Выпуски

 / 

2015

 / 

Апрель

  

Обзоры актуальных проблем


Нейрофотоника: оптические методы исследования и управления мозгом

 а, б,  а, б,  а, б,  в,  а, б, в, г
а Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, Воробьевы горы, Москва, 119991, Российская Федерация
б Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий (Российский квантовый центр), ул. Новая 100, Сколково, Московская обл., 143025, Российская Федерация
в Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», пл. акад. Курчатова 1, Москва, 123182, Российская Федерация
г Texas A&M University, College Station, Texas, USA

Методы оптической физики открывают уникальные возможности для исследования мозга и высшей нервной деятельности. На стыке передовых лазерных технологий и современной нейробиологии стремительно развивается новое междисциплинарное направление естественнонаучных исследований — нейрофотоника, в рамках которой разрабатывается обширный арсенал средств для функциональной диагностики мозга, стимуляции отдельных нейронов и их сетей, а также молекулярной инженерии клеток мозга с целью диагностики и терапии нейродегенеративных и психических заболеваний. Центральная роль в решении наиболее сложных задач исследования мозга, включая изучение клеточных и молекулярных механизмов формирования памяти и поведения, отводится световодным системам. На основе оптических волокон нового поколения разрабатывается уникальный, принципиально новый класс устройств нейрофотоники и лазерной нейроинженерии — волоконно-оптические нейроэндоскопы и нейроинтерфейсы. Такие системы открывают новые горизонты в исследовании сложнейших функций мозга, обеспечивая возможность долговременной мультиплексной регистрации отклика флуоресцентных маркерных белков, а также фотостимуляции нейронной активности в глубоких слоях мозга живых свободноподвижных животных с высоким пространственным разрешением и минимальной степенью инвазивности. На этой основе в экспериментах с живыми свободноподвижными животными реализуются уникальные методики исследования процессов обучения и формирования долговременной памяти. Представлен обзор этого быстро развивающегося направления исследований.

Текст: pdf
Войдите или зарегистрируйтесь чтобы получить доступ к полным текстам статей.
English fulltext is available at IOP
Ключевые слова: нейрофотоника, оптоволоконные системы, нелинейно-оптическая микроскопия
PACS: 42.81.−i, 87.19.L−, 87.85.D− (все)
DOI: 10.3367/UFNr.0185.201504c.0371
URL: https://ufn.ru/ru/articles/2015/4/c/
Цитата: Доронина-Амитонова Л В, Федотов И В, Федотов А Б, Анохин К В, Жёлтиков А М "Нейрофотоника: оптические методы исследования и управления мозгом" УФН 185 371–392 (2015)
BibTexBibNote ® (generic)BibNote ® (RIS)MedlineRefWorks

Поступила: 25 декабря 2014, 30 декабря 2014

English citation: Doronina-Amitonova L V, Fedotov I V, Fedotov A B, Anokhin K V, Zheltikov A M “Neurophotonics: optical methods to study and control the brainPhys. Usp. 58 345–364 (2015); DOI: 10.3367/UFNe.0185.201504c.0371

Список литературы (185) ↓ Статьи, ссылающиеся на эту (23) Похожие статьи (20)

