RU2637823C2 - Fibre-optical neurointerface and method for long-term optical registration of processes in brain of living free moving animals - Google Patents

Fibre-optical neurointerface and method for long-term optical registration of processes in brain of living free moving animals Download PDF

Info

Publication number
RU2637823C2
RU2637823C2 RU2015154801A RU2015154801A RU2637823C2 RU 2637823 C2 RU2637823 C2 RU 2637823C2 RU 2015154801 A RU2015154801 A RU 2015154801A RU 2015154801 A RU2015154801 A RU 2015154801A RU 2637823 C2 RU2637823 C2 RU 2637823C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
brain
optical
probe
fiber
segment
Prior art date
Application number
RU2015154801A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015154801A (en
Inventor
Любовь Владимировна Амитонова
Константин Владимирович Анохин
Алексей Михайлович Желтиков
Ольга Игоревна Ивашкина
Марина Анатольевна Рощина
Андрей Борисович Федотов
Илья Валерьевич Федотов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Priority to RU2015154801A priority Critical patent/RU2637823C2/en
Publication of RU2015154801A publication Critical patent/RU2015154801A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2637823C2 publication Critical patent/RU2637823C2/en

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/06—Radiation therapy using light
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/06—Radiation therapy using light
    • A61N5/0613—Apparatus adapted for a specific treatment
    • A61N5/0622—Optical stimulation for exciting neural tissue

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Neurosurgery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: fibre-optic neurointerface includes, at least, one probe connected to a laser optical excitation system and a system for recording and measuring the response of the brain region being examined, which is connected to a personal computer equipped with software for controlling the measurement process, storing and displaying measurement results. Herewith the probe consists of two detachable parts, where the first part is a ceramic ferrule with the possibility of placing an internal fibre segment in it, intended to be fixed on the animal's skull and executed, and the second part is a reciprocal ferula with an outer fibre segment fixed in it, placed in a connecting ceramic body configured to be densely connected to the ferrule of the first part. At the same time, the inner length of the fibre is long enough to allow it to be inserted into the animal's brain at the required depth for carrying out appropriate research with optical communication with the outer fibre segment. The laser optical excitation system consists of, at least, three single-frequency lasers with different emission wavelengths for multispectral excitation provided with an external amplitude modulator of laser radiation, and the connection of the probe to the laser optical excitation system and the optical response recording system is realized by means of an external long segment of the optical fibre. The method for long-term optical recording of processes in the brain of living freely moving animals involves the installation of, at least, one probe of the claimed device in the area of the skull of the experimental animal in the projection of the brain region selected for the study and the introduction of an internal fibre segment through the ferula channel of the first part of the probe to the said site, then, after implantation of the ferula of the first part of the probe, a ferula of the second part of the probe with an outer segment of the optical fibre is attached to it by means of a connecting body for the time of measurement, then the laser source is irradiated with the indicated area of the brain, after which an optical response is detected in the registration system and the data is analyzed using an analog-to-digital converter and a computer.
EFFECT: improvement of data acquisition.
8 cl, 6 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к волоконно-оптическим устройствам и способам, предназначенным для проведения измерений функционально значимых нейрофизиологических процессов, происходящих в мозге живых свободно движущихся лабораторных животных, оптическими методами.The present invention relates to fiber-optic devices and methods for measuring functionally significant neurophysiological processes occurring in the brain of living freely moving laboratory animals by optical methods.

Для того, чтобы понять, какие клеточные и системные процессы лежат в основе специфичного поведения, адаптации и обучения животных, необходимо визуализировать работу мозга и проводить исследования различных динамических свойств нейронов живых активных животных, вовлеченных в разнообразные виды когнитивной деятельности. В настоящее время для визуализации процессов, происходящих в клетке, в условиях сильно рассеивающих биологических сред, для увеличения глубины доставки излучения и сбора оптического отклика под поверхностью биологической ткани используют нелинейно-оптические методики или применяют волоконно-оптические эндоскопы для оптической in vivo визуализации нейронной активности. Работа с живыми объектами в режиме in vivo накладывает особые требования к устройствам визуализации, поэтому возникает существенная необходимость в новых подходах и методах визуализации различных биохимических процессов, протекающих в нервных клетках различных структур мозга живого бодрствующего животного. Возможность визуализации биологических структур внутри живых организмов глубоко внутри тела незаменима, как в исследовательских задачах, так и в задачах диагностики. Основными условиями подобных исследований является необходимость их проведения в режиме реального времени и с высоким пространственным разрешением. Оптические методы являются одними из наиболее перспективных направлений проведения диагностики и измерений в биологии и биомедицинских приложениях и являются практически безальтернативным способом наблюдения за молекулярными процессами в отдельных клетках в контексте функциональной активности всего живого организма.In order to understand what cellular and systemic processes underlie specific behavior, adaptation and training of animals, it is necessary to visualize the brain and conduct research on the various dynamic properties of neurons of living active animals involved in various types of cognitive activity. Currently, nonlinear optical techniques are used to visualize the processes occurring in the cell under conditions of strongly scattering biological media, to increase the depth of radiation delivery and to collect the optical response below the surface of biological tissue, or fiber optic endoscopes are used for visualization of neural activity in vivo. Working with living objects in vivo imposes special requirements on imaging devices, therefore, there is a significant need for new approaches and methods for visualizing various biochemical processes that occur in nerve cells of various brain structures of a living awake animal. The ability to visualize biological structures inside living organisms deep inside the body is indispensable, both in research and diagnostic tasks. The main conditions for such studies is the need for their implementation in real time and with high spatial resolution. Optical methods are one of the most promising areas of diagnostics and measurements in biology and biomedical applications and are a practically non-alternative way of observing molecular processes in individual cells in the context of the functional activity of the whole living organism.

Применение волоконно-оптических эндоскопов для доставки излучения и сбора оптического отклика позволяет ценой минимального вмешательства в исследуемую систему преодолеть проблемы проникновения возбуждающего излучения и рассеяния. Возможность визуализации биологических структур внутри живых организмов глубоко внутри тела незаменима, как в исследовательских задачах, так и в задачах диагностики.The use of fiber-optic endoscopes for delivering radiation and collecting an optical response allows, at the cost of minimal intervention in the system under study, to overcome the problems of penetration of exciting radiation and scattering. The ability to visualize biological structures inside living organisms deep inside the body is indispensable, both in research and diagnostic tasks.

Волоконно-оптические флуоресцентные эндоскопы хорошо себя зарекомендовали, как инструменты для минимально возмущающей визуализации глубоко лежащих структур биологических тканей, требуемых в задачах in vivo визуализации в живых свободноподвижных животных.Fiber-optic fluorescence endoscopes have established themselves well as tools for minimally disturbing visualization of deep-lying structures of biological tissues required in in vivo visualization tasks in living free-moving animals.

В публикации патентной заявки США US20060276866 описана система, содержащая микроэлектроды, имеющие кремниевую подложку и многочисленные проводящие электроды для глубокого мозгового электрического стимулирования или записи нервных сигналов. Подложка имеет верхний конец с многочисленными проводящими частями для соединения. Многочисленные каналы и места электродов могут точно быть установлены на одном устройстве для местной доставки лекарств или записи или стимулирования нейронов. Устройство содержит массив электрических контактов и встроенный кабель для разъема. Однако проблема с вживляемостью и сроком службы ограничивает их широкое применение, несмотря на использование губчатой платины, проводящих полимеров и высокостойких полимерных покрытий.U.S. Patent Application Publication US20060276866 describes a system comprising microelectrodes having a silicon substrate and multiple conductive electrodes for deep brain electrical stimulation or recording of nerve signals. The substrate has an upper end with numerous conductive parts for connection. Numerous channels and electrode locations can be precisely installed on one device for local drug delivery or recording or stimulating neurons. The device contains an array of electrical contacts and an integrated cable for the connector. However, the problem with implantability and service life limits their widespread use, despite the use of sponge platinum, conductive polymers and highly resistant polymer coatings.

В публикации патентной заявки США US 20060293578 описан нейроинтерфейс, который содержит считыватель и массив устройств записи. Считыватель излучает и получает радиочастотные сигналы. Массив записывающих устройств включает беспроводную секцию и сенсорную секцию. Беспроводная секция включает преобразователь, антенну и модулятор. Преобразователь преобразует радиочастотный сигнал. Сенсорная секция принимает стабильные силовые сигналы. Сенсорная секция приспособлена для обнаружения нервной деятельности и выдает выходные сигналы, содержащие информацию, указывающую на такую нервную деятельность модулятору беспроводной секции, посредством чего модулятор передает информацию на выходные сигналы считывателя.U.S. Patent Application Publication US20060293578 describes a neural interface that includes a reader and an array of recording devices. The reader emits and receives radio frequency signals. The array of recorders includes a wireless section and a touch section. The wireless section includes a converter, antenna, and modulator. The converter converts the radio frequency signal. The touch section receives stable power signals. The sensor section is adapted to detect nervous activity and provides output signals containing information indicating such nervous activity to the modulator of the wireless section, whereby the modulator transmits information to the output signals of the reader.

В публикации патентной заявки США US 20090088680 описана система для стимулирования клеток, содержащая удлиненную конструкцию, имеющую два конца и канал, для вставки через череп и в мозг, резервуар для хранения вирусных векторов для экспрессии, по меньшей мере, одного из ChR2 и NpHR в целевых нейронов; устройство для доставки, чтобы переместить вирусные векторы из резервуара через канал в целевые нейроны; оптическое волокно, которое вводят в канал и генератор светового излучения. При этом свет поступает через оптическое волокно и освещает область мозга, в котором расположены целевые нейроны.U.S. Patent Application Publication No. 20090088680 discloses a cell stimulation system comprising an elongated structure having two ends and a channel for insertion through the skull and brain, a reservoir for storing viral vectors for expression of at least one of ChR2 and NpHR in the target neurons; a delivery device to move viral vectors from the reservoir through the channel into the target neurons; optical fiber that is introduced into the channel and the light radiation generator. In this case, the light enters through the optical fiber and illuminates the area of the brain in which the target neurons are located.

