Сравнение применимости лазеров и светодиодов для оптогенетических экспериментов 

Сущность оптогенетических подходов состоит в управлении возбудимостью нейрона с помощью света. Это достигается благодаря встраиванию в нейроны фотоуправляемых ионных каналов, полученных путем модификации фотоуправляемых ионных каналов, исходно обнаруженных у бактерий. Для возбуждения нейронов используют фотоуправляемые катионные каналы (на основе каналородопсина, бактериородопсина и пр.), а для торможения анионные каналы (на основе галородопсина).

В настоящий момент наиболее часто используемыми источниками света для оптогенетических установок являются лазеры и светодиоды. В данной статье будут рассмотрены преимущетсва и недостатки обоих типов источников.

Лазеры

Основным преимуществом лазеров является когерентность их светового потока, что дает возможность иметь высокую мощность. Это становится особенно актуальным при необходимости фокусировать свет от источника в тонкие оптические волокна (50 мкм и менее). Малые размеры световодов в свою очередь обусловлены необходимостью сделать их вживление малоинвазивным. Если же в эксперименте планируется работа на in vitro моделях, то световод не обязательно должен быть малым и требования к мощности источника ослабляются.

При этом лазеры имеют множество недостатков:

- нестабильность спектра лазеров

Особенно это актуально для диодных лазеров, у которых в ответ на поданный TTL сигнал возможно самопроизвольное колебание эмиссии очень близких длин волн, что создает спектральный шум.

Рис. 1. Сравнение производительности лазера и светодиодного источника при одинаковом режиме TTL-модуляции. (A) - 473 нм лазер и светодиод; (B) - 561 нм лазер; (C) - светодиод.

- обратное отражение

Диодные лазеры очень чувствительны к отражению лазерного луча, возникающему от элементов оптической системы, расположенной после источника света. Это приводит к осцилляциям возбуждения по основной длине волны и как следствие – колебаниям мощности светового потока.

Рис. 2. (A) - Спекл-паттерн, образованный 561 нм лазером и (B) - гомогенная засветка светодиодом.

- сложность управления функцией включения-выключения источника

Для управления активностью фоточувствительных ионных каналов очень важно контролировать кинетические параметры включения и выключения светового потока. В случае лазеров это сделать достаточно сложно. Большинство контроллеров DPSS лазеров не имеют опции TTL управления. В случае контроллеров с функцией TTL управления управляющий сигнал, подаваемый на лазер имеет зарезанные фронты нарастания и спада. Таким образом, для реализации быстрого включения-выключения лазера прибегают к управляемым диафрагмам или колесам фильтров, что усложняет и удорожает установку.

- неоднородность функции мощности лазеров

Поскольку лазерные источники имеют очень узкий спектр и высококогерентны, то в точке засветки возникает интерференция, что приводит к неоднородности засветки препарата. Эта неоднородность может меняться при изменении температурного режима и очень сильно выражена в мультимодальных оптических волокнах, часто используемых для одновременной передачи сигналов с разными длинами волн.

- широкопольная засветка

Вышеупомянутые свойства лазеров делают их крайне неудобными для широкопольной флуоресцентной микроскопии, где требуется однородная засветка препарата светом одинаковой интенсивности.

Светодиодные источники Prizmatix

Большинства вышеперечисленных недостатков лишены светодиоды. До недавнего времени их основным недостатком была низкая мощность светового потока.

В решениях, которые мы предлагаем, мощность светового потока сверхмощных светодиодов Prizmatix на выходе светодиода составляет до 1 Вт/см2. Стандартный световод, используемый в такой системе, имеет цифровую апертуру 0,63 при 0,23 у большинства производителей. Это уменьшает функцию светорассеяния и увеличивает интенсивность засветки препарата. Спектральная ширина эмиссии светодиодов Prizmatix составляет от 10 до 30 нм, что позволяет работать со многими красителями и фотоуправляемыми белками одновременно. При этом источники тока для питания и управления светодиодом не используют ШИМ-модуляцию, что позволяет использовать такие системы для параллельных электрофизиологических экспериментов, чувствительных к электромагнитным помехам. TTL-управление данными светодиодами позволяет иметь скорости нарастания и спада интенсивности светового потока в диапазоне 10-30 мксек. Это позволяет не просто управлять активацией фоточувствительных каналов, но и влиять на кинетику их работы.