随机扫描光刺激系统研究

发布时间：2018-10-19 08:42

【摘要】：多细胞或多神经突起的选择性激活对于研究神经元整合、神经元计算非常重要。近几年，基因工程与光刺激技术结合，推动了一项新技术光遗传技术的诞生，它可以快速、无损、精确地激活表达光敏感通道的细胞，进而选择性地控制特定神经元或局部神经环路的活动。目前荧光显微镜使用的光源大都是宽场光源，进行光刺激时会把整个视场中的所有细胞或整个神经环路激活。激光扫描显微镜通过扫描镜实现多细胞的选择性激活，但由于扫描镜内在的固有惯性，限制了扫描速度和多个位置的选取。最近，空间光调制器被引入显微镜系统中实现了无惯性的选择性激活，但其较低的刷新频率和衍射效率限制了该技术的应用。相比而言，声光偏转器具有随机寻址能力，能够快速无惯性引导激光到任意位置，良好的空间选择性使得声光偏转器非常适合多细胞选择性激活。为了实现以上目的，本文首先利用声光偏转器作为光束扫描器件，结合现代光学显微镜技术，建立了独立的随机光刺激系统，相关的工作主要有：（1）在光路结构设计中，采用二维声光偏转器实现激光光束的二维扫描，并采用通用光学器件、光学调节架实现与显微镜系统耦合，实现生物样品显微放大、可视化处理，，引导激光刺激期望的细胞或神经元；在机械设计中，采用模块化设计思想，使得系统结构紧凑，方便与各种商用显微镜系统耦合；为控制声光偏转器工作，设计了驱动电路，它包括标准的数据采集卡、开关电源和控制电路，用于数据传输和与其它外设通信；基于LabVIEW应用软件，开发一套独立的应用控制软件，拥有多种刺激模式，软件可读性好，操作方便。（2）测试了随机光刺激系统的工作性能，单点最快时间可以达到10μs。在40倍物镜下，刺激光斑为1.38μm，刺激范围为164μm。光刺激功率波动5%，刺激定位误差小于1%。实验结果证明系统具备多点快速激活的能力，系统工作稳定，具有很好的重复性。其次，为了分析测试系统的激活模式与激活效果以及开展生物学应用，与上海神经所的章晓辉研究员、王佐仁研究员两课题组展开合作研究，主要的工作有：（1）利用表达有光敏感通道的HEK293细胞和海马神经元，证明系统在~10ms内可以激活细胞和诱导出动作电位。提出刺激光功率决定系统刺激的空间分辨率，并证明在一定的功率条件下，系统能够激活单细胞而不会激活周围其它细胞，显示系统具备局部激活能力，而采用双光子激发将能够提高系统的空间分辨率，便于实现单细胞激活。分析了点刺激模式与区域刺激模式的不同，提出采用区域刺激模式可以显著提高去极化峰值电流、动作电位的诱导频率及诱导成功率。提出对于区域刺激模式，采用随机扫描方式比顺序扫描方式和环形扫描方式更有效激活细胞。随机光刺激系统能够在微秒水平控制激光刺激多个位置，刺激时间、刺激间隔、刺激位置、刺激强度等可精准调控，是一种超灵活、多模式调控细胞或神经元的工具。（2）利用随机光刺激系统，对小鼠体感皮层神经环路和果蝇嗅觉系统进行了光刺激试验，证明系统适用于不同尺寸细胞的光刺激，系统可以选择性激活多个细胞，可以模拟神经元多个信号输入，进行神经元运算研究和信息整合研究，有利于揭示单个神经元和特定神经网络的功能，证明随机光刺激系统对于今后的神经科学研究具有重要的应用价值。
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【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：R312

【共引文献】