В публикации патентной заявки США US 20110172653 описано оптическое устройство для доставки света в живой организм, содержащее: источник света; оптический элемент для его передачи, выполненный из материала, который является прозрачным для света, имеющий продолговатую форму; крепление для фиксации оптического элемента к пациенту; и тепловыделительную часть для отвода тепла из-под источника света.U.S. Patent Application Publication No. 20110172653 describes an optical device for delivering light to a living organism, comprising: a light source; an optical element for transmitting it, made of a material that is transparent to light, having an oblong shape; mount for fixing the optical element to the patient; and a heat generating part for removing heat from under the light source.

В публикации патентной заявки США Mauna Kea Technologies US 20050242298 описаны устройство и принципиальные особенности получения изображений органов и тканей с клеточным разрешением с помощью многоканального волоконно-оптического зонда. В состав устройства входит оптическое многоканальное волокно, лазерный источник возбуждения, система заведения излучения в волокно на основе сканирующих гальванических зеркал и оптическая система регистрации. Через каналы оптического многоканального волокна излучение накачки передается к объекту, возбуждает флуоресцентный сигнал, который собирается и передается в систему регистрации тем же самым волокном.The publication of US patent application Mauna Kea Technologies US 20050242298 describes a device and fundamental features of obtaining images of organs and tissues with cellular resolution using a multi-channel fiber optic probe. The device includes an optical multichannel fiber, a laser source of excitation, a system for introducing radiation into a fiber based on scanning galvanic mirrors, and an optical recording system. Through the channels of an optical multi-channel fiber, the pump radiation is transmitted to the object, excites a fluorescent signal, which is collected and transmitted to the registration system by the same fiber.

Однако, указанные технические разработки не позволяют проводить исследования процессов формирования памяти и обучения живых свободноподвижных животных. Также недостатком вышеприведенных технических решений является то, что лабораторное животное должно постоянно содержаться в клетке, в непосредственной близости от системы регистрации, а возможность проводить биологические эксперименты на протяжении длительного времени является ключевой для многих исследований.However, these technical developments do not allow studies of the processes of memory formation and training of living freely moving animals. Another drawback of the above technical solutions is that the laboratory animal must be kept in a cage in the immediate vicinity of the registration system, and the ability to conduct biological experiments for a long time is key for many studies.

Таким образом, в настоящее время отсутствуют разработки по созданию оптоволоконных нейроинтерфейсов для комплексного исследования процессов когнитивных функций живых свободноподвижных животных, то есть, такого волоконно-оптического нейроинтерфейса, который бы удовлетворял целому ряду требований: был бы максимально легким и компактным для вживления в мозг, обеспечивал бы животному жизнь в естественных условиях вне времени проведения измерений, обеспечивал бы возможность точной адресации к одой и той же исследуемой области в течение длительного времени, а также обладал бы возможностью для одновременного параллельного оптического зондирования.Thus, there are currently no developments on the creation of fiber-optic neural interfaces for the comprehensive study of the processes of cognitive functions of living free-moving animals, that is, such a fiber-optic neurointerface that would satisfy a number of requirements: would be as light and compact as possible for implantation in the brain, provide if the animal had life in natural conditions outside the time of measurement, it would provide the possibility of accurate addressing to the same study area during long time, and also would have the opportunity for simultaneous parallel optical sensing.

Задачей, которую решает заявленное изобретение, является создание волоконно-оптического нейроинтерфейса и способа для долговременной оптической регистрации процессов в мозге живых свободно движущихся животных, позволяющего осуществлять долговременную (в масштабах нескольких дней и недель) стабильную оптическую регистрацию нейронной активности у живых свободноподвижных животных, обеспечить возможность для параллельного оптического зондирования пространственно-разделенных функционально различающихся (не менее, чем двух) областей головного мозга живого бодрствующего животного.The problem that the claimed invention solves is the creation of a fiber-optic neurointerface and a method for long-term optical registration of processes in the brain of living freely moving animals, which allows for long-term (on the scale of several days and weeks) stable optical registration of neural activity in living freely moving animals, to provide the opportunity for parallel optical sensing of spatially separated functionally different (at least two) regions the brain of a living awake animal.

Также задачей является осуществление долговременных параллельных измерений нейронной активности в нескольких пространственно-разнесенных областях мозга живых свободноподвижных животных и одновременная регистрация нейронной активности в нескольких глубоколежащих областях головного мозга живых свободноподвижных животных.Another objective is the implementation of long-term parallel measurements of neural activity in several spatially separated brain regions of living free-moving animals and the simultaneous recording of neural activity in several deep-lying brain regions of living free-moving animals.

Поставленная задача решается тем, что волоконно-оптический нейроинтерфейс для долговременной оптической регистрации процессов в мозге живых свободно движущихся животных, включает, по крайней мере, по крайней мере, один зонд, соединенный с лазерной системой оптического возбуждения и системой регистрации и измерения отклика исследуемого участка мозга, которая соединена с компьютером, снабженным программным обеспечением для управления процессом измерения, сохранения и отображения результатов измерений. При этом зонд состоит из двух разъемных частей, где первая часть представляет собой керамическую ферулу весом менее 0.3 г, предназначенную для закрепления на черепе животного и выполненную с возможностью размещения в ней внутреннего отрезка оптоволокна, а вторая часть представляет собой ответную ферулу с закрепленным в ней внешним отрезком оптоволокна, размещенным в соединительном керамическом корпусе, выполненным с возможностью плотного соединения с ферулой первой части зонда. При этом внутренний отрезок оптоволокна имеет длину, обеспечивающую его внедрение в мозг животного на необходимую глубину для проведения соответствующих исследований с обеспечением оптической связи с внешним отрезком оптоволокна. Лазерная система оптического возбуждения состоит из, не менее трех, одночастотных лазеров с различными длинами волн излучения для мультиспектрального возбуждения, снабженных внешним амплитудным модулятором лазерного излучения, а соединение зонда с лазерной системой оптического возбуждения и системой регистрации оптического отклика реализовано посредством внешнего длинного отрезка оптоволокна, система регистрации и измерения отклика включает линзу или микроскопный объектив для эффективного вывода излучения из волокна, делительную пластину, настраиваемый полосовой фильтр, спектрометр, фотоэлектронный умножитель или чувствительный фотодиод, фотодиод для регистрации опорного сигнала, синхронный усилитель и аналого-цифровой преобразователь. Оптоволокно использовано стандартных типов со ступенчато изменяющимся показателем преломления, фотонно-кристаллических типов или многосердцевинных типов. Внешний диаметр волокна меняется от 125 до 250 мкм. Внутренний отрезок оптоволокна, выходящий за пределы ферулы и входящий в мозг животного, имеет длину от 0,1 до 10 мм.The problem is solved in that the fiber-optic neurointerface for long-term optical recording of processes in the brain of living freely moving animals includes at least at least one probe connected to a laser optical excitation system and a system for recording and measuring the response of the studied brain region , which is connected to a computer equipped with software for controlling the measurement process, saving and displaying the measurement results. In this case, the probe consists of two detachable parts, where the first part is a ceramic ferrule weighing less than 0.3 g, designed to be fixed on the skull of an animal and made with the possibility of placing an internal segment of optical fiber in it, and the second part is a response ferrule with an external ferrule fixed in it a piece of optical fiber placed in a connecting ceramic body made with the possibility of tight connection with the ferula of the first part of the probe. In this case, the internal segment of the optical fiber has a length that ensures its introduction into the brain of the animal to the required depth for conducting relevant studies with optical communication with the external segment of the optical fiber. The laser optical excitation system consists of at least three single-frequency lasers with different wavelengths of radiation for multispectral excitation, equipped with an external amplitude modulator of laser radiation, and the connection of the probe with a laser optical excitation system and an optical response recording system is realized by means of an external long segment of optical fiber, the system recording and measuring the response includes a lens or a microscopic lens for the effective removal of radiation from the fiber, dividing a plate, a tunable band-pass filter, a spectrometer, a photomultiplier tube or a sensitive photodiode, a photodiode for registering a reference signal, a synchronous amplifier and an analog-to-digital converter. The optical fiber used is of standard types with stepwise varying refractive index, photonic-crystalline types or multi-core types. The outer diameter of the fiber varies from 125 to 250 microns. The inner segment of the optical fiber that extends beyond the ferula and enters the animal’s brain has a length of 0.1 to 10 mm.

Способ долговременной оптической регистрации процессов в мозге живых свободно движущихся животных, включающий установку, по крайней мере, одного зонда устройства в область черепа подопытного животного в проекции выбранного для исследования участка мозга, введение внутреннего отрезка оптоволокна через канал ферулы первой части зонда в указанный участок, затем, после вживления ферулы первой части зонда, к ней с помощью соединительного корпуса на время проведения измерений крепится ферула второй части зонда с внешним отрезком оптоволокна, далее излучением лазерного источника облучают указанный участок мозга, после чего в системе регистрации детектируют оптический отклик и проводят анализ данных с помощью компьютера. Предусмотрена возможность одновременно с первым зондом устанавливать второй зонд для обеспечения одновременной регистрации нейронной активности в нескольких областях головного мозга животного.A method for long-term optical recording of processes in the brain of living freely moving animals, including installing at least one probe of the device in the region of the skull of the experimental animal in the projection of the selected brain region, introducing the internal segment of the optical fiber through the ferula channel of the first part of the probe into the specified region, then , after implanting the ferula of the first part of the probe, a ferula of the second part of the probe with an external segment of optical fibers is attached to it with the help of a connecting body for the duration of the measurements on, then the indicated part of the brain is irradiated with the radiation of a laser source, after which the optical response is detected in the registration system and the data is analyzed using a computer. It is possible to install a second probe simultaneously with the first probe to ensure simultaneous recording of neural activity in several areas of the animal’s brain.

