Аннотация:
Методы оптической физики открывают уникальные возможности для исследования мозга и высшей нервной деятельности. На стыке передовых лазерных технологий и современной нейробиологии стремительно развивается новое междисциплинарное направление естественнонаучных исследований — нейрофотоника, в рамках которой разрабатывается обширный арсенал средств для функциональной диагностики мозга, стимуляции отдельных нейронов и их сетей, а также молекулярной инженерии клеток мозга с целью диагностики и терапии нейродегенеративных и психических заболеваний. Центральная роль в решении наиболее сложных задач исследования мозга, включая изучение клеточных и молекулярных механизмов формирования памяти и поведения, отводится световодным системам. На основе оптических волокон нового поколения разрабатывается уникальный, принципиально новый класс устройств нейрофотоники и лазерной нейроинженерии — волоконно-оптические нейроэндоскопы и нейроинтерфейсы. Такие системы открывают новые горизонты в исследовании сложнейших функций мозга, обеспечивая возможность долговременной мультиплексной регистрации отклика флуоресцентных маркерных белков, а также фотостимуляции нейронной активности в глубоких слоях мозга живых свободноподвижных животных с высоким пространственным разрешением и минимальной степенью инвазивности. На этой основе в экспериментах с живыми свободноподвижными животными реализуются уникальные методики исследования процессов обучения и формирования долговременной памяти. Представлен обзор этого быстро развивающегося направления исследований.
Ключевые слова:
нейрофотоника, оптоволоконные системы, нелинейно-оптическая микроскопия.
Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (проекты 13-02-01465, 13-04-40335, 14-29-07182, 14-29-07264) и фондом Роберта Уелча (грант A-1801), а также Федеральной целевой программой “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы” (соглашение 14.607.21.0092 от 21 ноября 2014 г., идентификатор RFMEFI60714X0092). Развитие методов микроскопии с использованием сверхкоротких импульсов ИК-диапазона проводится при поддержке Российского научного фонда (проект №14-12-00772).
Поступила:25 декабря 2014 г. Одобрена в печать: 30 декабря 2014 г.
Образец цитирования:
Л. В. Доронина-Амитонова, И. В. Федотов, А. Б. Федотов, К. В. Анохин, А. М. Жёлтиков, “Нейрофотоника: оптические методы исследования и управления мозгом”, УФН, 185:4 (2015), 371–392; Phys. Usp., 58:4 (2015), 345–364
Beatriz Jacinto Barros, João P. S. Cunha, “Neurophotonics: a comprehensive review, current challenges and future trends”, Front. Neurosci., 18 (2024)
Maria Samuela Andriani, Marco Bianco, Cinzia Montinaro, Antonio Balena, Marco Pisanello, Filippo Pisano, Massimo De Vittorio, Ferruccio Pisanello, “Low-NA two-photon lithography patterning of metal/dielectric tapered optical fibers for depth-selective, volumetric optical neural interfaces”, Opt. Express, 32:27 (2024), 48772
Г. Р. Иваницкий, “Неопределённости сравнения человека и андроидного робота”, УФН, 193:8 (2023), 872–901; G. R. Ivanitskii, “Uncertainties in comparing a human and an android robot”, Phys. Usp., 66:8 (2023), 818–845
G. R. Ivanitskii, “The 21st Century: Consciousness and the Brain”, BIOPHYSICS, 68:4 (2023), 653
G. R Ivanitskii, “The XXI century: consciousness and the brain”, Biofizika, 68:4 (2023), 800
Lyubovy A. Nagornaya, Nikolay N. Nagornyi, Lecture Notes in Networks and Systems, 365, Complex Social Systems in Dynamic Environments, 2023, 901
