y potencial del campo local en comportando los roedores con sondas de silicio. Unidad de fabricación, el apego de la sonda a la unidad y los procesos de implantación de la sonda se ilustran con suficiente detalle para facilitar la réplica.
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Estructura De Alivio De Movimiento Con Una Representación Distribuida De La Velocidad Y La Disparidad De Computación
Experimentos psicofísicos recientes sugieren que los seres humanos pueden recuperar sólo la estructura de alivio de movimiento (SFM); es decir, sólo puede determinarse la forma 3D del objeto hasta una transformación que estira a lo largo de la línea de visión. Aquí proponemos un modelo fisiológico plausible para el cómputo de alivio SFM, que también es aplicable al problema relacionado del paralaje de movimiento. Asumimos que la percepción de la profundidad del movimiento está relacionado con el disparo de un subconjunto de neuronas MT con velocidad y la disparidad. Las neuronas de modelo MT están conectadas entre sí lateralmente a interacciones modulador de la forma. La conectividad global es tal que cuando un patrón de velocidad cero-disparidad se alimenta en el sistema, las neuronas más sensibles no son los atentos a cero disparidad, pero en cambio tienen los recomendado: disparidades consistentes con la estructura de la relevación de la pauta de la velocidad. El modelo calcula la estructura correcta alivio bajo una amplia gama de parámetros y también puede reproducir las ilusiones SFM con cilindros coaxiales. Es compatible con la observación psicofísica que sujetos con discapacidad estéreo también son deficientes en percibir la paralaje de movimiento y con los datos fisiológicos que las respuestas de las células de dirección y disparidad-afinado MT covary con la orden superficial percepción de estímulos SFM biestable.
Dinámica Interna Determina La Respuesta Cortical Al Estímulo Talámico
Aunque la actividad espontánea ocurre a lo largo de la neocorteza, su relación con la actividad producida por insumos externos o sensoriales sigue siendo confuso. Para solucionar esto, utilizamos la proyección de imagen de calcio de rebanadas de talamocorticales del ratón para reconstruir, con resolución de unicelular, la dinámica espacio-temporal de la actividad de capa 4 en la presencia o ausencia de estímulo talámico. Encontramos coactivations neuronales espontáneas correspondieron a intracelular a los Estados. Estimulación talámica de frecuencia suficiente (> 10 Hz) disparada actividad cortical y hasta Estados, indistinguibles de aquellos que surgen espontáneamente. Por otra parte, las neuronas se activaron en idénticos y precisos patrones espacio-temporales en eventos thalamically disparados y espontáneos. Las similitudes entre activación cortical indican que conectividad intracortical desempeña el papel dominante en la respuesta cortical a entradas talámicos. Nuestros datos demuestran que los patrones de actividad spatiotemporal precisa pueden ser desencadenados por entradas talámicos e indican que el tálamo sirve para liberar la dinámica cortical intrínseca.
Una Rebanada De Visual Talamocorticales
Describimos una talamocorticales rebanada preparación en la que se conserva la conectividad entre el núcleo geniculado lateral de ratón (LGN) y la corteza visual primaria (V1). A través de inyecciones de DiI en cerebros fijos nos trazó y creó un modelo tridimensional del ratón vías visuales. De este modelo de ordenador diseñamos una rebanada de preparación que contiene una proyección de LGN v1. Preparamos rebanadas de cerebro con estas coordenadas predichas y demostró la conectividad anatómica de LGN-V1 en estos sectores después de inyecciones de trazador LGN. También revelamos conectividad funcional de LGN-V1 estimulando eléctricamente LGN y detectando las respuestas en la capa 4 de V1 con proyección de imagen de calcio, posibles grabaciones de campo y grabaciones de celulares. También identificamos las neuronas de la capa-4 que reciban la señal directa talamocorticales. Finalmente, en comparación con la actividad cortical después del estímulo de LGN con actividad cortical espontánea y encontró una superposición significativa de la dinámica espacio-temporal generada por ambos tipos de eventos.