Выполнение заявленного волоконно-оптического нейроинтерфейса с зондом из двух разъемных частей позволяет создать для подопытных животных оптимальные условия для жизни, поскольку животные в большей части времени находятся в естественных или искусственно-созданных условиях в свободном состоянии. Выполнение первой части корпуса зонда в виде керамической ферулы миниатюрного размера и веса менее 0.3 грамм позволяет закрепить его на черепе подопытного животного малоинвазивным способом. Для этого с черепа анестезированного подопытного животного убирается шерсть, сверлится отверстие в черепе, и крепится ферула первой части зонда с помощью специального клея или цемента. Отрезок оптоволокна выходит за габариты ферулы на необходимую длину для достижения исследуемой области мозга, и эта длина меняется от 0,1 до 10 мм. Внешний диаметр волокна изменяется от 125 до 250 мкм. Волокно стерилизуется перед операцией по установке зонда. В дальнейшем, в виду своих малых размеров, корпус зонда не мешает подопытному животному в процессе его жизнедеятельности.The implementation of the claimed fiber-optic neural interface with a probe of two detachable parts allows you to create optimal conditions for experimental animals to live, because the animals in most of the time are in natural or artificially created conditions in a free state. The execution of the first part of the probe body in the form of a ceramic ferula of miniature size and weight of less than 0.3 grams makes it possible to fix it on the skull of the experimental animal in a minimally invasive way. To do this, wool is removed from the skull of the anesthetized experimental animal, a hole is drilled in the skull, and the ferula of the first part of the probe is attached using special glue or cement. A piece of fiber extends beyond the dimensions of the ferula to the required length to reach the area of the brain under study, and this length varies from 0.1 to 10 mm. The outer diameter of the fiber varies from 125 to 250 microns. The fiber is sterilized before the probe installation operation. Further, in view of its small size, the probe body does not interfere with the experimental animal in the process of its life.

Вторая часть зонда содержит внешний отрезок оптоволокна, и его длина может меняться в зависимости от необходимой для проведения эксперимента длины. Закрепление внешнего отрезка оптоволокна в керамической феруле и использование соединительного керамического элемента позволяет создать устойчивое оптическое соединение между отрезком внутреннего оптоволокна волоконно-оптического нейроинтерфейса и внешним длинным отрезком оптоволокна нейроинтерфейса во время проведения исследования. При этом, конец внешнего отрезка оптоволокна нейроинтерфейса соединен с источником излучения для визуализации функциональных флуоресцентных маркеров и системой регистрации и измерения флуоресцентного отклика изучаемого объекта, которая соединена с компьютером с программным обеспечением для управления процессом измерения, отображения и сохранения экспериментальных данных.The second part of the probe contains an external segment of the optical fiber, and its length can vary depending on the length required for the experiment. Fixing the external segment of the optical fiber in the ceramic ferrule and using the connecting ceramic element allows you to create a stable optical connection between the segment of the internal optical fiber of the fiber-optic neural interface and the external long segment of the optical fiber of the neural interface during the study. At the same time, the end of the external segment of the optical fiber of the neural interface is connected to a radiation source for visualizing functional fluorescent markers and a system for recording and measuring the fluorescence response of the studied object, which is connected to a computer with software for controlling the process of measuring, displaying and saving experimental data.

В качестве зонда используется керамическая ферула, имеющая по центру отверстие диаметром от 126 до 270 мкм и весом до 0.3 г. Для изготовления первой части нейроинтерфейса, которая вживляется в мозг живого животного, оптическое волокно вклеивается в ферулу таким образом, что его первый конец выходит за пределы ферулы и предназначен для контакта с мозгом животного, а второй конец оптоволокна находится в феруле и предназначен для оптического соединения с первым концом отрезка оптоволокна второй части нейроинтерфейса в зонда. Длина выступающего отрезка оптоволокна первой части зонда регулируется путем скалывания волокна на заданном расстоянии от ферулы с помощью алмазного или рубинового ножа и подбирается в зависимости от целей эксперимента для адресации к различным структурам мозга живого животного. Второй конец оптоволокна полируется таким образом, что торец волокна и торец ферулы образуют одну плоскость. Для обеспечения стабильного соединения обеих частей зонда диаметр внутреннего отверстия ферулы должен практически совпадать с внешним диаметром используемого волокна. Для оптимального соединения внешний диаметр волокна должен быть на 1 мкм меньше, чем диаметр внутреннего отверстия ферулы. Расположение волокон первой и второй частей зонда является соосным, что обеспечивается наличием соединительного керамического корпуса. Процедура изготовления первой части зонда обеспечивает возможности для использования в качестве зондов различных типов оптоволокон: стандартных волноводов со ступенчато изменяющимся показателем преломления, фотонно-кристаллических волноводов, а также многосердцевинных оптоволокон.As a probe, a ceramic ferula is used, which has a hole in the center with a diameter of 126 to 270 μm and a weight of up to 0.3 g. To produce the first part of the neural interface that is implanted in the brain of a living animal, the optical fiber is glued into the ferrule so that its first end extends beyond the limits of the ferula and is intended for contact with the brain of the animal, and the second end of the optical fiber is in the ferula and is intended for optical connection with the first end of the optical fiber segment of the second part of the neural interface in the probe. The length of the protruding segment of the optical fiber of the first part of the probe is controlled by cleaving the fiber at a predetermined distance from the ferula using a diamond or ruby knife and is selected depending on the purpose of the experiment to address various brain structures of a living animal. The second end of the optical fiber is polished so that the end of the fiber and the end of the ferula form one plane. To ensure a stable connection of both parts of the probe, the diameter of the inner hole of the ferula should practically coincide with the outer diameter of the fiber used. For optimal bonding, the outer diameter of the fiber should be 1 micron smaller than the diameter of the inner hole of the ferula. The arrangement of the fibers of the first and second parts of the probe is coaxial, which is ensured by the presence of a connecting ceramic body. The manufacturing procedure of the first part of the probe provides opportunities for the use of various types of optical fibers as probes: standard waveguides with a step-changing refractive index, photonic crystal waveguides, and multi-core optical fibers.

Зонд соединяют с источником излучения для визуализации функциональных флуоресцентных маркеров и системой регистрации флуоресцентного отклика изучаемого объекта только во время измерений. Данная схема метода крепления оптоволокна дает возможность проводить долговременный ряд экспериментов на одном и том же животном в любой структуре мозга и при этом сохранять уверенность в получении сигнала от одной и той же группы клеток. При этом весь период времени между измерениями животные могут жить в своих домашних клетках без опасности повредить оптоволокно.The probe is connected to a radiation source for visualization of functional fluorescent markers and a system for recording the fluorescence response of the studied object only during measurements. This scheme of the method of attaching optical fibers makes it possible to conduct a long-term series of experiments on the same animal in any structure of the brain and at the same time maintain confidence in receiving a signal from the same group of cells. In this case, the entire period of time between measurements, animals can live in their home cages without danger of damaging the optical fiber.

Лазерная система оптического возбуждения состоит из, не менее трех, одночастотных лазеров с различными длинами волн излучения, снабженных внешним амплитудным модулятором лазерного излучения, а система регистрации и измерения флуоресцентного отклика состоит из спектрометра, фотоэлектронного умножителя, оптического полосового фильтра, синхронного усилителя и аналого-цифрового преобразователя, совмещенного с компьютером. Выполнение лазерной системы оптического возбуждения из, не менее трех, одночастотных лазеров, снабженных внешним амплитудным модулятором лазерногоA laser optical excitation system consists of at least three single-frequency lasers with different wavelengths of radiation, equipped with an external amplitude modulator of laser radiation, and a system for recording and measuring the fluorescence response consists of a spectrometer, photoelectron multiplier, an optical bandpass filter, a synchronous amplifier and analog-to-digital a converter combined with a computer. Implementation of a laser optical excitation system from at least three single-frequency lasers equipped with an external amplitude laser modulator

излучения, с различными длинами волн излучения обеспечивает мультиспектральность измерений. Поскольку полосы поглощения наиболее распространенных биомаркеров составляют десятки нанометров, то для большинства задач достаточно использовать три-четыре источника в спектральной области 400-600 нм (для специфических биомаркеров возможно использование дополнительных источников в более длинноволновой области спектра). Важной особенностью заявляемого устройства является использование одночастотных (с одной продольной модой) лазерных источников. В случае проведения флуоресцентных измерений это свойство источников накачки обеспечивает значительное уменьшение высокочастотных шумов и повышение стабильности измерений.radiation, with different wavelengths of radiation provides multispectral measurements. Since the absorption bands of the most common biomarkers are tens of nanometers, for most tasks it is enough to use three or four sources in the spectral region of 400-600 nm (for specific biomarkers it is possible to use additional sources in the longer wavelength region of the spectrum). An important feature of the claimed device is the use of single-frequency (with one longitudinal mode) laser sources. In the case of fluorescence measurements, this property of the pump sources provides a significant reduction in high-frequency noise and increase the stability of measurements.

Приемниками излучения регистрируют флуоресцентный сигнал от исследуемых участков мозга используемых объектов.The fluorescence signal from the studied areas of the brain of the used objects is recorded by radiation receivers.

