Optiniai metodai neurotechnologijose
Dalyko anotacija lietuvių kalba
Kursas skirtas supažindinti studentus su optiniais nervinių sistemų manipuliacijos ir diagnostikos principais. Kurso metu bus plačiau nagrinėjamos optinės šviesolaidinės informacijos perdavimo sistemos bei jų pritaikymas neuromoksle. Paaiškinti pagrindiniai biomolekulių sugerties, fluorescencijos ir sklaidos dėsningumai. Plačiau panagrinėtas nanodalelėmis pagrįstas optinis fluorescencinis vaizdinimas, kvantinių taškų pritaikymas neurovaizdinimui, diagnostinis vaizdinimas infraraudonojoje spektrinėje srityje bei optinis membranos potencialo vaizdinimas. Aptarti optogenegenetiškai paveiktų ir nepaveiktų neuronų fotoaktyvacijos metodai, bei optogenetikos taikymo neuromoksle strategijos nuo pavienių neuronų iki gyvūno motorikos fotoaktyvacijos. Taip pat nagrinėjamas nanovaizdinimas bei nanomanipuliacijos naudojant atomo jėgos mikroskopiją: neuronų topologijos, morfologijos, neuronų nanomechanikos tyrimai.
Dalyko anotacija užsienio kalba
The course introduces to the basic principles of optical manipulation, diagnostics and imaging in neuroscience. The course emphasizes on absorption and fluorescence methods, as well as on fiber-optics applications which are currently widespread in neuroscience. It gives the general knowledge on the diagnostic imaging, optogenetics, nanoparticle application for neuroimaging and photoactivation, voltage sensitive dyes, neuron topology and neuron nanomechanics optical investigations.
Būtinas pasirengimas dalyko studijoms
Aukštoji matematika (MAT 1011, 1014), Bendroji chemija (BBK 1011), Biofizikos pagrindai (BIO 4018), Neurobiologija (BIO 4002).
Dalyko studijų rezultatai
1. Susipažins su pagrindiniais fizikos dėsniais paaiškinančiais optinius reiškinius šviesolaidžiuose bei optinių signalų sklidimą. Įgis žinių apie šviesolaidines optinių komunkacijų sistemas, jų raidą.
2. Gebės įvardinti konkrečius šviesolaidinių optinių sistemų pritaikymo neuroaktyvumo manipuliacijoms bei neuroaktyvumo diagnostikai pavyzdžius.
3. Gebės paaiškinti netiesinių procesų atsiradimą šviesolaidžiuose. Matematiniame lygmenyje gebės interpretuoti sąsajas tarp neuromokslo ir netiesinės optikos tyrimo objekto.
4. Suvoks bendruosius šviesos ir biologinių molekulių sąveikos dėsningumus. Suvoks, kaip vyksta elektroninio sužadinimo pernaša Gebės susieti sužadintos molekulės energijos virsmus su elektronų orbitalių struktūra ir chemine molekulių sandara.
Gebės apibūdinti fluorescencijos fundamentinius dėsningumus ir ją veikiančių faktorių visumą. Įgis žinių apie sugerties ir fluorescencijos reiškinio pritaikymą neuromoksle.Suvoks, kaip vyksta elektroninio sužadinimo pernaša, mokės paaiškinti šį reiškinį ir susieti su objekto spektrinėmis savybėmis.
5. Gebės apibūdinti bendrus sensorinių sistemų funkcionavimo principus. Supras regos fototransdukciją ir pagrindinius fiziologinius mechanizmus. Gebės klasifikuoti spalvų juslės sutrikimų diagnostines metodikas.
6. Įsisavins informaciją apie molekulės šiluminio spinduliavimo diagnostikai naudojamus metodus. Mokės susieti spektrinius parametrus su biologinio objekto struktūros, būsenos savybėmis, sąveikos tarp biomolekulių pokyčiais.
7. Susipažins su šviesos difuzinio atspindžio reiškiniu biologiniuose audiniuose. Plačiau susipažins su lazerinės dėminės perfuzijos vizualizacijos metodo pritaikymais neuromoksle.
Susipažins su difuzinio atspindžio metodo mobilių aplikacijų (Android) versijomis.
8. Susipažins su nanodalelių sintezės metodais. Gebės interpretuoti sąryšį tarp kvantinio taško dydžio bei jo fluorescenciją sąlygojančių sužadintų būsenų energijos lygmenų konfiguracijos.
Susipažins su nanodalelių pritaikymu neuromokslo objektų vaizdinimui.
