단일 셀 및 단일 스파이크 해상도 suprathreshold 신경 활동의 광 기록

요약

대뇌 피질의 기능이 뉴런의 인구의 수준에 발생하기 때문에 척추 중추 신경계의 기능을 이해하는 것은 많은 뉴런의 녹음이 필요합니다. 다음은 단일 셀 및 단일 스파이크 해상도로 suprathreshold 신경 활동을 기록 할 수있는 광학 방법을 설명, 랜덤 액세스 검사는 디더링. 까지의 높은 시간적 해상도 100 뉴런이 방법을 기록 체세포 형광 칼슘 신호. 최고 확률이 알고리즘은 체세포의 형광 칼슘 신호의 기본 suprathreshold 신경 활동을 deconvolves. 이 방법은 안정적으로 높은 검출 효율과 잘못된 반응의 낮은 속도로 스파이크를 감지하고 신경 인구를 공부하는 데 사용할 수 있습니다 체외에서와 생체 내.

초록

척추 중추 신경계의 정보 신호는 종종 뉴런이 아닌 개별 뉴런의 인구에 의해 수행됩니다. 또한 suprathreshold의 난리 활동의 전파는 뉴런의 인구를 포함합니다. 대뇌 피질의 기능을 해결 경험적 연구는 직접 따라서 고해상도로 뉴런의 인구에서 녹음이 필요합니다. 여기 광학 방법 및 최대 단일 셀 및 단일 스파이크 해상도 100 뉴런에서까지 신경 활동을 기록 할 수있는 deconvolution 알고리즘을 설명합니다. 이 방법은 대뇌 피질의 뉴런의 suprathreshold 전기 스파이크 (활동 전위)와 관련된 세포 체세포의 칼슘 농도의 일시적 증가 감지에 의존하고 있습니다. 광학 녹음의 높은 시간적 해상도는 음향 광학 편 향기 (AODs) ^1을 사용하여 빠른 랜덤 액세스 스캐닝 기술에 의해 달성된다. 불투명 뇌 소유의 높은 공간 해상도의 칼슘에 민감한 염료 결과의 2 광자 여기² 고소 해요. 형광 칼슘 녹음에서 스파이크의 재건은 최고 가능성 방법에 의해 달성된다. 동시 electrophysiological 및 광학 녹음은 우리의 방법은 안정적으로 스파이크를 (> 97% 스파이크 검출 효율) 검색을 나타냅니다, 허위 긍정적 인 스파이크 감지 (<0.003 스파이크 / s)로, 높은 시간적 정밀 (MS 3) ^3의 낮은 속도가 있습니다. 스파이크 검출이 광학 방식은 체외과 생체 ^3,4에 anesthetized 동물의 신경 활동을 기록하는 데 사용할 수 있습니다.

프로토콜

1. 광 설치 (그림 1)

1. 두 광자 여기 들어 femtosecond 펄스와 적외선 펄스 레이저 시스템이 사용됩니다. 높은 레이저 출력 전력은 (> 2W 890 nm의 파장에서 경우에 따라) 시스템의 광학 구성 요소가 도입 된 대형 손실을 상쇄하기 위해 필요합니다.
2. 이 프리즘으로 구성된 prechirper 시스템은 AODs ¹ 소개 시간적 분산을 보상하기 전에 음향 광학 편 향기 (AODs)에 레이저 펄스에 부정적인 그룹 속도 분산 (GVD)를 부여.
3. 큰 구멍이 두 개 AODs (NA 0.8과 40x 물 침지 목표를위한 10mm)는 2 차원 레이저 빔을 편향.
4. 100 숲 / mm와 반사 회절 격자는 짧은 레이저 펄스를 사용하는 경우 AODs 뒤 13cm가 AODs에 의해 도입 된 공간 분산을 보상하기 위해 배치됩니다.
5. 레이저 빔이 수직 microsco의 카메라 포트에 두 릴레이 윤곽을 지향하는PE.
6. 창포는 광학 부품의 정렬을 위해 정기적으로 게재됩니다.
7. 목표 앞의 이색 beamsplitter는 표본에 적외선 여기 빛을 전송하고 검출기로 시료의 형광 빛을 반영합니다.
8. 에피네프린과 transfluorescence 감지기 (photom....

토론

디더링 랜덤 액세스 검사는 간접적으로 신경 세포의 somata의 각 스파이크와 관련된 세포 체세포 칼슘의 증가에서 suprathreshold 솟고 활동을 감지합니다. 세포 내 칼슘의 증가는 형광 칼슘 염료에 의해 감지됩니다. 디더링 랜덤 액세스 검색의 한계는 칼슘 형광 신호의 제한된 신호 대 잡음 비율에서 크게 발생한다. 신호 대 잡음 비율이 높은 여기 요금을 사용하실 수 없습니다 photodamage에 의해 제한 차례에 있습니다. 때문에 제한된 신호 대 잡음 비율, 스파이크 감지 일부 뉴런에 실패하고도 지속적인 높은 주파수 활동을 위해 실패 할 수 있습니다. 예를 들어, 생체에서 녹화가 스파이크 감지가 강력하게 40 Hz에서 스파이크 요금에 대한 감소 및 ⁴ 이상 때. 감소 스파이크 감지하는 이유는 정확하고 잘못된 모델 가능성 차이가 짧아 간 스파이크 간격에 대한 점점 더 작은 될 것입니다. 게다가, 디더링 랜덤 액세스 검사 만 체세포는 칼슘의 증가 뉴런의 인구에 사용할 수는 매우 모든 뇌.......

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
시약의 이름	회사	카탈로그 번호	코멘트 (선택 사항)
			광학 구성 요소는 레이저부터, 순서대로 나열되어 있습니다
타이탄 : 사파이어 레이저	일관된 주식회사	카멜레온 울트라 2	높은 전력 출력을 권장 (900 나노 미터에서> 2W)
비 염색성의 렌즈 F = 30mm	토르 실험실	AC254-030-B	650-1050 nm의에 대한 반사 방지 (AR) 코팅
비 염색성의 렌즈 F = 100mm	토르 실험실	AC254-100-B	AR 650-1050 nm의
렌즈 F = 75mm	토르 실험실	LA1608-B	AR 650-1050 nm의
렌즈 F = 175mm	토르 실험실	LA1229-B	AR 650-1050 nm의
비 염색성의 렌즈 F = 300mm	토르 실험실	AC254-300-B	AR 650-1050 nm의
비 염색성의 렌즈 F = 100mm	토르 실험실	AC254-100-B	AR 650-1050 nm의
비 염색성의 렌즈 F = 100mm	토르 실험실	AC254-100-B	AR 650-1050 nm의
음향 광학 편 향기	Intraaction 사	ATD 6510CD2
반사 회절 격자	뉴 포트 (Newport)	53-011R	65 MHz의 대역폭 45 mrad의 스캔 각도 AODs 100 홈 / mm
21.6 mm Brewster 프리즘	람다 리서치 옵틱스 주식회사	IBP21.6SF10
컬러 유리	SCHOTT	BG-39
이색 성 거울	크로마 기술 주식회사	Z532RDC
광전자 증 모듈	하마 마츠	H9305-03
DAC-ADC 보드	내쇼날 인스트루먼트	PCI-6115
오레곤 그린 488 Bapta - 오전 1시	Invitrogen	O-6807