منقوشة ضوئي مع أجهزة رقمية Micromirror بالتحقيق في تكامل شجيرى عبر نقاط فرع
مارس 2, 2011
يمكن الرقمية micromirror الأجهزة (DMD) توليد أنماط معقدة في الزمان والمكان الذي السيطرة على استثارة العصبية. وتتم مناقشة القضايا ذات الصلة لبناء وتصميم وتشغيل نظم DMD. مكن هذا النظام تظاهرة غير خطية التكامل عبر نقاط القاصي فرع شجيري.
الهدف العام من هذا الإجراء هو التحكم في الأنماط المعقدة للضوء في الزمان والمكان بحيث يمكن استخدامه لتحفيز الخلايا العصبية. يتم تحقيق ذلك عن طريق وضع شريحة DMD أولا في مستوى صورة مترافق مناسب في المسار البصري للمجهر. الخطوة الثانية من الإجراء هي إضاءة DMD بشكل صحيح بمصدر ضوء مكثف مثل الليزر.
الخطوة الثالثة من الإجراء هي القضاء على تأثير البقع للإضاءة المتماسكة. تتمثل الخطوة الأخيرة من الإجراء في دمج واجهة مستخدم رسومية لمعالجة شريحة DMD. في النهاية ، يمكن الحصول على نتائج تظهر أن التجارب التي كان من الصعب إنجازها في السابق يمكن إكمالها بسهولة نسبيا من خلال التحلل متعدد المواقع للناقل العصبي في القفص باستخدام نظام DMD.
مرحبا ، أنا مايكل محمد ومختبر الدكتور شامان تانغ في قسم طب الأعصاب بجامعة ميريلاند. سنعرض لك اليوم إجراء لتوليد أنماط معقدة من التخلص في المجهر البصري. نستخدم هذا الإجراء في مختبرنا لدراسة التكامل المتغصن.
لذلك دعونا نبدأ. سيوضح هذا البروتوكول تشغيل جهاز مرآة رقمي صغير أو نظام إضاءة DMD لعلم الأعصاب التجريبي. DMD عبارة عن شريحة أشباه موصلات بصرية بها عدة مئات من الآلاف من المرايا المتحركة المجهرية مرتبة في مصفوفة مستطيلة على سطحها ، يتوافق موضع كل مرآة مع بكسل الصورة.
يمكن التحكم في كل مرآة بشكل فردي للإمالة بين اتجاهين. في الاتجاه الخارج ، يتم توجيه الضوء بعيدا عن المحور البصري لإضاءة العينة. في الاتجاه ، يتم توجيه الضوء على طول المحور البصري.
DMD مناسب تماما للتحلل لأنه يتحمل ضوء الأشعة فوق البنفسجية المكثف للغاية ، ويولد نسب تباين عالية بين وحدات البكسل السريعة والإيقاف ، ويمكنه التبديل بين الحالتين في عشرات الميكروثانية. يتم دعم تطبيق DMDs للبحوث الطبية الحيوية من خلال الاستخدام الواسع لبرامج وأجهزة معالجة الصور ، ومن خلال الاهتمام التجاري بمجال عرض الصور. يتم تسويق المكونات المعيارية بواسطة Texas Instruments كمجموعات اكتشاف DLP توفر برامج التشغيل الإلكترونية الداعمة لتكييف DMD مع نظام مجهري.
يجبفهم المفاهيم الأساسية المتعلقة ببصريات الفحص المجهري. يتكون المجهر الفلوري الحديث الأساسي من مسار تصوير ومسار إضاءة. وهي تتألف من هدف ومكعب مرشح وعدستين أنبوبيين متميزتين لمسار التصوير والإضاءة.
تم تصميم المجهر بحيث يكون له مواضع مترافقة مع مستوى صورة العينة ، حيث ستظهر الأجسام التي يتم التركيز عليها في مستوى العينة أيضا في بؤرة التركيز في مستويات الصورة المترافقة هذه. النتيجة الطبيعية لهذا المفهوم هي أن أي صورة ساطعة تم إنشاؤها في مستوى الصورة المترافقة سيتم أيضا عرضها بشكل حاد على مستوى صورة العينة. تستخدم هذه الإستراتيجية لعرض نمط إضاءة تم إنشاؤه بواسطة الكمبيوتر على العينة.