Оптическое волокно имеет разнообразную структуру - во-первых, обладает одной световодной сердцевиной и оболочкой со ступенчатым профилем показателя преломления, характерным для стандартных телекоммуникационных волокон, при этом в зависимости от диаметра сердцевины режим распространения излучения может быть как многомодовым, так и одномодовым. Во-вторых, используемое волокно может быть фотонно-кристаллическим и иметь сложную микроструктурированную архитектуру, которое обеспечивает уникальные режимы распространения света, в том числе сильную локализацию света на торце волокна, обеспечивающее оптическое возбуждение области сопоставимое с размером клетки в мозге живой мыши. Волокно может быть также многоканальным, т.е. содержать большое число волноводных каналов для получения изображений клеточной структуры вживленной в мозг животных. Размеры световодных каналов многоканального оптоволокна и расстояние между ними составляет единицы микрометров, что позволяет получать изображения биологических тканей в эндоскопическом режиме с клеточным разрешением. Изображение исследуемого объекта формируется в конфокальном режиме из области прилегающего к торцу волокна и передается в обратном направлении в систему регистрации и измерения.An optical fiber has a diverse structure - firstly, it has one optical fiber core and a cladding with a stepped refractive index profile typical of standard telecommunication fibers, and depending on the diameter of the core, the radiation propagation mode can be either multimode or single-mode. Secondly, the fiber used can be photonic-crystalline and have a complex microstructured architecture that provides unique modes of light propagation, including strong localization of light at the fiber end, providing optical excitation of the region comparable to the size of the cell in the brain of a living mouse. The fiber can also be multi-channel, i.e. contain a large number of waveguide channels for obtaining images of the cellular structure implanted in the brain of animals. The dimensions of the light guide channels of multichannel optical fiber and the distance between them is a few micrometers, which allows you to obtain images of biological tissues in endoscopic mode with cell resolution. The image of the studied object is formed in confocal mode from the region of the fiber adjacent to the end face and is transmitted in the opposite direction to the registration and measurement system.

Разработанный нейроинтерфейс основан на использовании преимуществ волоконно-оптических технологий зондирования и позволяет достигнуть следующих преимуществ, необходимых при долговременной (в масштабах нескольких дней) регистрации нейронной активности в живых животных от одной и той же области мозга.The developed neurointerface is based on the use of the advantages of fiber-optic sensing technologies and allows to achieve the following advantages required for long-term (several days) registration of neural activity in live animals from the same brain region.

Во-первых, длинное и гибкое оптоволокно позволяет проводить все измерения на свободноподвижных животных, во время их активности и обучения. Во-вторых, т.к. одинFirstly, a long and flexible fiber allows all measurements to be made on freely moving animals during their activity and training. Secondly, because one

из торцов оптоволокна все время проведения исследования жестко закреплен в интересующей нас области - все измерения на протяжении всего времени эксперимента (который может длиться больше месяца) проводятся на одной и той же группе клеток. При этом мы можем проводить неограниченное число измерений, т.к. каждое новое присоединение оптоволокна осуществляется к специальному соединительному элементу, не затрагивая, таким образом, ткани мозга, и, следовательно, не наносит каких-либо дополнительных повреждающих эффектов на мозг. Также с помощью реализованного нейроинтерфейса возможно, с одной стороны, регистрировать медленные процессы, протекающие в мозге на масштабе времени от нескольких часов до нескольких недель, с другой стороны, устройство позволяет регистрировать такие быстрые процессы, как изменение кальциевых токов, с разрешением в миллисекунды.From the ends of the optical fiber, the whole time of the study is rigidly fixed in the area of interest to us - all measurements throughout the entire duration of the experiment (which can last more than a month) are performed on the same group of cells. Moreover, we can carry out an unlimited number of measurements, as Each new connection of the optical fiber is carried out to a special connecting element, thus not affecting the brain tissue, and therefore does not cause any additional damaging effects to the brain. Also, using the implemented neurointerface, it is possible, on the one hand, to register slow processes that occur in the brain on a time scale from several hours to several weeks, on the other hand, the device allows you to register such fast processes as changes in calcium currents with a resolution of milliseconds.

Компактность и малый вес зонда реализованного нейроинтерфейса обеспечивает возможность проведения долговременных параллельных измерений нейронной активности из нескольких (не менее чем двух) пространственно-разнесенных областей мозга живых свободноподвижных животных. Одновременная регистрация нейронной активности в нескольких глубоколежащих областях головного мозга живых свободноподвижных животных необходима в задачах исследования работы мозга как целой системы.The compactness and light weight of the probe of the realized neurointerface provides the possibility of conducting long-term parallel measurements of neural activity from several (at least two) spatially separated brain regions of living free-moving animals. Simultaneous registration of neuronal activity in several deep-lying areas of the brain of living free-moving animals is necessary in the tasks of studying the work of the brain as a whole system.

Кроме того, измерение из разных участков мозга позволяет одновременно осуществлять контрольные измерения, что в целом обеспечивает необходимое количество подопытных животных при сохранении необходимой статистики и в целом повышает достоверность измерений.In addition, the measurement from different parts of the brain allows simultaneous control measurements, which generally provides the necessary number of experimental animals while maintaining the necessary statistics and generally increases the reliability of the measurements.

Техническим результатом изобретения является разработка устройства и способа для исследования тканей головного мозга свободноподвижных животных с высоким пространственным разрешением в эндоскопическом режиме на основе регистрации оптического сигнала, получаемого за счет различных физических методов возбуждения оптического отклика биологической ткани. Предлагаемое изобретение принципиально рассчитано на длительные, в масштабах нескольких недель, измерения нейронной активности. Созданная конструкция волоконно-оптического нейроинтерфейса позволяет размыкать корпус зонда, т.е. отделять ферулу с внутренним оптоволокном от ферулы с внешним оптоволокном и соединительным элементом, что дает возможность проводить долговременный ряд экспериментов на одном и том же животном в любой структуре мозга и при этом сохранять уверенность в получении сигнала от одной и той же группы клеток. При этом, благодаря максимально легкому (менее 0.3 грамма) и компактному размеру вживляемой системы (корпуса зонда), в период между измерениями животные могут жить в своих домашних клетках без каких-либо неудобств, а также без опасности повредить оптоволокно.The technical result of the invention is the development of a device and method for studying brain tissue of freely moving animals with high spatial resolution in endoscopic mode based on the registration of an optical signal obtained by various physical methods of exciting the optical response of biological tissue. The present invention is fundamentally designed for long-term, on the scale of several weeks, measurements of neural activity. The created design of the fiber-optic neural interface allows you to open the probe body, i.e. to separate the ferula with the internal optical fiber from the ferula with the external optical fiber and the connecting element, which makes it possible to conduct a long-term series of experiments on the same animal in any structure of the brain and at the same time maintain confidence in receiving a signal from the same group of cells. At the same time, thanks to the lightest (less than 0.3 grams) and compact size of the implantable system (probe body), between the measurements, animals can live in their home cages without any inconvenience, as well as without the risk of damage to the optical fiber.

Важным преимуществом предлагаемого изобретения является возможность вживления зонда в несколько пространственно-разнесенных областей мозга для целей проведения параллельных измерений активности в этих областях, что обеспечивает как возможность контроля, так и получение принципиально различной информации о функциональной активности разнесенных в пространстве групп нейронов. Возможность использования различных типов волокон в нейроинтерфейсе обеспечивает, при использовании зонда, возможность пространственного разрешения вплоть до одного нейрона, а также получение изображений полученных результатов с помощью многоканального волокна.An important advantage of the invention is the possibility of implanting a probe into several spatially spaced areas of the brain for the purpose of conducting parallel measurements of activity in these areas, which provides both the ability to control and obtain fundamentally different information about the functional activity of spatially spaced groups of neurons. The possibility of using different types of fibers in the neurointerface provides, when using a probe, the possibility of spatial resolution up to one neuron, as well as obtaining images of the results using multichannel fibers.

Устройство иллюстрируется рисунком, представленными на Фиг. 1.The device is illustrated in the drawing shown in FIG. one.

Фиг. 1 представляет собой общий вид зонда с керамической ферулой, вживленной в череп подопытного животного, с подсоединенным к нему внешним отрезком оптоволокна, на которой изображено: корпус первой части зонда в виде керамической ферулы - 1, закрепленной на кости - 2 черепа подопытного животного, внутренний отрезок оптоволокна - 3, при этом его первый конец - 4 выходит за пределы корпуса ферулы - 1 в мозг подопытного животного, а второй конец оптоволокна находится в феруле - 1 и оптически соединяется с внешним дойным отрезком оптоволокна - 6, который установлен в ответной керамической феруле - 5, и с помощью керамического соединительного элемента - 7 плотно крепится на корпус ферулы - 1.FIG. 1 is a general view of a probe with a ceramic ferula implanted in the skull of an experimental animal, with an external piece of optical fiber connected to it, which shows: the body of the first part of the probe in the form of a ceramic ferule - 1, mounted on the bone - 2 skulls of the experimental animal, inner section optical fiber - 3, while its first end - 4 extends beyond the body of the ferula - 1 to the brain of the experimental animal, and the second end of the optical fiber is located in ferula - 1 and is optically connected to the external milking segment of the optical fiber - 6, which tanovlen in mating ceramic ferrule - 5, and via the ceramic connecting member - 7 tightly attached to the housing ferule - 1.

Фиг. 2. Схема проведения эксперимента с использованием размыкаемого зонда, в котором: 8 - лазерная система возбуждения, содержащая не менее трех одночастотных лазерных источника и систему амплитудной модуляции; 9 - делительная пластина (дихроичное зеркало или стеклянная пластина (клин)); 10 - линза или микроскопный объектив для эффективного заведения излучения в волокно; 6 - внешнее оптическое волокно, проходящее через соединительный элемент - 7; 1 - корпус зонда, в виде ферулы вживляемый в мозг подопытного животного; 11 - полосовой оптический фильтр; 12 - спектрометр; 13 - фотоэлектронный умножитель или чувствительный фотодиод; 14 - фотодиод для регистрации опорного сигнала; 15 - синхронный усилитель; 16 - аналого-цифровой преобразователь с компьютером.FIG. 2. The scheme of the experiment using a discontinuous probe, in which: 8 - a laser excitation system containing at least three single-frequency laser sources and an amplitude modulation system; 9 - dividing plate (dichroic mirror or glass plate (wedge)); 10 - lens or microscopic lens for the effective introduction of radiation into the fiber; 6 - external optical fiber passing through the connecting element - 7; 1 - probe body, in the form of ferula implanted in the brain of an experimental animal; 11 - band-pass optical filter; 12 - spectrometer; 13 - photomultiplier tube or sensitive photodiode; 14 - photodiode for registering the reference signal; 15 - synchronous amplifier; 16 - analog-to-digital Converter with a computer.

