Световодные системы для нейрофотоники (1104770)
Текст из файла
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ M.В.ЛОМОНОСОВА»На правах рукописиАмитонова Любовь ВладимировнаСветоводные системы для нейрофотоники01.04.21 – Лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2013Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультетаМосковского государственного университета имени М.В.Ломоносова.Научный руководитель:д.ф.-м.н, профессорЖелтиков Алексей МихайловичМосковскийгосударственныйуниверситетимениМ.В.Ломоносова, МоскваОфициальные оппоненты:д.ф.-м.н, профессорГончуков Сергей АлександровичНациональный исследовательский ядерный университет«МИФИ», Москвад.ф.-м.н, профессорЛощенов Виктор БорисовичФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им.
А.М. Прохорова Российскойакадемии наук, МоскваВедущая организация:Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Центр фотохимии Российской академии наук (ЦФ РАН),МоскваЗащита состоится « 06 »июня2013 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 501.001.31при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова, по адресу: 119991 ГСП-1Москва, Ленинские горы, МГУ, улица Академика Хохлова, дом 1, стр. 62, Корпус нелинейной оптики, аудитория имени С.А. Ахманова.С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций научной библиотеки Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова (Ломоносовский просп., д.27).Автореферат разослан « 23 » апреля 2013 г.Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылатьпо вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.Ученый секретарьдиссертационного совета,к.ф.-м.н.Коновко А. А.Общая характеристика работыАктуальность работыОптические методы являются одними из наиболее перспективных направлений проведениядиагностики и измерений в биологии и биомедицинских приложениях.
Оптическая визуализациярасполагает непревзойденными возможностями, которые включают в себя целый ряд методов: визуализацию флуоресцентных биомаркеров, методы химически селективной визуализации за счетэффектов спонтанного и когерентного комбинационного рассеяния света и методы нелинейно-оптической микроскопии, такие как микроскопия двухфотонного поглощения, микроскопия генерациивторой и третьей гармоники.Возможность изучать живые системы на протяжении длительного времени является ключевойдля многих биологических исследований, поэтому методы оптической регистрации, адаптированные для долговременных экспериментов над живыми бодрствующими животными, сейчас наиболеевостребованы. Работа с живыми объектами, in vivo, накладывает особые требования к устройствамвизуализации в отношении их гибкости, компактности, механической прочности и необходимостиобъединять разнообразные функциональные задачи, такие как обеспечение оптимальной геометриилокального возбуждения биомолекул, эффективный сбор оптического отклика, доставка сигналов сминимальными потерями и возможности визуализировать различные аспекты биологических процессов.
Отдельной проблемой является визуализация глубоких слоев мозга живого животного. Дляметодов двухфотонной микроскопии глубина визуализации не может превышать 1 мм или 1.5 ммв случае использования специальных маркеров и микроскопных систем, что позволяет in vivo исследовать только кору головного мозга.Компактный размер, механическая гибкость и все более растущая функциональность волоконно-оптических устройств в сочетании с последними разработками флуоресцентных маркеровдля разнообразных клеточных процессов обеспечивают новые возможности для in vivo функциональной визуализации в биологических задачах. Таким образом волоконно-оптические зонды становятся ключевыми компонентами оптических сенсорных систем.В первых работах по волоконно-оптическому получению изображений живой ткани былапродемонстрирована возможность использования пучков оптических волокон для визуализациивнутренних функциональных сигналов в глубоких слоях мозга свободноподвижных кошек.
Хотяизображение получалось плохого качества и с низким разрешением, идея использовать оптическиеволокна для изучения бодрствующих животных продолжила развиваться и была позднее применена к живым мышам. В этих работах оптическое волокно использовалось лишь в течение короткоговремени и либо как отдельный точечный зонд, который регистрирует, но не визуализирует характеристики ткани либо в устройствах не обеспечивающих клеточного разрешения. До сих пор методыволоконно-оптической визуализации подразумевали работу только с одним флуоресцентным биомаркером и не были адаптированы для задач нелинейно-оптической микроскопии и микроскопиикомбинационного рассеяния света.
