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A Sensitive Soma-localized Red Fluorescent Calcium Indicator for Multi-Modality Imaging of Neuronal Populations In Vivo

体内 荧光 索马 模态(人机交互) 神经科学 钙显像 化学 临床前影像学 生物物理学 生物 物理 计算机科学 光学 人工智能 生物技术 有机化学
作者
Shihao Zhou,Qiyu Zhu,Minho Eom,Shilin Fang,Oksana M. Subach,Ran Chen,Jonnathan Singh Alvarado,Praneel S. Sunkavalli,Yuanping Dong,Yangdong Wang,Jiewen Hu,Hanbin Zhang,Zhiyuan Wang,Xiaoting Sun,Tao Yang,Yu Mu,Young‐Gyu Yoon,Zengcai V. Guo,Fedor V. Subach,Kiryl D. Piatkevich
标识
DOI:10.1101/2025.01.31.635851
摘要

Abstract Recent advancements in genetically encoded calcium indicators, particularly those based on green fluorescent proteins, have optimized their performance for monitoring neuronal activities in a variety of model organisms. However, progress in developing red-shifted GECIs, despite their advantages over green indicators, has been slower, resulting in fewer options for end-users. In this study, we explored topological inversion and soma-targeting strategies, which are complementary to conventional mutagenesis, to re-engineer a red genetically encoded calcium indicator, FRCaMP, for enhanced in vivo performance. The resulting sensors, FRCaMPi and soma-targeted FRCaMPi (SomaFRCaMPi), exhibit up to 2-fold higher dynamic range and peak ΔF/F 0 per single AP compared to widely used jRGECO1a in neurons in culture and in vivo . Compared to jRGECO1a and FRCaMPi, SomaFRCaMPi reduces erroneous correlation of neuronal activity in the brains of mice and zebrafish by two- to four-fold due to diminished neuropil contamination without compromising the signal-to-noise ratio. Under wide-field imaging in primary somatosensory and visual cortex in mice with high labeling density (80-90%), SomaFRCaMPi exhibits up to 40% higher SNR and decreased artifactual correlation across neurons. Altogether, SomaFRCaMPi improves the accuracy and scale of neuronal activity imaging at single-neuron resolution in densely labeled brain tissues due to a 2-3-fold enhanced automated neuronal segmentation, 50% higher fraction of responsive cells, up to 2-fold higher SNR compared to jRGECO1a. Our findings highlight the potential of SomaFRCaMPi, comparable to the most sensitive soma-targeted GCaMP, for precise spatial recording of neuronal populations using popular imaging modalities in model organisms such as zebrafish and mice.

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