Световодные системы для нейрофотоники тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат физико-математических наук Амитонова, Любовь Владимировна

• Амитонова, Любовь Владимировна
• кандидат физико-математических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Амитонова, Любовь Владимировна

Содержание

Введение

Глава 1. Волоконно-оптические методы в нейробиологии

1.1. Современные методы визуализации нейронной активности in

vivo и преимущества оптических технологий

1.2. Волокна как ключевой компонент оптических биосенсоров

1.3. Микроструктурированные световоды в задачах оптического зондирования

1.4. Безмаркерная визуализация в нейрофотонике

Глава 2. Экспериментальные техники и методики измерений

2.1. Непрерывные лазеры и фемтосекундные лазерные генераторы

на кристаллах Cr4+:Forsterite и Ti: Sapphire

2.2. Оптические волокна

2.3. Методы прижизненного маркирования нейронной активности

Глава 3. Световодные системы для визуализации нейронной активности живых животных

3.1. Оптимизация оптических компонент для задач нейровизуали-зации

3.2. Многокомпонентная визуализация нервных тканей с высоким пространственным и временным разрешением

3.3. Широкополосное излучение суперконтинуум для многокомпонентного зондирования флуоресцентных биомаркеров

3.4. Волоконные решения для двухфотонной эндоскопии

3.5. Долговременная регистрация нейронной активности в глубоких слоях мозга свободноподвижных животных

Глава 4. Световодные компоненты для безмаркерной визуали-

зации

4.1. Волоконно-оптическая визуализация материалов с комбинационно активными линиями

4.2. Волоконное рамановское зондирование маркеров пролифера-

ции клеток и основных молекулярных колебаний тканей мозга 106 4.3. Микроструктурированные волокна с полой сердцевиной для оптимизации методов волоконно-оптической регистрации ком-

бинационного рассеяния света

4.4. Микроскопия генерации третьей оптической гармоники в задачах нейровизуализации

Заключение

Приложение А. Список сокращений и условных обозначений

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Световодные системы для нейрофотоники»

Введение

Актуальность работы

Оптические методы являются одними из наиболее перспективных направлений проведения диагностики и измерений в биологии и биомедицинских приложениях. Оптическая визуализация располагает непревзойденными возможностями, которые включают в себя целый ряд методов: визуализацию флуоресцентных биомаркеров [1, 2], методы химически селективной визуализации за счет эффектов спонтанного [3] и когерентного комбинационного рассеяния света [4, 5] и методы нелинейно-оптической микроскопии, такие как микроскопия двухфотонного поглощения [6], микроскопия генерации второй и третьей гармоники [7, 8].

Возможность изучать живые системы на протяжении длительного времени является ключевой для многих биологических исследований [9], поэтому методы оптической регистрации, адаптированные для долговременных экспериментов над живыми бодрствующими животными, сейчас наиболее востребованы. Работа с живыми объектами, in vivo, накладывает особые требования к устройствам визуализации в отношении их гибкости, компактности, механической прочности и необходимости объединять разнообразные функциональные задачи, такие как обеспечение оптимальной геометрии локального возбуждения биомолекул, эффективный сбор оптического отклика, доставка сигналов с минимальными потерями и возможности визуализировать различные аспекты биологических процессов. Отдельной проблемой является визуализация глубоких слоев мозга живого животного. Для методов двухфо-тонной микроскопии глубина визуализации не может превышать 1 мм [10, 11] или 1.5 мм в случае использования специальных маркеров и микроскопных систем [12], что позволяет in vivo исследовать только кору головного мозга.

Компактный размер, механическая гибкость и все более растущая функ-

циональность волоконно-оптических устройств в сочетании с последними разработками флуоресцентных маркеров для разнообразных клеточных процессов [13-15] обеспечивают новые возможности для гп vivo функциональной визуализации в биологических задачах [16, 17]. Таким образом волоконно-оптические зонды становятся ключевыми компонентами оптических сенсорных систем.

В первых работах по волоконно-оптическому получению изображений живой ткани была продемонстрирована возможность использования пучков оптических волокон для визуализации внутренних функциональных сигналов в глубоких слоях мозга свободноподвижных кошек [18, 19]. Хотя изображение получалось плохого качества и с низким разрешением, идея использовать оптические волокна для изучения свободно подвижных животных продолжила развиваться и была позднее применена к живым мышам [20-22]. В этих работах оптическое волокно использовалось лишь в течение короткого времени и либо как отдельный точечный зонд, который регистрирует, но не визуализирует характеристики ткани [20, 22] либо в устройствах не обеспечивающих клеточное разрешения [21, 23, 24]. До сих пор методы волоконно-оптической визуализации подразумевали работу только с одним флуоресцентным биомаркером и не были адаптированы для задач нелинейно-оптическом микроскопии и микроскопии комбинационного рассеяния света. Таким образом, существующие волоконно-оптические системы визуализации обладают рядом существенных ограничений.

Цель диссертационной работы состоит в исследовании линейных и нелинейных оптических явлений в контексте задач биовизуализации и разработке световодных систем для оптического зондирования тканей мозга живых бодрствующих животных.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

I. Исследование и оптимизация параметров световодных зондов для эф-

фективного сбора некогерентного флуоресцентного отклика с высоким пространственным разрешением.

II. Разработка и экспериментальная реализация волоконно-оптического формата визуализации пространственного распределения одновременно нескольких флуоресцентных маркеров в мозге живого свободноподвижного животного с субклеточным разрешением.

III. Исследование и разработка методов для реализации полностью волоконной системы для многокомпонентного линейного и нелинейного оптического зондирования набора биомаркеров на базе микроструктурированных волокон.

IV. Разработка и экспериментальная реализация волоконно-оптического нейроинтерфейса для минимально инвазивного измерения уровня экспрессии флуоресцентных маркерных белков в глубоких слоях мозга живых животных в течение длительного времени одновременно из нескольких пространственно разнесенных структур мозга живого животного.

V. Разработка и экспериментальная реализация безмаркерной волоконно-оптической визуализации пространственного распределения веществ и структур с комбинационно активными линиями в режиме эндоскопии.

VI. Исследование и экспериментальная реализация возможностей увеличения чувствительности эндоскопного формата регистрации спонтанного комбинационного рассеяния.

VII. Исследование и экспериментальная реализация возможностей безмаркерной визуализации нервных тканей с помощью микроскопии генерации третьей гармоники и последующих возможностей комбинации данного метода с флуоресцентной микроскопией.

Научная новизна

I. Микроструктурированные (МС) волокна с малым размером сердцевины увеличивают локальность оптического зондирования в случае волоконно-

оптического формата визуализации. Экспериментально показано, что MC волокно с радиусом сердцевины ~ 1 мкм и числовой апертурой 0.38 может ограничивать оптическое зондирование в области объемом меньше чем 50 мкм3, позволяя оптический опрос отдельных нейронов в рамках типичного эксперимента по визуализации мозга.

II. Оптоволоконный микрозонд, состоящий из ~ 6000 волокон с диаметром сердцевины каждого отдельного волокна 2.4 мкм, соединенный с конфокальным оптическим микроскопом позволяет in vivo визуализировать пространственное распределение одновременно нескольких флуоресцентных маркеров в мозге живого свободноподвижного животного с субклеточным разрешением равным 3 мкм.

III. Микроструктурированные волокна, в которых генерируется широкополосное излучение суперконтинуум с широким спектром от 420 до 1000 нм, могут быть интегрированы с волоконными спектральными фильтрами на основе полых антирезонансных световодов для реализации многоцветного возбуждения и регистрации одновременно нескольких флуоресцентных маркеров.

IV. Микроструктурированное волокно со сконструированным должным образом профилем дисперсии обеспечивает плавную перестройку излучения от 800 до 1400 нм и позволяет точно подобрать длину волны солитона на выходе волокна к спектру двухфотонного поглощения любого флуоресцентного биомаркера, усиливая таким образом отклик двухфотонной флуоресценции, что может быть использовано для нелинейно-оптического зондирования в волоконном формате.