  1. Lakowicz J R Principles of Fluorescence Spectroscopy (New York: Springer, 2006)
  2. Pawley J (Ed.) Handbook of Biological Confocal Microscopy (New York: Springer, 2006)
  3. Turrell G, Corset J (Eds) Raman Microscopy: Developments and Applications (Amsterdam: Elsevier, 1996)
  4. Min W et al. Annu. Rev. Phys. Chem. 62 507 (2011)
  5. Evans C L, Xie X S Annu. Rev. Anal. Chem. 1 883 (2008)
  6. Denk W, Strickler J H, Webb W W Science 248 73 (1990)
  7. Hoover E E, Squier J A Nature Photon. 7 93 (2013)
  8. Horton N G et al. Nature Photon. 7 205 (2013)
  9. Débarre D et al. Nature Meth. 3 47 (2006)
  10. Witte S et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 108 5970 (2011)
  11. O'Keefe J, Dostrovsky J Brain Res. 34 171 (1971)
  12. Hafting T et al. Nature 436 801 (2005)
  13. Chen L L et al. Exp. Brain Res. 101 8 (1994)
  14. Moser E I, Kropff E, Moser M-B Annu. Rev. Neurosci. 31 69 (2008)
  15. O'Keefe J, Moser M-B, Moser E I "The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2014, Nobel Media AB 2014, Web 29 March 2015" http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2014/
  16. Betzig E. Hell S W, Moerner W E "The Nobel Prize in Chemistry 2014, Nobel Media AB 2014, Web 29 March 2015" http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2014/
  17. Knöpfel T, Boyden E S (Eds) Optogenetics. Tools for Controlling and Monitoring Neuronal Activity (Progress in Brain Research) Vol. 196 (Amsterdam: Elsevier, 2012)
  18. Holtmaat A et al. Nature Protocols 4 1128 (2009)
  19. Kerr J N D, Nimmerjahn A Curr. Opin. Neurobiol. 22 45 (2012)
  20. BernsteJ G. Garrity P A, Boyden E S Curr. Opin. Neurobiol. 22 61 (2012)
  21. Aravanis A M et al. J. Neural Eng. 4 S143 (2007)
  22. Doronina-Amitonova L V et al. Nature Sci. Rep. 3 3265 (2013)
  23. Kobat D, Horton N G, Xu C J. Biomed. Opt. 16 106014 (2011)
  24. Flusberg B A et al. Nature Meth. 2 941 (2005)
  25. Fu L, Gu M J. Microsc. 226 195 (2007)
  26. Brecht M et al. J. Neurosci. 24 9223 (2004)
  27. Kerr J N D, Denk W Nature Rev. Neurosci. 9 195 (2008)
  28. Callaghan P T Principles of Nuclear Magnetic Resonance Microscopy (Oxford: Clarendon Press, 1993)
  29. Schmidt K C, Smith C B Nucl. Med. Biol. 32 719 (2005)
  30. Cohen D Science 175 664 (1972)
  31. Schulz D et al. Nature Meth. 8 347 (2011)
  32. Gabriel M Physiol. Behavior 12 145 (1974)
  33. Krüger J, Bach M Exp. Brain Res. 41 191 (1981)
  34. Wilt B A et al. Annu. Rev. Neurosci. 32 435 (2009)
  35. Yang G, Pan F, Gan W-B Nature 462 920 (2009)
  36. Stosiek C et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100 7319 (2003)
  37. Tian L et al. Nature Meth. 6 875 (2009)
  38. Djurisic M et al. J. Neurosci. 24 6703 (2004)
  39. Palmer L M, Stuart G J J. Neurosci. 29 6897 (2009)
  40. Chalfie M et al. Science 263 802 (1994)
  41. AnokhK V et al. Brain Res. 544 101 (1991)
  42. Boyden E S et al. Nature Neurosci. 8 1263 (2005)
  43. Zhang F et al. Nature Protocols 5 439 (2010)
