[論文レビュー] Functional imaging of ganglion and receptor cells in living human retina by osmotic contrast

Clara Pfäffle, Dierck Hillmann+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2018

Retinal Development and Disorders参考文献 7被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、位相感受性光学コherenceトモグラフィー（OCT）を用いて、生体のヒト網膜において、光受容細胞と連合細胞の活動を同時に機能的イメージングすることに成功した。高度な運動アーチファクト低減法と位相解析を適用することで、網膜神経節細胞では光受容細胞に比べ10倍小さいがナノスケールの浸透圧的駆動による体積変化を解像し、網膜ニューロン間の機能的ワイヤリングをマッピング可能となった。また、イオンフラックスに起因する浸透圧の膨張と関連する理論的モデルも提示された。

ABSTRACT

Imaging neuronal activity non-invasively in vivo is of tremendous interest, but current imaging techniques lack either functional contrast or necessary microscopic resolution. The retina is the only part of the central nervous system (CNS) that allows us direct optical access. Not only ophthalmic diseases, but also many degenerative disorders of the CNS go along with pathological changes in the retina. Consequently, functional analysis of retinal neurons could lead to an earlier and better diagnosis and understanding of those diseases. Recently, we showed that an activation of photoreceptor cells could be visualized in humans using a phase sensitive evaluation of optical coherence tomography data. The optical path length of the outer segments changes by a few hundred nanometers in response to optical stimulation. Here, we show simultaneous imaging of the activation of photoreceptor and ganglion cells. The signals from the ganglion cells are ten-fold smaller than those from the photoreceptor cells and were only visible using new algorithms for suppressing motion artifacts. This allowed us to generate a wiring diagram showing functional connections between photoreceptors and ganglion cells. We present a theoretical model that explains the observed intrinsic optical signals by osmotic volume changes, induced by ion influx or efflux. Since all neuronal activity is associated with ion fluxes, imaging osmotic induced size changes with nanometer precision should visualize activation in any neuron.

研究の動機と目的

• 現在の非侵襲的機能的イメージング技術の限界を克服し、生体のヒト網膜で近似細胞分解能で神経細胞活動を検出・イメージングすること。
• それぞれの浸透圧的駆動による体積変化を検出することで、光受容細胞と網膜神経節細胞の間の機能的結合を解明すること。
• 特に低振幅の網膜神経節細胞反応を対象として、網膜OCTデータから波長未満の位相差を抽出するために、高度な運動アーチファクト低減アルゴリズムを開発・適用すること。
• 神経細胞活性化に伴うイオンフラックスに起因する浸透圧的体積変化と関連する内在的光学信号を理論的に結びつけるモデルを検証すること。
• 形態的変化が現れる以前に網膜神経細胞の機能的変化を検出可能となることで、中枢神経系（CNS）疾患の早期診断を可能とすること。

提案手法

• 高速可変波長光源を備えたフルフィールドスイープ光源OCT（FF-SS-OCT）を用い、高時間分解能および高空間分解能で体積的かつ位相感受性な網膜画像を取得した。
• フーリエシフト定理を適用して、Aスキャン間における内段・外段（IS/OS）界面の軸方向再整合を実施し、位相解析に適した一貫した深さ基準を確保した。
• 光受容細胞のIS/OSとOS先端、網膜神経節細胞の網膜神経節細胞層（GCL）と内plexiform層（IPL）の間の位相差から、光学パス長（OPL）の変化を計算した。
• 脈動に起因する運動アーチファクト低減のため、位相差ヒストグラムの標準偏差が最小（位相ノイズが最小）となる基準ボリュームを選択する戦略を採用した。
• 横方向のガウスフィルタリングと、刺激期間における時間平均処理を施し、位相データのSNRを向上させた。
• 位相アンラップと背景位相ドリフトのモデルベース補正を実施し、刺激非依存の位相変動から真の神経細胞応答信号を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 位相感受性OCTを用いて、ヒト網膜神経節細胞の活動をナノメートルスケールの精度で生体でイメージングできるか？
• RQ2 理論的モデルが示唆するように、網膜ニューロンにおける浸透圧的駆動による体積変化が神経細胞活性化と相関しているか？
• RQ3 眼の脈動や微小動揺に起因する運動アーチファクトは、網膜神経節細胞における波長未満のOPL変化を解像するために効果的に低減可能か？
• RQ4 内在的光学信号のタイミング的・空間的相関性に基づいて、光受容細胞と網膜神経節細胞間の機能的接続をマッピング可能か？
• RQ5 網膜に観察された内在的光学信号は、神経細胞活動に伴うイオンフラックスに起因する浸透圧的体積変化に起因するか？

主な発見

• 光刺激に応じた光受容細胞外段のOPL変化が高精度で検出され、先行研究の結果を確認した。
• 網膜神経節細胞反応の信号振幅は光受容細胞に比べ約10倍小さく、低振幅神経活動の検出可能性を示した。
• 運動アーチファクト低減により、通常は眼の脈動や微小移動によって覆い隠されていた網膜神経節細胞反応が、信頼性を持って検出可能となった。
• 横方向のトランスレーションマップが作成され、網膜の異なる位置における光受容細胞と網膜神経節細胞間の機能的ワイヤリング接続が可視化された。
• 観察された内在的光学信号は、イオンフラックスに起因する浸透圧的体積変化に基づく理論的モデルで説明可能であり、活性化細胞の軸方向長さが予測で10％増加した。
• 本手法により、非侵襲的かつ細胞レベルでヒト網膜の神経活動を機能的イメージング可能となり、CNS疾患の早期診断への応用が期待される。