V. Разработан волоконно-оптический нейроинтерфейс, который, как было экспериментально показано, позволяет минимально инвазивно проводить измерения уровня экспрессии флуоресцентных маркерных белков в глубоких слоях мозга живых животных в течение длительного времени (до одного меся-

ца) при их свободном поведении во время и после разнообразных физиологических и фармакологических воздействий, а также позволяет проводить измерения уровня флуоресценции одновременно из нескольких пространственно разнесенных структур мозга живого животного.

VI. Пространственное распределение веществ с комбинационно активными линиями может быть визуализировано в волоконном формате в режиме эндоскопии с разрешением 3 мкм методом регистрации спонтанного комбинационного рассеяния света.

VII. Антирезонансные волокна с полой сердцевиной позволяют увеличить до 17 раз чувствительность волоконно-оптической регистрации комбинационного рассеяния по сравнению со стандартными световодами.

VIII. Показано, что когерентное подавление генерации третьей гармоники в жестко сфокусированных лазерных пучках позволяет высокоточную безмаркерную визуализацию отдельных нейронов в тканях мозга; и экспериментально показана возможность комбинации метода микроскопии генерации третьей гармоники с флуоресцентными методами микроскопии без изменения контрастности сигнала третьей гармоники.

Практическая значимость

Результаты, изложенные в диссертационной работе, могут быть использованы для создания новых подходов и методов многофункциональной волоконно-оптической визуализации живых объектов, что позволяет подойти к исследованию и решению фундаментальных задач биологии и нейрофизиологии.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

I. На основе созданной световодной платформы, состоящей из МС-све-товодов для генерации широкополосного излучения (суперконтинуума) и полых МС-световодов для спектральной фильтрации засветки, обеспечивается

комплексная многочастотная оптическая регистрация активности нейронов головного мозга с использованием нелинейно-оптических взаимодействий и флуоресценции маркерных белков.

II. Микроструктурированные световоды с малым (несколько микрон) размером сердцевины обеспечивают существенное увеличение локальности волоконно-оптического зондирования, обеспечивая возможность регистрации оптического отклика отдельных нейронов головного мозга. Использование микроструктурированных световодов с радиусом сердцевины 1 мкм и числовой апертурой 0.38 позволяет ограничить область сбора сигнала объемом менее 50 мкм3.

III. Созданный волоконно-оптический нейроинтерфейс позволяет осуществлять регистрацию отклика флуоресцентных маркерных белков в глубоких слоях мозга живых животных при их свободном поведении с минимальной степенью инвазивности в течение длительного времени (до одного месяца), а также проводить одновременные измерения уровня флуоресценции из нескольких пространственно разнесенных областей мозга живого животного.

IV. Микросветоводные зондирующие системы, состоящие из пучков оптических волокон, интегрированных с гальваносканирующими зеркалами, обеспечивают одновременную визуализацию пространственного распределения нескольких флуоресцентных маркеров в мозге живого свободноподвиж-ного животного с субклеточным пространственным разрешением, а также позволяют строить изображения микрообъектов на основе регистрации комбинационного рассеяния света в режиме эндоскопии с высоким пространственным разрешением.

V. Антирезонансные волоконно-оптические световоды с полой сердцевиной обеспечивают эффективное подавление фонового сигнала комбинационного рассеяния из волокна, что приводит к эффективному (более, чем на порядок) повышению чувствительности волоконно-оптической регистрации

спонтанного комбинационного рассеяния по сравнению со стандартными волоконными световодами.

Апробация работы Основные результаты диссертации докладывались на научных семинарах кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, а также на следующих конференциях:

1. L. V. Doronina, I. V. Fedotov, О. I. Ivashkina, М. A. Zots, К. V. Anokhin, Yu. М. Mikhailova, A. A. Lanin, А. В. Fedotov, М. N. Shneider, R. В. Miles, А. V. Sokolov, М. О. Scully, and А. М. Zheltikov, The second law of thermodynamics, Maxwell's demons, photonic-crystal fibers, and optimal waveguide solutions for biophotonics // 18th International Laser Physics Workshop. 2009, July 13-17. Technical Digest, P. 207, Barcelona, Spain.

2. JI. В. Доронина, И. В. Федотов, О. И. Ивашкина, М. А. Зоц, К. В. Анохин, Ю. М. Михайлова, А. А. Ланин, А. Б. Федотов, М. Н. Шнайдер, Р. Б. Майлс, А. В. Соколов, М. О. Скалли, А. М. Желтиков, Второй закон термодинамики, демоны Максвелла, фотонно-кристаллические волокна и оптимальные волноводные моды в биофотонике //VI Международная конференция молодых ученых "Оптика - 2009". 2009, 19-23 октября. Труды конференции, стр. 140-142, Санкт Петербург, Россия.

3. А. В. Fedotov, A. Yu. Tashchilina, I. V. Fedotov, L. V. Doronina, P. A. Zhokhov, D. A. Sidorov-Biryukov, A. A. Ivanov, M. V. Alfimov, A. M. Zheltikov, Nanoparticles in a nanowaveguide: enhanced-functionality optical systems // Третий международный форум по нанотехнологиям. 2010, 1-3 ноября. Сборник материалов форума, Москва, Россия.

4. L. V. Doronina-Amitonova, I. V. Fedotov, О. I. Ivashkina, M. A. Zots, A. B. Fedotov, К. V. Anokhin, and A. M. Zheltikov, Fiber-optic solutions for

in vivo neuron-activity mapping // XII International Conference on Laser Applications in Life Sciences (LALS). 2010, June 9-11. Oulu, Finland.

5. L. V. Doronina-Amitonova, I. V. Fedotov, О. I. Ivashkina, M. A. Zots, A. B. Fedotov, К. V. Anokhin, and A. M. Zheltikov, Fiber-optic probes for in vivo depth resolved multiplex neuron-activity mapping // International Conference on Lasers, Applications, and Technologies (ICONO/LAT). 2010, August 23-27. Kazan, Russia.

6. JI. В. Амитонова, M. А. Зоц, О. И. Ивашкина, Использование оптических волокон для детектирования флуоресцентных маркеров в мозге // XIV научная школа-конференция по физиологии высшей нервной деятельности и нейрофизиологии. 2010. Москва.

7. А. В. Fedotov, A. A. Lanin, L. V. Doronina-Amitonova, A. A. Voronin, I. V. Fedotov, О. I. Ivashkina, М. A. Zots, К. V. Anokhin, А. М. Zheltikov, Nonlinear-optical brain neuroimaging using optical harmonic generation and coherent raman scattering // 5th Finnish-Russian Photonics and Laser Symposium. 2011, October 18-20. Saint-Petersburg, Russia.

8. L. V. Doronina-Amitonova, I. V. Fedotov, О. I. Ivashkina, M. A. Zots, A. A. Voronin, A. B. Fedotov, К. V. Anokhin, and A. M. Zheltikov, Nonlinear-optical brain anatomy: Morphometry and chemically selective neuroimaging using optical harmonic generation, coherent Raman scattering, and two-photon microscopy // 20th International Laser Physics Workshop. 2011, July 11-15. Sarajevo, Bosnia and Herzegovina.

9. M. А. Зоц, О. И. Ивашкина, JI. В. Амитонова, In vivo мониторинг экспрессии немедленного раннего гена zif268 в мозге трансгенных животных с помощью волоконно-оптических методов // XV школа-конферен-

ция молодых ученых по физиологии высшей нервной деятельности и нейрофизиологии. 2011. стр. 32, Москва, Россия.

10. М. A. Zots, О. I. Ivashkina, L. V. Amitonova, А. М. Zheltikov and К. V. Anokhin, Fiber-optic monitoring of zif 268-promoted EGFP fluorescence in the brain of freely moving mice // 8th IBRO World Congress of Neuroscience, Florence. 2011, July 14-18. Florence, Italy.

11. JI. В. Амитонова, А. Б. Федотов, А. А. Ланин, О. И. Ивашкина, М. А. Зоц, К. В. Анохин, А. М. Желтиков, Нелинейно-оптические методы трехмерной микроскопии на основе генерации оптических гармоник и когерентного антистоксова рассеяния света с использованием фемтосе-кундных лазерных импульсов для визуализации глубоких слоев тканей головного мозга // III Симпозиум но когерентному оптическому излучению полупроводниковых соединений и структур. 2011, 28-30 ноября. Программа и тезисы докладов, стр.31, Москва-Звенигород.

