微型光刺激与大视场靶点优化系统的研究
发布时间：2021-01-17 01:28
近年来,光遗传学迅速发展,使得神经科学研究者能够在活体模式动物中研究大脑结构和功能,并建立与行为特征之间的联系。但目前在光遗传学领域的活体实验中有两个重要的挑战:一是光刺激器件与光源之间的有线光纤连接限制了动物自由活动的范围,并影响了长时间实验观察;二是生物组织折射率的非均匀分布使得靶向细胞的精确定位和刺激光功率难以保证。针对上述第一个问题,我们首先设计制作了一套无线红外遥控的微型光刺激系统。发射端由红外发射管和发光二极管的恒流驱动芯片LM3410X等器件组成,可以通过信号发生器同步控制红外发射灯带的亮灭;微型接收端由超低功耗输出比较器TLV3691和蓝光发光二极管等器件组成,其中蓝光发光二极管是生物神经细胞的刺激光源;同时自行设计了光纤耦合装置,光纤输出端光功率为1.45mW,可稳定遥控范围为1m。最后经过动物行为学实验验证,证实了我们设计制作的无线微型光刺激系统可以对实验箱内自由活动的小鼠进行有效地远程遥控光刺激。针对上述第二个问题,我们提出了一种基于多导引星的大视场靶点优化技术。我们知道传统的自适应光学技术可以进行靶点优化,但针对较厚生物组织,其单次校正视场范围有限,难以满足大视...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１光遗传学视蛋白
活体实验中，可以通过将动物的头部固定后接入光刺激回路。对于移动的啮齿类动物或非??人类的灵长类动物的行为研究，可以使用光纤照明，需要将一个固定的光源与柔性光纤相??耦合，并植入到动物大脑中某一固定坐标处［１７，１８］，如图１．２所示［１９］。但是由于光纤实体会??限制动物的自由活动范围并影响其行为活动，并不利于进行大规模的动物行为学实验和进??行长期的实验观察，因此本研究考虑在活体实验中采用无线黴型光遗传学器件。??ＷｍＭ??图１．２有线光刺激小鼠示意图??１．３自适应光学校正技术??现有的光遗传学研究表明，细胞的特异性表达完全依赖于在特定的细胞类型下视蛋白??表达的基因靶向策略。但是，这在一定程度上限制了我们对大脑功能的理解，因为属于相??同的细胞类和大脑区域可能存在多祥的反应模型［２ａ２１１。为了更精细的定位大脑组织，并解??决诸如到底需要多少的神经元才可以触发某个特定行为等问题。需要将单次光刺激的范围??从基因决定的神经细胞组缩小为单个细胞元，这就要求光刺激具有更高的精准度。而光束??在生物组织内部传输时会发生严重的散射和像差，从而干扰光束沿原路径传输，并对光束??聚焦等产生严重的不良影响。经过仿真证明
现活体深层组织内的衍射极限成像。理论上，自适应光学技术可以在多种活体器官内提升??成像质量并且可以获取比神经元更精细的结构及功能。由于光束的衍射特性，传统光学显??微镜的分辨率哏制在光束波长的一半，而自适应光学技术甚至可以突破衍射极哏。如图１．３??所示［２７］，理想的球面波可以聚焦得到理想的聚焦光斑，但是像差会引起波前的畸变导致聚??焦光斑变大，能量不再集中。因此通过在波前校正器件上附加与畸变波前共轭的波前，使??校正后的波前接近于理想的波前从而得到接近甚至突破衍射极限的聚焦光斑。??Ｔ?１?１?ｉ?＿?；ｉ１……一１１?ｍ?＼?１?１?１?ａ??｜?Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ?ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ?ｍｍ?Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ?ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ?｜?Ｊ?｜?Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ?ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ?；??Ｕ?Ｙｓｍ??（ａ）?（ｂ）?（ｃ）??图１．３?（ａ）无像差情况下的理想光斑（ｂ）样本的折射率失配引起聚焦光斑的畸变（ｃ）自适应光学校??正后的聚焦光斑［２７】??常见的波前校正器件有可变形镜（ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ?ｍｉｒｒｏｒ，?ＤＭ）和空间光调制器（ｓｐａｔｉａｌ?ｌｉｇｈｔ??ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ，?ＳＬＭ）?［２ｉＷ１］，它们都是通过控制光束某一特定单元上传播的光程大小来实现对??整体波前的校正。一般用于自适应光学校正的ＤＭ包括几百个制动器并且具有较高的调制??带宽（一般＞］ＫＨＺ），且不限制光束偏振态。而ＳＬＭ?—般由数十万个液晶单元组成，已知??像素数越多可允许校正的像差就越复杂。与ＤＭ相比
