Dynamic illumination of spatially restricted or large brain volumes via a single tapered optical fiber

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作者
Marco Pisanello,Gil Mandelbaum,Ian Antón Oldenburg,Leonardo Sileo,Jeffrey E. Markowitz,Ralph E. Peterson,Andrea Della Patria,Trevor M. Haynes,Mohamed S. Emara,Barbara Spagnolo,Sandeep Robert Datta,Massimo De Vittorio,Bernardo L. Sabatini
出处
期刊:Nature Neuroscience [Springer Nature]
卷期号:20 (8): 1180-1188 被引量:150
标识
DOI:10.1038/nn.4591
摘要

The authors demonstrate that optical fibers with tapered tips can homogenously illuminate either elongated brain structures or dynamically selected subregions. Tapered fibers achieve efficient optogenetic stimulation in vivo with minimal tissue damage. In addition, a single fiber can deliver light of multiple wavelengths to independently controlled regions. Optogenetics promises precise spatiotemporal control of neural processes using light. However, the spatial extent of illumination within the brain is difficult to control and cannot be adjusted using standard fiber optics. We demonstrate that optical fibers with tapered tips can be used to illuminate either spatially restricted or large brain volumes. Remotely adjusting the light input angle to the fiber varies the light-emitting portion of the taper over several millimeters without movement of the implant. We use this mode to activate dorsal versus ventral striatum of individual mice and reveal different effects of each manipulation on motor behavior. Conversely, injecting light over the full numerical aperture of the fiber results in light emission from the entire taper surface, achieving broader and more efficient optogenetic activation of neurons, compared to standard flat-faced fiber stimulation. Thus, tapered fibers permit focal or broad illumination that can be precisely and dynamically matched to experimental needs.
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