[논문 리뷰] Analytical and empirical measurement of fiber photometry signal volume in brain tissue

Marco Pisanello, Filippo Pisano외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 09.

Photoreceptor and optogenetics research참고 문헌 40인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 고유의 공형/2광자 현미경을 사용하여 뇌 조직에서 섬유 광도량측정의 효과적 신호 부피를 분석적이고 실험적으로 특성화한다. 여기서는 자극 및 수집 효율을 측정한다. 연구 결과, 80%의 신호가 섬유 끝에서 약 200 μm 떨어진 곳까지 퍼져 있는 10⁵–10⁶ μm³ 부피에서 기인함을 발견하여, 섬유 광도량측정 데이터의 정량적 공간 해석이 가능해진다.

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.

연구 동기 및 목표

• 뇌 조직에서 섬유 광도량측정 신호의 공간 범위에 대한 정량적 이해의 부족을 해결하기 위해.
• 광섬유 특성이 산산이 갈라진 뇌 조직에서 자극 및 형광 수집에 어떻게 영향을 미치는지 특성화하기 위해.
• 신경 조직에서 자극 및 수집 효율을 별도로 측정할 수 있는 방법을 개발하기 위해.
• 효과적 신호 부피를 정의함으로써 섬유 광도량측정 데이터에 대한 공간적으로 해석 가능한 프레임워크를 제공하기 위해.
• 용액 및 고정 뇌 조직에서의 실측 데이터로 분석 모델을 검증하기 위해.

제안 방법

• 자극 및 형광 수집 효율을 별도로 측정하기 위해 복합 공형 및 이광자 현미경 장치를 개발하였다.
• 가우시안 광선 전파 및 복사 전달 이론에 기반한 분석 모델을 사용하여 조직 내 빛 분포를 예측하였다.
• 모델 예측을 검증하기 위해 수용액 및 고정된 마우스 뇌 조직에서 실측 측정을 수행하였다.
• 섬유 끝에서 다양한 거리에 놓인 형광 비드 및 유전자로 발현된 칼슘 지표를 이용해 신호 수확량을 측정하였다.
• 전체 검출된 형광의 80% 기여를 하는 영역으로 효과적 신호 부피를 정의하였다.
• 200–400 μm 지름의 섬유를 사용한 표준 섬유 광도량측정 설정에 이 방법을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 뇌 조직에서 섬유 광도량측정이 어떤 효과적 공간 부피에서 신호를 수집하는가?
• RQ2 섬유 지름과 수치적 입실률이 자극 및 수집 부피에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 조직 산산이 갈라짐이 자극 및 형광 수집의 공간 분포를 얼마나 변화시키는가?
• RQ4 분석 모델이 생물학적 조직에서 실제 신호 부피를 얼마나 잘 예측하는가?
• RQ5 자극 및 수집 효율을 별도로 측정할 수 있는가가 섬유 광도량측정 데이터의 공간 해석을 향상시키는가?

주요 결과

• 섬유 광도량측정의 효과적 신호 부피는 10⁵–10⁶ μm³이며, 이 중 80%의 신호가 섬유 끝에서 약 200 μm 떨어진 영역에서 기인한다.
• 신호 수확 효율은 섬유 끝에서 멀어질수록 급격히 감소하며, 대부분의 감지 가능한 형광은 200 μm 이내에서 기인한다.
• 분석 모델은 용액 및 고정된 뇌 조직 모두에서 신호 부피를 정확히 예측하여, 공간 추정에 활용 가능함을 검증하였다.
• 섬유 지름과 수치적 입실률은 신호 부피의 공간 범위에 크게 영향을 미치며, 더 큰 섬유는 더 큰 부피에서 신호를 수확한다.
• 자기 독립적으로 측정한 자극 및 수집 효율은 수집이 신호 부피의 주요 제한 요소임을 드러냈다.
• 뇌 조직에서의 실측 검증을 통해 산산이 갈라짐이 수확 효율을 낮추지만, 모델은 여전히 예측 가능함을 확인하였다.