🐷 可爱小猪Q

Search

SearchSearch

王凯老师

Jun 02, 202415 min read

  1. 神经科学的研究框架：结构(离子通道/电镜)——记录(电生理)——操控(光遗传+化学遗传+温控)——行为
  2. 可见光——可与生物体发生作用【非灾难级别】，无法穿透深层生物组织【双光子可实现】

成像技术

  1. Light Ray model：
    1. 无限远成像系统——放大率（不同厂商标准不一样）：f2【管镜焦距】/f1【物镜焦距】注：现代成像系统（无限校正成像系统）由两个透镜组成。来自一个点源的光被转换成平面波，然后再回到一个点。
    2. 物镜相关参数
  2. Light wave model：
    1. PSF：点在相机上是一个具有一定宽度和形状的圆点，把它÷放大率就是PSF【成像系统的冲激响应函数：由于光波的衍射，光不能聚焦到一个无限小的光点上。最小的焦点点，称为点扩散函数（PSF），描述了系统的分辨率极限。它取决于波长和NA。】
    2. 艾里斑——分辨率【计算方法】
    3. 光学成像过程【存在线性不变性】——卷积过程(每一个点的点扩散函数不相干相加)——去卷积【÷OTF，把低通滤波器除掉——视觉上更清楚，信息并没有变多】
  3. Frequency domain model：
    1. 傅里叶变换：时域/空域——频域【可以看不同频率波的叠加】(任何函数都可以分解成正弦波的叠加)
    2. 图像傅里叶变换后——频域——可显示图片的一系列二维正弦波【把每一个点的波提取叠加就变成一张图】——成像的过程是信息损失的低频滤波器（OTF：二维、三维图像可以分解为傅里叶级数。较高的空间频率分量为较小的特征提供了信息。因此，成像过程是一个低通滤波过程，而PSF的傅里叶变换是系统的滤波函数。）

成像相关问题

  1. 空间转录组：找每个细胞的分子特征
  2. seq-FISH：稀疏化标记分子【定义：在seqFISH的过程中，首先使用特定的探针与目标RNA序列进行杂交，然后通过荧光显微镜进行成像，记录下这一轮杂交的结果。随后，通过特定的处理步骤去除已成像的探针，并进行下一轮的杂交和成像，直到达到所需的编码深度；seqFISH技术的一个关键优势是其能够解决所谓的“optical crowding”问题，即在高密度的转录组中区分和定位单个RNA分子。通过这种方式，seqFISH能够提供关于RNA在细胞内分布和表达的详细信息，这对于理解基因表达调控和细胞功能具有重要意义】
  3. 高分辨显微镜
    1. 超分辨：PALM/STORM、STED、SIM
    2. Expansion microscopy(Expansion FISH)——用低分辨率显微镜看膨胀的细节
  4. 成像问题
    1. 背景噪音(三维成像)——共聚焦【位于焦点之外弱激发的荧光大部分被Pinhole所过滤】
    2. 组织看不深【Tissue sattering—进入组织的光进行指数衰减】——水会吸收红外光【用红外光会让脑子变热，所以近红外也不用】
      • 双光子显微镜——双光子吸收的光强需要很高！——飞秒激光器【脉冲输出光 100fs——光没有汇聚光强不够，汇聚才够，无需pinhole】(虽然看的深，但分辨率稍微低一些)
    3. 超分辨：超过衍射极限
  5. 突触可塑性—钙离子【双光子】
    1. 经验依赖型的突触可塑性——新记忆和旧记忆为什么不互相影响？某一行为突然改变时，与之相关树突棘的钙信号突然消失，说明不相互影响【存在其他中间神经元来抑制这种行为】
    2. GCaMP：神经元活性表征marker——Ca transients(单个树突棘的活动)/ Ca spikes(branch的信号)
    3. 树突特异性的钙活动？——可塑性？
    4. 钙活动局限在single sipne【Ca2+ transient】，branch【Ca2+ spike】

