Die OASIS Fiberscope-Plattform von Mightex
Modular und flexibel anpassbare Systeme für die In-vivo-Mikroskopie
Die Produktlinien OASIS Fiberscope und OASIS Photometry sind revolutionäre, faserbasierte Mikroskopsysteme („Fasermikroskope“), die für ein breites Anwendungsspektrum in der In-vivo-Mikroskopie entwickelt wurden. Dazu zählen unter anderem die In-vivo-Faserphotometrie, zellulär aufgelöste In-vivo-Optogenetik sowie die hochauflösende Bildgebung verschiedenster Reporterfarbstoffen (z. B. Calcium-, Spannungs- oder Neurotransmitter-Sensoren) in frei beweglichen und sich natürlich verhaltenden Tieren.
Bei diesen Systemen handelt es sich um weit mehr als nur ein einzelnes Produkt – das OASIS-Konzept ist eine modulare fasermikroskopische Plattform, die je nach Bedarf sowohl klassische Faserphotometrie als auch fortschrittliche Fasermikroskopie mit zellulär aufgelöster optischer Stimulation ermöglicht. Das System lässt sich präzise an die jeweilige Versuchsanordnung anpassen und ist zugleich so flexibel konzipiert, dass es mit den sich wandelnden Anforderungen der Forschung kontinuierlich mitwachsen kann.
Das OASIS Fiberscope Basismodul
Das OASIS Fiberscope-Basismodul verfügt über zwei Lichteingangsports (auf der Rückseite), die jeweils mit einem mechanischen Filterschieber mit drei Positionen ausgestattet sind. Dieser ermöglicht die schnelle Auswahl eines von drei ausgewählten dichroitischen Spiegeln im optischen Strahlengang. Je nach Anwendung und experimentellen Anforderungen können die Lichteingangsports mit einer oder zwei unabhängigen Lichtquellen oder alternativ mit Polygon-Lichtmusterprojektoren verbunden werden – für maximale experimentelle Flexibilität und Anpassungsfähigkeit.
Der Faseranschluss (SMA) ist mit einer Vielzahl optischer Fasern kompatibel und unterstützt Experimente von einfacher Faserphotometrie und Weitfeld-Fluoreszenzbildgebung (über Vollkernfasern) auf Zellpopulationsebene (z. B. Calcium-Signale, fluoreszierende Antikörper, spannungssensitive Farbstoffe) bis hin zu hochauflösenden Einzelzell-Bildgebung und optischer Stimulation über feinste Faserbündel.
Wird ein Polygon-Musterprojektor an einen der Fiberscope-Ports angeschlossen, ermöglicht eine spezielle Optik die direkte Einkopplung der durch ein DMD erzeugten Lichtmuster in ein feines Faserbündel (mit bis zu 30.000 Mikrofasern pro Faser). Durch die zusätzliche Nutzung von hochwertigen GRIN-Linsen wird eine präzise Weitergabe der Lichtmusterinformation direkt ins Gewebe gewährleistet und somit gezielte Interaktion mit einzelnen Neuronen oder Zellgruppen in wachen, sich natürlich verhaltenden Tieren möglich.
Bei entsprechender Konfiguration kann gleichzeitig eine kontinuierliche Fluoreszenz-Bildgebung bei einer zweiten Wellenlänge parallel zur optischen Musterstimulation erfolgen. Obwohl Mightex selbst gute und erschwingliche Kameralösungen anbietet, können über den C-Mount-Port am Basismodul sämtliche High-end Kameras marktführender Hersteller angeschlossen werden, um Bilder in höchster Auflösung und Sensitivität sowie schnellster Framerate aufzunehmen.
Das OASIS Fiberscope als Faserphotometer
In seiner einfachsten Konfiguration fungiert das OASIS Fiberscope als klassisches kamerabasiertes Faserphotometer und liefert bildgebende Fluoreszenzinformationen auf Zellpopulationsebene. Eine einzelne LED-Lichtquelle wird über einen 3 mm-Lichtleiteradapter an den ersten Port des OASIS-Basismoduls angeschlossen:
Das von der Messprobe rückemittierte Fluoreszenzsignal wird nach Durchlaufen eines klassischen Filterwürfels, direkt von der Kamera (oder alternativ von einem Photodetektor) erfasst und aufgezeichnet. Diese Konfiguration ermöglicht die Überwachung der Aktivität von Zellgruppen, einschließlich Calcium-Fluktuationen, Membran-Depolarisationen mithilfe spannungssensitiver Farbstoffe (VSDs), Neurotransmitter-Reporter oder anderer dynamischer Reporter und Farbstoffe durch eine Faser. Mit der PolyScan4-Software lassen sich Variationen in der Fluoreszenzintensität unkompliziert mit Verhaltensdaten oder systemischen Beobachtungen einfach über digitale Zeitstempel korrelieren und anschließend auswerten.