يعمل شعاع الليزر كمصدر ضوء ساطع للغاية يضيء النمط الذي تنفذه المرايا الدقيقة على رقائق DMD الموضوعة في مستوى صورة مترافقة. يعتمد تصميم نظام إضاءة DMD على أضواء الإثارة المستخدمة في تجارب البصريات الوراثية ، والتي تستخدم الضوء في الطول الموجي المرئي. يمكن إحضار النمط المضيء من خلال مسار الكاميرا.
لذلك ، يمكن ببساطة تركيب شريحة DMD على أحد منفذي الكاميرا لوحدة منفذ الكاميرا المزدوجة. على العكس من ذلك ، بالنسبة للتجارب التي تستخدم الضوء في نطاق الأشعة فوق البنفسجية ، مثل تحلل المركبات المحبوسة ، يجب إحضار الضوء من خلال مسار إضاءة epi ويجب إنشاء مستوى صورة مترافق يسهل الوصول إليه. وذلك لأن عدسة أنبوب التصوير غير مصممة لنقل الأشعة فوق البنفسجية.
بدلا من ذلك ، يتم استخدام عدسة أنبوب الإضاءة لنقل الأشعة فوق البنفسجية وتؤدي وظيفة مناسبة في تكوين الصورة. يمكن لكل مرآة صغيرة على DMD التبديل بين إمالة إيجابية وسالبة بمقدار 12 درجة بالنسبة لمستوى الشريحة. اعتمادا على المدخلات الرقمية التي يتلقاها من الكمبيوتر ، يكون محور الدوران على طول الزوايا القطرية لكل مرآة ، 45 درجة على الجوانب المستطيلة للشريحة.
يتم تحديد اتجاه إمالة المرآة بواسطة مثلث ذهبي اللون في أحد الزوايا على السطح الأمامي للشريحة. يملي إمالة المرآة الصغيرة محاذاة درجة وسمت شعاع الإضاءة الوارد. لإضاءة DMD ، قم أولا بتكوين درجة شعاع الإضاءة لتكون 24 درجة من المحور العمودي لشريحة DMD وقم بتكوين السمت ليكون عموديا على محور دوران المرآة.
تعدمحاذاة الشعاع الدقيقة أمرا بالغ الأهمية للتشغيل الفعال. لتجارب التحلل. استخدم مصدر ليزر لتوليد شعاع عالي الكثافة القابل للتركيز ضروري لفك الدوران السريع.
هنا يتم استخدام ليزر شبه الصمام الثنائي المستمر الذي يتم ضخه بتردد الحالة الصلبة ثلاث مرات ND ، واستخدام ليزر عالي الطاقة نسبيا لأنه يتم تسليم جزء صغير فقط من إخراج الليزر إلى العينة. عند استخدام نظام DMD ، قم بتشغيل إخراج الليزر في ألياف متعددة الأوضاع بحيث يمكن وضعها بسهولة وتوجيهها على طول المحور الصحيح لإضاءة DMD لتوفير حل للبقعة. المشكلة الناتجة عن الإضاءة المتماسكة تنقل الضوء عبر الألياف الضوئية.
يتم لف الألياف حول نقالة ألياف كهربائية بازو يتم دفعها لتذبذبها حوالي 40 كيلو هرتز. التمدد المجهري للألياف كاف لتحريك نمط البقع عدة مرات خلال مدة المللي ثانية لكل نبضة تحفيز للصور ، وبالتالي القضاء بشكل فعال على البقع. أخيرا ، يتم تجميع إخراج الألياف الضوئية باستخدام هدف مجهر الأشعة فوق البنفسجية لإضاءة DMDs لتسجيل بكسل CCD مع برنامج صورة DMD الذي يربط مرايا DMD الفردية بوحدات بكسل محددة من كاميرا CCD التصويرية التي تمت كتابتها.
تسمح واجهة المستخدم الرسومية داخل البرنامج للمستخدم بتعيين اتجاه مرآة DMD الذي يتوافق مع المنطقة الموجودة على صورة CCD باستخدام ماوس الكمبيوتر باستخدام واجهة المستخدم الرسومية. ضع علامة على موقع تحفيز الصورة عن طريق تحريك المؤشر فوق الصورة المعروضة على شاشة الكمبيوتر وانقر فوق المنطقة ذات العلامات ذات الاهتمام لبرمجة مخزن أنماط توصيل الضوء. يقوم النمط المميز على شاشة الكمبيوتر كسلسلة من الصور المنفصلة ببرمجة توقيت نبضات الليزر لكل نمط مكاني في البرنامج.
