飞秒激光测控神经回路的方法研究

大脑的高级功能是众多神经回路综合作用的结果，神经回路及其信息处理原理的研究对神经科学具有重要意义。目前神经回路的控制及快速神经功能信号的探测缺乏有效的实验手段。神经回路及其信息处理机制的研究，急需建立一种高时空分辨的测控方法。本项目将基于飞秒激光随机扫描双光子成像系统，以嗅球神经回路为实验模型，结合荧光标记及成像技术，用飞秒激光直接刺激嗅小球来诱导神经活动，同时记录和解析所调控神经细胞的钙信号，建立一种对嗅球神经回路细胞群落同时探测和控制的新方法，并在此基础上对嗅球神经回路信息传递与处理机制进行初步研究。本项目的研究将为研究大脑神经回路的研究提供一种全新的研究方法，增进人们在回路水平上对生命活动的认识，同时促进高时空分辨的成像技术的发展及其在生命科学中的应用。

神经元及其构成的神经回路是大脑结构和功能的基本单位，大脑的生理和病理活动均是通过神经回路结构与功能的改变来实现的，因此神经回路结构和功能的研究对于神经科学有着重要意义。基于声光偏转器和飞秒激光的随机扫描双光子荧光显微成像系统可实现快速探测并调控神经回路。但是神经活动快速探测中荧光染料选取和标记方法均不成熟，荧光信号分析方法也不完善，神经回路活动控制也缺乏有效手段。.本项目首先利用飞秒激光随机扫描光显微成像技术，筛选钙荧光探针和标记方法。对神经元膜电位和钙荧光信号联合检测，通过比较高频电刺激诱导下的神经元钙荧光信号的幅度和下降时间以及静态荧光强度等，筛选出适于快速探测的钙荧光染料。通过电极注入、浸泡孵育、弹丸负载以及局部电穿孔等方法，实现了对脑片和麻醉动物神经元群落钙荧光染料的标记。.在筛选出钙染料和标记方法的基础上，对神经回路钙荧光信号解析及效果进行评估。针对稀疏钙信号和簇发放信号分别建立一种算法简单，计算量小逐个剥除模板函数的减模板的方法和一种基于多尺度滤波和模板函数卷积解析神经元钙信号的方法；在解析信号之后，通过波形分解和模拟仿真逼近实际信号获取其估计误判率和估计漏判率的评估效果。对获取神经回路多细胞的钙信号进行互相关分析方法获取神经信息在细胞与细胞之间毫秒量级的时间延迟，并基于此构建具有细胞分辨的有向神经回路。.此外，研究单个细胞在神经回路中的作用时，往往需要激活或者抑制特定的神经元。以飞秒激光直接照射能够诱导神经细胞的活动，实现了对神经回路非接触、无损、方便有效的控制，建立了一种神经回路连接的光学判别方法，绘制出神经回路功能连接拓扑图。