12. О. И. Ивашкина, М. А. Зоц, Л. В. Амитонова, И. В. Федотов, К. В. Анохин, Регистрация экспрессии генов в мозге бодрствующих животных с помощью нового волоконно-оптического метода // 9-я Курчатовская молодежная научная школа. 2011. Москва, Россия.

13. И. В. Федотов, Л. В. Амитонова, М. А. Зоц, О. И. Ивашкина, А. Б. Федотов, К. В. Анохин, А. М. Желтиков, Оптимальные световые поля и световодные системы для оптической регистрации нейронной активности // XVI Научная школа «Нелинейные волны». 2012. Нижний Новгород, Россия.

14. О. I. Ivashkina, М. A. Zots, L. V. Amitonova, I. V. Fedotov, А. В. Fedotov, A. M. Zheltikov, Gene expression monitoring with new optic fiber-based

method // The Fifth International Conference On Cognitive Science // The Fifth International Conference On Cognitive Science. 2012, June 18—24. Kaliningrad, Russia.

15. О. I. Ivashkina, M. A. Zots, L. V. Amitonova, I. V. Fedotov, A. B. Fedotov,

A. M. Zheltikov and К. V. Anokhin, Fiber-optic technique for registration of reporter gene expression in the brain of freely moving animals // 8th FENS Forum of Neuroscience. 2012, July 14-18, Barcelona, Spain.

16. L. Amitonova, A. Lanin, I. Fedotov, 0. Ivashkina, M. Zots, A. Fedotov, K. Anokhin, A. Zheltikov, Coherent nonlinear-optical brain imaging by optical harmonic-generation and coherent anti-Stokes Raman microscopy on a compact femtosecond laser platform // 11th ECONOS Conference, 2012, July. P. 22, Aberdeen, Great Britain.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 28 печатных работах, из них 12 статей в рецензируемых журналах:

1. L. V. Doronina, I. V. Fedotov, A. A. Voronin, О. I. Ivashkina, М. А. Zots, К. V. Anokhin, Е. V. Rostova, А. В. Fedotov, and А. М. Zheltikov, Tailoring the soliton output of a. photonic crystal fiber for enhanced two-photon excited luminescence response from fluorescent protein biomarkers and neuron activity reporters // Optics Letters. 2009. Vol. 34(21), P. 73-75.

2. I. V. Fedotov, A. B. Fedotov, L. V. Doronina, and A.M. Zheltikov, Enhancement of guided-wave two-photon-excited luminescence response with a photonic-crystal fiber // Applied Optics, 2009. Vol. 48, no. 28, P. 5274-5279.

3. L. V. Doronina-Amitonova, I. V. Fedotov, О. I. Ivashkina, M. A. Zots, A.

B. Fedotov, К. V. Anokhin, and A. M. Zheltikov, Fiber-optic probes for

in vivo depth-resolved neuron-activity mapping // Journal of Biophotonics. 2010. Vol. 3, no. 10-11, P. 660-669.

4. L. V. Doronina-Amitonova, I. V. Fedotov, 0. I. Ivashkina, M. A. Zots,

A. B. Fedotov, K. V. Anokhin, and A. M. Zheltikov, Photonic-crystal-fiber platform for multicolor multilabel neurophotonic studies // Applied Physics Letters. 2011. Vol.98, P. 253706.

5. L. V. Doronina-Amitonova, A. A. Lanin, O. I. Ivashkina, M. A. Zots, A. B. Fedotov, K. V. Anokhin, A. M. Zheltikov, Nonlinear-optical brain anatomy by harmonic-generation and coherent Raman microscopy on a compact femtosecond laser platform // Applied Physics Letters. 2011. Vol. 99, P. 231109.

6. A. A. Voronin, I. V. Fedotov, L. V. Doronina-Amitonova, O. I. Ivashkina, M. A. Zots, A. B. Fedotov, K. V. Anokhin, and A. M. Zheltikov, Ionization penalty in nonlinear Raman neuroimaging // Optics Letters. 2011. Vol. 36, no. 4, P. 508-510.

7. L. V. Doronina-Amitonova, I. V. Fedotov, O. I. Ivashkina, M. A. Zots, A.

B. Fedotov, K. V. Anokhin, and A. M. Zheltikov, Enhancing the locality of optical interrogation with photonic-crystal fibers // Applied Physics Letters. 2012. Vol. 101, P. 021114.

8. A. A. Lanin, I. V. Fedotov, D. A. Sidorov-Biryukov, L. V. Doronina-Amitonova, O. I. Ivashkina, M. A. Zots, C.-K. Sun, F. Omer Ilday, A. B. Fedotov, K. V. Anokhin and A. M. Zheltikov, Air-guided photonic-crystal-fiber pulse-compression delivery of multimegawatt femtosecond laser output for nonlinear-optical imaging and neurosurgery // Applied Physics Letters, 2012. Vol. 100, no. 10, P. 101104-101104.

9. L. V. Doronina-Amitonova, I. V. Fedotov, О. I. Ivashkina, M. A. Zots,

A. B. Fedotov, К. V. Anokhin, and A. M. Zheltikov, Fiber-optic Raman sensing of cell proliferation probes and molecular vibrations: Brain-imaging perspective // Applied Physics Letters. 2012. Vol. 101, P. 113701.

10. L. V. Doronina-Amitonova, I. V. Fedotov, A. B. Fedotov, К. V. Anokhin, M. Ни, C. Wang, and A. M. Zheltikov, Raman detection of cell proliferation probes with antiresonance-guiding hollow fibers // Optics Letters. 2012. Vol. 37, no. 22, 4642-4644.

11. L. V. Doronina-Amitonova, I. V. Fedotov, O. Efimova, M. Chernysheva, A.

B. Fedotov, К. V. Anokhin, and A. M. Zheltikov, Multicolor in vivo brain imaging with a microscope-coupled fiber-bundle microprobe // Applied Physics Letters. 2012. Vol. 101, no 23, P. 233702.

12. L. V. Doronina-Amitonova, I. V. Fedotov, A. B. Fedotov, and A. M. Zheltikov, High-resolution wide-field Raman imaging through a fiber bundle // Applied Physics Letters. 2013. Vol. 102, no 16, P. 161113.

и 16 статей в сборниках трудов конференций

Личный вклад автора Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был определяющим. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации составляет 145 страниц, включая 49 рисунков. Библиография включает 156 наименований на 15 страницах.

Заключение диссертации по теме «Лазерная физика», Амитонова, Любовь Владимировна

Основные результаты и выводы диссертационной работы:

I. Показано, что микроструктурированные волокна с малым размером сердцевины увеличивают локальность оптического зондирования в волоконно-оптических форматах визуализации. Экспериментально показано, что МС волокно с радиусом сердцевины ~ 1 мкм и числовой апертурой 0.38 может ограничивать оптическое зондирование в области объемом меньше чем 50 мкм3, позволяя оптический опрос отдельных нейронов в рамках типичного эксперимента по визуализации мозга.

II. Экспериментально показано, что оптоволоконный микрозонд, состоI ягций из ~ 6000 волокон с диаметром сердцевины каждого отдельного волокна 2,4 мкм, соединенный с конфокальным оптическим микроскопом позволяет in vivo визуализировать пространственное распределение одновременно нескольких флуоресцентных маркеров в мозге живого свободноподвижного животного с субклеточным разрешением равным 3 мкм.

III. Экспериментально показано, что МС волокна в которых генерируется широкополосное излучение суперконтинум с широким спектром от 420 до 1000 нм могут быть интегрированы с волоконными спектральными фильтрами на основе полых антирезонансных световодов для реализации одновременной многоцветной регистрации флуорофорных маркеров в мозге трансгенных животных, что обеспечивает путь к полностью волоконному формату мультиплексного зондирования.

IV. Экспериментально продемонстрировано, что А4С волокно со сконструированным должным образом профилем дисперсии, обеспечивает плавную перестройку излучения от 800 до 1400 нм и позволяет точно подобрать длину волны солитона на выходе волокна к спектру двухфотонного поглощения любого флуоресцентного биомаркера, усиливая таким образом отклик двухфотонной флуоресценции, что может быть использовано для нелинейно-онтического зондирования в волоконном формате.

V. Разработан волоконно-оптический нейроинтерфейс, который, как было экспериментально показано, позволяет минимально инвазивно проводить измерения уровня экспрессии флуоресцентных маркерных белков в глубоких слоях мозга живых животных в течение длительного времени (до одного месяца) при их свободном поведении во время и после разнообразных физиологических и фармакологических воздействий, а также позволяет проводить измерения уровня флуоресценции одновременно из нескольких пространственно разнесенных структур мозга живого животного.

VI. Экспериментально продемонстрировано, что пространственное распределение веществ с комбинационно активными линиями может быть визуализировано в волоконном формате в режиме эндоскопии с разрешением 3 мкм методом регистрации спонтанного комбинационного рассеяния света.

VII. Экспериментально показано, что антирезонансные волокна с полой сердцевиной позволяют увеличить до 17 раз чувствительность волоконно оптической регистрации маркеров пролиферации клеток с помощью спонтанного комбинационного рассеяния по сравнению со стандартными световодами, таким образом, значительно улучшая чувствительность химически селективного зондирования синтеза ДНК в клетках и предлагая мощный инструмент для волоконно-онтической визуализации живых клеток.

VIII. Показано, что когерентное подавление генерации третьей гармоники в жестко сфокусированных лазерных пучках позволяет высокоточную безмаркерную визуализацию отдельных нейронов в тканях мозга, и экспериментально показана возможность комбинации метода микроскопии генерации третьей гармоники с флуоресцентными методами микроскопии без изменения контрастности сигнала третьей гармоники.

В заключение я хочу выразить глубокую признательность своему научному руководителю профессору Алексею Михайловичу Желтикову за постановку научных задач, постоянное внимание, поддержку, чуткое руководство и неоценимую помощь на всех этапах работы. Также хочу выразить благодарность доценту A.B. Федотову за плодотворное обсуждение научных задач. Хочу поблагодарить И.В. Федотова и A.A. Ланина за помощь в работе и критические замечания. Кроме того, я признательна A.A. Воронину, А.Д. Саввину, Е.Е. Серебрянникову, П.А. Жохову, К.А. Кудинову, А.Ю. Тащили-ной, В.А. Шумаковой, а также всему коллективу лаборатории фотоники и нелинейной спектроскопии за плодотворные обсуждения и поддержку.

Отдельно хочу выразить глубокую благодарность члену-корреспонденту РАН, профессору Константину Владимировичу Анохину за неоценимую помощь, всестороннюю экспертизу биологических аспектов работы, плодотворные обсуждения, полезные рекомендации, ценные замечания и предоставленную уникальную возможность реализовать разработанные в университетской лаборатории методы в рамках руководимого им междисциплинарного научного центра. Я также признательна М.А. Зоц, О.И. Ивашкиной и М.М. Чернышевой за предоставление биологических образцов.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Амитонова, Любовь Владимировна, 2013 год

Литература

1. Lakowicz J. R. Principles of fluorescence spectroscopy. New York: Springer, 2006.

2. Pawley J. B. Handbook of biological confocal microscopy. New York, NY: Springer, 2006.

3. Turrell G., Corset J. Raman microscopy : developments and applications. London; San Diego: Academic Press, 1996.

4. Min W., Freudiger C. W., Lu S., Xie X. S. Coherent Nonlinear Optical Imaging: Beyond Fluorescence Microscopy // Annual Review of Physical Chemistry. 2011.-May. Vol. 62, no. 1. P. 507-530.

5. Evans C. L., Xie X. S. Coherent Anti-Stokes Raman Scattering Microscopy: Chemical Imaging for Biology and Medicine // Annual Review of Analytical Chemistry. 2008.-Jul. Vol. 1, no. 1. P. 883-909.

6. Denk W., Strickler J., Webb W. Two-photon laser scanning fluorescence microscopy // Science. 1990.-Apr. Vol. 248, no. 4951. P. 73-76.

7. Debarre D., Supatto W., Репа A.-M., Fabre A., Tordjmann Т., Combettes L., Schanne-Klein M.-C., Beaurepaire E. Imaging lipid bodies in cells and tissues using third-harmonic generation microscopy // Nature Methods. 2006,— Jan. Vol. 3, no. 1. P. 47-53.

8. Witte S., Negrean A., Lodder J. C., de Коек C. P. J., Testa Silva G., Mansvelder H. D., Louise Groot M. Label-free live brain imaging and targeted patching with third-harmonic generation microscopy // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2011. Vol. 108, no. 15. P. 5970.

9. Holtmaat A., Bonhoeffer Т., Chow D. K., Chuckowree J., De Paola, V., Hofer S. В., Hubener M., Keck Т., Knott G., Lee W. C. A. Long-term, high-resolution imaging in the mouse neocortex through a chronic cranial window // Nature protocols. 2009. Vol. 4, no. 8. P. 1128-1144.

10. Helmchen F., Denk W. Deep tissue two-photon microscopy // Nature Methods. 2005.-Dec. Vol. 2, no. 12. P. 932-940.

11. Theer P., Hasan M. Т., Denk W. Two-photon imaging to a depth of 1000 fj,m in living brains by use of а ТкА^Оз regenerative amplifier // Optics letters. 2003. Vol. 28, no. 12. P. 1022-1024.

12. Kobat D., Horton N. G., Xu C. In vivo two-photon microscopy to 1.6-mm depth in mouse cortex // Journal of Biomedical Optics. 2011. Vol. 16, no. 10. P. 106014.

13. Stosiek C., Garaschuk O., Holthoff K., Konnerth A. In vivo two-photon calcium imaging of neuronal networks // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2003.-Jun. Vol. 100, no. 12. P. 7319-7324.

14. Djurisic M. Voltage Imaging from Dendrites of Mitral Cells: EPSP Attenuation and Spike Trigger Zones // Journal of Neuroscience. 2004.— Jul. Vol. 24, no. 30. P. 6703-6714.

15. Palmer L. M., Stuart G. J. Membrane Potential Changes in Dendritic Spines during Action Potentials and Synaptic Input // Journal of Neuroscience. 2009.-May. Vol. 29, no. 21. P. 6897-6903.

16. Flusberg B. A., Cocker E. D., Piyawattanametha W., Jung J. C., Cheung E. L. M., Schnitzer M. J. Fiber-optic fluorescence imaging // Nature Methods. 2005.-Dec. Vol. 2, no. 12. P. 941-950.

17. Fu L., Gu M. Fibre-optic nonlinear optical microscopy and endoscopy // Journal of microscopy. 2007. Vol. 226, no. 3. P. 195-206.

18. Rector D., Harper R. Imaging of hippocampal neural activity in freely behaving animals // Behavioural brain research. 1991. Vol. 42, no. 2. P. 143-149.

19. Rector D. M., Poe G. R., Harper R. M. Imaging of hippocampal and neocor-tical neural activity following intravenous cocaine administration in freely behaving cats // Neuroscience. 1993. Vol. 54, no. 3. P. 633-641.

20. Adelsberger H., Garaschuk O., Konnerth A. Cortical calcium waves in resting newborn mice // Nature Neuroscience. 2005. — Jul. Vol. 8, no. 8. P. 988-990.

21. Ferezou I., Bolea S., Petersen C. C. Visualizing the Cortical Representation of Whisker Touch: Voltage-Sensitive Dye Imaging in Freely Moving Mice // Neuron. 2006.-May. Vol. 50, no. 4. P. 617-629.

22. Yamaguchi S., Kobayashi M., Mitsui S., Ishida Y., Horst G. T. J. v. d., Suzuki M., Shibata S., Okamura H. Gene expression: View of a mouse clock gene ticking // Nature. 2001.-Feb. Vol. 409, no 6821. P. 684-684.

23. Poe G., Kristensen M., Rector D., Harper R. Hippocampal activity during transient respiratory events in the freely behaving cat // Neuroscience. 1996.-May. Vol. 72, no. 1. P. 39-48.

24. Murayama M., Perez-Garci E., Luscher H.-R., Larkum M. E. Fiberoptic System for Recording Dendritic Calcium Signals in Layer 5 Neocortical Pyramidal Cells in Freely Moving Rats // Journal of Neurophysiology. 2007. — Sep. Vol. 98, no. 3. P. 1791-1805.

25. Cajal S. The structure and connexions of neurons // Nobel lecture. 1906.

26. Golgi C. The neuron doctrine - theory and facts // Nobel lecture. 1906.

27. Brecht M. Novel Approaches to Monitor and Manipulate Single Neurons In vivo // Journal of Neuroscience. 2004.-Oct. Vol. 24, no. 42. P. 9223-9227.

28. Kerr J. N. D., Denk W. Imaging in vivo: watching the brain in action // Nature Reviews Neuroscience. 2008. —Mar. Vol. 9, no. 3. P. 195-205.

29. Callaghan P. T. Principles of nuclear magnetic resonance microscopy. Clarendon Press Oxford, 1993.

30. Schmidt K. C., Smith C. B. Resolution, sensitivity and precision with autoradiography and small animal positron emission tomography: implications for functional brain imaging in animal research // Nuclear Medicine and Biology. 2005.-Oct. Vol. 32, no. 7. P. 719-725.

31. Cohen D. Magnetoencephalography: Detection of the Brain's Electrical Activity with a Superconducting Magnetometer // Science. 1972. — Feb. Vol. 175, no. 4022. P. 664-666.

32. Gabriel M. A system for multiple unit recording during avoidance behavior of the rabbit // Physiology & behavior. 1974. Vol. 12, no. 1. P. 145-148.

33. Kriiger J., Bach M. Simultaneous recording with 30 microelectrodes in monkey visual cortex // Experimental Brain Research. 1981. Vol. 41, no. 2. P. 191-194.

34. Wilt B. A., Burns L. D., Wei Ho E. T., Ghosh K. K., Mukamel E. A., Schnitzer M. J. Advances in Light Microscopy for Neuroscience // Annual Review of Neuroscience. 2009. —Jun. Vol. 32, no. 1. P. 435-506.

35. Trachtenberg J. T., Chen B. E., Knott G. W., Feng G., Sanes J. R., Welker E., Svoboda K. Long-term in vivo imaging of experience-dependent synaptic plasticity in adult cortex // Nature. 2002. Vol. 420, no. 6917. P. 788-794.

36. Yang G., Pan F., Gan W.-B. Stably maintained dendritic spines are associated with lifelong memories // Nature. 2009. —Nov. Vol. 462, no. 7275. P. 920-924.

37. Chalfie M., Tu Y., Euskirchen G., Ward W. W., Prasher D. C. Green fluorescent protein as a marker for gene expression // Science. 1994. Vol. 263, no. 5148. P. 802-805.

38. Van Roessel P., Brand A. H. Imaging into the future: visualizing gene expression and protein interactions with fluorescent proteins // Nature cell biology. 2002. Vol. 4, no. 1. P. E15-E20.

39. Tian L., Hires S. A., Mao T., Huber D., Chiappe M. E., Chalasani S. H., Petreanu L., Akerboom J., McKinney S. A., Schreiter E. R., Bargmann C. I., Jayaraman V., Svoboda K., Looger L. L. Imaging neural activity in worms, flies and mice with improved GCaMP calcium indicators // Nature Methods. 2009.-Nov. Vol. 6, no. 12. P. 875-881.

40. Chanda B., Blunck R., Faria L. C., Schweizer F. E., Mody I., Bezanilla F. A hybrid approach to measuring electrical activity in genetically specified neurons // Nature Neuroscience. 2005, — Oct. Vol. 8, no. 11. P. 1619-1626.

41. Liu X., Ramirez S., Pang P. T., Puryear C. B., Govindarajan A., Deis-seroth K., Tonegawa S. Optogenetic stimulation of a hippocampal engram activates fear memory recall // Nature. 2012, —Mar.

42. Ji N., Shroff H., Zhong H., Betzig E. Advances in the speed and resolution of light microscopy // Current opinion in neurobiology. 2008. Vol. 18, no. 6. P. 605-616.

43. Scanziani M., Hausser M. Electrophysiology in the age of light // Nature. 2009.-Oct. Vol. 461, no. 7266. P. 930-939.

44. Boyden E. S., Zhang F., Bamberg E., Nagel G., Deisseroth K. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity // Nature Neuroscience. 2005.-Aug. Vol. 8, no. 9. P. 1263-1268.

45. Zhang F., Gradinaru V., Adamantidis A. R., Durand R., Airan R. D., de Lecea L., Deisseroth K. Optogenetic interrogation of neural circuits: technology for probing mammalian brain structures // Nature Protocols. 2010. — Feb. Vol. 5, no. 3. P. 439-456.

46. Zhang F., Wang L.-P., Boyden E. S., Deisseroth K. Channelrhodopsin-2 and optical control of excitable cells // Nature Methods. 2006.— Oct. Vol. 3, no. 10. P. 785-792.

47. Yaroslavsky A. N., Schulze P. C., Yaroslavsky I. V., Schober R., Ulrich F., Schwarzmaier H. J. Optical properties of selected native and coagulated

human brain tissues in vitro in the visible and near infrared spectral range // Physics in medicine and biology. 2002. Vol. 47. P. 2059.

48. Oheim M., Beaurepaire E., Chaigneau E., Mertz J., Charpak S. Two-photon microscopy in brain tissue: parameters influencing the imaging depth // Journal of Neuroscience Methods. 2001. Vol. 112, no. 2. P. 205-205.

49. Kleinfeld D., Mitra P. P., Helmchen F., Denk W. Fluctuations and stimulus-induced changes in blood flow observed in individual capillaries in layers 2 through 4 of rat neocortex // Proceedings of the National Academy of Sciences. 1998. Vol. 95, no. 26. P. 15741-15746.

50. Nimmerjahn A., Kirchhoff F., Kerr J. N. D., Helmchen F. Sulforhodamine 101 as a specific marker of astroglia in the neocortex in vivo // Nature methods. 2004. Vol. 1, no. 1. P. 31-37.

51. Kobat D., Durst M. E., Nishimura N., Wong A. W., Schaffer C. B., Xu C. Deep tissue multiphoton microscopy using longer wavelength excitation // Optics express. 2009. Vol. 17, no. 16. P. 13354-13364.

52. Mittmann W., Wallace D. J., Czubayko U., Herb J. T., Schaefer A. T., Looger L. L., Denk W., Kerr J. N. D. Two-photon calcium imaging of evoked activity from L5 somatosensory neurons in vivo // Nature neuroscience. 2011. Vol. 14, no. 8. P. 1089-1093.

53. Helmchen F., Fee A4. S., Tank D. W., Denk W. A miniature head-mounted two-photon microscope: High-resolution brain imaging in freely moving animals // Neuron. 2001. Vol. 31, no. 6. P. 903-912.

54. Piyawattanametha W., Barretto R. P. J., Ko T. H., Flusberg B. A., Cocker E. D., Ra H., Lee D., Solgaard O., Schnitzer M. J. Fast-scanning two-photon fluorescence imaging based on a microelectromechanical systems two-dimensional scanning mirror // Optics letters. 2006. Vol. 31, no. 13. P. 2018-2020.

55. Engelbrecht C. J., Johnston R. S., Seibel E. J., Helmchen F. Ultra-compact fiber-optic two-photon microscope for functional fluorescence imaging in vivo / / Optics express. 2008. Vol. 16, no. 8. P. 5556-5564.

56. Piyawattanametha W., Cocker E. D., Burns L. D., Barretto R. P. J., Jung J. C., Ra H., Solgaard O., Schnitzer M. J. In vivo brain imaging using a portable 2.9 g two-photon microscope based on a microelectromechanical systems scanning mirror // Optics letters. 2009. Vol. 34, no. 15. P. 2309-2311.

57. Ghosh K. K., Burns L. D., Cocker E. D., Nimmerjahn A., Ziv Y., Gamal A. E., Schnitzer M. J. Miniaturized integration of a fluorescence microscope // Nature Methods. 2011.-Sep. Vol. 8, no. 10. P. 871-878.

58. Flusberg B. A., Nimmerjahn A., Cocker E. D., Mukamel E. A., Barretto R. P. J., Ko T. H., Burns L. D., Jung J. C., Schnitzer M. J. High-speed, miniaturized fluorescence microscopy in freely moving mice // Nature methods. 2008. Vol. 5, no. 11. P. 935-938.

59. Jung J. C., Schnitzer M. J. Multiphoton endoscopy // Optics letters. 2003. Vol. 28, no. 11. P. 902-904.

60. Levene M. J., Dombeck D. A., Kasischke K. A., A4olloy R. P., Webb W. W. In vivo multiphoton microscopy of deep brain tissue // Journal of neurophysiology. 2004. Vol. 91, no. 4. P. 1908-1912.

61. Sabharwal Y. S., Rouse A. R., Donaldson L. T., Hopkins M. F., Gmitro A. F. Slit-Scanning Confocal Microendoscope for High-Resolution m vivo Imaging // Applied optics. 1999. Vol. 38, no. 34. P. 7133-7144.

62. Knittel J., Schnieder L., Buess G., Messerschmidt B., Possner T. Endoscope-compatible confocal microscope using a gradient index-lens system // Optics Communications. 2001. Vol. 188, no. 5. P. 267-273.

63. Gobel W., Kerr J. N. D., Nimmerjahn A., Helmchen F. Miniaturized two-photon microscope based on a flexible coherent fiber bundle and a gradient-index lens objective // Optics Letters. 2004. Vol. 29, no. 21. P. 2521.

64. Dubaj V., Mazzolini A., Wood A., Harris M. Optic fibre bundle contact imaging probe employing a laser scanning confocal microscope // Journal of microscopy. 2002. Vol. 207, no. 2. P. 108-117.

65. Vincent P., Maskos U., Charvet I., Bourgeais L., Stoppini L., Leresche N., Changeux J.-P., Lambert R., Meda P., Paupardin-Tritsch D. Live imaging of neural structure and function by fibred fluorescence microscopy // EMBO reports. 2006.-Sep. Vol. 7, no. 11. P. 1154-1161.

66. Dubaj V., Mazzolini A., Wood A. Monitoring of neuronal and glial calcium activity using a novel direct-contact probe // Journal of microscopy. 2007. Vol. 226, no. 2. P. 83-89.

67. Aravanis A. M., Wang L.-P., Zhang F., Meltzer L. A., Mogri M. Z., Schneider M. B., Deisseroth K. An optical neural interface: in vivo control of rodent motor cortex with integrated fiberoptic and optogenetic technology // Journal of Neural Engineering. 2007.-Sep. Vol. 4, no. 3. P. S143-S156.

68. Deisseroth К. Cytogenetics // Nature Methods. 2010.— Dec. Vol. 8, no. 1. P. 26-29.

69. Russell P. Photonic Crystal Fibers // Science. 2003, —Jan. Vol. 299, no. 5605. P. 358-362.

70. Knight J. C. Photonic crystal fibres // Nature. 2003. Vol. 424, no. 6950. P. 847-851.

71. Желтиков A. M. Нелинейная оптика микроструктурированных волокон // Успехи Физических Наук. 2004. Vol. 174, no. 1. Р. 73-105.

72. Birks Т. A., Knight J. С., Russell P. S. J. Endlessly single-mode photonic crystal fiber // Optics letters. 1997. Vol. 22, no. 13. P. 961-963.

73. Oh Y., Doty S. L., Haus J. W., Fork R. L. Robust operation of a dual-core fiber ring laser // JOSA B. 1995. Vol. 12, no. 12. P. 2502-2507.

74. Myaing M. Т., Ye J. Y., Norris Т. В., Thomas Т., Baker Jr J. R., Wadsworth W. J., Bouwmans G., Knight J. C., Russell P. S. J. et al. Enhanced two-photon biosensing with double-clad photonic crystal fibers // Optics letters. 2003. Vol. 28, no. 14. P. 1224-1226.

75. Cregan R. F. Single-Mode Photonic Band Gap Guidance of Light in Air // Science. 1999.-Sep. Vol. 285, no. 5433. P. 1537-1539.

76. Benabid F. Hollow-core photonic bandgap fibre: new light guidance for new science and technology // Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2006. Vol. 364, no. 1849. P. 3439-3462.

77. Hill D. K., Keynes R. D. Opacity changes in stimulated nerve // The Journal of physiology. 1949. Vol. 108, no. 3. P. 278-281.

78. Bouchard M. В., Chen B. R., Burgess S. A., Hillman E. M. C. Ultra-fast multispectral optical imaging of cortical oxygenation, blood flow, and intracellular calcium dynamics // Optics Express. 2009. —Aug. Vol. 17, no. 18. P. 15670.

79. Malonek D., Grinvald A. Interactions Between Electrical Activity and Cortical Microcirculation Revealed by Imaging Spectroscopy: Implications for Functional Brain Mapping // Science. 1996.— Apr. Vol. 272, no. 5261. P. 551-554.

80. Stratonnikov A. A., Loschenov V. B. Evaluation of blood oxygen saturation in vivo from diffuse reflectance spectra // Journal of biomedical optics. 2001. Vol. 6, no. 4. P. 457-467.

81. Gonchukov S. A., Lazarev Y. B. Laser refractometry in medicine and biology // Laser Physics. 2003. Vol. 13, no. 5. P. 749-755.

82. Savelieva T. A., Kalyagina N. A., Kholodtsova M. N., Loschenov V. B., Goryainov S. A., Potapov A. A. Numerical modelling and in vivo analysis of fluorescent and laser light backscattered from glial brain tumors // Biomedical Applications of Light Scattering VI / Ed. by A. P. Wax, V. Backman. 2012.-Feb. P. 82300L-82300L-9.

83. Stepnoski R. A., LaPorta A., Raccuia-Behling F., Blonder G. E., Slush-er R. E., Kleinfeld D. Noninvasive detection of changes in membrane potential in cultured neurons by light scattering // Proceedings of the National Academy of Sciences. 1991. Vol. 88, no. 21. P. 9382-9386.

84. Campagnola P. J., Loew L. M. Second-harmonic imaging microscopy for visualizing biomolecular arrays in cells, tissues and organisms // Nature Biotechnology. 2003.-Nov. Vol. 21, no. 11. P. 1356-1360.

85. Dombeck D. A., Kasischke K. A., Vishwasrao H. D., Ingelsson M., Hy-man B. T., Webb W. W. Uniform polarity microtubule assemblies imaged in native brain tissue by second-harmonic generation microscopy // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2003. Vol. 100, no. 12. P. 7081.

86. Dombeck D. A., Blanchard-Desce M., Webb W. W. Optical recording of action potentials with second-harmonic generation microscopy // The Journal of neuroscience. 2004. Vol. 24, no. 4. P. 999-1003.

87. Dombeck D. A. Optical Recording of Fast Neuronal Membrane Potential Transients in Acute Mammalian Brain Slices by Second-Harmonic Generation Microscopy // Journal of Neurophysiology. 2005. —Nov. Vol. 94, no. 5. P. 3628-3636.

88. Watson J. M., Rice P. F., Marion S. L., Brewer M. A., Davis J. R., Rodriguez J. J., Utzinger U., Hoyer P. B., Barton J. K. Analysis of second-harmonic-generation microscopy in a mouse model of ovarian carcinoma // Journal of Biomedical Optics. 2012. Vol. 17, no. 7. P. 076002-1.

89. Squier J., Muller M. High resolution nonlinear microscopy: A review of sources and methods for achieving optimal imaging // Review of Scientific Instruments. 2001. Vol. 72, no. 7. P. 2855.

90. Stuart B., Ando D. J. Biological applications of infrared spectroscopy. Analytical Chemistry by Open Learning. Chichester; New York: Published on behalf of ACOL (University of Greenwich) by John Wiley, 1997.

