2013: Разработан волоконно-оптический нейроинтерфейс для параллельного долговременного динамического зондирования функциональной активности нейронов в пространственно разделенных структурах головного мозга живых свободноподвижных животных

Физики МГУ разработали и испытали волоконно-оптический нейроинтерфейс для параллельного долговременного динамического зондирования функциональной активности нейронов в пространственно разделенных структурах головного мозга живых свободноподвижных животных.

Для понимания клеточных и системных механизмов высшей нервной деятельности, включая обучение и память, необходимо выявление и исследование паттернов функциональ- ной активности нейрональных сетей в живом, активно работающем мозге. И именно уникаль- ные свойства оптических волокон, такие как, компактный размер, механическая гибкость и все более растущая функциональность в сочетании с последними разработками флуоресцент- ных маркеров для разнообразных клеточных процессов обеспечивают новые возможности для in vivo функциональной визуализации в биологических задачах. В наших исследованиях был продемонстрировал специально разработанный волоконно-оптический нейроинтерфейс, обеспе- чивающий новые возможности для параллельного оптического зондирования пространственно разделенных и функционально различающихся областей головного мозга живого бодрствую- щего животного в течение длительного времени. Разработанный нами метод основан на исполь- зовании преимуществ волоконно-оптических технологий зондирования и позволяет проводить измерения количества флуоресцентных маркеров в любых областях мозга живых животных при их свободном поведении во время и после обучения. Предлагаемый подход принципиально рассчитан на длительные, в масштабах нескольких недель, измерения нейронной активности с высоким временным разрешением (до нескольких мс), что позволяет визуализировать раз- личные процессы, протекающие в нейронах: экспрессия генов или кальциевые токи. Благодаря максимально легкому и компактному размеру вживляемой системы все время между измере- ниями животные могут жить в своих домашних клетках без каких-либо неудобств, а также без опасности повредить оптоволокно. Возможности и эффективность предлагаемой методи- ки зондирования нейронной активности были продемонстрированы на примере регистрации флуоресцентного отклика белка EGFP в мозге трансгенных животных, у которых ген флуо- ресцентного белка встроен под промотор немедленно раннего гена zif/268. Данные измерения были проведены на живой бодрствующей мыши, что позволило впервые продемонстрировать оптическую регистрацию маркеров нейронной активности одновременно двух пространственно разнесенных областей мозга живого свободноподвижного животного.

Результаты данной работы былы опубликованы в журналах Scientific Reports (Nature) и Applied Physics Letters:

1. Doronina-Amitonova L.V., Fedotov I.V., Ivashkina O.I., Zots M.A., Fedotov A.B., Anokhin K.V., Zheltikov A.M., "Implantable fiber-optic interface for parallel multisite long-term optical dynamic brain interrogation in freely moving mice", Scientific reports, 3 (2013).

2. Doronina-Amitonova L.V., Fedotov I.V., Fedotov A.B., Zheltikov A.M., "High-resolution wide-field Raman imaging through a fiber bundle", Applied Physics Letters, 102, 161113 (2013).