近年來(lái),光遺傳學(xué)迅速發(fā)展,使得神經(jīng)科學(xué)研究者能夠在活體模式動(dòng)物中研究大腦結(jié)構(gòu)和功能,并建立與行為特征之間的聯(lián)系。但目前在光遺傳學(xué)領(lǐng)域的活體實(shí)驗(yàn)中有兩個(gè)重要的挑戰(zhàn):一是光刺激器件與光源之間的有線光纖連接限制了動(dòng)物自由活動(dòng)的范圍,并影響了長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)觀察;二是生物組織折射率的非均勻分布使得靶向細(xì)胞的精確定位和刺激光功率難以保證。針對(duì)上述第一個(gè)問(wèn)題,我們首先設(shè)計(jì)制作了一套無(wú)線紅外遙控的微型光刺激系統(tǒng)。發(fā)射端由紅外發(fā)射管和發(fā)光二極管的恒流驅(qū)動(dòng)芯片LM3410X等器件組成,可以通過(guò)信號(hào)發(fā)生器同步控制紅外發(fā)射燈帶的亮滅;微型接收端由超低功耗輸出比較器TLV3691和藍(lán)光發(fā)光二極管等器件組成,其中藍(lán)光發(fā)光二極管是生物神經(jīng)細(xì)胞的刺激光源;同時(shí)自行設(shè)計(jì)了光纖耦合裝置,光纖輸出端光功率為1.45mW,可穩(wěn)定遙控范圍為1m。最后經(jīng)過(guò)動(dòng)物行為學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,證實(shí)了我們?cè)O(shè)計(jì)制作的無(wú)線微型光刺激系統(tǒng)可以對(duì)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)自由活動(dòng)的小鼠進(jìn)行有效地遠(yuǎn)程遙控光刺激。針對(duì)上述第二個(gè)問(wèn)題,我們提出了一種基于多導(dǎo)引星的大視場(chǎng)靶點(diǎn)優(yōu)化技術(shù)。我們知道傳統(tǒng)的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)可以進(jìn)行靶點(diǎn)優(yōu)化,但針對(duì)較厚生物組織,其單次校正視場(chǎng)范圍有限,難以滿足大視... 

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

圖１．１光遺傳學(xué)視蛋白

活體實(shí)驗(yàn)中，可以通過(guò)將動(dòng)物的頭部固定后接入光刺激回路。對(duì)于移動(dòng)的嚙齒類動(dòng)物或非??人類的靈長(zhǎng)類動(dòng)物的行為研究，可以使用光纖照明，需要將一個(gè)固定的光源與柔性光纖相??耦合，并植入到動(dòng)物大腦中某一固定坐標(biāo)處［１７，１８］，如圖１．２所示［１９］。但是由于光纖實(shí)體會(huì)??限制動(dòng)物的自由活動(dòng)范圍并影響其行為活動(dòng)，并不利于進(jìn)行大規(guī)模的動(dòng)物行為學(xué)實(shí)驗(yàn)和進(jìn)??行長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)觀察，因此本研究考慮在活體實(shí)驗(yàn)中采用無(wú)線黴型光遺傳學(xué)器件。??ＷｍＭ??圖１．２有線光刺激小鼠示意圖??１．３自適應(yīng)光學(xué)校正技術(shù)??現(xiàn)有的光遺傳學(xué)研究表明，細(xì)胞的特異性表達(dá)完全依賴于在特定的細(xì)胞類型下視蛋白??表達(dá)的基因靶向策略。但是，這在一定程度上限制了我們對(duì)大腦功能的理解，因?yàn)閷儆谙??同的細(xì)胞類和大腦區(qū)域可能存在多祥的反應(yīng)模型［２ａ２１１。為了更精細(xì)的定位大腦組織，并解??決諸如到底需要多少的神經(jīng)元才可以觸發(fā)某個(gè)特定行為等問(wèn)題。需要將單次光刺激的范圍??從基因決定的神經(jīng)細(xì)胞組縮小為單個(gè)細(xì)胞元，這就要求光刺激具有更高的精準(zhǔn)度。而光束??在生物組織內(nèi)部傳輸時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的散射和像差，從而干擾光束沿原路徑傳輸，并對(duì)光束??聚焦等產(chǎn)生嚴(yán)重的不良影響。經(jīng)過(guò)仿真證明

現(xiàn)活體深層組織內(nèi)的衍射極限成像。理論上，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)可以在多種活體器官內(nèi)提升??成像質(zhì)量并且可以獲取比神經(jīng)元更精細(xì)的結(jié)構(gòu)及功能。由于光束的衍射特性，傳統(tǒng)光學(xué)顯??微鏡的分辨率哏制在光束波長(zhǎng)的一半，而自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)甚至可以突破衍射極哏。如圖１．３??所示［２７］，理想的球面波可以聚焦得到理想的聚焦光斑，但是像差會(huì)引起波前的畸變導(dǎo)致聚??焦光斑變大，能量不再集中。因此通過(guò)在波前校正器件上附加與畸變波前共軛的波前，使??校正后的波前接近于理想的波前從而得到接近甚至突破衍射極限的聚焦光斑。??Ｔ?１?１?ｉ?＿?；ｉ１……一１１?ｍ?＼?１?１?１?ａ??｜?Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ?ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ?ｍｍ?Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ?ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ?｜?Ｊ?｜?Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ?ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ?；??Ｕ?Ｙｓｍ??（ａ）?（ｂ）?（ｃ）??圖１．３?（ａ）無(wú)像差情況下的理想光斑（ｂ）樣本的折射率失配引起聚焦光斑的畸變（ｃ）自適應(yīng)光學(xué)校??正后的聚焦光斑［２７】??常見(jiàn)的波前校正器件有可變形鏡（ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ?ｍｉｒｒｏｒ，?ＤＭ）和空間光調(diào)制器（ｓｐａｔｉａｌ?ｌｉｇｈｔ??ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ，?ＳＬＭ）?［２ｉＷ１］，它們都是通過(guò)控制光束某一特定單元上傳播的光程大小來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)??整體波前的校正。一般用于自適應(yīng)光學(xué)校正的ＤＭ包括幾百個(gè)制動(dòng)器并且具有較高的調(diào)制??帶寬（一般＞］ＫＨＺ），且不限制光束偏振態(tài)。而ＳＬＭ?—般由數(shù)十萬(wàn)個(gè)液晶單元組成，已知??像素?cái)?shù)越多可允許校正的像差就越復(fù)雜。與ＤＭ相比


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