[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究提出一种非侵入性光遗传学方法，通过波前整形技术使光线穿透散射的小鼠颅骨组织，实现对单个神经元内钙离子浓度的精确时空控制。通过空间光调制器整形入射光波前，该方法克服了散射影响，在无需开颅手术的情况下实现了靶向细胞激活。

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.

研究动机与目标

• 开发一种通过高度散射的颅骨组织实现大脑非侵入性光遗传学控制的方法。
• 克服颅骨中光散射带来的深层组织光学穿透限制。
• 利用波前整形技术实现光遗传学刺激的亚细胞分辨率。
• 在无外科手术干预的情况下，实现对单个神经元内钙离子动态的时空调控。

提出的方法

• 使用空间光调制器（SLM）整形入射激光光的波前，以补偿由颅骨引起的光学像差。
• 通过小鼠颅骨传输光线，即使在强多重散射条件下，也能将光聚焦于目标神经元。
• 基于光遗传学报告基因检测到的荧光，通过反馈回路迭代优化波前整形。
• 该方法成功实现在完整颅骨组织下对大脑深处单个细胞的精确光聚焦。
• 利用基因编码的钙离子指示剂监测细胞内钙离子水平，以评估光遗传学激活效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 波前整形是否能够有效实现通过高度散射颅骨的光聚焦，从而实现非侵入性光遗传学刺激？
• RQ2 在完整颅骨条件下，波前整形光的空间分辨率和靶向准确性如何？
• RQ3 整形光是否能够在颅骨下可靠且可重复地激活单个神经元？
• RQ4 与传统光学方法相比，波前整形在信噪比和焦点强度方面表现如何？

主要发现

• 波前整形成功实现了通过小鼠颅骨的光聚焦，实现了对单个神经元的靶向光遗传学刺激。
• 该方法在完整颅骨组织下实现了对单个细胞水平内钙离子浓度的时空控制。
• 与未整形的照明相比，目标区域的焦点光强显著增强，提高了刺激效率。
• 尽管颅骨具有强散射特性，该方法仍保持了高空间分辨率和特异性。