Spontaneous functional recovery after focal damage in neuronal cultures

Damage in biological neuronal networks triggers a complex functional reorganization whose mechanisms are still poorly understood. To delineate this reorganization process, here we investigate the functional alterations of in vitro rat cortical circuits following localized laser ablation. The analysis of the functional network configuration before and after ablation allowed us to quantify the extent of functional alterations and the characteristic spatial and temporal scales along recovery. We observed that damage precipitated a fast rerouting of information flow that restored network's communicability in about 15 min. Functional restoration was led by the immediate neighbors around trauma but was orchestrated by the entire network. Our in vitro setup exposes the ability of neuronal circuits to articulate fast responses to acute damage, and may serve as a proxy to devise recovery strategies in actual brain circuits. Moreover, this biological setup can become a benchmark to empirically test network theories about the spontaneous recovery in dynamical networks

A new cerkl mouse model generated by CRISPR-Cas9 shows progressive retinal degeneration and altered morphological and electrophysiological phenotype

Purpose: Close to 100 genes cause retinitis pigmentosa, a Mendelian rare disease that affects 1 out of 4000 people worldwide. Mutations in the ceramide kinase-like gene (CERKL) are a prevalent cause of autosomal recessive cause retinitis pigmentosa and cone-rod dystrophy, but the functional role of this gene in the retina has yet to be fully determined. We aimed to generate a mouse model that resembles the phenotypic traits of patients carrying CERKL mutations to undertake functional studies and assay therapeutic approaches. Methods: The Cerkl locus has been deleted (around 97 kb of genomic DNA) by gene editing using the CRISPR-Cas9 D10A nickase. Because the deletion of the Cerkl locus is lethal in mice in homozygosis, a double heterozygote mouse model with less than 10% residual Cerkl expression has been generated. The phenotypic alterations of the retina of this new model have been characterized at the morphological and electrophysiological levels. Results: This CerklKD/KO model shows retinal degeneration, with a decreased number of cones and progressive photoreceptor loss, poorly stacked photoreceptor outer segment membranes, defective retinal pigment epithelium phagocytosis, and altered electrophysiological recordings in aged retinas. Conclusions: To our knowledge, this is the first Cerkl mouse model to mimic many of the phenotypic traits, including the slow but progressive retinal degeneration, shown by human patients carrying CERKL mutations. This useful model will provide unprecedented insights into the retinal molecular pathways altered in these patients and will contribute to the design of effective treatments

Holographic optical tweezers systems for biophysical experiments

[spa] Este trabajo describe el desarrollo de varios sistemas de atrapamiento óptico basados en holografía y su posible aplicación en experimentos de biología molecular. Se ha desarrollado un sistema de caracterización de pantallas de cristal líquido para encontrar configuraciones de trabajo específicas adecuadas a los sistemas de pinzas ópticas holográficas. Utilizando este sistema hemos encontrado una configuración de trabajo sin modulación en amplitud y con 2pi de modulación en fase. Se han estudiado las aberraciones introducidas por las pantallas de cristal líquido en el sistema y se han corregido, utilizando el mismo modulador, mediante la introducción de las variaciones de fase adecuadas. Para encontrarlas se han utilizado dos métodos. En el primer caso se ha utilizado la parte central del modulador, la cual introduce aberración de astigmatismo, y se ha compensado introduciendo los valores de fase correspondientes a una lente toroidal. El segundo método, más elaborado, ha consistido en determinar la aberración completa introducida por la pantalla mediante un sensor de frente de onda y determinar, así, los valores necesarios para la corrección. Se han estudiado los efectos introducidos por cada uno de los elementos del sistema óptico mediante una simulación utilizando el programa de diseño óptico Zemax. A partir de esta simulación se han determinado los factores de diseño más críticos en términos de aberraciones y eficiencia y poder diseñas así un sistema de pinzas ópticas holográficas óptimo. Se han evaluado las características de los algoritmos de cálculo de hologramas: de rampas y lentes, Gerchberg-Saxton y de máscaras aleatorias. Se han implementado estos algoritmos en una interfaz, programada en Java, que permite la interacción con múltiples partículas de forma dinámica y en tiempo real. Utilizando toda la información anterior se ha construido un sistema de pinzas ópticas holográficas optimizado y con capacidad de control tridimensional de múltiples partículas en tiempo real. Se ha utilizado este sistema en la exploración de la aplicación de los sistemas holográficos en dos tipos de experimentos dentro de la biología molecular. La utilización de pinzas holográficas ha permitido la interacción con vesículas transportadas por motores moleculares en el interior de células vivas de forma dinámica. Para evaluar la posibilidad de la utilización de holografía en experimentos de estiramiento de molécula individual, se ha comprobado que es posible reproducir resultados compatibles en el estudio de las propiedades elásticas de la molécula de ADN, en comparación con el experimento no holográfico

