Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание оптоволоконных нейроинтерфейсов

Номер контракта: 14.607.21.0092

Руководитель: Желтиков Алексей Михайлович

Должность руководителя: Профессор

Докладчик: Федотов Илья Валерьевич, научный сотрудник

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
волоконно-оптический нейроинтерфейс, нейрофотоника, оптогенетика, животные в свободном поведении, визуализация глубоких слоев мозга, долговременная оптическая регистрация нейронной активности, фотоактивация нейронов, микроструктурированные оптические волокна, мозго-машинный интерфейс.

Цель проекта:
Проект направлен на разработку нового устройства для нейрофотоники – волоконно-оптического нейроинтерфейса, предназначенного для решения фундаментальных задач исследования мозга, включая изучение процессов формирования памяти и обучения живых животных в свободном поведении.

Основные планируемые результаты проекта:
Создание уникального инструментария, позволяющего осуществлять оптическую активации нейронов и одновременную визуализацию протекающих в них молекулярно-биологических процессов в любых структурах мозга живых свободноподвижных мышей в течение длительного времени.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Оптоволоконный нейроинтерфейс должен обеспечить возможности оптической стимуляции активности нейронов и одновременной регистрации изменений в уровне экспрессии маркерных белков в течение длительного времени (не менее 1 месяца) с временным разрешением не менее 1 с. Оптоволоконный нейроинтерфейс должен позволять изучать таким образом любую структуру мозга живого свободнопо-движного животного с заранее выбранным объемом зондирования для доступа как к одиночному нейрону, так и к популяции нейронов. Вживление интерфейса не должно влиять на поведение и когнитивные функции животного. Вес нейроинтерфейса должен составлять менее 3% от веса самого экспериментального животного (лабораторной мыши).

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты исследования позволят создать инструменты для решения огромного числа задач современной нейробиологии и медицины, связанных с изучением процессов формирования памяти и обучения животных, их когнитивных функций, а также с пониманием природы нейродегенеративных заболеваний головного мозга. Разрабатываемые методы и инструменты будут востребованы в исследовательских центрах для решения огромного числа задач современной нейробиологии. Новые устройства, созданные на основе результатов проекта, имеют потенциал в течении ближайших 5-10 лет стать универсальным инструментом для диагностики и контроля функций нервной системы, выявления заболеваний мозга, а также стать основой нового поколения мозг-машинных интерфейсов.

Текущие результаты проекта:
Измерены спектры люминесценции маркерных белков в мозге взрослых мышей трансгенных линий: Zif-EGFP, Fos-EGFP, Thy1-Channelrhodopsin-YFP и Brainbow-1.0 (dTomato) а также проанализирована относительна яркость и фотовыгорание помеченных нейронов. Выполнены эксперименты по доставке широкополосных линейно чирпированных импульсов по световодам различной архитектуры. Выявлены ограничения накладываемые на разрешающую способность КАРС-спектроскопии. Были рассмотрены две стратегии управления количеством нейронов, стимулируемых и регистрируемых нейроинтерфейсом. Разработаны макеты оптоволоконных нейроинтерфейсов и комплекты эскизной конструкторской документации.
Разработан стенд и программное обеспечение стенда для оптимизации технических решений нейроинтерфейсов. Разработано программное обеспечение для макетов оптоволоконного нейроинтерфейса. Проведена разработка протокола и методики вживления оптического волокна нейроинтерфейса в заранее выбранную структуру мозга живого животного.
Показано, что проинтегрированная в окне 100 нм спектральная плотность мощности сигнала у мышей линий Zif-EGFP и Thy1-Channelrhodopsin-YFP на два порядка больше чем у мышей линии Fos-EGFP и Brainbow-1.0 (dTomato). Установлено, что минимально детектируемая концентрация флуоресцентно отмеченных нейронов при больших объемах зондирования для мышей линии Fos-EGFP составляет n = 5∙10-6 мкм-3; для мышей линии Thy1-Channelrhodopsin-YFP n = 95 мм-3. Доставленные по волноводам широкополосные чирпированные импульсы обеспечили возможность КАРС спктроскопии с разрешением до 15 см-1. Показано, что для исследования одного нейрона мыши линии Fos-EGFP в соматосенсорной, париетальной и моторной коре возможно использовать волокно с d core = 50 мкм и NA = 0.12, а для прелимбической и цингулярной коры, зубчатой фасции гиппокампа и миндалина - волокно с d core = 105 мкм и NA = 0.12.
Основная новизна выполненных на данном этапе работ заключается в разработке методик управления количеством нейронов, стимулируемым и регистрируемым нейроинтерфейсом. Была обоснована возможность волоконнооптической регистрации флуоресцентного отклика одиночного нейрона in vitro. Впервые построены зависимости сигнала ВКР на OH-колебаниях воды от температуры среды с использованим волноводов. На первом этапе была была построена и систематически экспериментально проверена теоретическая модель, описывающая области возбуждения и сбора флуоресцентного сигнала волоконным зондом. Были проведены систематические исследования доставки фетосекундных лазерных импульсов для наиболее востребованных лазерных источников.