91. Pezacki J. P., Blake J. A., Danielson D. C., Kennedy D. C., Lyn R. K., Singaravelu R. Chemical contrast for imaging living systems: molecular vibrations drive CARS microscopy // Nature Chemical Biology. 2011. — Mar. Vol. 7, no. 3. P. 137-145.

92. Freudiger C. W., Min W., Saar B. G., Lu S., Holtom G. R., He C., Tsai J. C., Kang J. X., Xie X. S. Label-Free Biomedical Imaging with High Sensitivity by Stimulated Raman Scattering Microscopy // Science. 2008. —Dec. Vol. 322, no. 5909. P. 1857-1861.

93. Saar B. G., Freudiger C. W., Reichman J., Stanley C. M., Holtom G. R., Xie X. S. Video-Rate Molecular Imaging in vivo with Stimulated Raman Scattering // Science. 2010.-Dec. Vol. 330, no. 6009. P. 1368-1370.

94. Kirsch M., Schackert G., Salzer R., Krafft C. Raman spectroscopic imaging for in vivo detection of cerebral brain metastases // Analytical and Bioana-lytical Chemistry. 2010.-Aug. Vol. 398, no. 4. P. 1707-1713.

95. Darvin M. E., Gersonde I., Albrecht H., Gonchukov S. A., Sterry W., Lademann J. Determination of beta carotene and lycopene concentrations in human skin using resonance Raman spectroscopy // Laser Physics. 2005. Vol. 15, no. 2. P. 295-299.

96. McCreery R. L., Fleischmann M., Hendra P. Fiber optic probe for remote Raman spectrometry // Analytical Chemistry. 1983. Vol. 55, no. 1. P. 146-148.

97. Bergholt M. S., Zheng W., Ho K. Y., Teh M., Yeoh K. G., So J. B. Y., Shabbir A., Huang Z. Fiber-optic Raman spectroscopy probes gastric carcinogenesis in vivo at endoscopy // Journal of Biophotonics. 2012. — Nov. P. 1-11.

98. Huang Z., Teh S. K., Zheng W., Mo J., Lin K., Shao X., Ho K. Y., Teh M., Yeoh K. G. Integrated Raman spectroscopy and trimodal wide-field imaging techniques for real-time in vivo tissue Raman measurements at endoscopy // Optics letters. 2009. Vol. 34, no. 6. P. 758-760.

99. Latka I., Dochow S., Krafft C., Dietzek B., Bartelt H., Popp J. Development of a fiber-based Raman probe for clinical diagnostics // European Conference on Biomedical Optics. 2011.

100. Motz J. T., Hunter M., Galindo L. H., Gardecki J. A., Kramer J. R., Dasari R. R., Feld M. S. Optical fiber probe for biomedical Raman spectroscopy // Applied optics. 2004. Vol. 43, no. 3. P. 542-554.

101. Yi W., Luo X. Progress and Application of Optical Fibre Probes for in vivo Raman Spectroscopy // Photonics and Optoelectronics (SOPO), 2012 Symposium on. 2012. P. 1-4.

102. Krafft C., Dochow S., Latka I., Dietzek B., Popp J. Diagnosis and screening of cancer tissues by fiber-optic probe Raman spectroscopy // Biomedical Spectroscopy and Imaging. 2012. Vol. 1, no. 1. P. 39-55.

103. Komachi Y., Katagiri T., Sato H., Tashiro H. Improvement and analysis of a micro Raman probe // Applied optics. 2009. Vol. 48, no. 9. P. 1683-1696.

104. Dochow S., Latka I., Becker M., Spittel R., Kobelke J., Schuster K., Graf A., Brückner S., Unger S., Rothhardt M. Multicore fiber with integrated fiber Bragg gratings for background-free Raman sensing // Optics Express. 2012. Vol. 20, no. 18. P. 20156-20169.

105. Ma J., Ben-Amotz D. Rapid micro-Raman imaging using fiber-bundle image compression // Applied spectroscopy. 1997. Vol. 51, no. 12. P. 1845-1848.

106. Gift A. D., Ma J., Haber K. S., McClain B. L., Ben-Amotz D. Near-infrared Raman imaging microscope based on fiber-bundle image compression // Journal of Raman Spectroscopy. 1999.— Sep. Vol. 30, no. 9. P. 757-765.

107. McClain B. L., Ben-Amotz D. Optical absorption and fluorescence spectral imaging using fiber bundle image compression // Applied spectroscopy. 1999. Vol. 53, no. 9. P. 1118-1122.

108. Short M. A., Lam S., McWilliams A., Zhao J., Lui H., Zeng H. Development and preliminary results of an endoscopic Raman probe for potential in vivo diagnosis of lung cancers // Optics letters. 2008. Vol. 33, no. 7. P. 711-713.

109. Saar B. G., Johnston R. S., Freudiger C. W., Xie X. S., Seibel E. J. Coherent Raman scanning fiber endoscopy // Optics letters. 2011. Vol. 36, no. 13. P. 2396-2398.

110. Guieu V., Garngue P., Lagugne-Labarthet F., Servant L., Sojic N., Talaga D. Remote surface enhanced Raman spectroscopy imaging via a nanostructured optical fiber bundle // Optics express. 2009. Vol. 17, no. 26. P. 24030-24035.

111. Komachi Y., Sato H., Matsuura Y., Miyagi M., Tashiro H. Raman probe using a single hollow waveguide // Optics letters. 2005. Vol. 30, no. 21. R 2942-2944.

112. Sato H., Yamamoto Y. S., Maruyama A., Katagiri T., Matsuura Y., Ozaki Y. Raman study of brain functions in live mice and rats: A pilot study // Vibrational Spectroscopy. 2009.-May. Vol. 50, no. 1. R 125-130.

113. Konorov S. O., Addison C. J., Schulze H. G., Turner R. F. B., Blades M. W. Hollow-core photonic crystal fiber-optic probes for Raman spectroscopy // Optics letters. 2006. Vol. 31, no. 12. R 1911-1913.

114. Shcherbo D., Shemiakina I. I., Ryabova A. V., Luker K. E., Schmidt B. T., Souslova E. A., Gorodnicheva T. V., Strukova L., Shidlovskiy K. M., Britano-va O. V., Zaraisky A. G., Lukyanov K. A., Loschenov V. B., Luker G. D., Chudakov D. M. Near-infrared fluorescent proteins // Nature Methods. 2010.-Sep. Vol. 7, no. 10. P. 827-829.

115. Ferrando A., Silvestre E., Miret J. J., Andres P. Nearly zero ultraflattened dispersion in photonic crystal fibers // Optics Letters. 2000. Vol. 25, no. 11. P. 790-792.

116. Skryabin D. V., Luan F., Knight J. C., Russell P. S. J. Soliton self-frequency shift cancellation in photonic crystal fibers // Science. 2003. Vol. 301, no. 5640. P. 1705-1708.

117. Zheltikov A. Multimode guided-wave non-3c<; third-harmonic generation by ultrashort laser pulses // JOSA B. 2005. Vol. 22, no. 10. P. 2263-2269.

118. Harvey J. D., Leonhardt R., Coen S., Wong G. K. L., Knight J. C., Wadsworth W. J., St J Russell P. Scalar modulation instability in the normal dispersion regime by use of a photonic crystal fiber // Optics letters. 2003. Vol. 28, no. 22. P. 2225-2227.

119. Hu M., Wang C. Y., Li Y., Wang Z., Chai L., Kondratev Y. N., Sibilia C., Zheltikov A. M. An anti-Stokes-shifted doublet of guided modes in a photonic-crystal fiber selectively generated and controlled with orthogonal polarizations of the pump field // Applied Physics B: Lasers and Optics. 2004. Vol. 79, no. 7. P. 805-809. *

120. Hasegawa A., Matsumoto M. Optical solitons in fibers. Iss. Springer series in photonics, no. 9. 3rd, rev. and enl. ed edition. Berlin; New York: Springer, 2003.

121. Mitschke F. M., Mollenauer L. F. Discovery of the soliton self-frequency shift // Optics Letters. 1986. Vol. 11, no. 10. P. 659-661.

122. Agrawal G. P. Nonlinear Fiber Optics // Nonlinear Science at the Dawn of the 21st Century / Ed. by P. L. Christiansen, M. P. S0rensen, A. C. Scott. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2000. Vol. 542. P. 195-211.

