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Parallel Optical Control of Spatiotemporal Neuronal Spike Activity Using High-Speed Digital Light Processing

机译：时空神经元突波活动的并行光学控制使用高速数字光处理

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摘要

Neurons in the mammalian neocortex receive inputs from and communicate back to thousands of other neurons, creating complex spatiotemporal activity patterns. The experimental investigation of these parallel dynamic interactions has been limited due to the technical challenges of monitoring or manipulating neuronal activity at that level of complexity. Here we describe a new massively parallel photostimulation system that can be used to control action potential firing in in vitro brain slices with high spatial and temporal resolution while performing extracellular or intracellular electrophysiological measurements. The system uses digital light processing technology to generate 2-dimensional (2D) stimulus patterns with >780,000 independently controlled photostimulation sites that operate at high spatial (5.4 μm) and temporal (>13 kHz) resolution. Light is projected through the quartz–glass bottom of the perfusion chamber providing access to a large area (2.76 mm × 2.07 mm) of the slice preparation. This system has the unique capability to induce temporally precise action potential firing in large groups of neurons distributed over a wide area covering several cortical columns. Parallel photostimulation opens up new opportunities for the in vitro experimental investigation of spatiotemporal neuronal interactions at a broad range of anatomical scales.
机译：哺乳动物新皮层中的神经元从成千上万的其他神经元接收输入并与之通信，从而形成复杂的时空活动模式。由于在这种复杂性水平上监视或操纵神经元活动存在技术挑战，因此对这些并行动态相互作用的实验研究受到了限制。在这里，我们描述了一种新的大规模并行光刺激系统，该系统可用于在执行细胞外或细胞内电生理测量的同时，以高时空分辨率控制体外脑片中动作电位的发射。该系统使用数字光处理技术来生成具有超过780,000个独立控制的光刺激位点的二维（2D）刺激模式，这些位点在高空间（5.4μm）和时间（> 13kHz）分辨率下运行。光穿过灌注室的石英玻璃底部投射，从而可以进入大面积切片准备（2.76毫米×2.03毫米）。该系统具有独特的能力，可以在分布在覆盖多个皮层列的较大区域中的大批神经元中诱导时间精确的动作电位触发。平行的光刺激为广泛的解剖学规模的时空神经元相互作用的体外实验研究提供了新的机会。

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