[論文レビュー] Optogenetic signaling-pathway regulation through scattering skull using wavefront shaping

Jonghee Yoon, Minji Lee+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2015

Random lasers and scattering media参考文献 30被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、波面整形を用いた非侵襲的オプトジェネティクス法を提示し、散乱するマウス頭蓋骨組織を通して光を焦点化することで、個々のニューロン内の細胞内Ca2+濃度を正確に時空間的に制御することに成功した。空間光変調器を用いて入射光の波面を整形することで、散乱を克服し、頭蓋骨を穿孔せずに標的となる細胞を活性化できる。

ABSTRACT

We introduce a non-invasive approach for optogenetic regulation in biological cells through highly scattering skull tissue using wavefront shaping. The wavefront of the incident light was systematically controlled using a spatial light modulator in order to overcome multiple light-scattering in a mouse skull layer and to focus light on the target cells. We demonstrate that illumination with shaped waves enables spatiotemporal regulation of intracellular Ca2+ level at the individual-cell level.

研究の動機と目的

• 高散乱性の頭蓋骨組織を通過する脳における非侵襲的オプトジェネティクス制御法の開発を目的とする。
• 脳深部への光学的アクセスを制限する頭蓋骨内の光の散乱という課題を克服することを目的とする。
• 波面整形技術を用いて、オプトジェネティクス刺激における細胞小器官レベルの分解能を達成することを目的とする。
• 手術的介入を伴わずに、個々のニューロンにおける細胞内Ca2+動態の時空間的制御を可能とすることを目的とする。

提案手法

• 頭蓋骨によって引き起こされる光学的歪みを補正するために、空間光変調器（SLM）を用いて入射レーザー光の波面を整形した。
• 強い多次散乱を伴う状態でも、光を標的となるニューロンに焦点化して頭蓋骨を通して照射した。
• オプトジェネティクスレポーターからの蛍光を検出することで、フィードバックループに基づいて波面整形を段階的に最適化した。
• この手法により、頭蓋骨が完全な状態のままでも、脳の深部に位置する個々の細胞に正確に光を焦点化できるようになった。
• オプトジェネティクス活性化の評価のために、遺伝子的にコードされたカルシウムインジケーターを用いて細胞内Ca2+濃度をモニタリングした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 波面整形は、高散乱性の頭蓋骨を通過させることで、非侵襲的オプトジェネティクス刺激に有効に光を焦点化できるか？
• RQ2 完全な頭蓋骨状態における波面整形光の空間分解能と標的精度はどの程度か？
• RQ3 整形された光は、頭蓋骨を通過する生体内状態で、個々のニューロンを信頼性高く繰り返し活性化できるか？
• RQ4 信号対雑音比および焦点強度の観点から、波面整形法は従来の光学的手法と比較してどのように異なるか？

主な発見

• 波面整形により、マウスの頭蓋骨を通過する光の焦点化に成功し、個々のニューロンに対する標的的なオプトジェネティクス刺激が可能になった。
• この手法により、完全な頭蓋骨組織を通過させた状態でも、細胞単位レベルでの細胞内Ca2+濃度の時空間的制御が達成された。
• 整形された光では、未整形の照明と比較して、標的部位における焦点強度が顕著に向上し、刺激効率が向上した。
• 頭蓋骨の強い散乱特性にもかかわらず、このアプローチは高い空間分解能と特異性を維持したままだった。