9. Mokės paaiškinti šviesos sukeliamus cheminius vyksmus, kurie baigiasi pirminiu fiziologiniu gyvo objekto atsaku į šviesos poveikį. Įsisavins genų pernašos metodo teorinį modelį. Susipažins su koknrečiais optogenetikos taikymo pavyzdžiais, gebės apibūdinti strateginės optogenetikos taikymų kryptis.
10. Susipažins su nanodalelių pritaikymu neuronų fotoaktyvacijai.
11. Gebės apibūdinti optiniam membranos potencialo vaizdinimui naudojamus metodus. Susipažins su potencialo vaizdinimo taikymo neurobiologijos moksle sritimis.
Gebės apibūdinti pagrindines fotonų detekcijos sistemas.
Gebės atskirti biochemiškai aktyvių molekulių fluorescencijos savitumą. Mokės susieti registruojamus spektrinius parametrus su elektrocheminiais procesais individualiame neurone.
Gebės apibūdinti konfokalinio mikroskopo modifikacijas, skirtas jį pritaikyti dirbti dviejų fotonų žadinimo rėžimu; fluorescencinės koreliacinės spektroskopijos rėžimu.
12. Suvoks atomo jėgos mikroskopo veikimo principą. Įgis žinių apie sąveikas tarp molekulių. Įsisavins informaciją apie molekulės struktūros diagnostikai naudojamus metodus. Gebės išvardinti pagrindines atomo jėgos mikroskopo mikroskopo dalis.
Gebės paaiškinti vaizdo generacijos principus.
Gebės apibūdinti atomo jėgos mikroskopo modifikacijas, skirtas jį pritaikyti dirbti skirtingais rėžimais;
Susipažins su nanojutiklių veikimu.
Gebės apibūdinti fluorescencinės koreliacinės spektroskopijos taikymo sritis, pateikti pavyzdžių.
Gebės interpretuoti informaciją užkoduotą autokoreliacinėje funkcijoje.
Laboratoriniai darbai
Dalyko turinys
1. Optinės šviesolaidinės informacijos perdavimo sistemos. Šviesolaidžio skaidulų tipai. Skaitinė apertūra. Optinio signalo silpimas. Trumpųjų šviesos impulsų išplitimas. Tarpmodinė dispersija, medžiagos dispersija ir bangolaidinė dispersija. Optiniai kabeliai. Bangos ilgių atrinkimas komunikacijose, Brego gardelė. Lazeriniai diodai integruoti skaidulose.
2. Optinių šviesolaidinių sistemų pritaikymas neuromoksle. Neinvazinės optinės smegenų veiklos vaizdinimo metodikos. Vienfotonis ir dvifotonis fluoroforų žadinimas. Aparatūrinė dalis. Šviesolaidinių sistemų skiriamoji geba. Eksperimentnio gyvūno judrumo problematika vaizdinimo metu. Šviesolaidinių sistemų vaizdinimui ir neuro aktyvumo manipuliacijoms pavyzdžiai. Optinės šviesolaidinės sistemos pritaikymas epilepsijos priepuolių valdymui.
3. Netiesinių procesų atsiradimas šviesolaidžiuose. Netiesinė šviesolaidžio šerdies poliarizacija. Daugiafotoniai parametriniai procesai. Šviesos impulsų saviveika. Priverstinė Ramano, Brijueno sklaida. Neuromokslų ir netiesinės optikos sąsajos. Fotoninio neurono projektas.
4. Fotofizikiniai procesai biomolekulėse. Elektroniniai, virpesiniai ir rotaciniai energijos lygmenys. Biomolekulių sugerties dėsningumai (Lamberto-Bugero-Bero dėsnis). Sužadintų būsenų gyvavimo trukmė. Šviesą sugeriantys pigmentai. Empiriniai ryšiai tarp molekulės struktūros ir sugerties spektrų. Baltymų, nukleino rūgščių elektroniniai sugerties spektrai.
5. Spalvos sąvoka. Spalvio jutimas, spalvio diagrama. Spalvos charakteristika kolorimetrijoje (spalvų erdvė). Spalvos skaistis. Trispalviai koeficientai, spalvų grynumas, atspalvis. Spalvų nustatymo sistemos. Spalvų matavimas kolorimetrais ir spalvų komparatoriais.
6. Spalvų juslės fiziologija. Fototransdukcija. Receptorinis mechanizmas. Spalvinio regėjimo teorijos, spalvos suvokimas, informacijos apdorojimas. Spalvų juslės sutrikimai. Spalvų juslės diagnostiniai tyrimai: Ishiharos tyrimas, AO-HRR lentelės, Munsell-Farnsworth 100 atspalvių išrinkimo tyrimas, Farnsworth D-15 tyrimas, Nagelio anomaloskopas.
