【摘要】：多細(xì)胞或多神經(jīng)突起的選擇性激活對(duì)于研究神經(jīng)元整合、神經(jīng)元計(jì)算非常重要。近幾年，基因工程與光刺激技術(shù)結(jié)合，推動(dòng)了一項(xiàng)新技術(shù)光遺傳技術(shù)的誕生，它可以快速、無損、精確地激活表達(dá)光敏感通道的細(xì)胞，進(jìn)而選擇性地控制特定神經(jīng)元或局部神經(jīng)環(huán)路的活動(dòng)。目前熒光顯微鏡使用的光源大都是寬場(chǎng)光源，進(jìn)行光刺激時(shí)會(huì)把整個(gè)視場(chǎng)中的所有細(xì)胞或整個(gè)神經(jīng)環(huán)路激活。激光掃描顯微鏡通過掃描鏡實(shí)現(xiàn)多細(xì)胞的選擇性激活，但由于掃描鏡內(nèi)在的固有慣性，限制了掃描速度和多個(gè)位置的選取。最近，空間光調(diào)制器被引入顯微鏡系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)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(shù)的應(yīng)用。相比而言，聲光偏轉(zhuǎn)器具有隨機(jī)尋址能力，能夠快速無慣性引導(dǎo)激光到任意位置，良好的空間選擇性使得聲光偏轉(zhuǎn)器非常適合多細(xì)胞選擇性激活。 為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本文首先利用聲光偏轉(zhuǎn)器作為光束掃描器件，結(jié)合現(xiàn)代光學(xué)顯微鏡技術(shù)，建立了獨(dú)立的隨機(jī)光刺激系統(tǒng)，相關(guān)的工作主要有： （1）在光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用二維聲光偏轉(zhuǎn)器實(shí)現(xiàn)激光光束的二維掃描，并采用通用光學(xué)器件、光學(xué)調(diào)節(jié)架實(shí)現(xiàn)與顯微鏡系統(tǒng)耦合，實(shí)現(xiàn)生物樣品顯微放大、可視化處理，，引導(dǎo)激光刺激期望的細(xì)胞或神經(jīng)元；在機(jī)械設(shè)計(jì)中，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，方便與各種商用顯微鏡系統(tǒng)耦合；為控制聲光偏轉(zhuǎn)器工作，設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)電路，它包括標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集卡、開關(guān)電源和控制電路，用于數(shù)據(jù)傳輸和與其它外設(shè)通信；基于LabVIEW應(yīng)用軟件，開發(fā)一套獨(dú)立的應(yīng)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(cè)試了隨機(jī)光刺激系統(tǒng)的工作性能，單點(diǎn)最快時(shí)間可以達(dá)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(dòng)5%，刺激定位誤差小于1%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明系統(tǒng)具備多點(diǎn)快速激活的能力，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，具有很好的重復(fù)性。 其次，為了分析測(cè)試系統(tǒng)的激活模式與激活效果以及開展生物學(xué)應(yīng)用，與上海神經(jīng)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(dá)有光敏感通道的HEK293細(xì)胞和海馬神經(jīng)元，證明系統(tǒng)在~10ms內(nèi)可以激活細(xì)胞和誘導(dǎo)出動(dòng)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(xì)胞而不會(huì)激活周圍其它細(xì)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(shí)現(xiàn)單細(xì)胞激活。分析了點(diǎn)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(dòng)作電位的誘導(dǎo)頻率及誘導(dǎo)成功率。提出對(duì)于區(qū)域刺激模式，采用隨機(jī)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(xì)胞。隨機(jī)光刺激系統(tǒng)能夠在微秒水平控制激光刺激多個(gè)位置，刺激時(shí)間、刺激間隔、刺激位置、刺激強(qiáng)度等可精準(zhǔn)調(diào)控，是一種超靈活、多模式調(diào)控細(xì)胞或神經(jīng)元的工具。 （2）利用隨機(jī)光刺激系統(tǒng)，對(duì)小鼠體感皮層神經(jīng)環(huán)路和果蠅嗅覺系統(tǒng)進(jìn)行了光刺激試驗(yàn)，證明系統(tǒng)適用于不同尺寸細(xì)胞的光刺激，系統(tǒng)可以選擇性激活多個(gè)細(xì)胞，可以模擬神經(jīng)元多個(gè)信號(hào)輸入，進(jìn)行神經(jīng)元運(yùn)算研究和信息整合研究，有利于揭示單個(gè)神經(jīng)元和特定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能，證明隨機(jī)光刺激系統(tǒng)對(duì)于今后的神經(jīng)科學(xué)研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：R312

【共引文獻(xiàn)】

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2 陳小默;喬志梅;高上凱;洪波;;在體神經(jīng)元胞外記錄用于大腦皮層可塑性研究[J];生理學(xué)報(bào);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(xì)胞構(gòu)筑研究[J];西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(jìn)展[J];醫(yī)學(xué)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(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版);2011年03期

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1 陳小默;洪波;喬志梅;高上凱;;衰老對(duì)大鼠體感皮層神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)可塑性的影響[A];中國生物醫(yī)學(xué)工程進(jìn)展——2007中國生物醫(yī)學(xué)工程聯(lián)合學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（下冊(cè)）[C];2007年

2 鄭小敏;范光麗;范增杰;王跟輩;王晉輝;;SD鼠Barrel腦區(qū)的形態(tài)學(xué)發(fā)育[A];中國畜牧獸醫(yī)學(xué)會(huì)動(dòng)物解剖學(xué)及組織胚胎學(xué)分會(huì)第十五次學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C];2008年

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

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2 夏東;小鼠觸覺經(jīng)驗(yàn)對(duì)于barrel cortex區(qū)域功能性以及神經(jīng)元可塑性影響初步分析[D];安徽醫(yī)科大學(xué);2009年

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

4 高俊彥;成年豚鼠單側(cè)觸覺剝奪減少桶狀皮質(zhì)DCX陽性神經(jīng)元數(shù)量[D];中南大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2280658