發(fā)布時間：2018-10-19 08:42

【摘要】：多細胞或多神經突起的選擇性激活對于研究神經元整合、神經元計算非常重要。近幾年，基因工程與光刺激技術結合，推動了一項新技術光遺傳技術的誕生，它可以快速、無損、精確地激活表達光敏感通道的細胞，進而選擇性地控制特定神經元或局部神經環(huán)路的活動。目前熒光顯微鏡使用的光源大都是寬場光源，進行光刺激時會把整個視場中的所有細胞或整個神經環(huán)路激活。激光掃描顯微鏡通過掃描鏡實現多細胞的選擇性激活，但由于掃描鏡內在的固有慣性，限制了掃描速度和多個位置的選取。最近，空間光調制器被引入顯微鏡系統(tǒng)中實現了無慣性的選擇性激活，但其較低的刷新頻率和衍射效率限制了該技術的應用。相比而言，聲光偏轉器具有隨機尋址能力，能夠快速無慣性引導激光到任意位置，良好的空間選擇性使得聲光偏轉器非常適合多細胞選擇性激活。 為了實現以上目的，本文首先利用聲光偏轉器作為光束掃描器件，結合現代光學顯微鏡技術，建立了獨立的隨機光刺激系統(tǒng)，相關的工作主要有： （1）在光路結構設計中，采用二維聲光偏轉器實現激光光束的二維掃描，并采用通用光學器件、光學調節(jié)架實現與顯微鏡系統(tǒng)耦合，實現生物樣品顯微放大、可視化處理，，引導激光刺激期望的細胞或神經元；在機械設計中，采用模塊化設計思想，使得系統(tǒng)結構緊湊，方便與各種商用顯微鏡系統(tǒng)耦合；為控制聲光偏轉器工作，設計了驅動電路，它包括標準的數據采集卡、開關電源和控制電路，用于數據傳輸和與其它外設通信；基于LabVIEW應用軟件，開發(fā)一套獨立的應用控制軟件，擁有多種刺激模式，軟件可讀性好，操作方便。 （2）測試了隨機光刺激系統(tǒng)的工作性能，單點最快時間可以達到10μs。在40倍物鏡下，刺激光斑為1.38μm，刺激范圍為164μm。光刺激功率波動5%，刺激定位誤差小于1%。實驗結果證明系統(tǒng)具備多點快速激活的能力，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，具有很好的重復性。 其次，為了分析測試系統(tǒng)的激活模式與激活效果以及開展生物學應用，與上海神經所的章曉輝研究員、王佐仁研究員兩課題組展開合作研究，主要的工作有： （1）利用表達有光敏感通道的HEK293細胞和海馬神經元，證明系統(tǒng)在~10ms內可以激活細胞和誘導出動作電位。提出刺激光功率決定系統(tǒng)刺激的空間分辨率，并證明在一定的功率條件下，系統(tǒng)能夠激活單細胞而不會激活周圍其它細胞，顯示系統(tǒng)具備局部激活能力，而采用雙光子激發(fā)將能夠提高系統(tǒng)的空間分辨率，便于實現單細胞激活。分析了點刺激模式與區(qū)域刺激模式的不同，提出采用區(qū)域刺激模式可以顯著提高去極化峰值電流、動作電位的誘導頻率及誘導成功率。提出對于區(qū)域刺激模式，采用隨機掃描方式比順序掃描方式和環(huán)形掃描方式更有效激活細胞。隨機光刺激系統(tǒng)能夠在微秒水平控制激光刺激多個位置，刺激時間、刺激間隔、刺激位置、刺激強度等可精準調控，是一種超靈活、多模式調控細胞或神經元的工具。 （2）利用隨機光刺激系統(tǒng)，對小鼠體感皮層神經環(huán)路和果蠅嗅覺系統(tǒng)進行了光刺激試驗，證明系統(tǒng)適用于不同尺寸細胞的光刺激，系統(tǒng)可以選擇性激活多個細胞，可以模擬神經元多個信號輸入，進行神經元運算研究和信息整合研究，有利于揭示單個神經元和特定神經網絡的功能，證明隨機光刺激系統(tǒng)對于今后的神經科學研究具有重要的應用價值。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：R312

【共引文獻】

相關期刊論文 前5條

1 鄭小敏;范光麗;范增杰;王跟輩;王晉輝;;幼年及成年SD大鼠Barrel腦區(qū)的變化[J];解剖學報;2008年05期

2 陳小默;喬志梅;高上凱;洪波;;在體神經元胞外記錄用于大腦皮層可塑性研究[J];生理學報;2007年06期

3 鄭小敏;范光麗;范增杰;張永德;王晉輝;;SD大鼠Barrel腦區(qū)氧化酶活性區(qū)域及其特殊細胞構筑研究[J];西北農林科技大學學報(自然科學版);2008年06期

4 倪虹;葛敏;;主要軀體感覺皮層突觸可塑性的研究進展[J];醫(yī)學綜述;2009年10期

5 黃明德;韓勇;虞燕琴;;桶狀皮層及其可塑性研究[J];浙江大學學報(醫(yī)學版);2011年03期

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1 陳小默;洪波;喬志梅;高上凱;;衰老對大鼠體感皮層神經元網絡可塑性的影響[A];中國生物醫(yī)學工程進展——2007中國生物醫(yī)學工程聯合學術年會論文集（下冊）[C];2007年

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相關博士學位論文 前2條

1 魯麗;妊娠早期亞臨床甲減左旋甲狀腺素干預對后代神經智力發(fā)育影響的動物實驗研究[D];中國醫(yī)科大學;2010年

2 曹發(fā)樂;持續(xù)性傷害誘導的大鼠初級軀體感覺皮層突觸可塑性及機制研究[D];第四軍醫(yī)大學;2011年

相關碩士學位論文 前4條

1 范增杰;抑制性神經元在vpm和barrel組織機構及其在barrel的出生后發(fā)育及與細胞色C氧化酶的關系[D];蘭州大學;2008年

2 夏東;小鼠觸覺經驗對于barrel cortex區(qū)域功能性以及神經元可塑性影響初步分析[D];安徽醫(yī)科大學;2009年

3 黃明德;觸須自然刺激誘發(fā)的桶狀皮層反應可塑性及其機制[D];浙江大學;2010年

4 高俊彥;成年豚鼠單側觸覺剝奪減少桶狀皮質DCX陽性神經元數量[D];中南大學;2012年

本文編號：2280658