人類大腦中有多達 1,000 億個神經元，數量如此之多，以至于我們還不了解它們是如何協同工作，來創(chuàng)造出我們這樣有思維的生物的。神經科學家正在尋找有關大腦如何運作、神經系統如何發(fā)育以及我們如何更好地了解和治療神經及精神疾病等重大問題的答案。

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

 這種新穎的方法可以讓科學家們準確地打開或關閉神經元，幫助發(fā)現它們在學習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。

在光遺傳學實驗中，當研究人員用光照射含有視蛋白的神經元時，它可以誘發(fā)這些細胞激活或滅活。這種變化反映了大腦中神經元通過動作電位進行交流的基本方式。

01  全光學方法：彌合神經科學領域的差距 

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

 通過將光遺傳學與多光子成像相結合，研究人員開發(fā)出了變革性的“全光學方法”，其中激光用于刺激特定神經元（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元的活動。這種傳感通常使用熒光鈣離子指示劑，因為這些離子映射代謝活動的變化，包括動作電位。

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

 此外，這種方法沒有老式電生理技術的侵入性或局限性。

 如今，神經科學研究人員可以捕捉到動物表現出自然行為時數百個細胞的同步活動。

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

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

 通常采用高分散型空間光調制器來產生多個激光子束光波，每個光束針對不同的特定神經元，從而實現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度的變化，從而揭示細胞狀態(tài)（活性或不活躍）。

02  先進的 COHERENT 光遺傳學解決方案

在全光多光子實驗中，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擾。

用于多光子顯微鏡的新型熒光探針的設計領域不斷發(fā)展，該領域的研究人員特別關注光譜調諧。紅移光能更深入地穿透組織，其能量比藍移光低，并且造成的光損傷也較小。當視蛋白與熒光標簽以及電壓和鈣指示劑結合以減少串擾時，這尤其有利。

 為了助力復雜的全光學實驗，Coherent 提供廣泛的飛秒激光器產品組合，用于多光子光遺傳學和成像。

 對于那些深入研究全光學多光子實驗的人員來說，Coherent 生產的飛秒激光器是必不可少的。

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

 我們的每臺激光器都具有獨特的功能，確保研究人員擁有他們所需的精確工具。

03  光遺傳學：未來希望的燈塔

光遺傳學的發(fā)展前景非常廣闊。在醫(yī)學領域，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)學領域之外，它還有可能徹底改變腦機接口和神經義肢技術。對于患有癱瘓或其他神經系統疾病的患者來說，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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