光遗传学中的光源选择

光遗传学中的光源选择

光遗传学（Optogenetics）技术是一种通过使用光学技术来实现控制细胞行为的方法，其可以使得研究人员揭示特定神经元的激活和抑制反应；光遗传学可以通过引发大脑中特殊神经元表达特定对光敏感的蛋白质来进行工作，研究者可以利用一种“光缆”来使大脑照射光线，从而来控制表达光敏感蛋白的神经元的活性。

光遗传学中试验中操作活体动物的光源是几乎全是激光。由于激光是平行的光束，具有非常低的发散，可以有效耦合到典型直径为50~300μm的光纤之中。光遗传学试验中的激光选择相当微妙，有几个参数必须谨慎考虑。

首先，选择合适的视蛋白之后，必须选择和视蛋白的灵敏度相匹配的输出波长激光。目前，最常用的波长为473，532，561，594和638纳米。

第 二，激光功率必须大到能够成功的激活视蛋白。因此，激光功率必须考虑到光纤传输中的种种损耗。功率也必须是可调的，因为实验所需的光强随着在不同动物体内程度的视蛋白表达程度的不同相差很大。可调功率也是避免过度曝光造成组织损伤的需要。典型的可调节范围应该是从20 mW到额定的最大功率100 mW。

第三个重要的参数是随着时间不变的功率稳定性。因为实验可以运行几个小时，需要排除功率变化对于实验结果的影响。一般而言试验中功率变化必须小于2%。

激光必须是可以调制的。试验中激光所需要的频率取决于光遗传学操作或者复现的生理过程频率；同时也受到视蛋白的动力学性质的影响。在大脑中的某些活动的频率是在秒量级上，而另一些则超过了100 Hz。此外激光脉冲的上升/下降时间短、上升/下降时间在毫秒级、复现性好也很重要。脉冲形状，每个脉冲的顶峰功率一致和脉冲重复性也同样重要。

有许多不同类型的视蛋白，具有不同的反应模式，可以分为两种：用于打开离子通道和细胞活性的视蛋白；和用于关闭细胞活性的视蛋白。一般而言激活细胞活性的视蛋白对于波长为470nm的光敏感；而关闭细胞活性的视蛋白对于波长从550nm到近红外的光敏感。最常用的关闭视蛋白敏感光峰值在590nm处。

    试验中真正的挑战是把大脑暴露到光强适合，同时又不会把大脑暴露的过多。这使得对于光遗传学光源的选择必须十分精细。首先激光的波长必须合适，而且功率也必须足够强，而且在一个很宽的范围内可调。由于实验的长度，功率稳定性也是一个很重要的因素。另外一个必备的因素是调制的能力，因为试验中激光的频率会从0改变到200 Hz，而且即使频率很低，激光稳定时间也必须在毫秒量级。在调制过程中的脉冲稳定性也非常重要。

德国Qioptiq提供高速、稳定、高纵横比和调谐能力的473，532，561，594或640 nm激光器。这些激光器都是可以用光纤耦合输出的，具体输出方式包括单光纤激光器或者把多种激光器共同耦合到一根光纤里面。

QIOPTIQ是一家专注于高端光子产品解决方案的提供商，其推出的iFLEX-iRIS系列激光器采用kineFLEX®专利SM PM光纤系统。这种单模保偏光纤传输系统提供了世界上最好的波束指向稳定性，使它们成为许多成像和精密测量应用的行业标准。 Qioptiq激光产品产品组合长期稳定、噪音低、体积小、工艺精湛。是一家公认的OEM供应商，为全天候应用提供各种模块化激光器。

创新的闭环调制(CLM)技术使得激光器可以在所有的操作模式下使用自动功率控制反馈，主动的温度控制功能使得输出波长异常稳定，无任何跳模现象。同时具有高性能，低噪声，高稳定性的特点。它们还在所有的输出功率水平提供所有输出功率的精确调节，保证调节过程中的稳定性。

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