  44. Zhang F et al. Nature Meth. 3 785 (2006)
  45. Liu X et al. Nature 484 381 (2012)
  46. Ji N et al. Curr. Opin. Neurobiol. 18 605 (2008)
  47. Shimomura O, Johnson F H, Saiga Y J. Cell. Compar. Physiol. 59 223 (1962)
  48. Prasher D C et al. Gene 111 229 (1992)
  49. Heim R, Prasher D C, Tsien R Y Proc. Natl. Acad. Sci. USA 91 12501 (1994)
  50. Ormö M et al. Science 273 1392 (1996)
  51. Cubitt A B et al. Trends Biochem. Sci. 20 448 (1995)
  52. Степаненко О В и др. Цитология 49 395 (2007)
  53. Hill D K, Keynes R D J. Physiol. 108 278 (1949)
  54. Bouchard M B et al. Opt. Express 17 15670 (2009)
  55. Malonek D, Grinvald A Science 272 551 (1996)
  56. Stratonnikov A A, Loschenov V B J. Biomed. Opt. 6 457 (2001)
  57. Helmchen F Exp. Physiol. 87 737 (2002)
  58. Kawata S, Ohtsu M, Irie M (Eds) Nano-Optics (Springer Series in Optical Sciences) Vol. 84 (Berlin: Springer, 2002)
  59. Zipfel W R, Williams R M, Webb W W Nature Biotechnol. 21 1369 (2003)
  60. Helmchen F, Denk W Nature Meth. 2 932 (2005)
  61. Freudiger C W et al. Science 322 1857 (2008)
  62. Hell S W Nature Meth. 6 24 (2009)
  63. Bates M et al. Science 317 1749 (2007)
  64. Желтиков А М УФН 177 737 (2007); Zheltikov A M Phys. Usp. 50 705 (2007)
  65. Flusberg B A et al. Nature Meth. 5 935 (2008)
  66. Doronina L V et al. Opt. Lett. 34 3373 (2009)
  67. Snyder A W, Love J D Optical Waveguide Theory (London: Chapman and Hall, 1983)
  68. Marcuse D J. Opt. Soc. Am. 68 103 (1978)
  69. Zheltikov A J. Opt. Soc. Am. B 22 1100 (2005)
  70. Russell P Science 299 358 (2003)
  71. Желтиков А М УФН 170 1203 (2000); Zheltikov A M Phys. Usp. 43 1125 (2000)
  72. Nielsen M D et al. Opt. Lett. 28 2309 (2003)
  73. Akimov D A et al. Opt. Lett. 28 1948 (2003)
  74. Foster M, Moll K, Gaeta A Opt. Express 12 2880 (2004)
  75. Leon-Saval S et al. Opt. Express 12 2864 (2004)
  76. Foster M, Gaeta A Opt. Express 12 3137 (2004)
  77. Salem R et al. Nature Photon. 2 35 (2008)
  78. Foster M A et al. Nature 441 960 (2006)
  79. Foster M A et al. Nature 456 81 (2008)
  80. Levy J S et al. Nature Photon. 4 37 (2009)
  81. Knight J C Nature 424 847 (2003)
  82. Желтиков А М УФН 174 73 (2004); Zheltikov A M Phys. Usp. 47 69 (2004)
  83. Birks T A, Knight J C, Russell P St J Opt. Lett. 22 961 (1997)
  84. Желтиков А М Оптика микроструктурированных волокон (М.: Наука, 2004)
  85. Fedotov A B et al. Appl. Phys. B 73 181 (2001)
  86. Желтиков А М УФН 176 623 (2006); Zheltikov A M Phys. Usp. 49 605 (2006)
  87. Fedotov A B et al. Appl. Phys. B 77 313 (2003)
  88. Coen S et al. Opt. Lett. 26 1356 (2001)
  89. Ranka J K, Windeler R S, Stentz A J Opt. Lett. 25 25 (2000)
  90. Jones D J et al. Science 288 635 (2000)
  91. Udem T, Holzwarth R, Hänsch T W Nature 416 233 (2002)
  92. Hartl I et al. Opt. Lett. 26 608 (2001)
  93. Коноров С О и др. ЖЭТФ 126 26 (2004); Konorov S O et al. JETP 99 19 (2004)
  94. Sidorov-Biryukov D A, Serebryannikov D A, Zheltikov A M Opt. Lett. 31 2323 (2006)
