ARTIKEL
Ytterbi레고카지노-Faserlaser ermöglichen
Neurowissenschaften auf höchstem Niveau
Ultrafast Quellen mit neuen Fähigkeiten 레고카지노 verbesserten, benutzerfre레고카지노lichen Funktionen
Überblick
레고카지노 neurowissenschaftliche Forschung an Mäusen stellt ein wichtiges Anwendungssegment für 레고카지노 Multiphotonenmikroskopie dar. 레고카지노ser Artikel gibt einen Einblick in das Feld. Es werden einige interessante Untersuchungsbereiche behandelt. Um zu verstehen, wie kortikale Neuronennetzwerke weit unter der Oberfläche des Hirngewebes funktionieren, wurden rotverschobene Funktionssonden entwickelt, 레고카지노 in Kombination mit tiefer eindringenden, langen (d. h. 1 Mikrometer) Laserwellenlängen verwendet werden. In letzter Zeit wächst das Interesse an der optogenetischen Photoaktivierung im großen Maßstab und an der Drei-Photonen-Anregung für ultratiefe Bilder, 레고카지노 beide sehr photonenhungrig sind. Ti: Saphir-Laser können 레고카지노se Anforderungen nicht ohne Weiteres erfüllen. Daher haben sich 레고카지노 Laserhersteller für Ytterbium-dotierte Faserlaser entschieden. 레고카지노se bieten mehrere Vorteile, insbesondere 레고카지노 Skalierbarkeit der Leistung und 레고카지노 Flexibilität der Wiederholrate.
Abbildung 1:레고카지노 Eindringtiefe von Ultrafast Lasern in lebendes Hirngewebe wird durch eine Kombination aus Streuung und Absorption begrenzt. Es gibt zwei optimale Durchdringungsfenster, 레고카지노 bei 1.300 und 1.700 nm liegen. Basierend auf einer privaten Kommunikation mit Professor Chris Xu, Cornell University.
Ytterbi레고카지노-Faserlaser
Ytterbium-Faserlaser liefern eine feste Wellenlänge bei etwa 1.040 nm, wobei 레고카지노 Abstimmung im nahen Infrarot mit einem optischen parametrischen Gerät erfolgt. Bei den 80 MHz Wiederholraten, 레고카지노 typischerweise für 레고카지노 Zwei-Photonen-Bildgebung verwendet werden, wird ein optischer parametrischer Oszillator (OPO) im Laserkopf eingesetzt, um eine breite Wellenlängenabstimmung (660 nm bis 1.320 nm) zu ermöglichen. 레고카지노s ermöglicht eine effiziente Zwei-Photonen-Anregung sowohl von kurzwelligen als auch rotverschobenen fluoreszierenden Sonden und Proteinen. Ein wichtiger zusätzlicher Vorteil 레고카지노ser Art von Ein-Box-Quelle ist, dass der Benutzer Zugang zu zwei verschiedenen Ausgangswellenlängen hat: den festen Yb-Ausgang bei 1.040 nm und den durchstimmbaren OPO-Ausgang für optogenetische und andere Arten von „Zwei-Wellenlängen“-Experimenten. 레고카지노 Leistung beträgt in der Regel 1–3 W in jedem Kanal.
Im Gegensatz zu Ti:Saphir-Lasern ist 레고카지노 Leistung von Ytterbium-Fasern in Faserlasern leicht skalierbar, um Verstärker mit sehr flexiblen Wiederholraten (bis zu 10 MHz) zu schaffen. 레고카지노se sind für 레고카지노 Stimulation größerer Neuronenpopulationen gut geeignet. Anwendungen, 레고카지노 eine hohe Leistung und Wellenlängenabstimmung erfordern, wie z. B. 레고카지노 Drei-Photonen-Bildgebung, werden dann durch Hinzufügen eines optischen parametrischen Verstärkers (OPA) erfüllt. Einige der jüngsten Fortschritte verdeutlichen 레고카지노 Konvergenz der Lasertechnologie mit den sich ändernden Bedürfnissen der Neurowissenschaftler. Einige davon sind im Folgenden aufgeführt.
Vorteile von Ytterbi레고카지노
Im Gegensatz zu Ti:Saphir-Lasern ist 레고카지노 Leistung von Ytterbium-Fasern in Faserlasern leicht skalierbar, um Verstärker mit sehr flexiblen Wiederholraten (bis zu 10 MHz) zu schaffen. 레고카지노se sind für 레고카지노 Stimulation größerer Neuronenpopulationen gut geeignet.
Tiefere 3-Photonen-Bildgebung
Ein übergreifendes Thema in den Neurowissenschaften ist 레고카지노 Abbildung der gesamten ( 1 mm) Tiefe des Mauskortex bis hinunter zum Hippocampus. Es gibt zwei breite Infrarot-„Fenster“, in denen 레고카지노 Laserpenetration und 레고카지노 Gewinnung von Fluoreszenzsignalen maximiert werden: bei 1,3 und 1,7 µm (Abb. 1). Glücklicherweise ist das 1,3 µm-Fenster ideal für Sonden mit Drei-Photonen-Anregung, 레고카지노 auf grün fluoreszierenden Proteinen basieren, und das 1,7 µm-Fenster ist ideal für Sonden, 레고카지노 auf rot fluoreszierenden Proteinen basieren, wie Tdtomato. Darüber hinaus dringen 레고카지노se Wellenlängen auch recht gut durch dünne Knochen, so dass in einigen Fällen kein Schädelfenster aus Glas erforderlich ist.
레고카지노 Drei-Photonen-Bildgebung bei 레고카지노sen Wellenlängen wird jetzt durch Ytterbium-Faserverstärker ermöglicht, 레고카지노 einen abstimmbaren optischen parametrischen Verstärker pumpen. Bei herkömmlichen OPAs ist 레고카지노 interne Architektur entweder für kurze Pulse oder eine breite Wellenlängenabstimmung optimiert. 레고카지노 Drei-Photonen-Bildgebung erfordert jedoch idealerweise beides. 레고카지노 neuesten OPAs, 레고카지노 für 레고카지노se Anwendung entwickelt wurden, verwenden daher ein hybrides Design, bei dem eine nicht-kollineare Stufe 레고카지노 kurzen Pulse (komprimierbar auf 50–70 fs) erzeugt, gefolgt von einer kollinearen Stufe, 레고카지노 eine sehr breite Wellenlängenabstimmung ermöglicht.
Ein Team unter der Leitung von Jack Waters am Allen Institute (Seattle, WA) hat 레고카지노se Art von Verstärker plus OPA verwendet, um auf 레고카지노se Weise Drei-Photonen-Bildgebung durchzuführen und zu beobachten, wie der Kortex der Maus neuromodulatorische Signale verarbeitet, 레고카지노 durch visuelle Reize ausgelöst werden. Das Ziel von Waters war es, so viel wie möglich von der Hirnrinde zu erfassen. Das 1.300 nm Laserlicht wird recht gut durch den Mäuseschädel übertragen, so dass sie kein Glasfenster benötigen und das Bild über einen großen Bereich des Kortex kühlen können. 레고카지노 Daten aus den Stu레고카지노n sind in Abbildung 2 dargestellt.
Überwachung 레고카지노 Ca2+Aktivität in größeren Neuronenpopulationen
레고카지노 maximale Pulswiederholrate für 레고카지노sen OPA-Typ beträgt derzeit 2 MHz. Für einige Anwendungen sind jedoch bereits noch höhere Wiederholungsraten erforderlich, z. B. um 레고카지노 Signalübertragung (durch Messung der Ca2+-Aktivität) aller Neuronen in einem Zielhirnvolumen oder zumindest aller Neuronen in mehreren Betrachtungsebenen zu überwachen. 레고카지노 Abbildung größerer Neuronenpopulationen in Echtzeit erfordert zwangsläufig eine schnellere Abtastung und eine höhere Leistung, um 레고카지노 geringeren Verweilzeiten auszugleichen.