Таким образом, существующие волоконно-оптические системывизуализации обладают рядом существенных ограничений.1Цель диссертационной работы состоит в исследовании линейных и нелинейных оптическихявлений в контексте задач биовизуализации и разработке световодных систем для оптическогозондирования тканей мозга живых бодрствующих животных.Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:I. Исследование и оптимизация параметров световодных зондов для эффективного сбора некогерентного флуоресцентного отклика с высоким пространственным разрешением.II. Разработка и экспериментальная реализация волоконно-оптического формата визуализациипространственного распределения одновременно нескольких флуоресцентных маркеров в мозгеживого свободноподвижного животного с субклеточным разрешением.III.
Исследование и разработка методов для реализации полностью волоконной системы длямногокомпонентного линейного и нелинейного оптического зондирования набора биомаркеров набазе микроструктурированных волокон.IV. Разработка и экспериментальная реализация волоконно-оптического нейроинтерфейса дляминимально инвазивного измерения уровня экспрессии флуоресцентных маркерных белков в глубоких слоях мозга живых животных в течение длительного времени одновременно из несколькихпространственно разнесенных структур мозга живого животного.V. Разработка и экспериментальная реализация безмаркерной волоконно-оптической визуализации пространственного распределения веществ и структур с комбинационно активными линиямив режиме эндоскопии.VI. Исследование и экспериментальная реализация возможностей увеличения чувствительности эндоскопного формата регистрации спонтанного комбинационного рассеяния.VII.
Исследование и экспериментальная реализация возможностей безмаркерной визуализации нервных тканей с помощью микроскопии генерации третьей гармоники и последующих возможностей комбинации данного метода с флуоресцентной микроскопией.Научная новизнаI. Микроструктурированные (МС) волокна с малым размером сердцевины увеличивают локальность оптического зондирования в случае волоконно-оптического формата визуализации.Экспериментально показано, что МС волокно с радиусом сердцевины ≈ 1 мкм и числовойапертурой 0.38 может ограничивать оптическое зондирование в области объемом меньше чем50 мкм3 , позволяя оптический опрос отдельных нейронов в рамках типичного экспериментапо визуализации мозга.II. Оптоволоконный микрозонд, состоящий из ≈ 6000 волокон с диаметром сердцевины каждогоотдельного волокна 2.4 мкм, соединенный с конфокальным оптическим микроскопом позволяет in vivo визуализировать пространственное распределение одновременно несколькихфлуоресцентных маркеров в мозге живого свободноподвижного животного с субклеточнымразрешением равным 3 мкм.2III.
Микроструктурированные волокна, в которых генерируется широкополосное излучение суперконтинуум с широким спектром от 420 до 1000 нм, могут быть интегрированы с волоконными спектральными фильтрами на основе полых антирезонансных световодов для реализации многоцветного возбуждения и регистрации одновременно нескольких флуоресцентныхмаркеров.IV.
Микроструктурированное волокно со сконструированным должным образом профилем дисперсии обеспечивает плавную перестройку излучения от 800 до 1400 нм и позволяет точноподобрать длину волны солитона на выходе волокна к спектру двухфотонного поглощениялюбого флуоресцентного биомаркера, усиливая таким образом отклик двухфотонной флуоресценции, что может быть использовано для нелинейно-оптического зондирования в волоконном формате.V. Разработан волоконно-оптический нейроинтерфейс, который, как было экспериментально показано, позволяет минимально инвазивно проводить измерения уровня экспрессии флуоресцентных маркерных белков в глубоких слоях мозга живых животных в течение длительноговремени (до одного месяца) при их свободном поведении во время и после разнообразныхфизиологических и фармакологических воздействий, а также позволяет проводить измеренияуровня флуоресценции одновременно из нескольких пространственно разнесенных структурмозга живого животного.VI.
Пространственное распределение веществ с комбинационно активными линиями может бытьвизуализировано в волоконном формате в режиме эндоскопии с разрешением 3 мкм методомрегистрации спонтанного комбинационного рассеяния света.VII. Антирезонансные волокна с полой сердцевиной позволяют увеличить до 17 раз чувствительность волоконно-оптической регистрации комбинационного рассеяния по сравнению состандартными световодами.VIII.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
