飞秒激光随机扫描测控神经回路的方法研究

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1、华中科技大学博士学位论文摘要*大脑的高级功能是神经回路协同作用的结果，神经回路及其信息处理原理是近年来脑科学研究的热点。虽然相关研究取得了一些重大成就，但对组成神经回路的各种细胞在信息处理中作用的研究进展缓慢。现有微电极阵列芯片技术难以确定单个神经元的网络定位，商品化的多光子成像系统的时间分辨率不高，难以满足快速变化神经功能信号的检测需求，同时神经回路活动控制也缺乏有效手段。基于声光偏转器和飞秒激光的随机扫描双光子荧光显微成像系统可实现快速探测并调控神经回路。但是神经活动快速探测中荧光染料选取和标记方法均不成熟，荧光信号分析方法也不完善。本文通过筛选钙荧光探针并探索其

2、标记方法，结合随机扫描双光子荧光显微成像技术，实现了神经元群落活动的同步探测，通过对钙荧光信号的解析，重建出神经元群落的电活动。通过脑片神经元电信号的光学探测，演示了随机扫描双光子荧光显微镜系统具有高时空分辨率；利用模拟数据、静态荧光样本和脑片神经元钙荧光信号，对随机扫描系统与线扫描模式数据的信噪比进行比较，证实随机扫描方式的灵活性以及信噪比可调特性。对脑片神经元膜电位和钙荧光信号联合检测，通过比较高频电刺激诱导下的神经元钙荧光信号的幅度和下降时间以及静态荧光强度等，筛选出Fluo-5F和Fura-2作为快速探测的钙荧光染料；通过电极依次注射钙染料的方法，实现了对神经

3、元群落钙荧光染料的标记；对高频电刺激下神经元不同部位的钙响应信号进行比较，揭示皮层锥体神经元距胞体50～100µm的顶树突是进行高频活动探测的最佳部位，解决了神经元钙信号探测中记录部位的选择问题。建立基于模板匹配和差分的钙荧光信号分析方法，用于细胞群落钙荧光信号的解析和电活动的重建。以模板匹配方法检测Fura-2荧光信号数据，并通过仿真数据的模拟检测以及实验数据检测，证实模板匹配法能够有效解析Fura-2荧光信号数据；提出并建立基于差分法检测Fluo-5F荧光信号，实现了Fluo-5F标记的神经回路电信号的有效重建。*本课题得到国家自然科学基金（30727002，30

4、700215）和国家高技术研究发展计划（2006AA02Z343）项目的资助。I华中科技大学博士学位论文此外，研究单个细胞在神经回路中的作用时，往往需要激活或者抑制特定的神经元。以飞秒激光直接照射能够诱导神经细胞的活动，实现了对神经回路非接触、无损、方便有效的控制，建立了一种神经回路连接的光学判别方法，绘制出神经回路功能连接拓扑图。关键词：神经回路随机扫描飞秒激光探测刺激II华中科技大学博士学位论文AbstractInthenervoussystem,alltypesofbrainfunctionareencodedindynamicpatternsofactivit

5、yinneuralcircuits.Althoughbreakthroughshavebeenachievedinsomerespects,buttheoperatingprinciplesininformationprocessingofvariouskindsofcellsconsistingtheneuralnetworksremainenigmatic.Althoughmulti-electrodeextracellularrecordingsenablesimultaneousrecordingsoftheactivitiesofhundredsofneur

6、ons,suchrecordingssamplefromwidelydistributedcellpopulationswithpoorlydefinedcelltypesandspatialrelationships.Thetemporalresolutionofcommercialtwo-photonlaserscanningmicroscopycannotsatisfytherequirementforthedetectionoffastfunctionalsignal,yettheprospectofdirectbraincontrolhasbeenlimit

7、edbylackingofsuitabletechniques.Arandomaccesstwo-photonfluorescencemicroscopeconstructedbasedonacousto-opticdeflectors(AODs)andafemtosecondlaserisanalternativeandcomplimentarytechniquewhichenableshigh-resolutionfunctionalimagingofneuralcircuits.However,theselectionandloadingofc