[论文解读] 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 7

一句话总结

本研究通过自制共聚焦/双光子显微镜，对脑组织中光纤光度法的有效信号体积进行了分析与实验表征，测量了激发与收集效率。研究发现，80%的信号源自距离光纤尖端约200 μm以内的10⁵–10⁶ μm³体积，从而实现了对光纤光度法数据的定量空间解读。

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.

研究动机与目标

• 解决脑组织中光纤光度法信号空间范围缺乏定量理解的问题。
• 表征光纤特性如何影响在散射性脑组织中的激发与荧光收集效率。
• 开发一种在神经组织中独立测量激发与收集效率的方法。
• 通过定义有效信号体积，为光纤光度法数据提供可空间解读的框架。
• 在溶液和离体脑组织中通过实测数据验证分析模型。

提出的方法

• 开发了结合共聚焦与双光子显微镜的装置，以分别测量激发与荧光收集效率。
• 基于高斯光束传播与辐射转移理论的分析模型，预测组织中的光分布。
• 在水溶液和离体小鼠脑组织中进行实测，以验证模型预测。
• 测量荧光微珠及基因编码钙指示剂在距离光纤尖端不同距离下的信号收集情况。
• 将有效信号体积定义为贡献80%总检测荧光的区域。
• 将该方法应用于标准光纤光度法配置，使用直径为200–400 μm的光纤。

实验结果

研究问题

• RQ1 光纤光度法在脑组织中收集信号的有效空间体积是多少？
• RQ2 光纤直径与数值孔径在多大程度上影响激发与收集体积？
• RQ3 组织散射在多大程度上改变了激发与荧光收集的空间分布？
• RQ4 分析模型在预测生物组织中实际信号体积方面表现如何？
• RQ5 能否通过独立测量激发与收集效率来改善光纤光度法数据的空间解读？

主要发现

• 光纤光度法的有效信号体积为10⁵–10⁶ μm³，其中80%的信号源自距离光纤尖端约200 μm以内的区域。
• 信号收集效率随距离光纤尖端的增加而迅速下降，绝大多数可检测荧光来自200 μm以内的区域。
• 分析模型在溶液和离体脑组织中均准确预测了信号体积，验证了其在空间估算中的适用性。
• 光纤直径与数值孔径显著影响信号体积的空间范围，直径更大的光纤可收集来自更大体积的信号。
• 独立测量激发与收集效率揭示，收集效率是决定信号体积的主要限制因素。
• 在脑组织中的实测验证表明，散射会降低信号收集效率（相比溶液），但模型预测能力依然可靠。