A gravação ótica da atividade neural supraliminares com resolução de uma única célula e um único pico
Summary
A compreensão da função do sistema nervoso central, dos vertebrados requer gravações de muitos neurónios porque a função cortical surge no nível de populações de neurónios. Aqui nós descrevemos um método óptico para registrar a atividade neural supraliminares com resolução de uma única célula e um único ponto, pontilhado de acesso aleatório de digitalização. Este método registra somáticas fluorescência sinais de cálcio de até 100 neurônios com alta resolução temporal. Um algoritmo de máxima verosimilhança deconvolves a actividade neural subjacente supraliminares a partir dos sinais de cálcio somáticas de fluorescência. Este método fiável detecta picos com elevada eficiência de detecção e uma baixa taxa de falsos positivos e pode ser usado para estudar as populações neuronais<em> In vitro</em> E<em> In vivo</em>.
Abstract
Sinalização de informação no sistema central nervoso dos vertebrados é frequentemente realizado por populações de neurónios, em vez de neurónios individuais. Também propagação da atividade spiking supraliminares envolve populações de neurônios. Estudos empíricos que abordam função cortical diretamente, portanto, exigem gravações de populações de neurônios com alta resolução. Aqui nós descrevemos um método óptico e um algoritmo de deconvolução para gravar a atividade neural de até 100 neurônios com resolução de uma única célula e um único ponto. Este método baseia-se na detecção de aumentos transientes na concentração de cálcio intracelular associada com picos somática supraliminares eléctricos (potenciais de acção) em neurónios corticais. Alta resolução temporal das gravações ópticas é conseguido através de um método rápido de acesso aleatório utilizando acústico-ópticos deflectores (EOA) 1. Dois fotões de excitação dos resultados de cálcio sensíveis corante em alta resolução espacial em tis cerebrais opacosprocessar 2. Reconstrução de picos de fluorescência das gravações de cálcio é conseguida por um método de máxima verosimilhança. Simultâneas gravações electrofisiológicos e óptica indicam que o nosso método fiável detecta pontos (> 97% de eficiência de detecção de pico), tem uma baixa taxa de falso positivo de detecção de pico (<0,003 espigas / s), e um de alta precisão temporal (cerca de 3 ms) 3. Este método de detecção óptica pico pode ser utilizado para registar a actividade neural in vitro e em animais anestesiados in vivo 3,4.
Protocol
Discussion
Digitalização de acesso aleatório Rasterizado indiretamente detecta atividade supraliminares spiking dos aumentos do cálcio intracelular somática associada a cada ponto em um somata neurônio. Os aumentos na concentração de cálcio intracelular são detectados por corantes fluorescentes de cálcio. As limitações da digitalização de acesso aleatório pontilhada surgem em grande parte a partir da relação de sinal-para-ruído limitado de sinais de fluorescência de cálcio. A razão sinal-para-ruído é, por s…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos ao Dr. Randy Chitwood pela leitura crítica do manuscrito. Este trabalho foi financiado pela Fundação de Whitehall e Alfred P. Sloan Foundation subsídios para 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).