Propagación Modular De La Actividad Epileptiforme: Evidencia Para Un Veto Inhibitorio En El Neocórtex
¿Qué regula la difusión de la actividad a través de circuitos corticales? Aquí presentamos datos que indican un papel fundamental para una inhibición vetoing módulos de neuronas piramidales de la restricción. Combinamos la proyección de imagen de calcio rápido de la actividad de la red con grabaciones de celulares para examinar la propagación de descargas epileptiformes en rebanadas neocortical de ratón. Actividad epileptiforme fue inducida por lavado Mg2 + los iones de la rebanada. Las células piramidales recibirán andanadas de inhibitorias entradas antes de la ola epileptiformes. Los diques inhibitorios son efectivamente anuladas a dosis bajas de picrotoxin (2.5-5 microM). Cuando se presenta, sin embargo, estas presas inhibitorios ocluyan un intenso disco sináptico excitatorio que normalmente superaría el umbral del potencial de acción por aproximadamente un factor de 10. A pesar de este nivel de excitación, las presas inhibitorios suprimen leña, de tal modo limitante más neuronal reclutamiento al evento ictal. Neuronas piramidales son reclutadas al evento epileptiformes una vez que la moderación inhibitorio falla y son reclutan en poblaciones agrupadas espacialmente (150-250 microm diámetro). El reclutamiento de las células dentro de un módulo determinado es prácticamente simultáneo, y por lo tanto eventos epileptiformes progresan en intermitente (0.5-1 Hz) pasos en toda la red cortical. Proponemos que las interneuronas que abastecen la inhibición vetoing definan estos territorios circuito modular.
A Los Estados Proteger Continua Actividad Cortical De Entradas Talámicos
Neuronas corticales in vitro e in vivo espontáneamente fluctúan entre dos potenciales de membrana estable: un estado despolarizado para arriba y un estado de hyperpolarized abajo. Estados temporal corresponden con secuencias de disparo multineuronal que pueden ser importantes para el procesamiento de la información. Examinar cómo entradas talámicos interactúan con curso cortical actividad del estado, se utilizó la proyección de imagen de calcio y dirigido grabaciones de celulares de las neuronas activadas en talamocorticales trozos de corteza somatosensorial del ratón. Mientras que estímulo talámico durante abajo Estados genera multineuronal, sincronizado por Estados, estimulación idéntica durante Estados tenía un efecto sobre la dinámica de la membrana subliminal de la mayoría de las células o en curso patrones temporales multineuronal. PSP talamocorticales y corticocortical se redujeron significativamente tanto resistencia de entrada neuronal disminuyó significativamente durante el cortical Estados--mecánico consistentes con la insensibilidad del estado. Nuestros resultados demuestran que la dinámica cortical durante Estados es insensible a entradas talámicos.
Microscopía SLM: Scanless Proyección De Imagen De Dos Fotones Y Fotoestimulación Con Moduladores De Luz Espaciales
Microscopía láser tiene generalmente pobre resolución temporal, causada por la exploración serial de cada píxel. Se trata de un problema importante para la proyección de imagen u ópticamente manipular circuitos neuronales, ya que la actividad neuronal es rápida. Para ayudar a superar esta limitación, hemos desarrollado un microscopio "scanless" que no contienen piezas móviles mecánicamente. Este microscopio utiliza un modulador luz espacial difractivo (SLM) forma un láser de dos fotones entrante haz en cualquier patrón de luz arbitraria. Esto permite la proyección de imagen simultánea o fotoestimulación de distintas regiones de una muestra con precisión tridimensional. Para demostrar la utilidad de este microscopio, realizamos dos fotones uncaging del glutamato para activar espinas dendríticas y neuronas corticales en rebanadas del cerebro. También lo usamos para llevar a cabo la proyección de imagen de dos fotones calcio (60 Hz) rápido de potenciales de acción en poblaciones neuronales. Así, microscopia SLM parece ser una herramienta poderosa para la proyección de imagen y ópticamente manipular las neuronas y circuitos neuronales. Por otra parte, el uso de SLMs amplía la flexibilidad de la microscopía láser, como pueden sustituir el tradicionales simples lentes fijas con cualquier función objetivo calculado.