Фиг. 3. Долговременные измерения нейронной активности у мышей, содержащихся в стандартных лабораторных условиях без дополнительных воздействий. Зависимости уровня экспрессии EGFP от времени (а) измеренные для 4-х мышей на протяжении четырех дней после вживления оптоволокна в СА1 область гиппокампа (открытые кружочки) и бочонковые поля соматосенсорной коры (закрашенные кружочки), (б) измеренные для 3-х мышей на протяжении одного месяца. Одна точка соответствует (а) 10-ти минутам измерения (б) одному дню измерения. Отклонение сигнала в течение каждого из экспериментальных дней составляло менее 10%.FIG. 3. Long-term measurements of neural activity in mice kept under standard laboratory conditions without additional exposure. Dependence of the level of EGFP expression on time (a) measured for 4 mice four days after implantation of the optical fiber in the CA1 region of the hippocampus (open circles) and barrel fields of the somatosensory cortex (filled circles), (b) measured for 3 mice on for one month. One point corresponds to (a) 10 minutes of measurement (b) one day of measurement. The signal deviation during each of the experimental days was less than 10%.

Фиг. 4. Экспериментально измеренные зависимости уровня экспрессии EGFP в СА1 области гиппокампа от времени в течение 4-х часов после электрокожной стимуляции (столбцы с диагональной штриховкой) и после введения судорожного агента пентилентетразола (черные столбцы). Момент стимуляции отмечен стрелкой.FIG. 4. Experimentally measured time dependence of the level of EGFP expression in the CA1 region of the hippocampus for 4 hours after electrodermal stimulation (columns with diagonal hatching) and after administration of the convulsive agent pentylenetetrazole (black columns). The moment of stimulation is marked by an arrow.

Фиг. 5. Зависимость уровня экспрессии маркерного белка EGFP от времени после унилатеральной стимуляции вибрисс. Черные столбцы соответствует данным для соматосенсорной коры контрлатерального полушария, столбцы с диагональной штриховкой - данным для ипсилатерального полушария.FIG. 5. The dependence of the expression level of marker protein EGFP on time after unilateral stimulation of vibrissae. The black columns correspond to the data for the somatosensory cortex of the contralateral hemisphere, the columns with diagonal hatching correspond to the data for the ipsilateral hemisphere.

Фиг. 6. Фотография экспериментального животного со вживленным с двумя зондами, закрепленными в нескольких пространственно-разделенных областях головного мозга.FIG. 6. Photograph of an experimental animal implanted with two probes fixed in several spatially separated areas of the brain.

Заявленное устройство используют следующим образом. На кость - 2 черепа подопытного животного с помощью специального клея или цемента крепят первую часть зонда - 1, выполненную в виде керамической ферулы с отверстием, в которое вклеен внутренний отрезок оптоволокна - 3, при этом его первый конец - 4 выходит на необходимую длину за пределы корпуса ферулы - 1 в мозг подопытного животного, а второй конец оптоволокна находится в корпусе ферулы - 1. Во время проведения исследования, внутренний отрезок оптоволокна 3 оптически соединяется с внешним длинным отрезком оптоволокна - 6, который закреплен в ответной керамической феруле - 5, и с помощью керамического соединительного элемента - 7 плотно крепится на корпусе ферулы - 1.The claimed device is used as follows. On the bone - 2 skulls of the experimental animal with the help of special glue or cement, fasten the first part of the probe - 1, made in the form of a ceramic ferula with a hole in which the inner segment of the optical fiber - 3 is glued, while its first end - 4 extends to the required length beyond the ferula body - 1 to the brain of the experimental animal, and the second end of the optical fiber is located in the ferula body - 1. During the study, the inner length of the optical fiber 3 is optically connected to the outer long length of the optical fiber - 6, which is fixed in the hole tnoj ceramic ferrule - 5, and via the ceramic connecting member - 7 firmly mounted on the ferrule housing - 1.

Рассмотрим примеры применения заявленного волоконно-оптического нейроинтерфейса в способе для долговременной оптической регистрации процессов в мозге живых свободно движущихся животных (работы проводились в МГУ имени М.В. Ломоносова). В представляемых экспериментах мы демонстрируем, что наличие волоконно-оптического нейроинтерфейса является определяющим звеном для регистрации нейронной активности живых животных, и обладает рядом несомненных преимуществ перед простым вживлением оптоволокна в мозг животного.Consider examples of the use of the claimed fiber-optic neurointerface in a method for long-term optical recording of processes in the brain of living freely moving animals (work was carried out at Lomonosov Moscow State University). In the experiments presented, we demonstrate that the presence of a fiber-optic neural interface is a determining element for recording the neural activity of living animals, and has a number of undoubted advantages over simple implantation of optical fiber into the brain of an animal.

Отличительными особенностями представляемых экспериментов является использовании преимуществ нашего волоконно-оптического нейроинтерфейса для оптического зондирования в сочетании с генетически встроенными или апплицируемыми метками в биологических тканях, что позволяет проводить измерения уровня флуоресцентных маркеров в живых животных при их свободном поведении во время и после обучения. Специальная размыкаемая конструкция волоконно-оптического нейроинтерфейса дает возможность проводить долговременный ряд экспериментов на одном и том же животном в любой структуре мозга и при этом сохранять уверенность в получении сигнала от одной и той же группы клеток. При этом, благодаря максимально легкому и компактному размеру вживляемой части (корпуса зонда), весь период между измерениями животные могут жить в своих домашних клетках без каких-либо неудобств, а также без опасности повредить оптоволокно.Distinctive features of the experiments presented are the use of the advantages of our fiber-optic neurointerface for optical sensing in combination with genetically integrated or applied labels in biological tissues, which allows us to measure the level of fluorescent markers in live animals during their free behavior during and after training. The special disconnectable design of the fiber-optic neural interface makes it possible to carry out a long-term series of experiments on the same animal in any structure of the brain and at the same time maintain confidence in receiving a signal from the same group of cells. At the same time, due to the lightest and most compact size of the implantable part (probe body), the animals can live in their home cages for the entire period between measurements without any inconvenience, as well as without danger of damage to the optical fiber.

В экспериментах использовались самцы трансгенных мышей линии Zif-EGFP, у которых ген флуоресцентного белка EGFP встроен под промотор немедленно раннего гена zif/268 (Egr1). Мышей содержали в стандартных лабораторных клетках с постоянным доступом к воде и еде.The experiments used male transgenic mice of the Zif-EGFP line, in which the EGFP fluorescent protein gene was inserted under the promoter of the immediately early zif / 268 gene (Egr1). Mice were kept in standard laboratory cages with constant access to water and food.

Принципиальная схема эксперимента представлена на Фиг. 2. Заявляемый способ состоит в следующем:A schematic diagram of the experiment is shown in FIG. 2. The inventive method consists in the following:

Возбуждение флуоресценции маркерного белка EGFP осуществлялось непрерывным излучением второй гармоники Nd: YAG лазера (8) на длине волны 473 нм, которое заводилось с помощью делительной пластины (9) и микрообъектива (10) в отрезок оптического волокна (6) с внешним диаметром оболочки 125 мкм и диаметром сердцевины 50 мкм. В качестве делительной пластины (9) возможно использовать либо дихроичное зеркало, либо стеклянный клин, отражающий от одной из граней около 4% накачки (френелевское отражение). По оптическому волокну (6) излучение проходило через соединительный элемент (7) и корпус (1) зонда, и далее доставлялось до выбранной области внутри мозга свободноподвижной мыши. Мощность излучения накачки, доставляемого по волокну и действующего на ткани мозга, не превышала 2 мкВт, чтобы избежать повреждений живой ткани, а также выгорания светочувствительного белка EGFP. Флуоресцентный отклик собирался тем же самым отрезком волокна, закрепленным в корпусе (1) зонда и передавался обратно по пути излучения накачки, затем отделялся при помощи делительной пластины (9) и оптического фильтра (11) и направлялся в систему регистрации. В системе регистрации имелась возможность контролировать спектральный состав флуоресцентного отклика при помощи спектрометра (12) и измерять его с помощью фотоэлектронного умножителя (13). Электрический сигнал с фотоэлектронного умножителя дополнительно фильтровался с помощью схемы синхронного детектирования, состоящего из фотодиода (14) и синхронного усилителя (15), что обеспечило требуемый низкий уровень шума и высокую долговременную стабильность. Анализ данных собирался и анализировался с помощью аналого-цифрового преобразователя и компьютера (16). С помощью фотодиода (14) также контролировалась долговременная стабильность лазерного источника. Для уменьшения уровня воздействия излучения на биологическую ткань при проведении экспериментов сигнал снимался не непрерывно на протяжении нескольких часов, а в течение одной минуты (полученные данные усреднялись) каждые 10 минут. Итоговая зависимость усреднялась бегущим средним по четырем точкам, чтобы избавится от более высокочастотных шумов и для наглядности оставить только общую динамику изменений.The fluorescence of the EGFP marker protein was excited by continuous radiation of the second harmonic of an Nd: YAG laser (8) at a wavelength of 473 nm, which was injected using a dividing plate (9) and a micro lens (10) into a piece of optical fiber (6) with an outer sheath diameter of 125 μm and a core diameter of 50 μm. As a dividing plate (9), it is possible to use either a dichroic mirror or a glass wedge reflecting about 4% of the pump from one of the faces (Fresnel reflection). The radiation passed through the optical fiber (6) through the connecting element (7) and the probe body (1), and then it was delivered to the selected area inside the brain of a free-moving mouse. The power of the pump radiation delivered through the fiber and acting on the brain tissue did not exceed 2 μW to avoid damage to living tissue, as well as burnout of the photosensitive EGFP protein. The fluorescence response was collected by the same length of fiber fixed in the probe body (1) and transmitted back along the pump radiation path, then it was separated using a dividing plate (9) and an optical filter (11) and sent to the registration system. In the recording system, it was possible to control the spectral composition of the fluorescence response using a spectrometer (12) and measure it using a photoelectron multiplier (13). The electric signal from the photoelectron multiplier was additionally filtered using a synchronous detection circuit consisting of a photodiode (14) and a synchronous amplifier (15), which ensured the required low noise level and high long-term stability. Data analysis was collected and analyzed using an analog-to-digital converter and a computer (16). Using the photodiode (14), the long-term stability of the laser source was also controlled. To reduce the level of radiation exposure to biological tissue during the experiments, the signal was not taken continuously for several hours, but within one minute (the obtained data were averaged) every 10 minutes. The final dependence was averaged by running averages over four points in order to get rid of higher-frequency noise and, for clarity, leave only the general dynamics of changes.