本文编号：2981923
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１光遗传学视蛋白
活体实验中，可以通过将动物的头部固定后接入光刺激回路。对于移动的啮齿类动物或非??人类的灵长类动物的行为研究，可以使用光纤照明，需要将一个固定的光源与柔性光纤相??耦合，并植入到动物大脑中某一固定坐标处［１７，１８］，如图１．２所示［１９］。但是由于光纤实体会??限制动物的自由活动范围并影响其行为活动，并不利于进行大规模的动物行为学实验和进??行长期的实验观察，因此本研究考虑在活体实验中采用无线黴型光遗传学器件。??ＷｍＭ??图１．２有线光刺激小鼠示意图??１．３自适应光学校正技术??现有的光遗传学研究表明，细胞的特异性表达完全依赖于在特定的细胞类型下视蛋白??表达的基因靶向策略。但是，这在一定程度上限制了我们对大脑功能的理解，因为属于相??同的细胞类和大脑区域可能存在多祥的反应模型［２ａ２１１。为了更精细的定位大脑组织，并解??决诸如到底需要多少的神经元才可以触发某个特定行为等问题。需要将单次光刺激的范围??从基因决定的神经细胞组缩小为单个细胞元，这就要求光刺激具有更高的精准度。而光束??在生物组织内部传输时会发生严重的散射和像差，从而干扰光束沿原路径传输，并对光束??聚焦等产生严重的不良影响。经过仿真证明
现活体深层组织内的衍射极限成像。理论上，自适应光学技术可以在多种活体器官内提升??成像质量并且可以获取比神经元更精细的结构及功能。由于光束的衍射特性，传统光学显??微镜的分辨率哏制在光束波长的一半，而自适应光学技术甚至可以突破衍射极哏。如图１．３??所示［２７］，理想的球面波可以聚焦得到理想的聚焦光斑，但是像差会引起波前的畸变导致聚??焦光斑变大，能量不再集中。因此通过在波前校正器件上附加与畸变波前共轭的波前，使??校正后的波前接近于理想的波前从而得到接近甚至突破衍射极限的聚焦光斑。??Ｔ?１?１?ｉ?＿?；ｉ１……一１１?ｍ?＼?１?１?１?ａ??｜?Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ?ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ?ｍｍ?Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ?ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ?｜?Ｊ?｜?Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ?ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ?；??Ｕ?Ｙｓｍ??（ａ）?（ｂ）?（ｃ）??图１．３?（ａ）无像差情况下的理想光斑（ｂ）样本的折射率失配引起聚焦光斑的畸变（ｃ）自适应光学校??正后的聚焦光斑［２７】??常见的波前校正器件有可变形镜（ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ?ｍｉｒｒｏｒ，?ＤＭ）和空间光调制器（ｓｐａｔｉａｌ?ｌｉｇｈｔ??ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ，?ＳＬＭ）?［２ｉＷ１］，它们都是通过控制光束某一特定单元上传播的光程大小来实现对??整体波前的校正。一般用于自适应光学校正的ＤＭ包括几百个制动器并且具有较高的调制??带宽（一般＞］ＫＨＺ），且不限制光束偏振态。而ＳＬＭ?—般由数十万个液晶单元组成，已知??像素数越多可允许校正的像差就越复杂。与ＤＭ相比
本文编号：2981923
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