سيتكامل هذا مع برنامج الحصول على البيانات P clamp. أخيرا ، استخدم برنامج الحصول على البيانات لتنسيق توقيت إلكترونيات DMD ، وبوابة الليزر ، واكتساب الإشارة الكهربائية المثبتة بالتصحيح من الخلايا العصبية المستهدفة. هنا ، يتم عرض معايرة دقة النظام البصري.
يظهر الحد الأدنى لحجم البقعة كما تم قياسه من هدف الفلورسنت. يتم قياس الدقة الفسيولوجية الفعالة من خلال سعة تدفق التيار كدالة لتحفيز الصورة. موضع البقعة هنا ، تم تصوير الغلوتامات المحبوسة بجوار فرع شجيري قطره ميكرومترين.
كما تم نقل المكان. بشكل متعامد عبر الاستجابات الكهربائية للتحفيز الضوئي بكثافة مختلفة موضحة. يتم عرض استجابات الجهد المثبت كدالة لشدة التحلل.
يمكن تنفيذ التحفيز الشجيري الموزع بسهولة باستخدام نظام قائم على DMD. هنا ، تنوعت شدة المدخلات عن طريق زيادة عدد بقع تحفيز الصور المميزة كدوائر على الفرعين المتغصنين. يمكن أن يكون الجمع المكاني غير خطي عبر نقاط الفرع.
يصبح خطيا للغاية بشكل متزايد مع زيادة سعة الإدخال التي تصل إلى الباب إلى الفروع. توضح هذه النتائج بوضوح الطريقة غير الخطية للجمع عبر نقاط الفرع المتغصن. يتم التوسط في الخطية الفائقة إلى حد كبير بواسطة مستقبلات NMDA وليس عن طريق القنوات ذات الجهد الكهربائي.
يمكن إثبات ذلك على أنه تطبيق اثنين من مضادات NMDA A PV و MK 8 0 1 يقضيان إلى حد كبير على السلوك غير الخطي. لقد أظهرنا لك للتو التصميم الأساسي والتشغيل لنظام قائم على DMD لتحفيز صور نمط الأنسجة العصبية. يمكن تكييف النظام للتحفيز بالضوء المرئي ، مثل استخدامه في التجارب البصرية الوراثية.
يمكن أن يكون أيضا قابلا للتكيف مع الأشعة فوق البنفسجية القريبة كما هو مستخدم لتحلل الفوتون الفردي. عند القيام بهذا الإجراء ، من المهم أن تتذكر أنه إذا كان سيتم استخدام ضوء بطول موجي أقل من 400 نانومتر وخروج معظم الأشخاص من خلال مسار إضاءة epi ، فإن هذه المحاذاة الدقيقة للشعاع المضيء في غضون بضع درجات أمر بالغ الأهمية ، وأنه إذا تم استخدام ضوء متماسك ، فيجب التخلص من البقع بشكل فعال. هذا كل شيء.
شكرا على المشاهدة ونتمنى لك السعادة في تجاربك.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
نظرة عامة
تناقش هذه المقالة استخدام أجهزة المرايا المصغرة الرقمية (DMD) لتوليد أنماط ضوئية معقدة للتحفيز العصبي. تتيح هذه العملية التحكم في قابلية الخلايا العصبية للإثارة وتوضح التكامل غير الخطي عبر نقاط فروع التشعبات البعيدة.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلوم
- علم الأعصاب
- البصريات الوراثية
- التحفيز العصبي
الخلفية
- يمكن لأجهزة المرايا المصغرة الرقمية (DMD) معالجة أنماط الضوء.
- يعتبر التحكم في قابلية الخلايا العصبية للإثارة ضروريًا لأبحاث علم الأعصاب.
- واجهت الطرق السابقة للتحفيز العصبي قيودًا.
- يمكن لأنظمة DMD تسهيل تصميمات تجريبية معقدة.
هدف الدراسة
- للتحكم في أنماط الضوء في الوقت والمكان لتحفيز الخلايا العصبية.
- لتوضيح فعالية أنظمة DMD في علم الأعصاب.
- لتمكين التجارب التي كان من الصعب إجراؤها سابقًا.
الطرق المستخدمة
- وضع شريحة DMD في مستوى صورة مرافق لمنظار.
- إضاءة DMD بمصدر ضوء شديد، مثل الليزر.
