Давней целью нейробиологии было выяснение того, как нейронная активность in vivo связана с сенсорной обработкой, поведением, когнитивной обработкой и кортикальной обработкой. Исследователи попытались понять эту взаимосвязь, разработав широкий спектр оптических инструментов для визуализации кальция у свободно движущихся животных.
Требования к визуализации кальция in vivo варьируются в зависимости от разрешения изображения, модели животного, поля зрения, сбора данных и области мозга. С различной степенью требований существуют различные инструменты визуализации кальция, доступные для полного понимания сложной связи мозговой активности и их функции.
Какие системы доступны для визуализации кальция in vivo?
1. Волоконная фотометрия
Волоконная фотометрия - это инструмент визуализации кальция in vivo, который обнаруживает средние изменения интенсивности флуоресценции от нервной активности популяции в пределах выбранной области свободно движущегося животного (Cui et al. 2014). Имплантированная оптическая канюля, соединенная с оптическим волокном, позволяет доставлять и регистрировать свет. Полученный сигнал затем собирается внешним устройством визуализации (фотоприемником, фотоэлектронным умножителем или камерой).
Сбор данных волоконной фотометрии ограничен активностью на популяционном уровне без клеточного разрешения для визуализации отдельных нейронов. Преимущество низкого разрешения - небольшие файлы данных, быстрый сбор и простая интерпретация данных, в отличие от других современных инструментов визуализации кальция. Таким образом, волоконная фотометрия обеспечивает низкий входной барьер для новых лабораторий, желающих начать использовать кальциевую визуализацию или провести практические исследования.
Легкая конструкция и менее инвазивные операции позволяют проводить волоконную фотометрию одновременно в нескольких областях мозга. Мультизональная волоконная фотометрия выполняется с помощью многоволоконного патч-корда и снимается на камеру для сбора данных (Kim et al. 2016). Для сравнения, в эксперименте по фотометрии одной области используется один патч-корд, а сигнал захватывается с помощью фотоприемника или фотоэлектронного умножителя.
Облегченное оборудование, необходимое для волоконной фотометрии, помогает увеличить продолжительность экспериментов и уменьшить посторонние факторы (например, стресс), позволяя наблюдать более естественное поведение животных во время экспериментов. Кроме того, некоторые системы могут быть использованы с поворотным шарниром для свободного передвижения во время экспериментов.
Волоконная фотометрия - это полезный инструмент, который может помочь нам лучше понять низкоуровневые схемы в мозге. Упрощенная конструкция и вывод данных этого инструмента обеспечивают хорошую отправную точку для визуализации кальция in vivo.
Стандартная установка для волоконной фотометрии
2. Минископ
Минископ - это миниатюрный микроскоп, который устанавливается на голове животного для изображения нервной активности у свободно движущегося животного (Ghosh et al. 2011). Соединяя минископ с имплантированной GRIN линзой (изображение мозга на глубине) или кортикальным окном (кора головного мозга), вы можете получить изображение отдельных нейронов в свободно движущемся животном. Конструкция минископа по существу такая же, как у однофотонного микроскопа, состоящего из соответствующих линз, светодиодов, фильтров и камеры.
Конструкция минископа открыла возможность изображения активности тысяч отдельных нейронов у свободно движущихся животных (Ghosh et al. 2011). Возможности свободного передвижения поддерживаются благодаря уменьшенному весу минископа, который имеет вес около 2 г со всеми компонентами, интегрированными в одну систему. Минископ обеспечивает поле зрения, которое определяется размером имплантированной линзы GRIN (диаметр линзы от 0.5 мм до 1 мм), а выбор линзы GRIN будет зависеть от необходимого размера области для визуализации.
Последние тенденции в технологии минископов позволили исследователям провести двухцветную визуализацию, беспроводную визуализации кальция, и двухфотонную визуализации кальция в свободно движущихся животных (Zong et al. 2017; Shuman et al. 2020).
Миниатюрная конструкция и все компоненты, интегрированные на голове животного, позволяют животному свободно передвигаться, но частично ограничивают компоненты возможные для интегрирования. К ним относятся низкоуровневые камеры с низкой чувствительностью и высоким уровнем шума, не способные к высокому разрешению клеточной визуализации, а количество длин волн, которые они могут освещать, в настоящее время ограничено одной или двумя. Таким образом, возможности этой системы и возможность для будущих модернизаций в настоящее время ограничены.
Минископы продвинули наше понимание нейронной активности. Эта система может обеспечить дальнейшее понимание активности больших популяций нейронов для визуализации кальция у свободно движущихся животных.
Стандартная схема минископа
3. Оптический волоконный эндоскоп
Оптический фиброскоп, такой как OASIS Implant от Mightex, представляет собой полностью оптическую систему, которая позволяет получать изображения кальция с разрешением в одну клетку у свободно движущихся животных с помощью визуализирующего волокна. Съемное визуализирующее волокно в сочетании с GRIN линзой, имплантированной в головной мозг или кортикальное окно, обеспечивает кальциевую визуализацию мозга на глубине, коре или спинном мозге свободно двигающегося животного.
Визуализирующее волокно состоит из тысяч отдельных микроволокон для изображения сотен отдельных нейронов у свободно двигающихся животных. Оптический фиброскоп также может быть использован для выполнения визуализации на уровне популяции, как и волоконная фотометрия. Это позволяет исследователям начать эксперименты с волоконной фотометрией, а затем углубиться в нее с помощью одноклеточной кальциевой визуализации. Как и в минископе, поле обзора оптического фиброскопа определяется размером имплантированной GRIN линзы.
С помощью оптического волоконного микроскопа можно выполнять широкий спектр приложений для визуализации кальция, таких как двухцветная визуализация и многозональная кальциевая визуализация. Оптический фиброскоп - единственная система, которая может отображать несколько областей мозга с клеточным разрешением для наблюдения за отдельными клетками у свободно двигающегося животного.
Гибкое волокно для визуализации и вес головного устройства очень малы (всего 0,7 г). А по сравнению с минископом, вся электроника не требует подключения к голове животного. Таким образом, продолжительность экспериментов может быть увеличена, а внешние факторы (например, стресс) могут быть уменьшены, что позволяет наблюдать более естественное поведение животных. В добавок, недавнее внедрение сложной вращающейся системы позволяет более удобное проведение экспериментов со свободным поведением животных.
Оптический фиброскоп - это идеальный гибкий инструмент, помогающий понять, как одноклеточные взаимодействия участвуют в передовых функциях мозга, что невозможно при использовании других современных технологий.
Стандартная схема оптического волоконного микроскопа
