הקלטה אופטית של פעילות עצבית suprathreshold עם רזולוצית תא בודד ויחיד ספייק
Summary
הבנת התפקוד של מערכת העצבים מרכזי החוליות דורשת הקלטות מנוירונים רבים בגלל תפקוד קליפת המוח מתעורר ברמה של אוכלוסיות של נוירונים. כאן אנו מתארים שיטה אופטית להקלטת פעילות עצבית suprathreshold עם רזולוצית תא בודד ויחיד ספייק, התלבטה סריקה בגישה אקראית. זה מסמל שיטה רשום סומטיות קרינת סיד מעד 100 נוירונים עם רזולוציה גבוהה זמנית. אלגוריתם מקסימאלי סבירות deconvolves הפעילות העצבית suprathreshold הבסיסית מאותות סיד הקרינה סומטיות. שיטה זו אמינה מזהה קוצים עם איתור יעיל גבוהים ושיעור נמוך של תוצאות חיוביות שגויות ויכולה לשמש כדי לחקור אוכלוסיות עצביות<em> במבחנה</em> ו<em> In vivo</em>.
Abstract
איתות של מידע במערכת העצבים מרכזי החוליות לעתים קרובות מבוצעת על ידי אוכלוסיות של תאי עצב ולא נוירונים בודדים. גם התפשטות של פעילות spiking suprathreshold כרוכת אוכלוסיות של נוירונים. מחקרים אמפיריים העוסקים בתפקוד של קליפת המוח באופן ישיר ובכך מחייבים הקלטות מאוכלוסיות של נוירונים עם רזולוציה גבוהה. כאן אנו מתארים שיטה אופטית ואלגוריתם deconvolution להקליט פעילות עצבית מהמרחק של עד 100 נוירונים עם החלטה אחת תא וחד ספייק. שיטה זו מסתמכת על גילוי של העליות החולפות בריכוז הסידן תוך תאי הגופני קשור עם קוצי חשמל suprathreshold (פוטנציאל פעולה) בנוירונים בקליפת המוח. רזולוציה גבוהה זמנית של ההקלטות האופטיות מושגת על ידי טכניקת סריקה מהירה בגישה אקראית באמצעות deflectors acousto אופטי (AODs) 1. עירור שני פוטונים של התוצאות בסידן רגיש צבע ברזולוציה מרחבית גבוהה בtis המוח האטוםלתבוע 2. שיקום של קוצים מהקלטות סיד הקרינה מושג על ידי שיטה מקסימלי סבירות. הקלטות אלקטרו אופטיות ובו זמנית מצביעות על כך שהשיטה שלנו אמינה מזהה קוצים (> 97% איתור יעיל ספייק), יש שיעור נמוך של זיהוי חיובי כוזב ספייק (<0.003 קוצים / ים), ודיוק גבוה זמני (כ 3 ms) 3. שיטה זו של זיהוי אופטית ספייק ניתן להשתמש כדי להקליט את הפעילות עצבית במבחנה בחיות מורדמות in vivo 3,4.
Protocol
Discussion
סריקה התלבטה בגישה אקראית בעקיפין מזהה פעילות suprathreshold spiking מהעליות בסיד סומטי תאי מקושר עם כל עלייה בsomata נוירון. העליות בסידן התאי מזוהות על ידי צבעי סיד ניאון. המגבלות של סריקת מיזוג צבעי גישה האקראית עולות במידה רבה משל יחס אות לרעש המוגבל של אותות קרינת סידן. יחס א?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים לד"ר רנדי Chitwood לקראו את כתב היד קשה. עבודה זו נתמכה על ידי קרן וייטהול ומענקי פ אלפרד סלואן הקרן לHJK.
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).
