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Mehr über Faserphotometrie: Funktionsprinzip und Verfahren
Dieser Artikel enthält mehr als 3.000 Wörter, um das Funktionsprinzip und die Vorteile zu erklären, und zeigt die Schritte zum Aufbau des entsprechenden Experiments.
A. Funktionsprinzip der Faserphotometrie.
B. Vorteile der Faserphotometrie.
C. Wie verwendet man die Faserphotometrie-Technologie?
D. Einrichtung des Faserphotometriesystems und Aufzeichnung eines guten Signals.
F. Faserphotometrie-Datenanalyse.
A. Faserphotometrie Arbeitsprinzip
Das menschliche Gehirn hat etwa 90 Milliarden Neuronen, die durch Synapsen zu einem komplexen neuronalen Netzwerk miteinander verbunden sind und so verschiedene komplexe Funktionen produzieren. Das Gehirn kann Hunderte von Neurotransmittern synthetisieren und freisetzen, und Nervensignale werden zwischen Neuronen durch die von Synapsen freigesetzten Neurotransmitter übertragen. Wenn die Nervenerregung an das Ende der Synapse übertragen wird, stimuliert sie den Kalziumkanal an der Synapse, sich zu öffnen und den Einstrom von Kalziumionen zu fördern, und die Konzentration der intrazellulären Kalziumionen steigt sofort an und treibt die synaptischen Vesikel an, Neurotransmitter freizusetzen in den synaptischen Raum, der an die Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran bindet und die Neurotransmittersignale an das nächste Neuron weiterleitet, wodurch die Information Schritt für Schritt weitergegeben wird
Am Beispiel der Detektion des Calciumfluoreszenzsignals besteht das technische Prinzip des Faserphotometriesystems darin, einen speziellen Fluoreszenzindikator oder eine Fluoreszenzsonde mit Hilfe der strikten Übereinstimmung zwischen der Änderung der Calciumkonzentration und der neuronalen Aktivität zu verwenden. Die Calciumkonzentration im Neuron wird durch die Fluoreszenzintensität ausgedrückt und durch das Faserphotometriesystem erfasst, um den Zweck des Nachweises der neuronalen Aktivität zu erreichen.
Im Nervensystem beträgt die intrazelluläre Calciumkonzentration von Neuronen im Ruhezustand 50-100 nM, aber wenn Neuronen erregt sind, kann die intrazelluläre Calciumkonzentration um das 10- bis 100-fache ansteigen, sodass wir Calciumionen markieren können, indem wir Calcium-Gencodierungsindikatoren injizieren ( Calciumindikator, wie GCaMPs, RCaMPs usw.). Wenn die neurale Aktivität erhöht wird, öffnet sich der Calciumkanal, eine große Menge Calcium strömt ein und bindet an CaM, was zu einer Wechselwirkung zwischen M13- und CaM-Domänen führt, was zu einer cpEGFP-Struktur führt Umlagerung, wodurch das grüne Fluoreszenzsignal verstärkt wird. (Abbildung 1) Daher können wir die Aktivität von Neuronen charakterisieren, indem wir die Änderungen von Calciumsignalen erkennen, und dann die Korrelation zwischen neuronaler Aktivität und Tierverhalten untersuchen und den Regulationsmechanismus hinter komplexem Verhalten untersuchen .
Das Prinzip der Faserphotometrie zum Nachweis von Neurotransmittersignalen ist das gleiche wie oben. Eine neue Reihe genetisch kodierbarer Fluoreszenzsonden mit der Bezeichnung GRAB (GPCR Activation-Based) wurde entwickelt. Durch die Einbettung eines fluoreszierenden Proteins (cpEGFP), das für strukturelle Veränderungen empfindlich ist, in den Neurotransmitterrezeptor war die Forschungsgruppe in der Lage, das chemische Signal des Neurotransmitters in ein Fluoreszenzsignal umzuwandeln und in Kombination mit bestehenden bildgebenden Verfahren die dynamischen Änderungen der Neurotransmitterkonzentration zu überwachen in Echtzeit
B. Vorteile der Faserphotometrie
Die Untersuchung des Nervensystems wacher und sich frei bewegender Tiere ist ein entscheidendes Thema in der zeitgenössischen neurowissenschaftlichen Forschung. Durch die Erkennung von Kalziumsignalen im Zusammenhang mit neuronaler Aktivität können wir komplexe neuronale Schaltkreise besser verstehen. In den letzten Jahren haben technologische Entwicklungen, einschließlich Zwei-Photonen-Mikroskopie, Einzel-Photonen-Mikroskopie und Faserphotometrie, es uns ermöglicht, Änderungen in Kalziumsignalen in Tieren in Echtzeit zu erkennen. Die Anwendung dieser Techniken erfordert konstruierte fluoreszierende Proteine.
In der Vergangenheit wurde die meiste In-vivo-Bildgebung von Kalzium unter Zwei-Photonen-Mikroskopie durchgeführt. Die Zwei-Photonen-Mikroskopie ist eine Fluoreszenz-Bildgebungstechnik, bei der zwei Strahlen kohärenten Laserlichts durch das Okular eines Mikroskops auf einen Punkt fokussiert werden, der durch eine Punktstreufunktion definiert ist, ähnlich der konfokalen Mikroskopie, die fluoreszierende Moleküle selektiv anregt. In der Zwei-Photonen-Mikroskopie liegt die Wellenlänge des Anregungslichts nahe 700–1000 nm, nahe dem Infrarotspektrum. Dies ist der erste Vorteil der Zwei-Photonen-Bildgebung in vivo: Licht mit längeren Wellenlängen streut weniger im Gewebe und dringt in größere Tiefen ein. Das zweite ist die gute Auflösung, die nicht nur die Visualisierung einzelner Neuronen, sondern auch der Calciumaktivität an den Enden von Axonen subzellulärer Strukturen ermöglicht.
Laser-Scanning-Techniken in der Zwei-Photonen-Mikroskopie werden auch verwendet, um schnelle Kalziumdynamiken in Neuronen während der In-vivo-Bildgebung zu erkennen, aber die Anregungsleistung zur Unterscheidung von Signal und Rauschen muss normalerweise hoch genug sein, damit dies zu einem gewissen Grad an Ausbleichung und Photobleichzeitüberschreitungen führen kann Bildqualität negativ beeinflussen.