Photometer-Konfiguration
Durch Nutzung des neuen dreifarbigen LED-Anregngsmoduls (FPM) lässt sich das OASIS-Photometriesystem so konfigurieren, dass drei unterschiedliche Fluoreszenzreporter-Signale gleichzeitig ausgewertet werden können, zusätzlich zu einem isosbestischen Referenzkanal. Splitfasern ermöglichen parallele Messungen an 1, 2, 5, 7 oder 19 Tieren (alternativ als Messpunkte verschiedener Regionen eines größeren Organs) und erlauben so einen deutlich höheren Durchsatz sowie eine schnellere, einfachere Datengenerierung. Bei optionaler Integration des laserbasierten Weitfeld-Optogenetik-Stimulationstools in den zweiten Port des OASIS-Basismoduls ist es möglich, jede angeschlossene Faser unabhängig mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen zu stimulieren. Auf diese Weise lässt sich eine Weitfeld-Aktivierung optogenetischer Aktuatoren zusätzlich in das experimentelle Setup integrieren. Derzeit bietet keine andere Faserphotometrie-Plattform eine vergleichbare Kombination aus Flexibilität, Multimodalität und Skalierbarkeit.
Alle Stimulationsereignisse und aufgezeichneten Aktivitätssignale können über Zeitstempel mit Verhaltensbeobachtungen synchronisiert und korreliert werden. Darüber hinaus kann das System TTL-Pulse senden und empfangen, wodurch Closed-loop-Konfigurationen sowie eine nahtlose Integration von weiteren Komponenten von Drittanbietern ermöglicht werden.
Gleichzeitige Datenaufzeichnung mit Bündel-Fasern
Der Einsatz spezieller Bündel-Fasern ermöglicht die gleichzeitige Datenaufzeichnung von bis zu 19 Versuchstieren und damit eine deutlich beschleunigte Rohdatenerhebung. Von jedem Tier können dabei sowohl Signale von bis zu drei fluoreszenten Reportern gleichzeitig aufgezeichnet, als auch individuell optogenetisch stimuliert werden.
Photometer-Software
Mightex stellt ein anwendungsspezifisches Photometrie-Softwaremodul bereit, das den experimentellen Workflow für Faserphotometrie-Experimente auch in höherem Durchsatz gezielt vereinfacht und anwendungsoptimiert ist. Das Modul bietet folgende nutzerfreundliche Funktionen:
- Multipanel-Anzeige für einen schnellen Überblick über das Experiment beim Einsatz mehrerer Fasern.
- Separierte (de-interleaved) Signalverläufe für jede ROI, um spezifische Fluoreszenz-Signalfluktuationen zu isolieren.
- Aufzeichnung von Zeitstempeln ausgelöster Ereignisse.
- Schneller Zugriff auf die Einstellungen der LEDs.
- Ein-Klick-Wechsel zwischen Datenüberprüfung/-analyse und Live-Datenerfassung.
Das OASIS Fiberscope als Fasermikroskop
für Imaging und hochauflösende In-vivo-Optogenetik
Das als Fasermikroskop konfigurierte OASIS-Basismodul ist eine bahnbrechend neue Mikroskop-Entwicklung für zellulär aufgelöste Optogenetik und Calcium-Bildgebung an frei beweglichen Tieren, mit der sich komplexe neuronale Netzwerke gezielt untersuchen und in Echtzeit modulieren lassen. Ausgestattet mit einer Multikernfaser (bis zu 30.000 ultradünne Fasern) ermöglicht das OASIS Fiberscope Bildgebung auf Einzelzell-Ebene sowie gleichzeitige hochauflösende Lichtmusterstimulation. Die effektive Auflösung der Lichtstimulation durch die Faser liegt bei nur 3 µm – eine bislang unerreichte räumliche Präzision in der In-vivo-Optogenetik.
Durch die Platzierung der Mikroskopeinheit abseits des Tierkopfes werden im Vergleich zu Miniscopes vier Hauptvorteile geschaffen:
- Bessere Bildqualität,
- Die Möglichkeit, parallel zum Imaging hochauflösend optisch zu Stimulieren,
- Weniger Stress für die Versuchstiere und damit geringerer experimenteller Bias, da die Kopf-Implantate erheblich leichter sind,
- Multi-Region-Bildgebung über aufgeteilte Bündel-Fasern
Durch die Integration eines Polygon 1000 Lichtmusterstimulators in einen der beiden Ports des OASIS-Basismoduls (Konfiguration siehe links) ermöglicht das System gleichzeitiges Live-Imaging von Calcium oder Markern weiterer Neurotransmitter- und zellulär hochaufgelöste optogenetische Stimulation. Mit den einzigartigen gegabelten Fasern von Mightex ist es sogar möglich, zwei verschiedene Gehirnregionen gleichzeitig zu untersuchen oder Aktivitäten zwischen Gehirn und peripherem Nervensystem zu korrelieren.