  95. Paulsen H N et al. Opt. Lett. 28 1123 (2003)
  96. von Vacano B, Wohlleben W, Motzkus M Opt. Lett. 31 413 (2006)
  97. Головченко Е А и др. Письма в ЖЭТФ 42 74 (1985); Golovchenko E A et al. JETP Lett. 42 87 (1985)
  98. Mitschke F M, Mollenauer L F Opt. Lett. 11 659 (1986)
  99. Konorov S, Zheltikov A, Scalora M Opt. Express 13 3454 (2005)
  100. Myaing M T et al. Opt. Lett. 28 1224 (2003)
  101. Ye J Y et al. Proc. SPIE 5700 23 (2005)
  102. Fedotov I V et al. Appl. Opt. 48 5274 (2009)
  103. Федотов И В и др. Российские нанотехнологии 5 (3 - 4) 98 (2010); Fedotov I V et al. Nanotechnol. Russ. 5 266 (2010)
  104. Marcatili E A J, Schmeltzer R A Bell Syst. Tech. J. 43 1783 (1964)
  105. Russell P St J J. Lightwave Technol. 24 4729 (2006)
  106. Litchinitser N M et al. Opt. Lett. 27 1592 (2002)
  107. Litchinitser N M et al. Opt. Express 11 1243 (2003)
  108. Roberts P et al. Opt. Express 13 8277 (2005)
  109. Litchinitser N M, Poliakov E Appl. Phys. B 81 347 (2005)
  110. Zheltikov A M Nature Mater. 4 267 (2005)
  111. Doronina-Amitonova L V et al. Opt. Lett. 37 4642 (2012)
  112. Zheltikov A M Appl. Opt. 47 474 (2008)
  113. Желтиков А М УФН 178 619 (2008); Zheltikov A M Phys. Usp. 51 591 (2008)
  114. Doronina-Amitonova L V et al. Appl. Phys. Lett. 98 253706 (2011)
  115. Tauer J et al. Laser Phys. Lett. 4 444 (2007)
  116. Konorov S O et al. Appl. Opt. 43 2251 (2004)
  117. Balciunas T et al. Nature Commun. 6 6117 (2015)
  118. Lanin A A et al. Appl. Phys. Lett. 100 101104 (2012)
  119. Yaroslavsky A N et al. Phys. Med. Biol. 47 2059 (2002)
  120. Ishimaru A Wave Propagation and Scattering in Random Media (New York: Academic Press, 1978); Исимару А Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах (М.: Мир, 1981)
  121. Doronina-Amitonova L V et al. Appl. Phys. Lett. 101 021114 (2012)
  122. Tai D C et al. J. Biomed. Opt. 12 034033 (2007)
  123. Schüz A, Palm G J. Compar. Neurol. 286 442 (1989)
  124. Fedotov I V et al. Appl. Phys. Lett. 104 083702 (2014)
  125. Helmchen F et al. Neuron 31 903 (2001)
  126. Flusberg B A et al. Opt. Lett. 30 2272 (2005)
  127. Göbel W et al. Opt. Lett. 29 2521 (2004)
  128. Sawinski J et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106 19557 (2009)
  129. Engelbrecht C J et al. Opt. Express 16 5556 (2008)
  130. Piyawattanametha W et al. Opt. Lett. 34 2309 (2009)
  131. Ghosh K K et al. Nature Meth. 8 871 (2011)
  132. Ziv Y et al. Nature Neurosci. 16 264 (2013)
  133. Barretto R P J et al. Nature Med. 17 223 (2011)
  134. Liang C et al. Appl. Opt. 41 4603 (2002)
  135. Carlson K et al. Appl. Opt. 44 1792 (2005)
  136. Rouse A R et al. Appl. Opt. 43 5763 (2004)
  137. Lane P M et al. Opt. Lett. 25 1780 (2000)
  138. Ota T et al. J. Biomed. Opt. 10 024010 (2005)
  139. Kleinfeld D et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95 15741 (1998)
  140. Nimmerjahn A et al. Nature Meth. 1 31 (2004)
  141. Theer P, Hasan M T, Denk W Opt. Lett. 28 1022 (2003)
