NCS-FO: Collaborative Research: Rebuilding Neural Pathway Function Using Miniature Integrated Optics for Neuron-Level Readout and Feedback
NCS-FO:合作研究:使用微型集成光学重建神经通路功能以实现神经元级读出和反馈
基本信息
- 批准号:1631704
- 负责人:
- 金额:$ 20万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Standard Grant
- 财政年份:2016
- 资助国家:美国
- 起止时间:2016-08-01 至 2021-07-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
1631912/1631704Gibson/GopinathDevelopment of a miniature implantable device to allow transfer of neural information from one brain area to another will have a major impact on the understanding of brain function and will be applicable to treatment of brain disease. The proposed research spans neuroscience, materials science, physics and engineering, and will
provide excellent interdisciplinary research opportunities for students. Dissemination of
the work will occur through teaching, additional educational outreach, opportunities for undergraduates, and journals and conference publications. The capability of this research to develop an optical feedback control to repair brain function will captivate these future scientists. Non-invasive feedback control to repair brain function is one of the ultimate goals in neuroscience. The recent and evolving development of genetically encoded fluorescent indicators and optogenetics makes optical readout and control a real possibility. However, there is still a critical need to understand how an optical feedback system can fully recover function in an awake behaving animal. This proposal seeks to demonstrate for the first time the actual recovery of function in an awake behaving animal using an engineered optical feedback system. The project will be performed by a highly interdisciplinary team with extensive expertise in neuroscience, optogenetics, and cognitive research in awake behaving animals along with experts in optical and MEMS devices. The proposal combines the technology development side with behavioral research with the potential for major discoveries. Unprecedented progress in the study of brain function will be enabled with the proposed device. The PIs have recently developed technology for a lightweight head-mounted miniature multiphoton microscope that can image over hundreds of neurons in three dimensions in brain tissue. The technology is the first to use electrowetting optics for non-mechanical steering of the excitation laser and enables single cell resolution imaging. We propose to combine a spatially shaped second laser at a different wavelength from our excitation laser to allow both imaging and directed optogenetic stimulation of neurons. Importantly, modulation of neural activity on the level of individual neurons is essential for controlling function in the brain. Therefore readout and control by optics has a real potential to restore function as opposed other methods such as ultrasound, EEG, and fMRI that are theoretically limited in spatial resolution. We propose to readout and control firing of individual neurons in the piriform cortex using a real-time feedback control system. We will use behavior studies in mice to determine if association of olfactory identity with reward can be recovered as we selectively turn on and off the input nerve connections to the piriform cortex where odor identity is thought to be represented. The study will allow us to identify which neurons contain information essential for decision making. The oscillatory basis for information transfer can be tested using certain frequency ranges or phases of neural activity. These studies will be useful for testing models of neural circuit function and applicable for neuroengineering devices for therapeutic use.
1631912/1631704 Gibson/Gopinath开发一种微型可植入装置,允许神经信息从一个大脑区域转移到另一个区域,这将对理解大脑功能产生重大影响,并将适用于治疗脑部疾病。拟议的研究涵盖神经科学,材料科学,物理学和工程学,并将#8232;为学生提供优秀的跨学科研究机会。#8232;的传播&。这项工作将通过教学、额外的教育推广、为本科生提供机会以及期刊和会议出版物来进行。这项研究开发出一种光学反馈控制来修复大脑功能的能力将吸引这些未来的科学家。无创反馈控制修复脑功能是神经科学的最终目标之一。遗传编码荧光指示剂和光遗传学的最近和不断发展使得光学读出和控制成为真实的可能。 然而,仍然迫切需要了解光学反馈系统如何在清醒行为的动物中完全恢复功能。该提案旨在首次证明使用工程光学反馈系统在清醒行为动物中的实际功能恢复。 该项目将由一个高度跨学科的团队执行,该团队在神经科学,光遗传学和清醒行为动物的认知研究方面具有广泛的专业知识,并与光学和MEMS器件专家一起沿着。 该提案将技术开发与行为研究结合起来,具有重大发现的潜力。该装置将使大脑功能研究取得前所未有的进展。PI最近开发了一种轻型头戴式微型多光子显微镜的技术,该显微镜可以对脑组织中数百个神经元进行三维成像。 该技术首次使用电润湿光学器件对激发激光进行非机械转向,并实现单细胞分辨率成像。 我们提出将与我们的激发激光不同波长的空间成形的第二激光联合收割机组合,以允许神经元的成像和定向光遗传刺激。 重要的是,在单个神经元水平上调节神经活动对于控制大脑功能至关重要。 因此,通过光学的读出和控制具有恢复功能的真实的潜力,这与理论上在空间分辨率方面受到限制的其他方法(例如超声、EEG和fMRI)相反。 我们建议使用实时反馈控制系统来读出和控制梨状皮质中单个神经元的放电。我们将使用小鼠的行为研究来确定嗅觉身份与奖励的关联是否可以恢复,因为我们选择性地打开和关闭与梨状皮质的输入神经连接,其中气味身份被认为是代表的。这项研究将使我们能够识别哪些神经元包含决策所必需的信息。信息传递的振荡基础可以使用神经活动的某些频率范围或相位来测试。这些研究将有助于测试神经回路功能模型,并适用于治疗用途的神经工程设备。
项目成果
期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Electrowetting prism for scanning in two-photon microscopy
用于双光子显微镜扫描的电润湿棱镜
- DOI:10.1364/cleo_si.2018.sw4j.7
- 发表时间:2018
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:Supekar, Omkar D.;Ozbay, Baris N.;Zohrabi, Mo;Nystrom, Philip D.;Futia, Gregory L.;Restrepo, Diego;Gibson, Emily A.;Gopinath, Juliet T.;Bright, Victor M.
- 通讯作者:Bright, Victor M.
Two-photon laser scanning microscopy with electrowetting-based prism scanning
- DOI:10.1364/boe.8.005412
- 发表时间:2017-12-01
- 期刊:
- 影响因子:3.4
- 作者:Supekar, Omkar D.;Ozbay, Baris N.;Bright, Victor M.
- 通讯作者:Bright, Victor M.
Liquid Combination with High Refractive Index Contrast and Fast Scanning Speeds for Electrowetting Adaptive Optics
- DOI:10.1021/acs.langmuir.8b02849
- 发表时间:2018-12-04
- 期刊:
- 影响因子:3.9
- 作者:Lim, Wei Yang;Supekar, Omkar D.;Bright, Victor M.
- 通讯作者:Bright, Victor M.
Enhancing the Response Time of Electrowetting Lenses Using Voltage Shaping
使用电压整形提高电润湿透镜的响应时间
- DOI:10.1364/cleo_si.2017.sm4c.7
- 发表时间:2017
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:Supekar, Omkar D.;Zohrabi, Mo;Brown, Joseph;Gopinath, Juliet T.;Bright, Victor M.
- 通讯作者:Bright, Victor M.
Numerical analysis of wavefront aberration correction using multielectrode electrowetting-based devices
- DOI:10.1364/oe.25.031451
- 发表时间:2017-12-11
- 期刊:
- 影响因子:3.8
- 作者:Zohrabi, Mo;Cormack, Robert H.;Gopinath, Juliet T.
- 通讯作者:Gopinath, Juliet T.
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