7. Diagnostinis vaizdinimas infraraudonojoje spektrinėje srityje. Šiluminio spinduliavimo dėsniai. Planko formulė šiluminiam juodo kūno spinduliavimui įvertinti. Tikslus IR spinduliuotės energijos matavimas. IR kamerų jutiklių spektrinis jautris; erdvinė, laiknė ir šiluminė skyra. Neurotermografija. Simpatinę disfunkciją sukeliančių ligų diagnostika. Insulto rizikos faktorių diagnostika. Smegenų žievės paviršiaus zondavimas IR spinduliais įsisotinimo deguonimi lygio nustatymui.
8. Lazerinė dėminė [audinių perfuzijos krauju] vizualizacija (angl. laser speckle imaging). Metodo teoriniai aspektai. Lazerinės dėminės vizualizacijos statistika, dinamika, dviejų dinaminių speklų interferencija. Ryšys tarp speklo dinamikos ir doplerio efekto, nevienalyčių speklų formavimasis. Sklaidos centrų koncentracijos įtaka speklo formavimuisi. Erdvinis ir laikinis speklo kontrastas. Aparatūra lazerinei dėminei audinių perfuzijos krauju vizualizacijai. Lazerinės dėminės perfuzijos vizualizacijos metodo taikymai tiriant odos perfuziją; kraujotaką akies tinklainėje; funkcinę smegenų aktyvaciją; audinių nudegimų mąstą, insultą.
9. Nanodalelėmis pagrįstas optinis fluorescencinis vaizdinimas. Kvantiniai taškai. Kvantinių taškų energijos lygmenys. Kvantinio taško fluorescencijos priklausomybė nuo jo dydžio bei paviršiaus modifikacijos. Kvantinių taškų toksiškumo problema. Kvantinių taškų paviršiaus modifikacijos; biokonjugacija, biosuderinamumo problematika. Kvantinių taškų pritaikymas neurovaizdinimui. Tikslinė neuronų aktyvacija panaudojant kvantinius taškus.
10. Genetiškai modifikuotų neuronų aktyvacija ir deaktyvacija naudojant šviesos signalus. Šviesai jautrūs baltymai atsakingi už jonų pernašą per membraną (ChR1, ChR2, VChR1, SFO, NpHR, eNpHR, Arch). Optogenetikos strateginės kryptys: šviesos suleliami jonų, signalinių molekulių (cAMP) koncentracijos pokyčiai; baltymų tarpusavio sąvekos, fermentų aktyvumo reguliacijos. Metodo laikinė ir erdvinė skyra. Naujų šviesa valdomų jonų kanalų bei neuronų grandinių kūrimas. Optogenetikos taikymo neuromoksle apžvalga: nuo pavienių neuronų iki gyvūno motorikos fotoaktyvacijos.
11. Aukso nanodalelių pritaikymas optogenetiškai nepaveiktų neuronų fotoaktyvacijai. Žadinimo spektrinė sritis. Terminio poveikio mechanizmas. Aukso nanodalelių kaupimasis neuronų aplinkoje bei neuronų fotoaktyvacijos trukmė. Neurotoksinų (TS1) ir antikūnių (TRPV1 and P2X3) sąveikos su aukso nanodalelėmis pritaikymas neuronų fotoaktyvacijai.
12. Optinis membranos potencialo vaizdinimas. Įtampai jautrūs dažai. Metodai pagrįsti sugerties, fluorescencijos, dvigubo lūžio rodiklio, dichroizmo, rezonansinės Ramano sugerties, netiesinių optinių reiškinių detekcija. Molekuliniai mechanizmai nulemiantys optinių savybių priklausomybę nuo potencialo pokyčio: dipolių rotacija, elektrochromizmas, potencialui jautri pusiausvyra tarp dažo monomerų ir dimerų. Reikalavimai diagnostinėms sistemoms. Fotodiodų liniuotė. Krūvio sąsajos įtaisai (angl. CCD, charge-coupled device); papildomo metalo oksido puslaidininkio (CMOS) technologijos. Transmembraninio potencialo vaizdinimo pritaikymo neurobiologijos moksle sritys: individualiame neurone vykstančių procesų tyrimai; individualaus neurono veikimo potencialo tyrimai; neuronų populiacijų tyrimai.