В описываемых тестовых экспериментах использовались оптоволокна с диаметром сердцевины 50 мкм, которые обеспечивали согласно оценкам объем исследуемой области в 105 мкм3. С другой стороны, разработанная система универсальна и позволяет работать с разными типами оптических волокон, включая фотонно-кристаллические и многосердцевинные (многоканальные) волокна, что дает возможность подобрать необходимое в задаче пространственное разрешение зонда, вплоть до размеров одного нейрона. Также система позволяет использовать несколько лазерных источников с различными длинами волн для возбуждения различных маркеров.In the described test experiments, optical fibers with a core diameter of 50 μm were used, which provided, according to estimates, the volume of the studied region of 10 5 μm 3 . On the other hand, the developed system is universal and allows working with different types of optical fibers, including photonic-crystalline and multi-core (multi-channel) fibers, which makes it possible to select the spatial resolution of the probe necessary for the task, up to the size of one neuron. The system also allows the use of several laser sources with different wavelengths to excite various markers.

В зависимости от целей эксперимента оптоволокно вживляли либо в область СА1 гиппокампа, либо в поле бочонков соматосенсорной коры. Координаты вживления определяли перед операцией с помощью стереотаксического атласа.Depending on the purpose of the experiment, the optical fiber was implanted either in the CA1 region of the hippocampus or in the field of barrels of the somatosensory cortex. Implantation coordinates were determined before surgery using a stereotactic atlas.

В специальной серии экспериментов были количественно оценены долговременные изменения уровня флуоресцентного отклика в мозге мышей со вживленным волоконным зондом, содержащихся в стандартных условиях без каких-либо дополнительных стимуляций. Для этого после проведения операции ежедневно или раз в несколько дней к корпусу зонда, закрепленному на голове мыши, присоединялся соединительный элемент с длинным оптоволокном, и в течение одного часа проводились измерения уровня экспрессии EGFP. На Фиг. 3 приведены нормированные результаты измерений экспрессии EGFP на протяжении четырех дней для четырех мышей, живущих все это время в своих домашних клетках без каких-либо дополнительных воздействий. У одних мышей оптоволокно было вживлено в СА1 область гиппокампа (открытые кружочки, Фиг. 3(а)), у других в бочонковые поля соматосенсорной коры (закрашенные кружочки, Фиг. 3(а)). Базальный уровень экспрессии zif-268 варьируется для различных мышей и разных структур мозга. Видно, что при отсутствии каких-либо раздражающих факторов сигнал флуоресценции остается стабильным во времени, как в течение одного дня, так и на протяжении четырех дней.In a special series of experiments, long-term changes in the level of fluorescence response in the brain of mice with an implanted fiber probe contained in standard conditions without any additional stimulation were quantified. For this, after the operation, daily or every few days, a connecting element with a long optical fiber was attached to the probe body mounted on the mouse’s head, and the level of EGFP expression was measured for one hour. In FIG. Figure 3 shows the normalized results of measurements of EGFP expression over four days for four mice living all this time in their home cells without any additional effects. In some mice, the optical fiber was implanted in the CA1 region of the hippocampus (open circles, Fig. 3 (a)), in others in the barrel fields of the somatosensory cortex (filled circles, Fig. 3 (a)). The basal level of zif-268 expression varies for different mice and different brain structures. It can be seen that in the absence of any irritating factors, the fluorescence signal remains stable in time, both for one day and for four days.

Для демонстрации возможностей долговременных измерений часть мышей жила в стандартных условиях со вживленным оптоволоконным зондом больше одного месяца, при этом регулярно проводились измерения уровня экспрессии маркерного белка EGFP. Результаты данных измерений для трех мышей представлены на Фиг. 3б, одна точка соответствует усредненным данным одного дня измерений. Максимальный разброс сигнала составляет менее 10%. видно, что динамика экспрессии EGFP в течение одного месяца немного отличается для разных животных и таким образом служит индикатором индивидуальных особенностей.To demonstrate the possibilities of long-term measurements, some mice lived under standard conditions with an implanted fiber probe for more than one month, and the expression level of the EGFP marker protein was regularly measured. The measurement results for three mice are presented in FIG. 3b, one point corresponds to the averaged data of one day of measurements. The maximum signal spread is less than 10%. it can be seen that the dynamics of EGFP expression over one month is slightly different for different animals and thus serves as an indicator of individual characteristics.

Следующие эксперименты были направлены на регистрацию изменения уровня экспрессии zif/268 в результате различных физиологических и фармакологических воздействий на животных. Зонд вживлялся таким образом, что свободный конец волокна был подведен к СА1 области гиппокампа. В одном случае мышам внутрибрюшинно вводили судорожный агент пентилентетразол, в другом случае мыши получали несколько коротких ударов током в 1 мА. После стимуляции на протяжении четырех часов следили за изменением уровня экспрессии EGFP. Результаты измерений представлены на Фиг. 4. Данные нормированы на значения в первые моменты времени. Моменты стимуляции совмещены по времени и отмечены стрелкой. Видно, что в обоих экспериментальных случаях экспрессия имеет одинаковую динамику роста, и ее максимум достигается в районе двух-трех часов после стимуляции. Более слабый рост сигнала в случае введения пентилентетразола может быть связан как с меньшей активацией клеток мозга в этом случае в сравнении со стимуляцией током, так и с различным базальным уровнем активации zif/268 у разных животных. Таким образом, было экспериментально показано, что разработанный нейроинтерфейс позволяет проводить измерения нейронной активности в глубоких слоях мозга живых свободноподвижных животных в различных временных масштабах: в течение нескольких дней, как в стандартных условиях, так и во время длительных специфичных воздействий, в течение нескольких часов, после разнообразных фармакологических и физиологических стимуляций.The following experiments were aimed at recording changes in the level of expression of zif / 268 as a result of various physiological and pharmacological effects on animals. The probe was implanted in such a way that the free end of the fiber was brought to the CA1 region of the hippocampus. In one case, mice were injected intraperitoneally with the convulsive agent pentylenetetrazole; in another case, the mice received several short strokes with a current of 1 mA. After stimulation for four hours, changes in the level of EGFP expression were monitored. The measurement results are presented in FIG. 4. The data are normalized to values in the first instants of time. The moments of stimulation are aligned in time and marked by an arrow. It is seen that in both experimental cases, expression has the same growth dynamics, and its maximum is reached in the region of two to three hours after stimulation. A weaker signal growth in the case of pentylenetetrazole administration can be associated both with lower activation of brain cells in this case compared to current stimulation, and with different basal levels of zif / 268 activation in different animals. Thus, it was experimentally shown that the developed neurointerface allows measurements of neuronal activity in the deep layers of the brain of living freely moving animals at various time scales: for several days, both under standard conditions and during long-term specific effects, for several hours, after a variety of pharmacological and physiological stimulations.

Одновременная регистрация нейронной активности в нескольких глубоколежащих областях головного мозга живых свободноподвижных животных необходима в задачах исследования работы мозга как целой системы. Разработанный волоконно-оптический нейроинтерфейс за счет компактности деталей позволяет вживлять в мозг и регистрировать флуоресцентный отклик одновременно из двух (и более) разных пространственно-разнесенных структур головного мозга живых животных. Были проведены исследования на живой бодрствующей мыши, что позволило демонстрировать оптическую регистрацию маркеров нейронной активности одновременно двух пространственно-разнесенных областей мозга живого свободноподвижного животного. Как и в предыдущих экспериментах проводилась регистрации флуоресцентного отклика белка EGFP в мозге трансгенных животных, у которых ген флуоресцентного белка встроен под промотор немедленно раннего гена zif/268. В качестве физиологического стимула использовалась унилатеральная стимуляция вибрисс, а регистрация геномного отклика осуществлялась в сомантосенсорной коре левого и правого полушарий головного мозга одновременно. Для этого мышам вживлялось два зонда в заранее выбранные координаты. Фотография экспериментального животного со вживленными зондами нейроинтерфейса представлена на Фиг. 6.Simultaneous registration of neuronal activity in several deep-lying areas of the brain of living free-moving animals is necessary in the tasks of studying the work of the brain as a whole system. The developed fiber-optic neurointerface due to the compactness of parts allows implantation into the brain and registration of the fluorescence response simultaneously from two (or more) different spatially spaced brain structures of living animals. Studies were carried out on a living awake mouse, which made it possible to demonstrate the optical registration of markers of neuronal activity of simultaneously two spatially separated brain regions of a living, freely moving animal. As in previous experiments, the fluorescence response of the EGFP protein was recorded in the brain of transgenic animals in which the fluorescent protein gene was inserted under the promoter of the immediately early zif / 268 gene. The unilateral stimulation of vibrissae was used as a physiological stimulus, and the genomic response was recorded in the somantosensory cortex of the left and right hemispheres of the brain simultaneously. For this, two probes were implanted into mice at pre-selected coordinates. A photograph of an experimental animal with implanted neural interface probes is shown in FIG. 6.

