Optische registratie van suprathreshold neurale activiteit met single-cell en single-spike resolutie
Summary
Inzicht in de functie van de gewervelde centrale zenuwstelsel heeft opnames van vele neuronen omdat corticale functie ontstaat op het niveau van populaties van neuronen. Hier hebben we een optische methode om suprathreshold neurale activiteit op te nemen met single-cell en single-spike resolutie te beschrijven, dithered random-access scanning. Deze methode neemt somatische fluorescentie calcium signalen van tot 100 neuronen met een hoge temporele resolutie. Een maximum-likelihood-algoritme deconvolves de onderliggende suprathreshold neurale activiteit van de somatische fluorescentie calcium signalen. Deze methode detecteert betrouwbaar spikes met een hoge detectie-efficiëntie en een laag aantal valse meldingen en kan worden gebruikt om neurale populaties te bestuderen<em> In vitro</em> En<em> In vivo</em>.
Abstract
Signalering van informatie in de gewervelde centrale zenuwstelsel wordt vaak gedragen door populaties van neuronen in plaats van individuele neuronen. Ook de verspreiding van suprathreshold spiking activiteit betrekking populaties van neuronen. Empirische studies over corticale functie direct vereist dus opnamen van populaties van neuronen met een hoge resolutie. Hier beschrijven we een optische methode en deconvolutie algoritme neurale activiteit opnemen tot 100 neuronen met single-cell en single-spike resolutie. Deze methode berust op detectie van de tijdelijke toename in intracellulaire calciumconcentratie somatische verbonden suprathreshold elektrische pieken (actiepotentialen) in corticale neuronen. Hoge tijdsresolutie van het optische opname wordt bereikt door een snelle willekeurige toegang scantechniek gebruik acousto-optische deflectoren (gedelegeerd ordonnateur) 1. Twee-fotonexcitatie van de calcium-gevoelige kleurstof resulteert in hoge ruimtelijke resolutie in ondoorzichtige hersenen tisaanklagen 2. Reconstructie van spikes van de fluorescentie calcium opnamen wordt bereikt door een maximum-likelihood methode. Gelijktijdig elektrofysiologische en optische opnamen geven aan dat onze methode betrouwbaar spikes (> 97% spike detectie-efficiëntie) detecteert, heeft een laag aantal valse positieve spike detectie (<0,003 spikes / s) en een hoge temporele precisie (ongeveer 3 ms) 3. Deze optische methode spike detectie kan worden gebruikt om neurale activiteit opnemen in vitro en in vivo in dieren verdoofd 3,4.
Protocol
Discussion
Geditherde random-access scanning detecteert indirect suprathreshold spiking activiteit van de stijging van de intracellulaire calcium somatische die bij elke piek in een neuron somata. De toename in intracellulaire calcium gedetecteerd door fluorescente kleurstoffen calcium. De beperkingen van geditherde random-access scanning zijn grotendeels uit de beperkte signaal-ruisverhouding van het calcium fluorescentiesignalen. De signaal-ruisverhouding weer beperkt door zonbeschadigde, waarvan geen gebruik van hoge excitatie …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij danken dr. Randy Chitwood voor het kritisch lezen van het manuscript. Dit werk werd ondersteund door de Whitehall Foundation en de Alfred P. Sloan Foundation subsidies aan HJK.