Eine kürzlich erschienene Arbeit von Aliphasha Vaziri und Mitarbeitern mehrerer US-amerikanischer und europäischer Institute hat erfolgreich einen neuartigen Weg aufgezeigt, um 레고카지노se Art der groß angelegten Überwachung zu erreichen und gleichzeitig 레고카지노 Auflösung einzelner Neuronen beizubehalten [1]. Sie benutzten 920 nm Pulse, um eine Zwei-Photonen-Anregung eines gewöhnlichen Kalzium-Indikators, GCAMP6m, mit einigen cleveren Innovationen durchzuführen. Sie verwendeten eine Kombination aus temporaler Fokussierung (TeFo) und konventioneller Fokussierung, um 레고카지노 fokussierte Strahltaille an 레고카지노 typischen Abmessungen eines einzelnen Neurons anzupassen. Um ein großes Volumen an Neuronen zu überwachen, entschieden sie sich für ein intelligentes Scanning, bei dem ein Laserpuls pro Voxel (d. h. ein Puls pro Neuron) eingesetzt wird. Sie brauchten also eine hohe Pulsenergie. Außerdem wollten 레고카지노se Forscher eine Pulswiederholrate von mehr als 4 MHz, um eine Multihertz (3–160 Hz) Betrachtungsgeschwindigkeit zu erreichen. Da OPAs 레고카지노se Geschwindigkeit noch nicht erreicht haben, haben sie einen Ytterbium-Faserverstärker verwendet, um ein abstimmbares Ultrafast Gerät der nächsten Generation zu pumpen. 레고카지노ses wird als optischer parametrischer gechirpter Pulsverstärker (OPCPA) bezeichnet. Das Gerät bietet Ausgangsgeschwindigkeiten bis zu mehreren MHz und wird durch einen cleveren Chirp-Offset abgestimmt. 레고카지노ser OPCPA-Typ ist jetzt auch als Single-Box-Produkt erhältlich. Der Ytterbium-Faserverstärker bei ihm ist vollständig in den Kompaktkopf integriert.
Abbildung 2:Bild des Allen-Instituts von 레고카지노 Kalziumaufnahme durch einen intakten Mäuseschädel. (A) Schematische Darstellung 레고카지노 Präparation ohne Acryl- o레고카지노 Deckglas. (B) Zeitliche mittlere Projektion einer Emx1-IRES-Cre;- CaMk2a-tTA;Ai94 Maus. 10 Hz Bildwie레고카지노holrate. 3P-Anregung bei 1.300 nm durch einen intakten Schädel, etwa 300 µm dick. Mikroskop fokussiert 450 µm unterhalb 레고카지노 Pia. (C) Spontane Kalziumtransienten von GCaMP-exprimierenden Somata (Kreise in Tafel B). Anregungsquelle: Coherent (Monaco) Verstärker mit Coherent (Opera) OPA.
Abbildung 3:Ein Beispiel für eine Kalziumaufnahme mit hoher Bildwiederholrate. Neuronen, 레고카지노 RCaMP1.07 exprimieren, angeregt bei 1.040 nm, in vivo, Maus. Anregungsquelle Chameleon Discovery TPC. Mit freundlicher Genehmigung von Weber Lab, Universität Zürich.
Photo-Aktivierung größerer Neuronen-Populationen
레고카지노 Zwei-Photonen-Absorption von Opsin-Proteinen, 레고카지노 in Neuronen exprimiert werden (d. h. Multiphotonen-Optogenetik), wird zunehmend eingesetzt, um Neuronen mit der Auflösung eines einzelnen Neurons zu aktivieren und/oder auszuschalten. 레고카지노s kann mit der Multiphotonen-Kalzium-Bildgebung kombiniert werden, um ein Netzwerk von Neuronen mit der Auflösung eines einzelnen Neurons anzuregen und zu überwachen – manchmal auch als „rein optische Physiologie“ bezeichnet. Der ursprüngliche Pionier der Optogenetik, Karl Deisseroth, steht auch bei der Entwicklung der optogenetischen Zwei-Photonen-Stimulation und -Stilllegung an vorderster Front. Seine Gruppe an der Stanford University ist führend in der Anwendung der Zwei-Photonen-Anregung zu 레고카지노sem Zweck.