Благодаря двухкомпонентной конструкции зонда разработанного волоконно-оптического интерфейса была возможность начать эксперименты по оптическому зондированию несколько дней спустя после операции, уменьшая, таким образом, вклад постоперационного стресса и помогая восстановить естественное поведение животных. Известно, что сенсорная информация от механорецепторов в фолликулах вибрисс, вызываемая их угловым отклонением, передается через клетки троичного ганглия к ипсилатеральной части мозгового ствола (trigeminal nuclei). Затем сигнал от вибрисс передается к контрлатеральной части таламуса и дальше обрабатывается нейронамисоматосенсорной коры. Причем информация от правых вибрисс обрабатывается в левом полушарии, а от левых - в правом. Тактильная стимуляция вибрисс приводит к изменению поведения животного по отношению к стимулу. В день эксперимента всем мышам в качестве седативного средства вводился золетил (20 мг/кг) и измерялся базальный уровень экспрессии EGFP, затем вибриссы с одной стороны головы стимулировались в течение 15 минут. После этого на протяжении двух часов измерялся геномный ответ в одном или сразу в обоих полушариях мозга. На Фиг. 5 представлен флуоресцентный отклик мозга свободноподвижных мышей при контралатеральной и ипсилатеральной стимуляции вибрисс до стимуляции и через 2 часа после стимуляции. Черные столбцы соответствует данным для соматосенсорной коры контрлатерального полушария, столбцы с диагональной штриховкой - данным для ипсилатерального полушария. Видно, что в среднем через 2 часа после стимуляции вибрисс уровень сигнала в соматосенсорной коре контрплатерального полушария повышается на 16%, тогда как в ипсилатеральном полушарии остается постоянным в пределах погрешности измерений. Как и ожидалось, экспрессия немедленно раннего гена zif/268, маркируемого флуоресцентным белком EGFP увеличивается в соматосенсорной коре, лежащей контрлатерально, относительно проведенной стимуляции.Thanks to the two-component probe design of the developed fiber-optic interface, it was possible to start experiments on optical sensing a few days after the operation, thus reducing the contribution of postoperative stress and helping to restore the animal’s natural behavior. It is known that sensory information from mechanoreceptors in vibrissae follicles, caused by their angular deviation, is transmitted through the cells of the ternary ganglion to the ipsilateral part of the brain stem (trigeminal nuclei). Then the signal from the vibrissae is transmitted to the contralateral part of the thalamus and further processed by the neuronamisomatosensory cortex. Moreover, information from the right vibrissa is processed in the left hemisphere, and from the left - in the right. Tactile stimulation of vibrissae leads to a change in the behavior of the animal in relation to the stimulus. On the day of the experiment, zoletil (20 mg / kg) was administered to all mice as a sedative and the basal level of EGFP expression was measured, then vibrissae on one side of the head were stimulated for 15 minutes. After that, a genomic response was measured over two hours in one or both brain hemispheres. In FIG. Figure 5 shows the fluorescence response of the brain of free-moving mice with contralateral and ipsilateral stimulation of vibrissa before stimulation and 2 hours after stimulation. The black columns correspond to the data for the somatosensory cortex of the contralateral hemisphere, the columns with diagonal hatching correspond to the data for the ipsilateral hemisphere. It can be seen that, on average, 2 hours after stimulation of vibrissae, the signal level in the somatosensory cortex of the counterplateral hemisphere rises by 16%, while in the ipsilateral hemisphere it remains constant within the measurement error. As expected, the expression of the immediately early zif / 268 gene, marked with the fluorescent EGFP protein, increases in the somatosensory cortex, which lies counter-laterally, relative to the stimulation performed.

Таким образом, показано, что разработанный волоконно-оптический нейроинтерфейс позволяет следить за долговременной динамикой уровня экспрессии генов живого свободноподвижного животного на протяжении нескольких дней и недель, а также за изменением уровня сигнала после введения медицинских препаратов или после стрессорного воздействия. Разработанный интерфейс также позволяет проводить исследования одновременно в нескольких пространственно-разделенных глубоколежащих структурах мозга живого свободноподвижного животного, что до сих пор было неосуществимо с помощью оптических методов.Thus, it was shown that the developed fiber-optic neurointerface allows monitoring the long-term dynamics of the expression level of genes of a living free-moving animal for several days and weeks, as well as the change in signal level after administration of drugs or after stress exposure. The developed interface also allows conducting studies simultaneously in several spatially separated deep-lying brain structures of a living free-moving animal, which until now has not been feasible using optical methods.

Реализуемая методика эндоскопии с помощью разработанного устройства и способа имеет важные преимущества по сравнению со стандартной оптической визуализацией, поскольку при сохранении клеточного разрешения позволяет проникать в исследуемую ткань головного мозга на практически неограниченную глубину. При этом сохраняется возможность движения животного и его активность в заданных условиях. Данный интерфейс обеспечивает доступ к одной и той же группе нейронов, лежащей в глубоких слоях мозга живого животного, и позволяет осуществлять их оптическое зондирование на протяжении многих недель экспериментальной работы, обеспечивая высокоточную долговременную оптическую регистрацию геномной активности в ответ на разнообразные физиологические и фармакологические стимулы. Компактность и малый вес реализованного зонда нейроинтерфейса обеспечивает возможность проведения долговременных параллельных измерений нейронной активности из нескольких (не менее, чем двух) пространственно-разнесенных областей мозга живых свободноподвижных животных. Используемое оптическое волокно может иметь разнообразную структуру: стандартную, фотонно-кристаллическую, многоканальную, что обеспечивает контролируемое пространственное разрешение и принципиальную возможность получения изображений тканей головного мозга исследуемых животных.The implemented endoscopy technique with the help of the developed device and method has important advantages compared to standard optical imaging, since, while maintaining cellular resolution, it allows penetrating into the studied brain tissue to an almost unlimited depth. At the same time, the possibility of movement of the animal and its activity under given conditions remains. This interface provides access to the same group of neurons lying in the deep layers of the brain of a living animal, and allows their optical sensing for many weeks of experimental work, providing highly accurate long-term optical registration of genomic activity in response to various physiological and pharmacological stimuli. The compactness and low weight of the implemented neurointerface probe makes it possible to conduct long-term parallel measurements of neural activity from several (at least two) spatially separated brain regions of living free-moving animals. The used optical fiber can have a diverse structure: standard, photonic crystal, multichannel, which provides a controlled spatial resolution and the fundamental possibility of obtaining images of brain tissue of the animals studied.

Claims (8)