Tatiana Novikova, Angelo Pierangelo, Philippe Schucht, Igor Meglinski, Omar Rodríguez-Núñez, Hee Ryung Lee, Polarized Light in Biomedical Imaging and Sensing, 2023, 205
A. M. Zheltikov, “Thermal and Quantum Barrier Passage as Potential-Driven Markovian Dynamics”, J. Phys. Chem. B, 127:44 (2023), 9413
Nofar Mintz Hemed, Nicholas A. Melosh, “An integrated perspective for the diagnosis and therapy of neurodevelopmental disorders – From an engineering point of view”, Advanced Drug Delivery Reviews, 194 (2023), 114723
О. В. Масленников, М. М. Пугавко, Д. С. Щапин, В. И. Некоркин, “Нелинейная динамика и машинное обучение рекуррентных спайковых нейронных сетей”, УФН, 192:10 (2022), 1089–1109; O. V. Maslennikov, M. M. Pugavko, D. S. Shchapin, V. I. Nekorkin, “Nonlinear dynamics and machine learning of recurrent spiking neural networks”, Phys. Usp., 65:10 (2022), 1020–1038
Matvey S. Pochechuev, Ilya V. Fedotov, Grigoriy N. Martynov, Maxim A. Solotenkov, Olga I. Ivashkina, Olga S. Rogozhnikova, Andrei B. Fedotov, Konstantin V. Anokhin, Aleksei M. Zheltikov, “Implantable graded‐index fibers for neural‐dynamics‐resolving brain imaging in awake mice on an air‐lifted platform”, Journal of Biophotonics, 15:9 (2022)
G.M. Katyba, M. Skorobogatiy, D.G. Melikyants, N.V. Chernomyrdin, A.N. Perov, E.V. Yakovlev, I.N. Dolganova, I.E. Spektor, V.V. Tuchin, V.N. Kurlov, K.I. Zaytsev, “Superresolution Imaging Using a Tapered Bundle of High-Refractive-Index Optical Fibers”, Phys. Rev. Applied, 18:3 (2022)
Matvey S. Pochechuev, Dmitry S. Bilan, Ilya V. Fedotov, Ilya V. Kelmanson, Maxim A. Solotenkov, Evgeny A. Stepanov, Daria A. Kotova, Alexandra D. Ivanova, Alexander I. Kostyuk, Roman I. Raevskii, Aleksandr A. Lanin, Andrei B. Fedotov, Vsevolod V. Belousov, Aleksei M. Zheltikov, “Real‐time fiber‐optic recording of acute‐ischemic‐stroke signatures”, Journal of Biophotonics, 15:10 (2022)
A M Zheltikov, “Information geometry, Pythagorean-theorem extension, and Euclidean distance behind optical sensing via spectral analysis”, Laser Phys. Lett., 19:6 (2022), 065401
Aleksei M. Zheltikov, “State-vector geometry and guided-wave physics behind optical super-resolution”, Opt. Lett., 47:7 (2022), 1586
Aleksei M. Zheltikov, “Quantum resolution limit via coherent polarization Raman spectroscopy”, J Raman Spectroscopy, 53:6 (2022), 1094
Zheltikov A.M., “Resolving Neural States From Optical Neural Response Readout”, Laser Phys. Lett., 18:2 (2021), 025402
А. М. Жёлтиков, “В поисках утраченного времени: аттосекундная физика, петагерцовая оптоэлектроника и предельная скорость квантовой динамики”, УФН, 191:4 (2021), 386–403; A. M. Zheltikov, “In search of lost time: attosecond physics, petahertz optoelectronics, and quantum speed limit”, Phys. Usp., 64:4 (2021), 370–385
М. И. Рабинович, П. Варона, “Нелинейная динамика творческого мышления. Многомодальные процессы и взаимодействие гетероклинических структур”, УФН, 191:8 (2021), 846–860; M. I. Rabinovich, P. Varona, “Nonlinear dynamics of creative thinking. Multimodal processes and the interaction of heteroclinic structures”, Phys. Usp., 64:8 (2021), 801–814
Chebotarev A.S., Lanin A.A., Raevskii I R., Kostyuk I A., Smolyarova D.D., Bilan D.S., Savitskii V I., Fedotov A.B., Belousov V.V., Zheltikov A.M., “Single-Beam Dual-Color Alternate-Pathway Two-Photon Spectroscopy: Toward An Optical Toolbox For Redox Biology”, J. Raman Spectrosc., 52:9, SI (2021), 1552–1560
Цитирование в формате AMSBIB
Обратная связь: