Световодные системы для нейрофотоники

• Автор: Амитонова, Любовь Владимировна
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 145 с. : ил.

Содержание
Введение

Глава 1. Волоконно-оптические методы в нейробиологии .

1.1. Современные методы визуализации нейронной активности in

vivo и преимущества оптических технологий

1.2. Волокна как ключевой компонент оптических биосенсоров

1.3. Микроструктурированные световоды в задачах оптического зондирования

1.4. Безмаркерная визуализация в нейрофотонике

Глава 2. Экспериментальные техники и методики измерений

2.1. Непрерывные лазеры и фемтосекундные лазерные генераторы

на кристаллах Cr4+:Forsterite и Ti: Sapphire
2.2. Оптические волокна
2.3. Методы прижизненного маркирования нейронной активности .
Глава 3. Световодные системы для визуализации нейронной активности живых животных
3.1. Оптимизация оптических компонент для задач нейровизуализации
3.2. Многокомпонентная визуализация нервных тканей е высоким
пространственным и временным разрешением
3.3. Широкополосное излучение суперконтинуум для многокомпонентного зондирования флуоресцентных биомаркеров
3.4. Волоконные решения для двухфотонной эндоскопии
3.5. Долговременная регистрация нейронной активности в глубоких слоях мозга свободноподвижных животных

Глава 4. Световодные компоненты для безмаркерной визуализации
4.1. Волоконно-оптическая визуализация материалов с комбинационно активными линиями
4.2. Волоконное рамановское зондирование маркеров пролиферации клеток и основных молекулярных колебаний тканей мозга
4.3. Микроструктурированные волокна с полой сердцевиной для оптимизации методов волоконно-оптической регистрации комбинационного рассеяния света
4.4. Микроскопия генерации третьей оптической гармоники в задачах нейровизуализации
Заключение
Приложение А. Список сокращений и условных обозначений
Литература

Введение
Актуальность работы
Оптические методы являются одними из наиболее перспективных направлений проведения диагностики и измерений в биологии и биомедицинских приложениях. Оптическая визуализация располагает непревзойденными возможностями, которые включают в себя целый ряд методов: визуализацию флуоресцентных биомаркеров [1, 2], методы химически селективной визуализации за счет эффектов спонтанного [3] и когерентного комбинационного рассеяния света [4, 5] и методы нелинейно-оптической микроскопии, такие как микроскопия двухфотонного поглощения [6], микроскопия генерации второй и третьей гармоники [7, 8].
Возможность изучать живые системы на протяжении длительного времени является ключевой для многих биологических исследований [9], поэтому методы оптической регистрации, адаптированные для долговременных экспериментов над живыми бодрствующими животными, сейчас наиболее востребованы. Работа с живыми объектами, in vivo, накладывает особые требования к устройствам визуализации в отношении их гибкости, компактности, механической прочности и необходимости объединять разнообразные функциональные задачи, такие как обеспечение оптимальной геометрии локального возбуждения биомолекул, эффективный сбор оптического отклика, доставка сигналов с минимальными потерями и возможности визуализировать различные аспекты биологических процессов. Отдельной проблемой является визуализация глубоких слоев мозга живого животного. Для методов двухфотонной микроскопии глубина визуализации не может превышать 1 мм [10, 11] или 1.5 мм в случае использования специальных маркеров и микроскопных систем [12], что позволяет in vivo исследовать только кору головного мозга.
Компактный размер, механическая гибкость и все более растущая функ-

лись в 1997 году [105—107]. И хотя как раз именно этот метод позволяет максимально эффективно и одновременно «читать» спектры из разных волокон в пучке и до сих пор активно используется [108], пучок волокон ни в одной из этих работ не применяется как эндоскоп. Это связано с принципиально достаточно низким числом волокон в используемых пучках, что не позволит получить приемлемое разрешение, а также с необходимостью интерпретировать пространственное распределение комбинационно-активных линий по сигналу, собранному только через одно из волокон, что значительно уменьшает чувствительность метода.
Попытки получить изображения в волоконном формате в настоящее время делаются с применением когерентных рамановских методов [109]. Однако в этом направлении пока была достигнута лишь миниатюризации микроскопа, так как из-за системы сканирования и необходимости массивной линзы на выходном торце волокна нет возможности работать в режиме реального миниатюрного эндоскопа. В работе Guieu et. al [110] была продемонстрирована удаленная визуализация монослоя benzenethiol через наноструктуриро-ванный массив конических иголок, покрытых слоем золота, на поверхности многосердцевинного волоконного зонда с помощью усиленной на поверхности рамановской спектроскопии (SERS). Не смотря на то, что SERS является гораздо более чувствительным методом и может визуализировать монослой, такие наноразмерные структуры плохо приспособлены для визуализации достаточно больших объектов (клетки), так вся чувствительность сосредоточена на конце иглы. Данная система не может быть реализована в формате эндоскопа, так как высокая чувствительность на. конце иглы позволит регистрировать только приповерхностный слой, который образуется сразу же при соприкосновении с биотканями (хотя бы в режиме монослоя) и в дальнейшем, при продвижении вглубь объекта не позволит визуализировать область интереса.