  142. Mittmann W et al. Nature Neurosci. 14 1089 (2011)
  143. Kobat D et al. Opt. Express 17 13354 (2009)
  144. Doronina-Amitonova L V et al. J. Biophoton. 3 660 (2010)
  145. Vincent P et al. EMBO Rep. 7 1154 (2006)
  146. Bharali D J et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102 11539 (2005)
  147. Davenne M et al. Chem. Senses 30 (Suppl. 1) i115 (2005)
  148. Doronina-Amitonova L V et al. Appl. Phys. Lett. 101 233702 (2012)
  149. Yamaguchi S et al. Nature 409 684 (2001)
  150. Doronina-Amitonova L V et al. Appl. Phys. Lett. 102 161113 (2013)
  151. Doronina-Amitonova L V et al. 12th Intern. Conf. on Laser Applications in Life Sciences 2010, LALS-2010, Oulu, Finland, June 9 - 11, 2010, Technical Digest p. 124
  152. Doronina-Amitonova L V et al. Appl. Phys. Lett. 99 231109 (2011)
  153. Reintjes J F et al. Nonlinear Optical Parametric Processes in Liquids and Gases (New York: Academic Press, 1984)
  154. Squier J et al. Opt. Express 3 315 (1998)
  155. Campagnola P J, Loew L M Nature Biotechnol. 21 1356 (2003)
  156. Dombeck D A et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100 7081 (2003)
  157. Dombeck D A et al. J. Neurophysiol. 94 3628 (2005)
  158. Shneider M N, VoronA A, Zheltikov A M Phys. Rev. E 81 031926 (2010)
  159. Doronina-Amitonova L V et al. Appl. Phys. Lett. 103 093701 (2013)
  160. Chia S-H et al. Opt. Express 18 17382 (2010)
  161. Mizuno A et al. J. Raman Spectrosc. 25 25 (1994)
  162. Koljenović S et al. J. Biomed. Opt. 10 031116 (2005)
  163. Krafft C et al. Anal. Bioanal. Chem. 389 1133 (2007)
  164. Udovich J A et al. Appl. Opt. 47 4560 (2008)
  165. McCreery R L, Fleischmann M, Hendra P Anal. Chem. 55 146 (1983)
  166. Bergholt M S et al. J. Biophotonics 6 49 (2013)
  167. Krafft C et al. Biomed. Spectrosc. Imaging 1 39 (2012)
  168. Komachi Y et al. Appl. Opt. 48 1683 (2009)
  169. Doronina-Amitonova L V et al. Appl. Phys. Lett. 101 113701 (2012)
  170. Beier B D, Berger A J Analyst 134 1198 (2009)
  171. Ma J, Ben-Amotz D Appl. Spectrosc. 51 1845 (1997)
  172. Gift A D et al. J. Raman Spectrosc. 30 757 (1999)
  173. McClaB L, Jiaying, Ben-Amotz D Appl. Spectrosc. 53 1118 (1999)
  174. Dochow S et al. Opt. Express 20 20156 (2012)
  175. Komachi Y et al. Opt. Lett. 30 2942 (2005)
  176. Sato H et al. Vibration. Spectrosc. 50 125 (2009)
  177. Konorov S O et al. Opt. Lett. 31 1911 (2006)
  178. Evans C L et al. Opt. Express 15 12076 (2007)
  179. Voronin A A et al. Opt. Lett. 36 508 (2011)
  180. Evans C L et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102 16807 (2005)
  181. Fu Y et al. Opt. Express 16 19396 (2008)
  182. Légaré F et al. Opt Express 14 4427 (2006)
  183. Balu M et al. Opt. Express 18 2380 (2010)
  184. Saar B G et al. Science 330 1368 (2010)
  185. Saar B G et al. Opt. Lett. 36 2396 (2011)

© Успехи физических наук, 1918–2021
Электронная почта: ufn@ufn.ru Телефоны и адреса редакции О журнале Пользовательское соглашение