Potentiometric photoacoustic imaging of brain activity enabled by near infrared to visible light converting nanoparticles

通过近红外到可见光转换纳米颗粒实现大脑活动的电位光声成像

基本信息

项目摘要

 DESCRIPTION (provided by applicant): This application is in response to the President's Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies (BRAIN) initiative. A central goal of the BRAIN Initiative is to understand how electrical and chemical signals code information in neural circuits and give rise to sensations, thoughts, emotions and actions. Existing technologies are not sufficient to accomplish this goal and have to be significantly improved or novel tools should be introduced to analyze circuit-specific processes in the brain, leading to transformative advances in our understanding of the brain function and behavior. RFA-EY-15-001 seeks technology at the very earliest stage of development, which can assist recording and/or manipulating neural circuit activity in human and animal experiments. The specific goal of the proposed work is to introduce and validate a new voltage-sensitive upconverting photoacoustic imaging (VSUPAI) technique. It is based on voltage-sensitive dye (VSD) imaging, which exploits change of optical properties of dye associated with a cell membrane with variation of a membrane potential, allowing for real-time probing of the neuronal activity via non-invasive optical methods. VSDs have limited use in deep brain imaging, because they require excitation in the visible range. This proposal addresses the current limitation of VSD imaging through the convergence of photoacoustic tomography (PAT), biocompatible upconversion (UC) nanoparticles, and VSDs. In the proposed method, we exploit the voltage-sensitive change in dye absorbance to produce a change in the photoacoustic signal, as opposed to fluorescence-based probing with conventional VSDs. In our proposal, the PAT technique will involve NIR excitation and ultrasound detection, while UCNPs will serve as nanotransformers that convert skull penetrating NIR light to VIS light, which will be absorbed by the locally administered VSDs, allowing us to monitor changes in their absorption, induced by changes in action potentials, and, correspondingly, map the deeper brain neuronal activity.
 描述(由申请人提供):本申请是对总统通过推进创新神经技术进行大脑研究 (BRAIN) 计划的回应,BRAIN 计划的核心目标是了解电信号和化学信号如何在神经回路中编码信息并产生信息。现有的技术不足以实现这一目标,必须进行显着改进,或者应该引入新的工具来分析大脑中的特定电路过程,从而导致我们的变革性进步。 RFA-EY-15-001 寻求开发最早阶段的技术,该技术可以帮助记录和/或操纵人类和动物实验中的神经回路活动。拟议工作的具体目标是。介绍并验证一种新的电压敏感上转换光声成像(VSUPAI)技术,该技术基于电压敏感染料(VSD)成像,该技术利用与细胞膜相关的染料的光学特性随着膜电位的变化而变化。允许通过非侵入性光学方法实时探测神经元活动在深部脑成像中的应用有限,因为它们需要在可见光范围内进行激发,该提案通过光声断层扫描(PAT)的融合解决了当前 VSD 成像的局限性。 )、生物相容性上转换(UC)纳米粒子和 VSD 在所提出的方法中,我们利用染料吸光度的电压敏感变化来产生光声信号的变化,而不是。在我们的建议中,PAT 技术将涉及近红外激发和超声检测,而 UCNP 将充当纳米转换器,将头骨穿透的近红外光转换为可见光,该光将被局部管理的 VSD 吸收,从而允许我们可以监测动作电位变化引起的吸收变化,并相应地绘制更深层次的大脑神经元活动图。

项目成果

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