Inferencia De La Espiga De La Proyección De Imagen De Calcio Mediante Métodos De Monte Carlo Secuenciales
Recientes avances en las tecnologías de detección de calcio facilitar los potenciales de acción simultáneamente imágenes en poblaciones neuronales, deben desarrollar también herramientas analíticas complementarias para maximizar la utilidad de este paradigma experimental. A pesar de las observaciones aquí son películas de fluorescencia, las señales de interés--spike trenes y/o tiempo variando el calcio intracelular concentraciones--están ocultos. Inferir estas señales ocultas es a menudo problemático debido al ruido, no linealidades, lento de la imagen y parámetros biofísicos desconocidos. Superar estas dificultades mediante el desarrollo de métodos de Monte Carlo secuenciales (filtro de partículas) basados en modelos biofísicos de clavar, dinámica de calcio y fluorescencia. Mostramos que, incluso en casos simples, los filtros de partículas superan la óptima lineal (es decir, Wiener) filtro, mediante la obtención de mejores estimaciones tanto proporcionando barras de error. Luego nos relajar a un número de nuestras suposiciones de modelo para incorporar la saturación no lineal de la señal de fluorescencia, estímulo externo así y espiga historia dependencia (p. ej., refractariedad) de los trenes de la espiga. Mediante simulaciones y observaciones in vitro de la fluorescencia, demostramos superresolución temporal por inferir cuando dentro de un marco se produce cada espiga. Además, los parámetros del modelo pueden ser estimados mediante la maximización de expectativa con solamente una cantidad muy limitada de datos (por ejemplo, aproximadamente 5-10 s o picos de 5-40), sin el requisito de cualquier electrofisiología simultánea o experimentos de la proyección de imagen.
Proyección De Imagen De Dos Fotones Con Elementos ópticos Difractivos
Proyección de imagen de dos fotones se ha convertido en una herramienta útil para el control óptico de circuitos neuronales, pero requiere láser de alta potencia y análisis de serie de cada píxel en una muestra. Esto da lugar a tasas de imagen lentas, limitando las mediciones de señales rápidas como la actividad neuronal. Para mejorar la velocidad y la relación señal / ruído de proyección de imagen de dos fotones, se introduce una modificación simple de un microscopio de dos fotones, utilizando un elemento óptico difractivo (DOE) que divide el rayo láser en varios beamlets que simultáneamente se puede analizar la muestra. Demostramos las ventajas del DOE exploración mejorar la velocidad y la sensibilidad de la proyección de imagen de calcio de dos fotones de potenciales de acción en las neuronas de rebanadas de cerebro neocortical. DOE exploración fácilmente puede mejorar la detección de señales variables en el tiempo en dos fotones y otras técnicas microscópicas no lineales.
Microscopía De Dos Fotones Con Elementos ópticos Difractivos Y Moduladores De Luz Espaciales
Microscopía de dos fotones a menudo se realiza a velocidades de fotogramas lenta debido a la necesidad de exploración en serie todos los puntos en un campo de visión con un rayo láser. Para superar este problema, hemos desarrollado dos métodos ópticos que dividir y multiplexan un rayo láser a través de la muestra. En el primer método un elemento óptico difractivo (DOE) genera un número fijo de beamlets que se analizan en paralelo, lo que resulta en un aumento correspondiente en velocidad o en la relación señal / ruído en time-lapse mediciones. El segundo método utiliza un controlado por ordenador espacial luz modulador (SLM) para generar cualquier patrón de luz spatio-temporal arbitraria. Con un SLM se pueden obtener imágenes o photostimulate cualquier predefinidos región de la imagen como las neuronas o espinas dendríticas. Además, puede utilizarse SLMs para imitar a un gran número de funciones de transferencia óptico como correcciones de trayectoria de la luz óptica adaptativa.
