达特茅斯学院

挑战

达特茅斯学院 Michael Hoppa 教授实验室的基础研究可以帮助治疗癫痫和其他与遗传相关的神经性疾病。 众所周知，这些疾病与构成大脑的复杂神经元网络中出现错误信号（突触功能障碍）有关。 他说：“我们研究的是遗传疾病对动作电位 (AP) 和相关化学物质释放有怎样的影响，这是所有神经元的基本信号传导机制。 我们正在以亚微米空间分辨率和远低于一毫秒的时间分辨率对此进行详细调查。”空间分辨率使在小轴突（直径 <200 nm）以及其他亚细胞成分中跟踪 AP 事件成为可能。 他们希望自己的见解可以帮助改善治疗效果。 

Michael 解释说，他的团队利用分子生物学来操纵这些疾病的基因，并在生理学和药理学研究中结合使用了光遗传学技术和定量荧光显微镜。 视紫红质型荧光电压指示器是一个重要工具，用于直接聚焦基本信号 (AP)，而不是跟踪像钙荧光这样较慢的次级信号。 其数据质量在很大程度上取决于用于指示器激发和成像的激光器以及工作中使用的其他探头的性能。 他们需要多个激光波长来选择性地激发研究中所用的各种探头。 Michael 补充说：“我们一直在追求提高信噪比，即光子，这意味着我们需要 50 到 150 mW 的输出功率，具体取决于特定的探头亮度。”

解决方案

在这项工作启动之初，Michael 需要一个功率为 150 mW 的 637 nm 激光器。 在选择Coherent OBIS 之前，他考察了多种激光器，并给出了做出这一选择的几个原因：“我们的大部分工作都有一项关键性的要求，就是要求激光器具有高速模拟调制和非常稳定的输出特性。 在我们试用过的激光器中，OBIS 激光器是唯一一款可以在脉冲期间实现探测不到延迟时间且功率非常稳定的激光器。”他解释说这一点十分必要，因为电压指示器的快速响应时间只有几百微秒。 因此，他的团队需要快速调制和快速升降时间，以利用这种时间分辨率并查看 AP 产生的时间细节，这一点非常重要。 还有一点很重要的是，方波短（例如，400 µs）脉冲还可以尽可能减少切除的活神经元暴露在其下的光的总量。 （他说，他们在工作早期有一个惊喜的发现，即当暴露于任何类型的连续光照时，哺乳动物大脑神经元死亡的速度非常之快。 当然，这些大脑神经元通常处于颅骨内完全黑暗的环境当中。）

神经元刺激通常由一个小的铂电极启动。 自 2017 年以来，该团队还将光学方法与膜片钳技术相结合，为他们的数据增加了另一个维度。 该团队现在总共拥有 12 台 OBIS 激光器，涵盖大部分可见光谱。 要了解多个 OBIS 激光器的输出是如何在显微镜上游结合的，可以观看该团队制作的“Game of Photons”精彩视频。 通过触摸屏和单个面板进行操作十分简单：由来自 Arduino 芯片的脉冲触发，该芯片控制所有实验时序，速度高达 2000 图像/秒。 Michael 还提到了这些激光器具备出色的可靠性，其中一些激光器已经使用了 7 年以上，但完全没有出现性能问题。 

成效

Hoppa 团队基于这些技术发表了多篇论文，其中涵盖他们所采用方法和探头本身的进步，并揭示了几种电压门控离子通道所发挥作用的新细节。 Michael 说：“我相信，我们在确定离子通道及其在轴突和突触中的结合伙伴对于控制大脑中信息流方面的组织、功能和治疗潜力上取得了出色进展。”他的研究团队不断壮大，目前正在招聘研究生和博士后。 Michael 对科学极富感染力的热情是这个团队不断前进的动力源泉。“我心目中的场所有许多激光器、铂电极、大量神经元和神经胶质细胞，以及丰富的荧光蛋白。”我们很高兴他选择了一个具有重要治疗影响潜力的领域，也很荣幸他选择了我们的激光器作为他快乐场所的一部分。 

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