[論文レビュー] Analytical and empirical measurement of fiber photometry signal volume in brain tissue

Marco Pisanello, Filippo Pisano+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2018

Photoreceptor and optogenetics research参考文献 40被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、独自の共焦点/2光子顕微鏡を用いて励起および蛍光収集効率を測定することで、脳組織における繊維フォトメトリーの有効信号体積を解析的・実験的に特徴付けた。80%の信号が繊維先端から約200 μmの範囲にのびる10⁵–10⁶ μm³の体積から発生していることが判明し、神経回路研究における繊維フォトメトリーのデータの空間的解釈が可能になった。

ABSTRACT

Fiber photometry permits monitoring fluorescent indicators of neural activity in behaving animals. Optical fibers are typically used to excite and collect fluorescence from genetically-encoded calcium indicators expressed by a subset of neurons in a circuit of interest. However, a quantitative understanding of the brain volumes from which signal is collected and how this depends on the properties of the optical fibers are lacking. Here we analytically model and experimentally measure the light emission and collection fields for optical fibers in solution and scattering tissue, providing a comprehensive characterization of fibers commonly employed for fiber photometry. Since photometry signals depend on both excitation and collection efficiency, a combined confocal/2-photon microscope was developed to evaluate these parameters independently. We find that the 80% of the effective signal arises from a 10^5-10^6 um3 volume extending ~200 um from the fiber face, and thus permitting a spatial interpretation of measurements made with fiber photometry.

研究の動機と目的

• 脳組織における繊維フォトメトリー信号の空間的範囲について、定量的理解が不足している点を解消すること。
• 光学繊維の特性が散乱する脳組織内での励起および蛍光収集に与える影響を特徴付けること。
• 神経組織内での励起および収集効率を独立して測定する手法を開発すること。
• 有効信号体積を定義することで、繊維フォトメトリーのデータに対する空間的解釈可能なフレームワークを提供すること。
• 溶液および固定脳組織の両方で実験的測定を行い、解析モデルを検証すること。

提案手法

• 励起および蛍光収集効率を別々に測定できるように、共焦点と2光子顕微鏡を組み合わせた装置を開発した。
• ガウスビーム伝播および放射移動理論に基づく解析モデルを用いて、組織内での光分布を予測した。
• モデルの予測を検証するために、水溶液および固定マウス脳組織の両方で実験的測定を実施した。
• 繊維先端からの距離を変化させながら、蛍光ビーズおよび遺伝子的にコードされたカルシウムインジケーターからの信号収集を測定した。
• 全検出蛍光の80%を寄与する領域として有効信号体積を定義した。
• 200–400 μmの直径を有する繊維を用いた標準的な繊維フォトメトリー設定にこの手法を適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 脳組織における繊維フォトメトリーが信号を収集する有効空間的体積はどの程度か？
• RQ2 繊維の直径および数値孔径が励起および収集体積に与える影響は何か？
• RQ3 組織の散乱が励起および蛍光収集の空間的分布にどの程度影響を及えるか？
• RQ4 解析モデルは生物学的組織における実際の信号体積をどの程度正確に予測できるか？
• RQ5 励起および収集効率を独立して測定することで、繊維フォトメトリーのデータの空間的解釈はどの程度向上するか？

主な発見

• 繊維フォトメトリーの有効信号体積は10⁵–10⁶ μm³であり、その80%の信号が繊維先端から約200 μmの範囲から発生している。
• 信号収集効率は繊維からの距離とともに急激に低下し、大部分の検出可能な蛍光は200 μm以内から来ている。
• 解析モデルは溶液および固定脳組織の両方で信号体積を正確に予測しており、空間的推定に応用可能であることが検証された。
• 繊維の直径および数値孔径は信号体積の空間的範囲に顕著な影響を及ぼし、大きな繊維はより広い体積から信号を収集する。
• 励起および収集効率を独立して測定した結果、収集が信号体積の主な制限要因であることが判明した。
• 脳組織における実験的検証により、散乱が溶液と比較して信号収集効率を低下させることを確認したが、モデルは依然として予測的であった。