Modern optical in vivo methods in neurophysiological research

Abstract

Jednou z hlavných výziev dnešných neurovied je presná vizualizácia štruktúr a procesov na sub-bunkovej úrovni Optické metódy založené na fluorescenčnom zobrazovaní optimalizované na záznam a ovládanie neuronálnej aktivity predstavujú prístup doplňujúci tradičné elektrofyziologické techniky. Použitie dvojfotónovej excitácie umožnilo zobrazovanie neurónov in vivo až do hĺbky 1 mm od povrchu vzorky a to bez významného poškodenia svetlom. Aplikácia metód molekulárnej biológie viedla k vytvoreniu proteínových indikátorov neurálnej aktivity, ktoré dnes už disponujú vlastnosťami tradičných syntetických farbív. Heterológna expresia mikrobiálnych opsínov umožňuje svetlom ovládané vyvolanie nervových vzruchov, alebo ich útlm za pomoci jediného komponentu. Kombinácia týchto optogenetických nástrojov poskytuje dvojsmernú kontrolu nad neurálnou aktivitou s rozlíšením na úrovni jednej bunky. V kombinácii s vápnikovým alebo napäťovým zobrazovaním neurálnej aktivity a transgénnymi zveracími modelmi takýto systém predstavuje neinvazívny optický nástroj schopný súčasného záznamu a kontroly neuronálnej aktivity. Jeho použitie podporené elektrickým záznamom, by mohlo viesť k pochopeniu základných princípov funkcie nervovej sústavy.

Accurate visualization of structures and events at subcellular level is one of the major challenges of current neuroscience. Optical methods based on fluorescence imaging were optimized to record and control neural activity, thus presenting a powerful approach complementary to historically dominant electrophysiological techniques. The employment of two-photon excitation enabled in vivo imaging of neurons up to 1 mm from the sample surface without causing significant photodamage. The application of methods of molecular biology has yielded protein-based genetically targetable indicators of neural activity, possessing performance comparable to the traditional organic dyes. Moreover, heterologous expression of microbial opsins proved capable of light-induced neural excitation or silencing in a single-component manner. The combination of these optogenetic tools offers two-way control over neuronal populations with single cell resolution. If coupled with calcium or voltage fluorescent indicators and transgenic animal models, such systems represent a non- invasive, all-optical tool for simultaneous control and imaging of specific neuronal subtypes. Its application supported by electrical recordings may finally provide the data necessary for the uncovering of fundamental principles of neural functioning.