人類大腦中有多達(dá) 1,000 億個神經(jīng)元，數(shù)量如此之多，以至于我們還不了解它們是如何協(xié)同工作，來創(chuàng)造出我們這樣有思維的生物的。神經(jīng)科學(xué)家正在尋找有關(guān)大腦如何運(yùn)作、神經(jīng)系統(tǒng)如何發(fā)育以及我們?nèi)绾胃�好地了解和治療神�?jīng)及精神疾病等重大問題的答案。

 神經(jīng)科學(xué)研究人員的重要措施光遺傳學(xué)是一種將光敏蛋白編碼到特定類型的神經(jīng)元中以使它們對光做出反應(yīng)的技術(shù)。

 這種新穎的方法可以讓科學(xué)家們準(zhǔn)確地打開或關(guān)閉神經(jīng)元，幫助發(fā)現(xiàn)它們在學(xué)習(xí)和記憶等基本大腦活動中的作用。這些活動可能會受到多種疾病的影響。

在光遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)研究人員用光照射含有視蛋白的神經(jīng)元時，它可以誘發(fā)這些細(xì)胞激活或滅活。這種變化反映了大腦中神經(jīng)元通過動作電位進(jìn)行交流的基本方式。

01  全光學(xué)方法：彌合神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的差距 

動作電位的時間攜帶特定的信息，光遺傳學(xué)有望揭示這些編碼信息并解碼大腦的運(yùn)作方式。雖然早期的光遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)利用光纖傳輸?shù)?LED 光，但激光（尤其是飛秒激光）已顯著提高了光傳輸?shù)木�度，從而為光刺激提供了三維精度。

 通過將光遺傳學(xué)與多光子成像相結(jié)合，研究人員開發(fā)出了變革性的“全光學(xué)方法”，其中激光用于刺激特定神經(jīng)元（或使其保持靜默），而第二束激光則用于通過感知其熒光特性的變化來繪制其他互連神經(jīng)元的活動。這種傳感通常使用熒光鈣離子指示劑，因?yàn)檫@些離子映射代謝活動的變化，包括動作電位。

 與以前的技術(shù)相比，該方法提供了一個全面且詳細(xì)的細(xì)胞活動視角，并使研究人員可以選擇單神經(jīng)元分辨率。

 此外，這種方法沒有老式電生理技術(shù)的侵入性或局限性。

 如今，神經(jīng)科學(xué)研究人員可以捕捉到動物表現(xiàn)出自然行為時數(shù)百個細(xì)胞的同步活動。

 此外，研究人員的目標(biāo)是在觀察動物行為的過程中利用光遺傳學(xué)來干擾發(fā)射動作電位的特定細(xì)胞的活動，以確認(rèn)它們在所觀察到的行為中的重要性。

 這些細(xì)胞盡管屬于同一回路，但可能位于大腦的不同深度。研究人員已經(jīng)開發(fā)出特殊的工具，通過調(diào)整光學(xué)裝置來同時瞄準(zhǔn)這些細(xì)胞。

 通常采用高分散型空間光調(diào)制器來產(chǎn)生多個激光子束光波，每個光束針對不同的特定神經(jīng)元，從而實(shí)現(xiàn)多光子光遺傳三維體成像。光擾動的有效性依賴于同時多光子成像來監(jiān)測傳感器熒光信號強(qiáng)度的變化，從而揭示細(xì)胞狀態(tài)（活性或不活躍）。

02  先進(jìn)的 COHERENT 光遺傳學(xué)解決方案

在全光多光子實(shí)驗(yàn)中，最常用的一對致動器（視蛋白）和傳感器是紅色視蛋白（對 1000 nm 左右及以上的波長敏感）和綠色指示劑（對 900 nm 左右的波長敏感）。這種光譜分離極大地減少了光刺激和熒光成像過程之間的任何潛在串?dāng)_。

用于多光子顯微鏡的新型熒光探針的設(shè)計領(lǐng)域不斷發(fā)展，該領(lǐng)域的研究人員特別關(guān)注光譜調(diào)諧。紅移光能更深入地穿透組織，其能量比藍(lán)移光低，并且造成的光損傷也較小。當(dāng)視蛋白與熒光標(biāo)簽以及電壓和鈣指示劑結(jié)合以減少串?dāng)_時，這尤其有利。

 為了助力復(fù)雜的全光學(xué)實(shí)驗(yàn)，Coherent 提供廣泛的飛秒激光器產(chǎn)品組合，用于多光子光遺傳學(xué)和成像。

 對于那些深入研究全光學(xué)多光子實(shí)驗(yàn)的人員來說，Coherent 生產(chǎn)的飛秒激光器是必不可少的。

 諸如 Coherent Monaco LX 和 Coherent Axon 1064 等產(chǎn)品不僅非常先進(jìn)，而且它們是專門為滿足不同的研究需求和預(yù)算限制而設(shè)計的。

 我們的每臺激光器都具有獨(dú)特的功能，確保研究人員擁有他們所需的精確工具。

03  光遺傳學(xué)：未來希望的燈塔

光遺傳學(xué)的發(fā)展前景非常廣闊。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，它有望發(fā)展成為針對癲癇、帕金森病，甚至抑郁癥等虛弱病癥的靶向治療方法。

除了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域之外，它還有可能徹底改變腦機(jī)接口和神經(jīng)義肢技術(shù)。對于患有癱瘓或其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病的患者來說，這可能會改變他們的生活，為他們提供與世界互動的新方式。

文章來源：Coherent高意激光

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