Оптическая запись запороговой нейронной активности с одноклеточных и одного всплеска резолюции
Summary
Понимание функции позвоночных центральная нервная система требует записи из многих нейронов корковых функций, потому что возникает на уровне популяций нейронов. Здесь мы опишем метод оптической записи запороговой нейронной активности с одноклеточных и одного всплеска разрешение, сглаживание случайного доступа сканирования. Этот метод записи соматических флуоресценции кальций сигналов от до 100 нейронов с высоким временным разрешением. Максимального правдоподобия алгоритм deconvolves основной запороговой нейронной активности с соматическими сигналы флуоресценции кальций. Этот метод надежно обнаруживает шипы с высокой эффективностью обнаружения и низкий уровень ложных срабатываний и может быть использована для изучения нейронных популяций<em> В пробирке</em> И<em> В естественных условиях</em>.
Abstract
Сигнализация информации в позвоночных центральная нервная система часто осуществляется по популяции нейронов, а не отдельными нейронами. Также распространения запороговой деятельность включает в себя пики популяций нейронов. Эмпирические исследования решении корковых функций непосредственно, следовательно, требуют записи из популяций нейронов с высоким разрешением. Здесь мы опишем оптического метода и алгоритма деконволюции для записи нейронной активности до 100 нейронов с одноклеточных и одного всплеска резолюции. Этот метод основан на выявлении преходящее увеличение внутриклеточного кальция соматических концентрация, связанная с запороговой электрических шипы (потенциалы действия) в корковых нейронов. Высокое временное разрешение оптической записи достигается за счет быстрого произвольного доступа сканирования технологии с использованием акустооптического дефлектора (AODs) 1. Двухфотонного возбуждения кальций-чувствительных красителей приводит к высоким пространственным разрешением в непрозрачную ткань мозгаСью 2. Реконструкция шипы от флуоресценции записи кальция достигается методом максимального правдоподобия. Одновременное электрофизиологические и оптические записи показывают, что наш метод надежно обнаруживает шипами (> 97% шипованные эффективности обнаружения), имеет низкий уровень ложных срабатываний Обнаружение всплеска (<0,003 шипы / с), а также высокой временной точностью (около 3 мс) 3. Этот оптический метод обнаружения всплеска может быть использован для записи нейронной активности в пробирке и в анестезии животных в естественных 3,4.
Protocol
Discussion
Сглаживание случайного сканирования при доступе косвенно обнаруживает запороговой пики активности с увеличением внутриклеточного кальция соматических, связанные с каждым всплеском somata нейрона. Увеличение внутриклеточного кальция обнаруживаются флуоресцентных красителей кальция…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим доктора Рэнди Chitwood для критического прочтения рукописи. Эта работа была поддержана фондом Whitehall и Alfred P. Sloan Foundation грантов ХИК.
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).