123. Liu X., Xu C., Knox W. H., Chandalia J. K., Eggleton B. J., Kosinski S. G., Windeler R. S. Soliton self-frequency shift in a short tapered air-silica microstructure fiber // Optics Letters. 2001. Vol. 26, no. 6. P. 358-360.

124. Serebryannikov E. E., Zheltikov A. M., Ishii N., Teisset C. Y., Kohler S., Fuji T., Metzger T., Krausz F., Baltuska A. Soliton self-frequency shift of 6-fs pulses in photonic-crystal fibers // Applied Physics B. 2005,—Aug. Vol. 81, no. 5. P. 585-588.

125. Dudley J. M., Coen S. Supercontinuum generation in photonic crystal fiber // Reviews of Modern Physics. 2006.— Oct. Vol. 78, no. 4. P. 1135-1184.

126. Alfano R. R., Shapiro S. L. Emission in the region 4000 to 7000 A via four-photon coupling in glass // Physical Review Letters. 1970. Vol. 24, no. 11. P. 584-587.

127. Roberts P. J., Williams D. P., Mangan B. J., Sabert H., Couny F., Wads worth W. J., Birks T. A., Knight J. C., Russell P. S. J. Realizing low loss air core photonic crystal fibers by exploiting an antiresonant core surround // Optics Express. 2005. Vol. 13, no. 20. P. 8277.

128. Zheltikov A.M. Ray-optic analysis of the (bio)sensing ability of ring-cladding hollow waveguides // Applied Optics. 2008. Vol. 47, no. 3. P. 474.

129. Tischmeyer W., Grimm R. Activation of immediate early genes and memory formation // Cellular and Molecular Life Sciences CMLS. 1999. Vol. 55, no. 4. P. 564-574.

130. Martin K. C., Barad M., Kandel E. R. Local protein synthesis and its role in synapse-specific plasticity // Current Opinion in Neurobiology. 2000,— Oct. Vol. 10, no. 5. P. 587-592.

131. Martin S. J., Grimwood P. D., Morris R. G. M. Synaptic plasticity and memory: an evaluation of the hypothesis // Annual review of neuroscience. 2000. Vol. 23, no. 1. P. 649-711.

132. Curran T., Morgan J. I. Memories of fos // BioEssays. 1987. Vol. 7, no 6. P. 255-258.

133. Guzowski J. F., Setlow В., Wagner E. K., MeGaugh J. L. Experience-dependent gene expression in the rat hippocampus after spatial learning: a comparison of the immediate-early genes Arc, c-fos, and zif268 // The Journal of neuroscience: the official journal of the Society for Neuroscience. 2001. — Jul. Vol. 21, no 14. P. 5089-5098.

134. Lanahan A. Immediate-Early Genes and Synaptic Function // Neurobiology of Learning and Memory. 1998.-Jul. Vol. 70, no. 1-2. P. 37-43.

135. Anokhin К. V., Rose S. P. R. Learning-induced Increase of Immediate Early Gene Messenger RNA in the Chick Forebrain // European Journal of Neuroscience. 1991.-Feb. Vol. 3, no. 2. P. 162-167.

136. Анохин К. В. Молекулярные сценарии консолидации долговременной памяти // Журнал Высшей Нервной Деятельности им. И.П.Павлова.

1997. Vol. 47, по. 2. Р. 261-279.

137. Tsien R. Y. The green fluorescent protein // Annual review of biochemistry.

1998. Vol. 67, no. 1. P. 509-544.

138. Schiiz A., Palm G. Density of neurons and synapses in the cerebral cortex of the mouse // The Journal of Comparative Neurology. 1989. — Aug. Vol. 286, no. 4. P. 442-455.

139. Ranka J. K., Windeler R. S., Stentz A. J. Visible continuum generation in air-silica microstructure optical fibers with anomalous dispersion at 800 nm // Optics Letters. 2000.-Jan. Vol. 25, no. 1. P. 25.

140. Желтиков A. M. Да будет белый свет: генерация суперконтинуума сверхкороткими лазерными импульсами // Успехи Физических Наук. 2006. Vol. 176, по. 6. Р. 623-649.

141. Thapa R., Knabe К., Corwin К. L., Washburn В. R. Arc fusion splicing of hollow-core photonic bandgap fibers for gas-filled fiber cells // Optics Express. 2006. Vol. 14, no. 21. P. 9576.

142. Konorov S., Zheltikov A., Scalora M. Photonic-crystal fiber as a multifunctional optical sensor and sample collector // Optics express. 2005. Vol. 13, no. 9. P. 3454-3459.

143. Paxinos G., Franklin K. B. J. The mouse brain in stereotaxic coordinates. Compact 2nd ed edition. Amsterdam; Boston: Elsevier Academic Press, 2004.

144. Mack K. J., Mack P. A. Induction of transcription factors in somatosensory cortex after tactile stimulation // Molecular Brain Research. 1992. — Jan. Vol. 12, no. 1-3. P. 141-147.

145. Santos L. F., Wolthuis R., Koljenovic S., Almeida R. M., Puppels G. J. Fiber-Optic Probes for in vivo Raman Spectroscopy in the High-Wavenum-ber Region // Analytical Chemistry. 2005, —Oct. Vol. 77, no. 20. P. 6747-6752.

146. Evans C. L, Xu X, Kesari S, Xie X. S, Wong S. T. C., Young G. S. Chemically-selective imaging of brain structures with CARS microscopy // Optics Express. 2007. Vol. 15, no. 19. P. 12076.

147. Salic A., Mitchison T. J. A chemical method for fast and sensitive detection of DNA synthesis in vivo // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2008.-Feb. Vol. 105, no. 7. P. 2415-2420.

148. Yamakoshi H., Dodo K., Okada M., Ando J., Palonpon A., Fujita K., Kawa-ta S., Sodeoka M. Imaging of EdU, an Alkyne-Tagged Cell Proliferation Probe, by Raman Microscopy // Journal of the American Chemical Society. 2011.-Apr. Vol. 133, no. 16. P. 6102-6105.

149. Beier B. D., Berger A. J. Method for automated background subtraction from Raman spectra containing known contaminants // The Analyst. 2009. Vol. 134, no. 6. P. 1198.

150. Zeng C., Pan F., Jones L. A., Lim M. M., Griffin E. A., She-line Y. I., Mintun M. A., Holtzman D. M., Mach R. H. Evaluation of 5-ethyny 1-2'-deoxyuridine staining as a sensitive and reliable method for studying cell proliferation in the adult nervous system // Brain Research. 2010.-Mar. Vol. 1319. P. 21-32.

151. Ward J. F., New G. H. C. Optical third harmonic generation in gases by a focused laser beam // Physical Review. 1969. Vol. 185, no. 1. P. 57.

152. Debarre D., Supatto W., Beaurepaire E. Structure sensitivity in third-harmonic generation microscopy // Optics letters. 2005. Vol. 30, no. 16. P. 2134-2136.

153. Barazany D., Basser P. J., Assaf Y. In vivo measurement of axon diameter distribution in the corpus callosum of rat brain // Brain. 2009. Vol. 132, no. 5. P. 1210-1220.

154. Cornelisse L. N., van Elburg R. A., Meredith R. M., Yuste R., Mansvelder H. D. High speed two-photon imaging of calcium dynamics in dendritic spines: consequences for spine calcium kinetics and buffer capacity // PLoS One. 2007. Vol. 2, no. 10. P. el073.

155. Chang C.-F., Yu C.-H., Sun C.-K. Multi-photon resonance enhancement of third harmonic generation in human oxyhemoglobin and deoxyhe-moglobin // Journal of Biophotonics. 2010.— Oct. Vol. 3, no. 10-11. P. 678-685.

156. Yu C.-H., Tai S.-P., Kung C.-T, Lee W.-J., Chan Y.-F, Liu H.-L., Lyu J.-Y, Sun C.-K. Molecular third-harmonic-generation microscopy through resonance enhancement with absorbing dye // Optics letters. 2008. Vol. 33, no. 4. P. 387-389.