光学成像野生型生物中的神经网络动力学

带有464个元素的光电二极管阵列的光学成像有助于弄清海洋软体动物神经网络的动态。

腹足类软体动物(如Aplysia californica)具有非常大的单个神经元,可以用电压敏感染料对它们的活动进行成像,以研究建立功能网络以完成特定任务的关系。
腹足类软体动物(如Aplysia californica)具有非常大的单个神经元,可以用电压敏感染料对它们的活动进行成像,以研究建立功能网络以完成特定任务的关系。
(由W. Frost等人[1]和E. S. Hill等人[2]提供)

数十亿个相对简单的神经元之间的互连驱动 人脑 复杂。在神经网络中传输的信号似乎是所有人类活动的基础,从摇动一只手到燃烧笛卡尔的认识论,不一而足。使人产生好奇心和理性的非常复杂性也使人脑难以检查。这就是为什么神经生物学家 研究一系列神经系统较简单的生物。其中包括来自整个动物界的野生型生物,以及转基因生物,例如小鼠, 果蝇 苍蝇和线虫 秀丽隐杆线虫。罗莎琳德·富兰克林大学(伊利诺伊州芝加哥)的威廉·弗罗斯(William Frost)教授和他的同事正在使用光学成像来梳理另一类动物:海洋软体动物的神经网络的动力学。

简单的神经系统

di是一种腹足纲软体动物,具有几种特征,使其成为神经研究的理想对象。首先,它们的中央神经节只有几千个神经元。根据弗罗斯特(Frost)的说法,这意味着单个神经元可能具有超大型效应。此外,他说,“它们的神经元比大象或鲸鱼的神经元更大”,最大可达800 µm。这些神经元指导几种不同类型的行为。例如,当诸如 Tritonia diomedea 当检测到海星的触碰时,它会以一种称为“逃逸游泳”的有序运动在相反的方向上交替弯曲,从而将裸udi分支推进到水流中,从而达到安全性。

原则上,这种复杂的信号传播与人类认知过程所基于的网络活动相同。光学方法(使用光调查神经信号的大小和时间)提供了调查神经元之间相互作用所必需的空间和时间分辨率,但是只有少数模型生物被光遗传修饰以结合神经活动发光。仅需调查几种生物,就很难确定一般行为及其基本原理。

一个新的多中心项目旨在生产海参的光遗传学改良版本。 Frost和他的团队通过应用他们开发的可视化野生型腹足动物软体动物神经活动的技术,来证明这些生物的价值。 三角虫加州海螺 (见图)。1

一次采集一百五十

生物体中的神经系统,例如 三角虫 即使几乎完全从体内切除,仍可保持功能。这使得可以成像踏板神经节,即这些生物中与“脚”相连的大脑区域。弗罗斯特(Frost)使用压敏染料(VSD),它们可以响应电压变化迅速改变其光学性能。响应神经电压尖峰,为此工作选择的VSD(RH155和RH482)增加了在长波长下的吸收。 VSD在650至750 nm范围内表现出很小的吸收变化,因此将以735 nm为中心的LED用作照明源。

成像系统可以是基于CMOS的相机或光电二极管阵列。光电二极管阵列是交流耦合的,因此仅对光线水平的波动敏感。这项工作中使用的六边形464元素光电二极管阵列(PDA)能够同时从150个左右神经节神经元中获取信号。 PDA的分辨率不足以解决典型踏板神经节中的细节,但是处理信号后会将光电二极管与特定的神经元相关联-通常与检测单个神经元的多个光电二极管相关。另外,系统将光电二极管场配准到神经元的照相图像。

在最近的方法论文中,2 弗罗斯特和他的同事描述了几个典型的实验。处理相关的光电二极管输出以确定哪些光电二极管与每个给定的神经元相关联。当刺激一只脚踏板的感觉神经来模拟捕食者的触摸时,光电二极管阵列会从每个先前识别的神经元中收集强度信息。信号分析可识别单个神经元和神经元组之间的相互作用,从而揭示神经网络动力学的细节。

除了在先前研究过的生物上演示该方法外,该小组还对技术进行了定制以进行分析 佛手草,是神经生物学研究的新生物,现在是生产转基因版本的工作重点。不像其他海 斯蒂芬酵母 在实验室环境中很容易繁殖。该生物体是神经学研究的一个有吸引力的候选者,因为它具有与其他海same相同的特征-大神经元,单个神经元触发的行为以及展现网络神经活动的能力。

“通过记录生物体中许多神经元的活动,” Frost说,“我们可以确定构成诸如记忆形成等基本过程基础的结构,我们已经发现这些结构涉及向网络分配额外的神经元。”对这些基本过程的新见解最终可以指导研究解决例如老年人的记忆形成问题。

参考资料

1. W. N. Frost等, 进阶经验中生物学,859,127–145(2015) .

2. E. S. Hill等, J.Vis。经验,161,e61623(2020)。

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