Optisk registrering av suprathreshold nevrale aktiviteten med encellede og single-spike oppløsning
Summary
Forstå funksjonen av virveldyr sentralnervesystemet trenger opptak fra mange neuroner fordi kortikal funksjon oppstår på nivået av populasjoner av nerveceller. Her beskriver vi en optisk metode for å registrere suprathreshold nevrale aktiviteten med encellede og single-spike oppløsning, rastrert tilfeldig tilgang skanning. Denne metoden registrerer somatiske fluorescens kalsium signaler fra opptil 100 nevroner med høy tidsoppløsning. Maksimalt-likelihood algoritme deconvolves den underliggende suprathreshold nevrale aktiviteten fra de somatiske fluorescens kalsium signaler. Denne metoden registrerer pålitelig pigger med høy deteksjon virkningsgrad og lav hastighet på falske positiver og kan brukes til å studere nevrale populasjoner<em> In vitro</em> Og<em> In vivo</em>.
Abstract
Signaliserer informasjon i virveldyr sentrale nervesystemet er ofte båret av populasjoner av nerveceller i stedet for individuelle nerveceller. Også spredning av suprathreshold skyter aktivitet innebærer bestander av nerveceller. Empiriske studier adressering kortikal funksjon direkte dermed kreve opptak fra populasjoner av nerveceller med høy oppløsning. Her beskriver vi en optisk metode og et dekonvolusjon algoritme for å registrere nevrale aktiviteten fra opp til 100 nevroner med encellede og single-spike oppløsning. Denne metoden er avhengig av påvisning av forbigående økninger i intracellulær somatisk kalsiumkonsentrasjon forbundet med suprathreshold elektriske spikes (aksjonspotensialer) i kortikale nevroner. Høy tidsoppløsning av de optiske opptak oppnås ved en rask tilfeldig tilgang skanning teknikken med Akusto optiske deflektorer (AODs) 1. To-foton eksitasjon av kalsium-følsom dye resulterer i høy romlig oppløsning i ugjennomsiktig hjernen tissaksøke 2. Rekonstruksjon av pigger fra fluorescens kalsium opptak oppnås ved en maksimum-likelihood metoden. Samtidige elektrofysiologiske og optiske innspillinger indikerer at vår metode pålitelig registrerer spisser (> 97% topp deteksjon effektivitet), har en lav hastighet på falske positive spike deteksjon (<0,003 pigger / s), og en høy tidsmessig presisjon (ca 3 ms) 3. Denne optisk metode til nålen deteksjon kan brukes til å registrere nevrale aktivitet de vitro og i bedøvede dyr in vivo 3,4.
Protocol
Discussion
Utjamna tilfeldig tilgang skanning oppdager indirekte suprathreshold skyter aktivitet fra økninger i intracellulært somatisk kalsium knyttet til hver topp i et nevron somata. Økningene i intracellulær kalsium oppdages av fluorescerende kalsium fargestoffer. Begrensningene ved rastrert tilfeldig tilgang skanning oppstå i hovedsak fra den begrensede signal-til-støy-forhold av kalsium fluorescence signaler. Signal-til-støy-forhold er i sin tur er begrenset av photodamage, som ikke tillater bruk av høye eksitasjon p…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker Dr. Randy Chitwood for kritisk lesing av manuskriptet. Dette arbeidet ble støttet av Whitehall Foundation og Alfred P. Sloan Foundation tilskudd til HJK.