Das vom DMD des Polygon erzeugte Lichtmuster wird in diesem einzigartigen System direkt in ein feines Faserbündel mit tausenden von hauchdünnen Mikrofasern eingekoppelt. Dabei bleibt die räumliche (X/Y-) Bildinformation des vom DMD erzeugten Musters erhalten, sodass Lichtreize über die Verwendung implantierter GRIN-Linsen präzise in die gewünschte Zielregion des Gehirns eingebracht werden können, auch in tieferliegenden Regionen.
Dies ermöglicht, einzelne Neuronen oder definierte Neuronengruppen gezielt in-vivo zu aktivieren oder zu hemmen, während das Tier wach ist und sich normal in seiner Umgebung verhält oder bestimmte Aufgaben erfüllt. Dank des einzigartigen Aufbaus des OASIS Fiberscope kann die zellauflösende optische Stimulation sogar parallel zur ununterbrochenen Bildgebung von Reportern durchgeführt werden, sofern die Wellenlängen entsprechend gewählt werden.
Dank des einzigartigen Aufbaus des OASIS Fiberscope kann die zellauflösende optische Stimulation sogar parallel zum Imaging von Reportern durchgeführt werden, sofern die Wellenlängen entsprechend gewählt werden. Das erweiterte Mightex-Softwarepaket PolyScan4 PRO bietet zudem die direkte Kontrolle der Hardwarecomponenten in Echtzeit über TCP/IP-Protokolle und ermöglicht damit ultraschnelle Closed-loop-Stimulationen und komplexe Feedbackprogrammierungen, wodurch eine Vielzahl fortgeschrittener experimenteller Konfigurationen realisierbar werden.
Die Vorteile des OASIS Fiberscope-Systems als Video
(Video mit freundlicher Genehmigung von Mightex)
Das OASIS Fiberscope in der ROAM-Konfiguration
Kommutator für maximale Bewegungsfreiheit
Die meisten experimentellen Aufbauten in der verhaltensbeobachtenden, bildgebenden Neurowissenschaft erfordern eine kontinuierliche Beobachtung der Bewegungen des Tieres, einschließlich häufiger spontaner Richtungswechsel, während Imaging oder optische Stimulation stattfindet.
Das OASIS-System mit dem einzigartigen Rotation Adaptive Mechanism (ROAM) ermöglicht in diesen Fragestellungen durch Verwendung eines einzigartigen Ansatzes aus Hard-und Softwarecomponenten, dass sich die Mulitcore-Faser mit den Bewegungen des Tieres frei mitdrehen kann, ohne dass Verzerrungen oder Torsionsverspannung durch Verdrehung der Fasern entstehen oder die Bildübertragung eingeschränkt wird.
Auf diese Weise wird bei Bewegungen des Tieres nur minimale Torsionsspannung auf den sich drehenden Kopf übertragen, was dem Tier ein möglichst hohes Maß an uneingeschränkter, natürlicher Bewegungsfreiheit im Experiment erlaubt. Dadurch werden Versuche zum Einen deutlich weniger belastend für die Tiere, zum Andern werden durch die Stressreduktion ethologisch relevante Studien verschiedenster Verhaltensweisen erst möglich und zuverlässig auswertbar.
Ein optionales, robustes Montagegestell, wie links dargestellt, ermöglicht die Positionierung des OASIS-Basismoduls direkt über der Versuchsarena oder dem Homecage des Tieres, sodass das Tier normal agieren und sich ungehindert verhalten kann.
Headstages von Mightex
Ultraleicht und ideal für In-vivo-Imaging
Die Headstages / Kopfhalterungen von Mightex für in vivo Imaging gehören aktuell zu den kleinsten und leichtesten auf dem Markt (<0,7 g), da sie keine zusätzlichen Optiken oder Elektronik enthalten. Ihre einzige Funktion besteht darin, die Faser und die GRIN-Linse sicher zu fixieren, während das Bild vollständig passiv und ohne nennenswerte Verluste durch die dünne Lichtleiterfaser zur Basiseinheit übertragen wird.
Im Vergleich zu Miniscopes (implantierbare In-vivo-Mikroskope), die in den letzten Jahren stark an Interesse gewonnen haben, belastet dieser Fiberscope-Ansatz das Tier deutlich weniger, da weniger Gewicht und Torsionswiderstand auf dem Kopf lastet. Durch diesen Ansatz wird der Stress für das Tier während des Experiments maßgeblich reduziert und gleichzeitig die Signalqualität verbessert. Dieses Konzept fördert das Tierwohl während des Experimentes und minimiert gleichzeitig die experimentell-methodische Vorbelastung.
Mightex bietet eine sehr breite Palette an optischen Fasern, Kopfhalterungen und Adaptern. Außerdem Multimode-Fasern für klassische Faserphotometrie sowie Mikrofaserbündel mit bis zu 30.000 Mikrofasern.
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