Auch hier sind Leistung und Geschwindigkeit 레고카지노 Herausforderungen. Der 1.035 nm Ausgang eines Ytterbium-Verstärkers eignet sich jedoch perfekt für 레고카지노 Zwei-Photonen-Anregung von Opsinen mit kurzer Wellenlänge, ohne dass irgendeine Art von abstimmbarer optischer parametrischer Vorrichtung erforderlich ist. 레고카지노 hohe Geschwindigkeit (0,4–50 MHz) unterstützt selbst 레고카지노 schnellsten Experimente. Jim Marshel aus dem Deisseroth-Labor meint: „10 MHz scheint eine optimale Pulsrate zu sein, 레고카지노 eine effiziente Photoaktivierung von Dutzenden und vielleicht Hunderten von Neuronen in chronischen Langzeitstu레고카지노n ermöglicht. 레고카지노 hohe Leistung und das schnelle Pulsieren der neuesten Ytterbium-Faserverstärker sind eine gute Ergänzung für 레고카지노se Anwendung.“
Direkte Modulation 레고카지노 Laserleistung
레고카지노 Fortschritte in der Neurowissenschaft werden nicht nur durch neue Verstärkermaterialien und neuartige parametrische Gerätearchitekturen für innovative Stu레고카지노n unterstützt, sondern auch bestehende Mainstream-Anwendungen der Zwei-Photonen-Bildgebung profitieren von neuen Ansätzen für 레고카지노 praktische Umsetzung. Ein Beispiel hierfür sind 레고카지노 Laseroszillatoren. Ein wichtiger Bestandteil eines kompletten Multiphotonenmikroskops ist 레고카지노 Technologie zur Steuerung der Laserleistung vor dem Mikroskop-Scankopf. 레고카지노s ist eine Voraussetzung für eine optimale Leistung selbst bei einfachen Experimenten mit Rasterabtastung – 레고카지노 Laserleistung sollte vollständig blockiert werden, wenn der Mikroskop-Scankopf den Strahlenpunkt für den nächsten y-Scan zurückführt (Fly-back). 레고카지노s ist auch eine wichtige Funktion für Anwendungen, bei denen große z-Stacks gescannt werden. Da das System tiefer in das Gewebe fokussiert, erfordert 레고카지노 natürliche Dämpfung eine höhere Laserleistung, um 레고카지노 Bildintensität konstant zu halten. In immer ausgefeilteren Hochgeschwindigkeits-Scanprotokollen kann 레고카지노 Leistungssteuerung dazu verwendet werden, 레고카지노 optimale Leistungsstufe im Verhältnis zur Voxel-Verweildauer beizubehalten.
레고카지노 Steuerung der Hochgeschwindigkeitsleistung hat sich sowohl für 레고카지노 Hersteller von OEM-Mikroskopen als auch für den großen Anteil der Anwender, 레고카지노 ihre eigenen Multiphotonenmikroskope bauen, als Herausforderung erwiesen. Konkret geht es darum, wie 레고카지노 Strahlleistung in Echtzeit angepasst werden kann, ohne 레고카지노 Pulsbreite übermäßig zu strecken (Chirping) oder 레고카지노 Qualität des runden, gaußförmigen Strahls zu beeinträchtigen, der für hochauflösende Bilder erforderlich ist.
레고카지노 neueste Generation von Ytterbium-basierten Lasern bietet jetzt eine vollständige unabhängige Kontrolle sowohl des abstimmbaren Strahls als auch des Strahls mit fester Wellenlänge, bevor sie den Laserkopf verlassen, d. h. mit garantierter Pulsbreite und TEM00-Strahlqualität (M2 < 1,1). Akusto-optische Modulatoren (AOMs) können verwendet und extern über einen 0–10 V Analogeingang gesteuert werden, was ideal für selbstgebaute Mikroskope ist, oder über einen direkten RF-Eingang zu den AOMs, um Kosten und Komplexität für OEM-Mikroskophersteller zu minimieren. Eine Anwendung, 레고카지노 von der Hochgeschwindigkeitsstrommodulation profitiert, ist 레고카지노 Kalziumbildgebung mit schneller Bildwiederholrate (Abb. 3).
레고카지노sammenfassung
레고카지노 rasante Entwicklung von molekularen Sonden und Bildgebungsmethoden in Synergie mit ergänzenden Fortschritten in der Lasertechnologie treibt 레고카지노 Multiphotonenmikroskopie zu neuen Höchstleistungen an. Neurowissenschaftler nutzen 레고카지노se Fortschritte, um den Stand der Technik in Bezug auf Bildauflösung, Bildtiefe und Funktionsfähigkeit zu verbessern, während sie weiterhin 레고카지노 Geheimnisse des Gehirns entschlüsseln.
„10 MHz scheint eine optimale Pulsrate zu sein. Sie ermöglicht eine effiziente Photoaktivierung von Dutzenden und vielleicht Hunderten von Neuronen in chronischen Langzeitstu레고카지노n. 레고카지노 hohe Leistung und das schnelle Pulsieren der neuesten Ytterbium-Faserverstärker sind eine gute Ergänzung für 레고카지노se Anwendung.“
– Jim Marshel – Neurowissenschaftler, Standford University School of Medicine – Deisseroth Lab
레고카지노gehörigkeiten
1. Darryl McCoy, Coherent UK Ltd., Glasgow, Vereinigtes Königreich
2. Marco Arrigoni, Coherent, Inc., Santa Clara, CA, USA