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
| Optical components are listed in order, starting from the laser | |||
| Titan:Sapphire Laser | Coherent Inc. | Chameleon Ultra 2 | High power output recommended (>2W at 900 nm) |
| Achromatic lens f = 30 mm | Thor labs | AC254-030-B | Anti-reflection (AR) coating for 650-1050 nm |
| Achromatic lens f = 100 mm | Thor labs | AC254-100-B | AR 650-1050 nm |
| lens f = 75 mm | Thor labs | LA1608-B | AR 650-1050 nm |
| lens f = 175 mm | Thor labs | LA1229-B | AR 650-1050 nm |
| Achromatic lens f = 300 mm | Thor labs | AC254-300-B | AR 650-1050 nm |
| Achromatic lens f = 100 mm | Thor labs | AC254-100-B | AR 650-1050 nm |
| Achromatic lens f = 100 mm | Thor labs | AC254-100-B | AR 650-1050 nm |
| Acousto-optical deflectors | Intraaction Corp | ATD 6510CD2 | |
| Reflective diffraction grating | Newport | 53-011R | 100 grooves/mm for AODs with 65 MHz bandwidth and scan angle of 45 mrad |
| 21.6 mm Brewster prisms | Lambda Research Optics Inc. | IBP21.6SF10 | |
| Colored Glass | Schott | BG-39 | |
| Dichroic mirror | Chroma Technology Corp | Z532RDC | |
| Photomultiplier modules | Hamamatsu | H9305-03 | |
| DAC-ADC board | National Instruments | PCI-6115 | |
| Oregon Green 488 Bapta-1 AM | Invitrogen | O-6807 |
References
- Iyer, V., Hoogland, T. M., Saggau, P. Fast functional imaging of single neurons using random-access multiphoton (RAMP) microscopy. J. Neurophysiol. 95, 535-545 (2006).
- Denk, W., Strickler, J. H., Webb, W. W. Two-photon laser scanning fluorescence microscopy. Science. 248, 73 (1990).
- Ranganathan, G. N., Koester, H. J. Optical recording of neuronal spiking activity from unbiased populations of neurons with high spike detection efficiency and high temporal precision. J. Neurophysiol. 104, 1812-1824 (2010).
- Grewe, B. F., Langer, D., Kasper, H., Kampa, B. M., Helmchen, F. High-speed in vivo calcium imaging reveals neuronal network activity with near-millisecond precision. Nat. Methods. 7, 399-405 (2010).
- Stosiek, C., Garaschuk, O., Holthoff, K., Konnerth, A. In vivo two-photon calcium imaging of neuronal networks. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 100, 7319-7324 (2003).
- Pita-Almenar, J. D., Ranganathan, G. N., Koester, H. J. Impact of cortical plasticity on information signaled by populations of neurons in the cerebral cortex. J. Neurophysiol. 106, 1118-1124 (2011).
- Kerr, J. N., Greenberg, D., Helmchen, F. Imaging input and output of neocortical networks in vivo. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102, 14063-14068 (2005).
- Lin, B. J., Chen, T. W., Schild, D. Cell type-specific relationships between spiking and [Ca2+]i in neurons of the Xenopus tadpole olfactory bulb. J. Physiol. 582, 163-175 (2007).
- Zeng, S., Lv, X., Zhan, C., Chen, W. R. Simultaneous compensation for spatial and temporal dispersion of acousto-optical deflectors for two-dimensional scanning with a single prism. Opt. Lett. 31, 1091-1093 (2006).
- Otsu, Y., Bormuth, V., Wong, J., Mathieu, B. Optical monitoring of neuronal activity at high frame rate with a digital random-access multiphoton (RAMP) microscope. J. Neurosci. Methods. 173, 259-270 (2008).
- Vogelstein, J. T., Watson, B. O., Packer, A. M., Yuste, R. Spike inference from calcium imaging using sequential Monte Carlo methods. Biophys. J. 97, 636-655 (2009).
- Yaksi, E., Friedrich, R. W. Reconstruction of firing rate changes across neuronal populations by temporally deconvolved Ca2+ imaging. Nat. Methods. 3, 377-383 (2006).
- Hendel, T., Mank, M., Schnell, B., Griesbeck, O. Fluorescence changes of genetic calcium indicators and OGB-1 correlated with neural activity and calcium in vivo and in vitro. J. Neurosci. 28, 7399-7411 (2008).
- Ranganathan, G. N., Koester, H. J. Correlations decrease with propagation of spiking activity in the mouse barrel cortex. Front Neural Circuits. 5, 8 (2011).