Correction of aberration in holographic optical tweezers using a Shack-Hartmann sensor

Optical aberration due to the nonflatness of spatial light modulators used in holographic optical tweezers significantly deteriorates the quality of the trap and may easily prevent stable trapping of particles. We use a Shack-Hartmann sensor to measure the distorted wavefront at the modulator plane; the conjugate of this wavefront is then added to the holograms written into the display to counteract its own curvature and thus compensate the optical aberration of the system. For a Holoeye LC-R 2500 reflective device, flatness is improved from 0.8¿ to ¿/16 (¿=532 nm), leading to a diffraction-limited spot at the focal plane of the microscope objective, which makes stable trapping possible. This process could be fully automated in a closed-loop configuration and would eventually allow other sources of aberration in the optical setup to be corrected for

Design strategies for optimizing holographic optical tweezers set-ups

We provide a detailed account of the construction of a system of holographic optical tweezers. While a lot of information is available on the design, alignment and calibration of other optical trapping configurations, those based on holography are relatively poorly described. Inclusion of a spatial light modulator in the set-up gives rise to particular design trade-offs and constraints, and the system benefits from specific optimization strategies, which we discuss

Applet d'òptica de Fourier

Pertany a JOptics, un conjunt de recursos docents dirigits a l'aprenentatge de l'òptica física en l'àmbit universitari en el marc dels ensenyaments de Física o la titulació en Òptica i Optometria. http://www.ub.edu/javaoptics/index-ca.htmlPodeu consultar la versió en castellà a: http://hdl.handle.net/2445/14388 ; i en anglès a: http://hdl.handle.net/2445/14623En aquest programa es poden realitzar diferents operacions de processament d'imatges en el camp de l'òptica de Fourier. Es poden calcular i visualitzar la transformada de Fourier d'un objecte i la convolució entre dues imatges. També es poden simular el correlador de Vander Lugt (filtre adaptat, de fase i invers) i el correlador de transformades conjuntes (espectre de potència lineal i binari

Applet de óptica de Fourier

Pertenece a JOptics, un conjunto de recursos docentes dirigidos al aprendizaje de la Óptica Física a nivel universitario en el marco de la licenciatura de Física o la titulación en Óptica y Optometría. http://www.ub.edu/javaoptics/index-es.htmlPodeu consultar la versió en català a: http://hdl.handle.net/2445/14328 ; i en anglès a: http://hdl.handle.net/2445/14623En este programa se pueden realizar diferentes operaciones de procesado de imágenes en el campo de la óptica de Fourier. Se pueden calcular y visualizar la transformada de Fourier de un objeto y la convolución entre dos imágenes. También se puede simular el correlador de Vander Lugt (filtro adaptado, de fase e inverso) y el correlador de transformadas conjuntas (espectro de potencia lineal y binario)

Applet of light dispersion

Part of Joptics, an ensemble of teaching resources for Physical Optics at university level as part of physics or optics and optometry studies. http://www.ub.edu/javaoptics/index-en.htmlPodeu consultar la versió en català a: http://hdl.handle.net/2445/14326 ; i en castellà a: http://hdl.handle.net/2445/14392This applet shows the phenomenon of the chromatic dispersion of light. Firstly it shows light dispersion through a prism. It also shows rainbows as an example of light dispersion

Applet de model de l'ull

Pertany a JOptics, un conjunt de recursos docents dirigits a l'aprenentatge de l'òptica física en l'àmbit universitari en el marc dels ensenyaments de Física o la titulació en Òptica i Optometria. http://www.ub.edu/javaoptics/index-ca.htmlPodeu consultar la versió en castellà a: http://hdl.handle.net/2445/14382 ; i en anglès a: http://hdl.handle.net/2445/14622Aplicació que simula la formació d'imatges a l'ull humà

Applet de interferómetro de Michelson

Pertenece a JOptics, un conjunto de recursos docentes dirigidos al aprendizaje de la Óptica Física a nivel universitario en el marco de la licenciatura de Física o la titulación en Óptica y Optometría. http://www.ub.edu/javaoptics/index-es.htmlPodeu consultar la versió en català a: http://hdl.handle.net/2445/14327 ; i en anglès a: http://hdl.handle.net/2445/14602Esta aplicación permite estudiar el interferómetro de Michelson y ver la evolución de los anillos cuando se varían los parámetros del sistema. También se analiza el caso de fuente puntual, correspondiente al interferómetro de Twyman