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
| Optical components are listed in order, starting from the laser | |||
| Titan:Sapphire Laser | Coherent Inc. | Chameleon Ultra 2 | High power output recommended (>2W at 900 nm) |
| Achromatic lens f = 30 mm | Thor labs | AC254-030-B | Anti-reflection (AR) coating for 650-1050 nm |
| Achromatic lens f = 100 mm | Thor labs | AC254-100-B | AR 650-1050 nm |
| lens f = 75 mm | Thor labs | LA1608-B | AR 650-1050 nm |
| lens f = 175 mm | Thor labs | LA1229-B | AR 650-1050 nm |
| Achromatic lens f = 300 mm | Thor labs | AC254-300-B | AR 650-1050 nm |
| Achromatic lens f = 100 mm | Thor labs | AC254-100-B | AR 650-1050 nm |
| Achromatic lens f = 100 mm | Thor labs | AC254-100-B | AR 650-1050 nm |
| Acousto-optical deflectors | Intraaction Corp | ATD 6510CD2 | |
| Reflective diffraction grating | Newport | 53-011R | 100 grooves/mm for AODs with 65 MHz bandwidth and scan angle of 45 mrad |
| 21.6 mm Brewster prisms | Lambda Research Optics Inc. | IBP21.6SF10 | |
| Colored Glass | Schott | BG-39 | |
| Dichroic mirror | Chroma Technology Corp | Z532RDC | |
| Photomultiplier modules | Hamamatsu | H9305-03 | |
| DAC-ADC board | National Instruments | PCI-6115 | |
| Oregon Green 488 Bapta-1 AM | Invitrogen | O-6807 |
References
- Iyer, V., Hoogland, T. M., Saggau, P. Fast functional imaging of single neurons using random-access multiphoton (RAMP) microscopy. J. Neurophysiol. 95, 535-545 (2006).
- Denk, W., Strickler, J. H., Webb, W. W. Two-photon laser scanning fluorescence microscopy. Science. 248, 73 (1990).
- Ranganathan, G. N., Koester, H. J. Optical recording of neuronal spiking activity from unbiased populations of neurons with high spike detection efficiency and high temporal precision. J. Neurophysiol. 104, 1812-1824 (2010).
- Grewe, B. F., Langer, D., Kasper, H., Kampa, B. M., Helmchen, F. High-speed in vivo calcium imaging reveals neuronal network activity with near-millisecond precision. Nat. Methods. 7, 399-405 (2010).
- Stosiek, C., Garaschuk, O., Holthoff, K., Konnerth, A. In vivo two-photon calcium imaging of neuronal networks. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 100, 7319-7324 (2003).
- Pita-Almenar, J. D., Ranganathan, G. N., Koester, H. J. Impact of cortical plasticity on information signaled by populations of neurons in the cerebral cortex. J. Neurophysiol. 106, 1118-1124 (2011).
- Kerr, J. N., Greenberg, D., Helmchen, F. Imaging input and output of neocortical networks in vivo. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102, 14063-14068 (2005).
- Lin, B. J., Chen, T. W., Schild, D. Cell type-specific relationships between spiking and [Ca2+]i in neurons of the Xenopus tadpole olfactory bulb. J. Physiol. 582, 163-175 (2007).
- Zeng, S., Lv, X., Zhan, C., Chen, W. R. Simultaneous compensation for spatial and temporal dispersion of acousto-optical deflectors for two-dimensional scanning with a single prism. Opt. Lett. 31, 1091-1093 (2006).
- Otsu, Y., Bormuth, V., Wong, J., Mathieu, B. Optical monitoring of neuronal activity at high frame rate with a digital random-access multiphoton (RAMP) microscope. J. Neurosci. Methods. 173, 259-270 (2008).
- Vogelstein, J. T., Watson, B. O., Packer, A. M., Yuste, R. Spike inference from calcium imaging using sequential Monte Carlo methods. Biophys. J. 97, 636-655 (2009).
- Yaksi, E., Friedrich, R. W. Reconstruction of firing rate changes across neuronal populations by temporally deconvolved Ca2+ imaging. Nat. Methods. 3, 377-383 (2006).
- Hendel, T., Mank, M., Schnell, B., Griesbeck, O. Fluorescence changes of genetic calcium indicators and OGB-1 correlated with neural activity and calcium in vivo and in vitro. J. Neurosci. 28, 7399-7411 (2008).
- Ranganathan, G. N., Koester, H. J. Correlations decrease with propagation of spiking activity in the mouse barrel cortex. Front Neural Circuits. 5, 8 (2011).