常用实验手段——神经元活动+操控手段

  1. 连接组：
    1. fMOST：基于高尔基染色对神经元进行重构
    2. 透明化：大脑含大量脂质——去脂质使大脑只有蛋白质和水分导致脑透明；脱水后替代脂质
  2. 对神经元活动的观察：
    • 单电极细胞内记录：插电极前需要确定脑区，特点是信噪比高，达到了单细胞分辨率。
    • 神经活动的内在光学成像：开颅后，用近红外光进行光照，看反射光的变化情况，变化的原因是血氧供应导致的；扩散光学断层扫描（Diffuse Optical Tomography, DOT）：一种非侵入性的生物医学成像技术，它利用近红外光在生物组织中的传播特性来获取组织内部的光学特性分布。这种技术主要基于生物组织对光的吸收和散射特性，通过在组织表面测量光的传播情况，重建组织内部的吸收系数和散射系数分布。
    • 荧光探针——为什么常用钙离子【GCamp】来进行探针【还存在一些神经调质的探—Glu/GABA】？因为其浓度变化最大【100倍的改变】，而Na离子和k离子只需要改变万分之一的浓度就会产生动作电位
    1. 自适应光学显微镜【AO】：解决组织不均匀性【对不均匀的光进行复杂相位的调制】，解决Aberration
    2. 解决scattering?——Chris Xu
      1. 三光子显微镜【水镜H2O—D2O】，不去头骨就可以看深层脑区【有效避免了小胶质细胞的免疫反应】
      2. 四光子：possible【要看的深需要另辟蹊径】
      3. 双光子：插Imaging guide tubes，解决深度不够。这不会影响脑功能，即便损坏，小鼠脑有代偿机制，行为学看不出来插入后对行为有影响。
    3. 看的更快？
      1. 看dentride spine，上游的信号激活了下游的树突棘，但不足以激活下游神经元，需要更多的spine进行发放
        • AOD(Acoustic optical modulator——声光调制器)【快速扫描】：可以在三维的状态随机扫描树突棘的活动
      2. 光学——记录大群神经元活动(宽场、多区域的双光子成像)【有利于建立模型，从而预测神经元活动，如下面文献提到的位置和神经元活性的关系，进而进行预测】
        • 激光的Pulse——可分成很多份pulse
        • 光片成像(whole-brain)——解决动物因实验太长受不了
      3. 光片成像：焦平面外的荧光不被激发，面扫描很高效【斑马鱼+果蝇】
        • 文献：如何观测斑马鱼活动下钙活动的变化？
          • 背景：通过虚拟背景的前后活动，来模拟运动【只固定头和尾】——记录运动皮层钙信号
          • 位置记忆【medulla、inferior plive、cerebellum】：
            • 通过记录大脑电活动，来判断移动情况——改变虚拟背景位置，就会出现电信号【说明可能正在游到原来位置】
            • 斑马鱼记忆时间——稳定在1min
            • 光片显微镜看神经元的类型：位置编码相关【位置变化——活性变化】、记忆原始位置的神经元【回忆】、感觉运动——overlap后看相关关键脑区
              • SLO-MO：GABA、投射到且抑制IO的神经元——后看神经元响应的方向【向前或向后】，回到原位置，神经元活性消失【通过活性的差值来判断位置信息】——利用激光破坏神经元【破坏一个方向——一侧运动出现时钙活性出现的时候，用双光子激光来进行破坏，这个精度特别高】，来检测必要性【神经元活性+行为学检测】——Gain of function【标记一群神经元，然后用光来特定单一激活某一个神经元】
              • IO
              • cerebellum
      4. 光场显微镜：不需要扫描即可成像——从不同角度拍照，然后组合成三维信息
      5. 电压成像：
        1. Voltage sensor domain：cpFP、Fret——电压变化导致domain变亮
        2. opsin-based：电压变化导致domain吸光情况变化【吸光更弱了】
    4. Free moving：如何实现？【显微镜小型化】
  3. 操纵神经元：
    1. 双光子光遗传：利用双光子单独激活一个神经元【spiral scanning——覆盖范围几百nm】
    2. 激活多个细胞？全息光学技术【Digital hologram：通过不同花样的液晶屏对一束平行光进行相位调制(SLM)，形成若干个平面波，达到将一束光分成几束光的目的，找想要的点(GS算法进行傅里叶变换，算相位)】——同时扫几个神经元

核磁共振

  1. 核磁共振原理NMR：核磁共振【原子核净自旋不为零、外在恒磁场】基本调节原子核和磁场相互作用
  2. 核磁共振成像(MRI)：
    1. 信号收集：时间上得到的曲线就是空间信息的傅里叶变换
    2. 成像策略：EPI【梯度磁场——成像更快】
  3. 神经科学中的应用：
    1. CBV：血管造影——看血管体积变化，舒张说明活动加强
    2. [认知科学与脑成像——知识汇总#^c89741|Bold]：用代谢相关信号，测神经活动【血流：大量能量用于维持静息电位和激活动作电位——NO】，当某一脑区活跃时，血流增加，耗氧量增加，去氧血红蛋白含量下降——fMRI【分辨率：几百微米量级；时间分辨率也不够】
    3. 更高分辨率：提高磁场【磁化后，能量变强、信号变强】——因为高频信号被噪声埋没了，只有提高磁场，才能使信号增强。
    4. 钙离子信号——探针响应后，富集铁
    5. 扩散张量成像(DTI)：测量水分子的diffusion，就可以看fiber走向

脑活动调控技术(人)

  1. 电刺激
    1. 近场：
      1. 脑深部刺激【侵入性】：DBS——手术植入电极，治疗帕金森等疾病（Target specific cell——【调整不同的参数，使刺激形成特定的pulse】激活或抑制两类不同的神经元）
      2. 经颅(低强度高频直流，非侵入)电流刺激【tCS/tDCS】：通过改变神经元的静息膜电位，使得神经元更容易/困难激发【靠近阳极激活、靠近阴极抑制】 ——40HZ会产生清醒梦，同时也会让你变清醒
      3. ECT【电击疗法：短脉冲交流电】：神经元/血管、神经元突触再生(如人工耳蜗)？
      4. 定位TI刺激：(被试不容易感受)高频刺激【包络调质幅度越大说明定位激活情况越好】；可控调控刺激——TI1：1相比1：3，刺激位点会靠近刺激强度比较小的区域；连接性【看不同脑区产生Bold信号的时间相关性，相关性越强，连接性越好】。
    2. 远场
  2. 磁刺激——经颅磁刺激(TMS)：8字形线圈常用【TMS的工作原理基于电磁感应，通过变化的磁场在大脑皮层产生电流，从而改变神经元的兴奋性。根据刺激的频率和强度，TMS可以被用来增加（高频）或减少（低频）特定大脑区域的活动】
    1. sigle pulse
    2. double pulse
    3. repetitive TMS：持续TMS刺激，停刺激会产生对神经元的抑制(min级的效果)
  3. 超声：打开血脑屏障——让药物进入大脑；自适应超声有利于超声的汇聚【先CT测颅骨，预补偿颅骨产生的畸变】；超声提高spike rate【神经元的激活？机制和有效性还不是特别清楚】；超声激活gene的启动？
  4. 光【光遗传】：光感受器用光敏感蛋白/纳米材料来代替【人】

Graph View

Backlinks

  • No backlinks found