Teleopto无线光遗传学系统—走在光遗传学技术前沿的全新实验解决方案

应用背景

光遗传学(Optogenetics) 是遗传学( 重组DNA技术) 与光学相结合的一种细胞生物学研究技术方法。通常利用病毒载体或者转基因技术手段在受体细胞中表达光受体( 光敏) 离子通道，通过特异波长的光进行定向性的激活或抑制细胞的发放电活动。这一技术在2010年被《Nature Methods》评为年度技术，该技术在神经科学以及细胞生物学信号通路研究方面具有革命性的促进作用。

光遗传学的基本原理（以ChR2和NpHR为例）

光遗传技术已经越来越广泛的运用到神经科学领域研究中，它可以特异性地刺激某个特定脑区或特定类群神经元，光刺激强度、时间及频率均可调节。多种不同波长选择，使得生物反应更具特异性。光遗传技术和神经元信号多通道记录技术、行为学记录的结合使用，可以解析特定神经回路的结构和功能，是解析脑功能结构谱的重要技术。

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传统光遗传学实验流程

第一步：将光敏感蛋白基因在目标细胞内表达。通过直接注射等方式将病毒转染进入细胞内。病毒携带的启动子等工具基因会将光敏感蛋白表达在细胞膜上。

第二步：植入光纤导管或光遗传电极。向注射病毒的位置植入光纤导管、光遗传电极、带有给药管的光纤导管等，通过光纤导管输入特定光刺激，以启动或抑制光敏感细胞。

第三步：收集光刺激的结果。光刺激之后的细胞、组织或生物体会出现相应的变化。例如最直观的结果就是通过光遗传电极记录动物脑电、神经递质浓度、行为变化和生理变化等。

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Teleopto无线光遗传学系统

在传统的光遗传学实验中，连接在动物头部的光纤限制了动物的行为，特别是在有围栏、门和其他障碍物的试验笼中。Telepoto无线光遗传系统通过在动物头部安置非常轻的接收器，以无线的方式远程接收光遗传刺激信号，极大地解除了对动物的束缚。

遥控器接收来在刺激器的触发信号，并将该信号发送到接收器，动物头部的LED套管尖端同步发出光脉冲。以此保证了触发信号与光刺激的一致性。

接收器可由专用充电器充电并重复使用。

Teleopto光遗传系统优势： 

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体积小巧

接收器小而轻，最小只有1g重，即使应用于小鼠也非常轻便。

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更换光纤套管方便

高亮度LED与光纤套管相耦合的设计，可在套管尖端实现mW级光功率的能量输出。只需更换LED套管组件即可更改刺激光的波长。常用颜色的的LED套管包括B (蓝色 470nm) / G (绿色 530nm) / Y (黄色 590nm) / R (红色 630nm)，其他颜色的套管也可根据需求定制。

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刺激模式多样

接收器可实现脉冲式和连续式两种模式的光刺激，分别用于高频和连续刺激。通过切换模式开关，遥控器可兼容这两种类型的接收器。

配合双通道接收器和双色LED套管，可以在动物脑部同一位置通过两种不同颜色的光进行刺激。遥控器可接收两个独立的触发信号。

可以进行双侧刺激。既可同时刺激两个半球（使用1ch接收器），也可逐个刺激两个半球（使用2ch接收器）。

Teleopto光遗传系统组件：

接收器：接收来自遥控器触发的无线信号，同步光纤套管尖端发出光脉冲。规格如下：

LED套管

以光遗传探头发出光脉冲，作用于动物脑部光敏感蛋白。

√ 光颜色常规有B (蓝色 470nm) / G (绿色 530nm) / Y (黄色 590nm) / R (红色 630nm)，其他颜色的套管也可根据需求定制；

√ 套管长度和探头间隔均可根据实验需求定制（以mm为单位）；

√ 套管直径Φ250μm / Φ500μm / Φ750μm三种规格可选，Φ250μm光纤探针可用玻璃纤维代替普通的塑料纤维。

STO mk-II光遗传刺激器

将STO mk-II光遗传刺激器连接到Teleopto遥控器上的TRG端口，可以通过TTL控制光刺激的时间。

光功率计

在光遗传学中，测量光纤套管尖端的光功率非常重要。LPM-100光功率计涵盖了光遗传学常用的蓝、绿、黄三种颜色光的功率测量功能，液晶显示，可通过电池供电，使用简单方便。

6通道集线器

TeleHub6

通过将TeleHub6连接到Teleopto遥控器上的EXT端口，可同时使用多达6个红外发射器，从而提高实验通量。该设备特别适用于行为学分枝多的迷宫实验，这些迷宫会阻挡红外信号的良好传输。通过在多个位置放置多个红外发射器，可以确保更稳定的光刺激。

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TeleFipho无线光纤记录系统

光遗传学经常用来研究特定的神经元亚群对特定行为的影响。但是光照的作用仅仅通过动物行为的检测评估有时是不完善的，很有可能存在“假阳性”和“假阴性”，且不能排除自然行为的干扰，而光纤记录系统即可提供足够的证据支撑。光遗传学技术与光纤记录系统的联合应用，可实现在同一脑区同步记录和刺激，探究特定脑核团的生理机能。

在光纤记录方向，光纤光度法（Fiber-photometry，FP）是时下流行的一种在体神经记录技术，因简单特异而流行，该技术可以利用GCaMP为代表的钙指示蛋白监测清醒活动状态下动物特定神经元的钙信号。其基本原理是以473nm的光源（LED或激光）经过分光折射，通过光纤激发GCaMP产生515nm的激发荧光（光强随钙信号而变），随后原路从光纤返回通过分光镜汇聚于光探测器，经过数模转换和锁相放大后呈现一维连续变化信号。

日本生物研究中心公司（Bio Research Center Co.，Ltd.）将无线光纤技术应用于光纤生物信号记录领域，开发了国际上首款商用无线光纤记录系统

TeleFipho。该仪器在只有3g重的机身中集成了光纤光度测量所需的所有组件——光纤、滤光片、光源、光电探测器以及无线传输电路。TeleFipho系统对动物的自由行为没有任何干扰，实验限制条件更少，从而可以使用光纤光度测量法建立更广泛的实验模型。

产品优势：

①世界首款商用无线光线光度计；②小型探头，适用于小鼠、大鼠、狨猴等；③采用标准2.5mm套圈套管；④可通过专用充电器充电⑤可调激发LED的功率⑥可根据需求调整信号偏移⑦适用于测量GCaMP或类GFP指标

小鼠应激引起的下丘脑食欲素神经元的 GCaMP 信号变化图

TeleFipho标准套装

TeleFiT 发射器探头     TeleFiR 接收器      TeleFiCharger  充电器

TeleFiC-ld 套管     TeleFiTool  插入套件    TeleFiDummy  头帽

以及TeleFipho 软件

数据采集器（选配）

TeleFipho采集器可以通过USB直接连接到PC，以便在TeleFipho软件中记录光纤光度数据。TeleFipho软件能够满足简单的原始数据/低通滤波数据记录，数据可以直接从Matlab/Octave读取，也可以导出为ASCII格式。

对于更复杂的在线分析和/或其他生理数据的并行记录，可以通过TeleFipho接收器前面板的BNC以模拟信号的形式访问光纤光度数据，以便可以连接外部数据记录系统（例如iWorx和PowerLab）

参考文献

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