13. Liuminescencinė neuroaktyvumo diagnostika. Cheminiai kalcio jonų indikatoriai (OGB1-AM, Fura-2, Indo-1; Rhod-2 AM) in vitro ir in vivo fluorescenciniam vaizdinimui. Spontaninių kalcio jonų fliuktuacijų tyrimai pelių naujagimiuose, cerebralinės sensorikos, motorinio kortekso aktyvumo tyrimai judesio metu Genetiniai kalcio jonų indikatoriai (G-CaMP, R-CaMP, ir Cameleon šeima). Chemiliuminescenciniai kalcio jonų indikatoriai (Nano-lantern) ir jų panaudojimo sritys.
14. Nanovaizdinimas naudojant atomo jėgos mikroskopiją (AFM). Sąveika tarp paviršiaus ir adatos, Lennard-Jones potencialas. AFM veikos režimai: kontaktinis, nekontaktinis bei virpančio zondo. Sąsajos su nanomedžiagų kūrimu. AFM taikymai neuromoksle: neuronų topologijos, morfologijos, neuronų nanomechanikos tyrimai. DRG neuronų Jungo modulio įvertinimas. Kiekybiniai nanomechaniniai tyrimai panaudojant PeakForce QNM. Neuronų adhezijos tyrimai. Nanopažaidų sukėlimas, nanostimuliacija, neuronų regeneracijos tyrimai naudojant AFM. Neurotoksinų poveikio bei nanodalelių neurotoksiškumo tyrimai naudojant AFM.
15. Optiniai neurodeneneracinių ligų tyrimų metodai. Membranos atsako į oksidacinį stresą diagnostika naudojant AFM. AFM pavienių ląstelių jėgos spektroskopijos taikymas baltymų monomerų polimorfizmo sąsajų su neurotoksiškumu tyrimuose. Baltymų agregacijos sąsajos su neurotoksiškumu. Baltymų agregacijos tyrimai naudojant fluorescencijos koreliacinės spektroskopijos metodiką (FCS). Autokoreliacijos funkcija bei jos interpretacija. Kros- koreliacinė analizė. FCS taikymai: molekulių dinamikos, agregacijos nustatymas, sąveikos tarp molekulių tyrimai. Optogenetikos pasiekimai Parkinsono ligos tyrimuose.
1. LED šviesos šaltinio spalvų atkūrimo indekso (CRI) nustatymas.
2. Hiperspektrinis širdies laidžiosios sistemos vaizdinimas.
3. Audinių kraujotakos sutrikimų vertinimas naudojant lazerinę dėminę perfuzijos vizualizaciją.
4. Lazerio spinduliuotės charakteristikų šviesolaidinėje pynėje tyrimas.
5. Porfirininės prigimties pigmentų agregacijos tyrimas.
6. Elektrokardiostimuliatoriaus signalų tyrimas oscilografu.
7. Giluminė fluorescencinė diagnostika naudojant kvantinius taškus.
Dalyko studijos valandomis
Paskaitos (P) 45 val.
Laboratoriniai darbai (L) 22.5 val.
Savarankiškas darbas 62.5 val.
Iš viso 130 val.
Studijų rezultatų vertinimas
Kolokviumas - 17%, laboratoriniai darbai – 33%, baigiamasis egzaminas – 50%.
Literatūra
1. 2009 Oleg V. Kolomytkin ir Andrew A. Marino. Neurobiophysics Handbook of Molecular Biophysics. Methods and Applications. H.G. Bohr, Ed. Wiley VCH. e-knyga
2. 2011 R. Jung. Biohybrid Systems: Nerves, Interfaces and Machines Wiley-VCH Verlag GmbH.
3. 2002 R. Lakowitz. Topics in Fluorescence Spectroscopy. Biochemical Applications v3 Kluwer Academic Publishers e-knyga
4. 2008 R. Rotomskis, V. Karabanovas, V. Poderys, S. Bagdonas, J. Didžiapetrienė. Įvadas į nanomediciną. Lietuvos mokslas, kn. 69. Vilnius,
5. 2009 Silva GA. Quantum dot nanotechnologies for neuroimaging. (Chapter 2) Prog Brain Res.;180:19-34. e-knyga
6. 2012 Saito K ir kt. Luminescent proteins for high-speed single-cell and whole-body imaging. Nature Communnications 3:1262
7. 2015 Jembrek MJ ir kt. Atomic force microscopy as an advanced tool in neuroscience. Translational Neuroscience ; 6:117-130.
8. 2011 Ho Ko ir kt. Functional specificity of local synaptic connections in neocortical networks. Nature 473, 87–91.
9. 2011 Purves D, Augustine GJ, Fitzpatrick D, Hall WC, LaMantia AS, McNamara JO, Williams SM. Neuroscience. Sinauer Associates, Inc. Publishers
Sunderland, Massachusetts U.S.A (3rd edition). e-knyga
Papildoma literatūra
1. 2010 Boas DA, Dunn AK. Laser speckle contrast imaging in biomedical optics. Journal of Biomedical Optics 15(1):1-12.