- إزالة تأثير البقع الناتج عن الإضاءة المتماسكة.
- دمج واجهة مستخدم رسومية للتلاعب بـ DMD.
النتائج الرئيسية
- التحكم الناجح في أنماط الضوء المعقدة للتحفيز العصبي.
- توضيح التكامل غير الخطي عبر نقاط فروع التشعبات.
- تسهيل التحلل المتعدد المواقع لناقل عصبي محبوس.
- تشير النتائج إلى سهولة متزايدة في إجراء تجارب معقدة.
الاستنتاجات
- تعتبر أنظمة DMD أدوات فعالة للتحكم في قابلية الخلايا العصبية للإثارة.
- إنها تمكن من إمكانيات تجريبية جديدة في علم الأعصاب.
- يمكن للأبحاث المستقبلية الاستفادة من هذه التكنولوجيا في الدراسات المتقدمة.
الأسئلة الشائعة
Executive Industry Relevance
Patterned photostimulation using digital micromirror devices (DMD) enables precise spatiotemporal control of neuronal activity, addressing a key challenge in neuroscience for studying complex dendritic integration. This approach supports target validation by allowing researchers to interrogate how distributed synaptic inputs are processed across dendritic branches, a critical factor in understanding neuronal computation and disease mechanisms. The ability to eliminate speckling and integrate with electrophysiology enhances reproducibility and quantitative rigor, which are essential for de-risking mechanistic hypotheses in early discovery.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of dendritic integration mechanisms across branch points, supporting hypothesis testing for synaptic function and plasticity targets.
- Operational Value: Provides a reproducible platform for multi-site uncaging experiments, reducing variability in assessing neuronal responses to patterned stimuli.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Facilitates standardized light pattern delivery for quantifying neuronal excitation, enabling assay development for compounds affecting dendritic signaling.
- Operational Value: Supports high-contrast, rapid-switching stimulation compatible with automated imaging and electrophysiology readouts.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Links NMDA receptor-mediated supralinear integration to disease-relevant pathways, offering a mechanistic readout for neurotherapeutic screening.
- Operational Value: Adaptable to visible light for optogenetics, allowing translation from acute slice studies to chronic in vivo models.
Pipeline & Workflow Integration
The DMD photostimulation system fits within the discovery continuum from target validation through lead identification, particularly for neuroscience targets involving synaptic signaling and dendritic computation.
- Discovery Biology: Supports mechanistic de-risking by testing how spatial input patterns influence postsynaptic responses, informing target engagement strategies.
- Screening: Enables quantitative, patterned stimulation as a functional readout for compound effects on dendritic integration.
- Analytics: Generates measurable electrophysiological outputs (e.g., current amplitude, voltage response) that correlate with stimulation intensity and pattern.
- Translational Research: Connects NMDA-dependent nonlinearity to pathophysiological processes, supporting biomarker-aligned preclinical validation.
- Enterprise Reuse: The core DMD illumination strategy can be reused across multiple neuroscience projects requiring patterned photostimulation.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in neuronal mechanism models through controlled, repeatable dendritic stimulation paradigms.
- Operational Value: Standardized light delivery and speckle reduction improve inter-experiment consistency and cross-team collaboration.
- Strategic Value: Reduces biological risk in target selection by clarifying nonlinear integration properties early in discovery.
- Portfolio Impact: Informs go/no-go decisions by providing mechanistic insight into how therapeutic compounds may affect dendritic signal processing.
Implementation Considerations
- Requires expertise in optical alignment, particularly for UV wavelengths where precise beam pitch and azimuth are critical.
- Depends on high-intensity laser sources and multi-mode fiber delivery with piezoelectric stretching to mitigate speckle from coherent illumination.
- Necessitates integration with electrophysiology systems (e.g., patch clamp) and software for synchronizing DMD patterning, laser gating, and data acquisition.
- Adaptation to visible light for optogenetics simplifies UV-specific constraints but retains need for conjugate plane alignment and GUI-based pattern control.
- Practical limitations include the need for conjugate image plane accessibility, which may require optical path modifications on upright microscopes.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
0:58
Introduction
1:19
Introduction to DMD Chips and General Design Considerations
4:12
Illumination of the DMD
6:14
Operation of the System
7:16
Representative Results Demonstrating Patterned Photostimulation with DMDs to Investigate Dendritic Integration across Branch Points
8:43
Conclusion