1. Волоконно-оптический нейроинтерфейс для долговременной оптической регистрации процессов в мозге живых свободно движущихся животных, включающий, по крайней мере, один зонд, соединенный с лазерной системой оптического возбуждения и системой регистрации и измерения оптического отклика исследуемого участка мозга, которая соединена с компьютером, снабженным программным обеспечением для управления процессом измерения, сохранения и отображения результатов измерений, при этом зонд состоит из двух разъемных частей, где первая часть представляет собой керамическую ферулу весом менее 0.3 г с возможностью размещения в ней внутреннего отрезка оптоволокна, предназначенную для закрепления на черепе животного, а вторая часть представляет собой ответную ферулу с закрепленным в ней внешним отрезком оптоволокна, размещенную в соединительном керамическом корпусе, выполненным с возможностью плотного соединения с ферулой первой части, при этом внутренний отрезок оптоволокна имеет длину, обеспечивающую его внедрение в мозг животного на необходимую глубину для проведения соответствующих исследований с обеспечением оптической связи с внешним отрезком оптоволокна, при этом лазерная система оптического возбуждения состоит из, не менее трех, одночастотных лазеров с различными длинами волн излучения для мультиспектрального возбуждения, снабженных внешним амплитудным модулятором лазерного излучения, а соединение зонда с лазерной системой оптического возбуждения и системой регистрации отклика реализовано посредством внешнего отрезка оптоволокна, система регистрации и измерения отклика включает линзу или микроскопный объектив для выведения излучения из волокна, делительную пластину, настраиваемый полосовой фильтр, спектрометр, фотоэлектронный умножитель или чувствительный фотодиод, фотодиод для регистрации опорного сигнала, синхронный усилитель и аналого-цифровой преобразователь.1. Fiber-optic neurointerface for long-term optical recording of processes in the brain of living freely moving animals, including at least one probe connected to a laser optical excitation system and a system for recording and measuring the optical response of the studied brain region, which is connected to a computer equipped with software to control the measurement process, save and display the measurement results, while the probe consists of two detachable parts, where the first part It consists of a ceramic ferrule weighing less than 0.3 g with the possibility of placing an internal segment of optical fiber in it, intended for fastening on the animal’s skull, and the second part is a response ferrule with an external segment of optical fiber fixed in it, placed in a connecting ceramic body made with the possibility of tight connection with the ferrule of the first part, while the internal segment of the optical fiber has a length that ensures its introduction into the brain of the animal to the required depth to conduct the corresponding investigations providing optical communication with the external segment of the optical fiber, the laser optical excitation system consisting of at least three single-frequency lasers with different radiation wavelengths for multispectral excitation, equipped with an external amplitude modulator of laser radiation, and the connection of the probe with a laser optical excitation system and the response recording system is implemented by means of an external piece of optical fiber; the response recording and measurement system includes a lens or a microscope an optical lens for removing radiation from the fiber, a dividing plate, a tunable band-pass filter, a spectrometer, a photoelectronic multiplier or a sensitive photodiode, a photodiode for registering a reference signal, a synchronous amplifier and an analog-to-digital converter. 2. Волоконно-оптический нейроинтерфейс по п. 1, характеризующийся тем, что оптоволокно использовано стандартных типов со ступенчато изменяющимся показателем преломления, фотонно-кристаллических типов и многосердцевинных типов.2. The fiber-optic neural interface according to claim 1, characterized in that the optical fiber used is of standard types with a stepwise varying refractive index, photonic-crystalline types and multi-core types. 3. Волоконно-оптический нейроинтерфейс по п. 1, характеризующийся тем, что внутренний отрезок оптоволокна, выходящий за пределы ферулы и входящий в мозг животного, имеет длину от 0,1 до 10 мм с внешним диаметром волокна от 125 до 250 мкм.3. The fiber optic neural interface according to claim 1, characterized in that the internal segment of the optical fiber extending beyond the ferula and entering the brain of the animal has a length of 0.1 to 10 mm with an outer fiber diameter of 125 to 250 microns. 4. Применение волоконно-оптического нейроинтерфейса по п. 1 для долговременных параллельных измерений нейронной активности в нескольких пространственно-разнесенных областей мозга живых свободноподвижных животных.4. The use of the fiber-optic neural interface according to claim 1 for long-term parallel measurements of neural activity in several spatially separated brain regions of living free-moving animals. 5. Применение волоконно-оптического нейроинтерфейса по п. 1 для одновременной регистрации нейронной активности в нескольких глубоколежащих областях головного мозга живых свободноподвижных животных.5. The use of the fiber-optic neural interface according to claim 1 for the simultaneous registration of neural activity in several deep-lying areas of the brain of living free-moving animals. 6. Применение волоконно-оптического нейроинтерфейса по п. 1 для одновременной регистрации нескольких флуоресцентных маркеров в мозге живых свободноподвижных животных.6. The use of fiber optic neurointerface according to claim 1 for the simultaneous registration of several fluorescent markers in the brain of living free-moving animals. 7. Способ долговременной оптической регистрации процессов в мозге живых свободно движущихся животных, включающий установку, по крайней мере, одного зонда устройства по п. 1 в область черепа подопытного животного в проекции выбранного для исследования участка мозга, введение внутреннего отрезка оптоволокна через канал ферулы первой части зонда в указанный участок, затем, после вживления ферулы первой части зонда, к ней с помощью соединительного корпуса на время проведения измерений крепится ферула второй части зонда с закрепленным внешним отрезком оптоволокна, далее излучением лазерного источника облучают указанный участок мозга, после чего в системе регистрации детектируют оптический отклик и проводят анализ данных с помощью аналого-цифрового преобразователя и компьютера.7. A method for long-term optical recording of processes in the brain of living freely moving animals, including the installation of at least one probe of the device according to claim 1 in the region of the skull of the experimental animal in the projection of the selected area of the brain for the study, introducing an internal segment of the optical fiber through the ferula channel of the first part the probe into the indicated area, then, after the ferula of the first part of the probe has been implanted, the ferula of the second part of the probe is attached to it with the help of a connecting body for the duration of the measurements with the external m fiber segment, hereinafter said laser source is irradiated area of the brain by radiation, after which the registration system is detected and optical response data analysis is performed by an analog-digital converter and a computer. 8. Способ по п. 7, характеризующийся тем, что одновременно с первым зондом устанавливают второй зонд для обеспечения возможности одновременной регистрации нейронной активности в нескольких областях головного мозга животного.8. The method according to p. 7, characterized in that at the same time as the first probe establish a second probe to enable simultaneous registration of neural activity in several areas of the brain of the animal.
RU2015154801A 2015-12-21 2015-12-21 Fibre-optical neurointerface and method for long-term optical registration of processes in brain of living free moving animals RU2637823C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015154801A RU2637823C2 (en) 2015-12-21 2015-12-21 Fibre-optical neurointerface and method for long-term optical registration of processes in brain of living free moving animals

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015154801A RU2637823C2 (en) 2015-12-21 2015-12-21 Fibre-optical neurointerface and method for long-term optical registration of processes in brain of living free moving animals

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015154801A RU2015154801A (en) 2017-06-26
RU2637823C2 true RU2637823C2 (en) 2017-12-07

Family

ID=59240454

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015154801A RU2637823C2 (en) 2015-12-21 2015-12-21 Fibre-optical neurointerface and method for long-term optical registration of processes in brain of living free moving animals

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2637823C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024108517A1 (en) * 2022-11-25 2024-05-30 中国科学院深圳理工大学(筹) Method and system for fluorescence synchronous imaging in deep brain region and whole-brain cortex scale

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116784866B (en) * 2023-06-13 2023-12-01 华南师范大学 Implant device for brain research and method of use

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110233046A1 (en) * 2008-09-25 2011-09-29 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Devices, apparatus and method for providing photostimulation and imaging of structures
US20120016429A1 (en) * 2010-07-19 2012-01-19 David Klorg Implantable Connector Systems Having Magnetic Portions Thereon and Related Methods
US20120089205A1 (en) * 2007-05-09 2012-04-12 Massachusetts Institute Of Technology Methods and Apparatus for High-Throughput Neural Screening
US20120302892A1 (en) * 2005-07-25 2012-11-29 Niyom Lue Portable optical fiber probe-based spectroscopic scanner for rapid cancer diagnosis
WO2013016350A2 (en) * 2011-07-25 2013-01-31 Diagnostic Biochips, Llc Integrated optical neural probe
RU2497558C1 (en) * 2012-08-30 2013-11-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-исследовательский институт нейрохирургии имени академика Н.Н. Бурденко" Российской академии медицинских наук Intraoperative combined spectroscopic diagnostic technique for cerebral and spinal tumours
US20140323924A1 (en) * 2013-04-26 2014-10-30 David J. Mishelevich Targeted optogenetic neuromodulation for treatment of clinical conditions

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120302892A1 (en) * 2005-07-25 2012-11-29 Niyom Lue Portable optical fiber probe-based spectroscopic scanner for rapid cancer diagnosis
US20120089205A1 (en) * 2007-05-09 2012-04-12 Massachusetts Institute Of Technology Methods and Apparatus for High-Throughput Neural Screening
US20110233046A1 (en) * 2008-09-25 2011-09-29 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Devices, apparatus and method for providing photostimulation and imaging of structures
US20120016429A1 (en) * 2010-07-19 2012-01-19 David Klorg Implantable Connector Systems Having Magnetic Portions Thereon and Related Methods
WO2013016350A2 (en) * 2011-07-25 2013-01-31 Diagnostic Biochips, Llc Integrated optical neural probe
RU2497558C1 (en) * 2012-08-30 2013-11-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-исследовательский институт нейрохирургии имени академика Н.Н. Бурденко" Российской академии медицинских наук Intraoperative combined spectroscopic diagnostic technique for cerebral and spinal tumours
US20140323924A1 (en) * 2013-04-26 2014-10-30 David J. Mishelevich Targeted optogenetic neuromodulation for treatment of clinical conditions

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024108517A1 (en) * 2022-11-25 2024-05-30 中国科学院深圳理工大学(筹) Method and system for fluorescence synchronous imaging in deep brain region and whole-brain cortex scale

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015154801A (en) 2017-06-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Stark et al. Diode probes for spatiotemporal optical control of multiple neurons in freely moving animals
Wang et al. Integrated device for combined optical neuromodulation and electrical recording for chronic in vivo applications
US10292592B2 (en) Method and apparatus for optical recording of biological parameters in freely moving animals
Son et al. In vivo optical modulation of neural signals using monolithically integrated two-dimensional neural probe arrays
US10638933B2 (en) Brain-machine interface based on photonic neural probe arrays
Cui et al. Deep brain optical measurements of cell type–specific neural activity in behaving mice
Jiang et al. Spatially expandable fiber-based probes as a multifunctional deep brain interface
Horváth et al. Infrared neural stimulation and inhibition using an implantable silicon photonic microdevice
US8346346B1 (en) Optical analysis system and approach therefor
US20190380585A1 (en) Femtosecond pulse laser modulator and miniature two-photon microscopic imaging device
Hayashi et al. Spatio‐temporal control of neural activity in vivo using fluorescence microendoscopy
US11696689B2 (en) System and method for axially resolved light collection from a tapered waveguide
Li et al. Long-term fiber photometry for neuroscience studies
Hooks et al. Intramural multisite recording of transmembrane potential in the heart
Kaszas et al. Two-photon GCaMP6f imaging of infrared neural stimulation evoked calcium signals in mouse cortical neurons in vivo
Dai et al. Modified toolbox for optogenetics in the nonhuman primate
Budai et al. A novel carbon tipped single micro-optrode for combined optogenetics and electrophysiology
Qin et al. Multichannel fiber photometry for mapping axonal terminal activity in a restricted brain region in freely moving mice
RU2637823C2 (en) Fibre-optical neurointerface and method for long-term optical registration of processes in brain of living free moving animals
Nazempour et al. Emerging applications of optical fiber-based devices for brain research
Kim et al. 3D silicon neural probe with integrated optical fibers for optogenetic modulation
Wang et al. Dense packed drivable optrode array for precise optical stimulation and neural recording in multiple-brain regions
RU2639790C1 (en) System for address control of brain neurons of living free-moving animals based on frozen fiber-optical probe with multi-channel fibers
Horváth et al. Histological and electrophysiological evidence on the safe operation of a sharp-tip multimodal optrode during infrared neuromodulation of the rat cortex
Ferezou et al. Imaging the brain in action: real-time voltage-sensitive dye imaging of sensorimotor cortex of awake behaving mice

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20180928

Effective date: 20180928

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20181222

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20200422