2. 2000 Zochowski M ir kt. Imaging membrane potential with voltage-sensitive dyes. Biol Bull.; 198(1):1-21.
3. 2012 Hervas R ir kt. Common Features at the Start of the Neurodegeneration Cascade. PLoS Biol.;10(5): e1001335
4. 2015 Miyamoto D, Murayama M. The fiber-optic imaging and manipulation of neural activity during animal behavior. Neurosci Res. [Epub ahead of print].
5. 2015 Kianianmomeni A, Hallmann A. Spotlighted Brains: Optogenetic Activation and Silencing of Neurons Trends in Biochemical Sciences, 40(11):624-627.
6. 2012 Cetin M ir kt. Nanotechnology applications in neuroscience: Advances, opportunities and challenges. Bulletin of Clinical Psychopharmacology, 22(2):115-120
7. 2012 Hoskins C ir kt. The cytotoxicity of polycationic iron oxide nanoparticles: common endpoint assays and alternative approaches for improved understanding of cellular response mechanism.J Nanobiotechnology. 10(15)
8. 2006 Pathak S ir kt. QuantumDot Applications to Neuroscience: New Tools for Probing Neurons and Glia. The Journal of Neuroscience, 26(7):1893–1895
9. 1985 Grynkiewicz G. ir kt. A new generation of Ca2+ indicators with greatly improved fluorescence properties. J. Biol. Chem. 260 (6): 3440–3450.
10. 2015 Carvalho de Souza JL ir kt. Photosensitivity of neurons enabled by cell-targeted gold nanoparticles. Neuron. 86(1):207-217.
11. 2015 Būdienė B ir kt. Spalvų juslės sutrikimai, diagnostiniai tyrimai ir Spalvų juslės reikšmė gyvenime ir oftalmologijoje. Medicinos teorija ir praktika, 21(3.2):422-429.
12. 2010 Kravitz AV ir kt. Regulation of parkinsonian motor behaviours by optogenetic control of basal ganglia circuitry. Nature 466 (7306): 622–626.
13. 1995 Antić S, Zecević D. Optical signals from neurons with internally applied voltage-sensitive dyes. J Neurosci. 15(2):1392-1405.
14. 2009 Gradinaru V ir kt. Optical deconstruction of parkinsonian neural circuitry. Science, 324 (5925): 354–359.
15. 2009 Cardin JA ir kt. Driving fast-spiking cells induces gamma rhythm and controls sensory responses. Nature 459 (7247): 663–667.
16. 2012 Lugo K ir kt. Remote switching of cellular activity and cell signaling using light in conjunction with quantum dots. Biomedical Optics Express; 3(3): 447.
17. 2008 Reddy GD ir kt. Three-dimensional random access multiphoton microscopy for functional imaging of neuronal activity. Nature Neurosci, 11(6): 713-720.
18. 2011 Cheng A ir kt. Simultaneous 2-photon calcium imaging at different cortical depths in vivo with spatiotemporal multiplexing. Nature Methods, 8(2):139-142.
19. 2012 Mahou P ir kt. Multicolor two-photon tissue imaging by wavelength mixing. Nature Methods, 9(8):815-818.
20. 2004 J. Butrimaitė, A.Dementjev, G.Dikčius, R.Gadonas, J.Jasevičiūtė, V.Karenauskaitė, V.Sirutkaitis, V.Smilgevičius. Fizika biomedicinos ir fizinių mokslų studentams. II dalis. Vilniaus universiteto leidykla.
21. 2013 Fok MP ir kt. Asynchronous Spiking Photonic Neuron for Lightwave Neuromorphic Signal Processing. Opt Lett. 2012 37(16): 3309-3311
22. 2013 Krook-Magnuson E ir kt. On-demand optogenetic control of spontaneous seizures in temporal lobe epilepsy. Nature Communications 4, 1376
23. 2016 Sahoo B ir kt. Fluorescence Correlation Spectroscopy: A Tool to Study Protein Oligomerization and Aggregation In Vitro and In Vivo. Methods in Molecular Biology 1345:67-87.
24. 2008 Karabanovas V ir kt. Examination of the stability of hydrophobic (CdSe)ZnS quantum dots in the digestive tract of rats. Photochem Photobiol Sci. 7(6):725-729.
25. 2012 Beam M ir kt. Dynamic Imaging by Fluorescence Correlation Spectroscopy Identifies Diverse Populations of Polyglutamine Oligomers Formed in Vivo The Journal of Biological Chemistry, 287(31):26136 –26145.
