Optisk registrering af suprathreshold neurale aktivitet med enkelt-celle-og single-spike opløsning
Summary
Forstå funktionen af hvirveldyr centralnervesystemet kræver optagelser fra mange neuroner, fordi cortical funktion opstår ved størrelsen af populationer af neuroner. Her beskriver vi en optisk metode til at registrere suprathreshold neurale aktivitet med enkelt-celle-og single-spike opløsning, dithered random-access-scanning. Denne metode optegnelser somatiske fluorescens calcium-signaler fra op til 100 neuroner med høj tidsopløsning. En maksimal-sandsynlighed algoritme deconvolves den underliggende suprathreshold neurale aktivitet fra de somatiske fluorescens calcium signaler. Denne metode detekterer spikes med høj detektion effektivitet og en lav falsk positive og kan anvendes til at studere neurale populationer<em> In vitro</em> Og<em> In vivo</em>.
Abstract
Signalering af oplysninger i hvirveldyr centrale nervesystem er ofte båret af populationer af neuroner snarere end individuelle neuroner. Også udbredelsen af suprathreshold spiking aktivitet indebærer populationer af neuroner. Empiriske undersøgelser vedrørende cortical funktion direkte derfor kræver optagelser fra populationer af neuroner med høj opløsning. Her beskriver vi en optisk metode og en dekonvolution algoritme til at optage neurale aktivitet fra op til 100 neuroner med enkelt-celle-og single-spike opløsning. Denne metode er baseret på påvisning af forbigående stigninger i intracellulær somatisk calciumkoncentration forbundet med suprathreshold elektriske pigge (aktionspotentialer) i kortikale neuroner. Høj tidsmæssig opløsning af de optiske optagelser opnås ved en hurtig random-access-scanning, hvor der anvendes akustooptiske deflektorer (AODs) 1. To-foton excitation af calcium-sensitive farvestof resulterer i høj rumlig opløsning i uigennemsigtige hjerne tissagsøge 2. Rekonstruktion af spidserne fra den fluorescens calcium optagelser opnås ved en maksimal sandsynlighed-metode. Samtidige elektrofysiologiske og optiske optagelser viser, at vores metode pålideligt detekterer spikes (> 97% spike afsløring effektivitet), har en lav falsk positiv spike detektion (<0,003 spikes / s), og en stor tidsmæssig præcision (ca. 3 ms) 3. Denne optiske fremgangsmåde til spike detektion kan anvendes til at registrere neurale aktivitet in vitro og in bedøvede dyr in vivo 3,4.
Protocol
Discussion
Dithered random-access-scanning indirekte registrerer suprathreshold spiking aktivitet fra stigningerne i intracellulær somatisk calcium forbundet med hver stigning i et neuron somata. De stigninger i intracellulært calcium påvises ved fluorescerende calcium farvestoffer. Begrænsningerne ved dithered random-access-scanning skyldes i stor udstrækning af den begrænsede signal-støj-forholdet for calcium-fluorescenssignaler. The signal-støj-forhold er igen begrænset af lysbeskadigelse, som ikke tillader anvendelse …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker Dr. Randy Chitwood for kritisk læsning af manuskriptet. Dette arbejde blev støttet af Whitehall Foundation og Alfred P. Sloan Foundation tilskud 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).
