Optisk inspelning av suprathreshold neural aktivitet med encelliga och single-spik upplösning
Summary
Förstå funktionen hos vertebraten centrala nervsystemet kräver inspelningar från många neuroner eftersom kortikal funktion uppstår på nivån av populationer av neuroner. Här beskriver vi en optisk metod för att registrera suprathreshold neural aktivitet med encelliga och enda spik upplösning, rastrerade random-access scanning. Denna metod spelar in somatiska fluorescens kalcium signaler från upp till 100 nervceller med hög tidsupplösning. En maximal sannolikhet algoritm deconvolves underliggande suprathreshold neural aktivitet från de somatiska fluorescens kalcium signaler. Denna metod upptäcker tillförlitligt toppar med hög upptäckt effektivitet och en låg grad av falsklarm och kan användas för att studera neurala populationer<em> In vitro</em> Och<em> In vivo</em>.
Abstract
Signalering av information i ryggradsdjur centrala nervsystemet är ofta bärs av populationer av nervceller snarare än enskilda neuroner. Även spridningen av suprathreshold tillsatta verksamhet innefattar populationer av nervceller. Empiriska studier som behandlar kortikal funktion direkt kräver således inspelningar från populationer av nervceller med hög upplösning. Här beskriver vi en optisk metod och en avfaltning algoritm för att registrera neural aktivitet från upp till 100 nervceller med en enda cell och enda spik upplösning. Denna metod bygger på detektering av övergående ökningar av intracellulär somatisk kalciumkoncentration i samband med suprathreshold elektriska spikar (aktionspotentialer) i kortikala neuron. Hög temporal upplösning av de optiska inspelningar uppnås genom en snabb direktminne avsökningsteknik med akusto-optiska deflektorer (AODs) 1. Tvåfotonexcitering av kalcium-känsligt färgämne resulterar i hög rymdupplösning i ogenomskinliga hjärnan tisstämma 2. Rekonstruktion av spikar från fluorescensen kalcium inspelningar uppnås genom en maximal sannolikhet metoden. Samtidig elektrofysiologiska och optiska inspelningar visar att vår metod tillförlitligt upptäcker spikar (> 97% spik upptäckt effektivitet), har en låg falskt positiva spik detektion (<0,003 spikar / s) och en hög tidsmässig precision (ca 3 ms) 3. Denna optiska metod spik detektering kan användas för att registrera neural aktivitet in vitro och i bedövade djur in vivo 3,4.
Protocol
Discussion
Gitter random-access scanning känner indirekt suprathreshold tillsatta aktivitet från de höjningar av intracellulärt somatisk kalcium i samband med varje spik i en neuron somata. Ökningarna i intracellulärt kalcium detekteras genom fluorescerande kalcium färgämnen. Begränsningarna hos gitter direktminne skanning uppstår huvudsakligen från den begränsade signalen-till-brusförhållandet för signalerna kalcium fluorescens. Signal-till-brus-förhållandet är i sin tur begränsas av fotoskador, som inte tillå…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi tackar Dr Randy Chitwood för kritiskt läsa manuskriptet. Detta arbete stöddes av Whitehall stiftelsen och Alfred P. Sloan Foundation för att 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).
