We thank Cora H&#252;bner and Andrea Gall for help in acquiring some of the representative results. This work was supported by the Werner Reichardt Centre for Integrative Neuroscience (CIN) at the University of Tuebingen, an Excellence Initiative funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) within the framework of the Excellence Initiative (EXC 307), and by funds from the Charitable Hertie Foundation.

Ethik Aussage: Alle experimentellen Verfahren waren in Übereinstimmung mit der EU-Richtlinie über die Verwendung von Tieren in der Forschung und wurden von der lokalen Animal Care und Use Committee (Regierungspräsidium Tübingen, Baden-Württemberg, Deutschland), die für die Universität Tübingen genehmigt. 1. Stereotactic Injektionsverfahren <ol><li> Bereiten Sie sterile Werkzeuge (Schere, Skalpell, Klemmen, Bohrer, Nadeln, Nahtmaterial) mit einem Sterilisator. Anordnen sterile Instrumente und andere erforderliche Lösungen und Chirurgie liefert wie sterile Baumwoll Swaps, Desinfektionsmittel, sterile phosphatgepufferte Kochsalzlösung (PBS, pH 7,4) und H 2 O 2 auf einem sterilen chirurgischen Abdecktuchs. </li><li> Ziehen Glasmikropipetten für Injektionszwecke (1A, Einschub) einen 3 mm breiten Feld Filaments auf einer horizontalen Mikroelektrode puller gemäß den Anweisungen des Herstellers verwendet wird . Hinweis: Bei tiefen Injektionen sollte die Elektrode Verjüngung ausreichendlange die ventrale meisten Koordinaten zu erreichen (ca. 5 mm;. für Koordinaten, siehe 1.10). </li><li> Premix 1 ul Viruslösung und 0,2 ul 0,1% Fast Green-Lösung in sterilem PBS (zur besseren Sichtbarkeit der Lösung in der Glaspipette). Füllen Glaspipetten mit einer Mischung aus Viruslösung und schnell grün eine Mikroliterpipette mit einer feinen Spitze (1A, Einschub) verwendet wird . Hinweis: Arbeiten mit rekombinanten Adeno-assoziierte virale Vektoren (rAAV) wird Biosicherheitsstufe angesehen 1 (BSL 1) Arbeit und muss in einem BSL 1 Labor durchgeführt werden. rAAVs in dieser Studie verwendet wurden (Abbildung 1C) waren: 1) mPFC: rAAV-hSyn-ChR2 (H134R) -eYFP (Serotyp 2/9) 16; 2) mgm / PIN: rAAV-CAGh-ChR2 (H134R) -mCherry (Serotyp 2/9) 23; 3) mpITC / BLA: rAAV-EF1A-DIOhChR2 (H134R) -YFP (Serotyp 2/1) 23 </li><li> Anesthetize eine Maus ein kleines Tier Anästhesiegerät (Isofluran: 3% in Sauerstoff für Induktion) verwendet wird. Anmerkung: Die Mäuse in dieser Studie verwendet wurden, waren 4 -7 Wochen alt und der folgenden Stämme und Genotypen: C57Bl6 / J Wildtyp (Experiment in den 2A und 3A-D); GAD67-GFP 24 (Experiment in den 2B und 3E-H); TAC2-Cre 25 (Experiment in den 2C und 3I-J). </li><li> Shave Kopf zwischen den Ohren und Augen. Wenden Sie Desinfektionsmittel (Providon-Jod-Basis) zu rasierten Kopf mit Wattestäbchen. </li><li> Tragen Sie eine Augensalbe zum Austrocknen der Augen während der Narkose zu verhindern. Subkutan injizieren Maus mit analgetischen (Meloxicam-basierte, 0,1 ml von 5 mg / ml Lösung). </li><li> Platzieren der Maus in stereotaktischen Rahmen (1A) und aufrechtzuerhalten Anästhesie über eine Gasnarkosemaske (Isofluran: 2% in Sauerstoff für Wartung). Überprüfen Narkose Tiefe Reflex mit Gliedmaßen Rückzug, bevor Sie fortfahren. Hinweis: Behalten Sie sterilen Bedingungen so gut wie möglich während des gesamten chirurgischen Eingriffs; tragen Einweg-Gesichtsmaske, chirurgische gown und Handschuhe. </li><li> Machen Hautschnitt auf der Oberseite des Kopfes mit einer Schere. Ziehen Sie die Haut an der Seite stumpfen Pinzette, fix mit Klammern Schädeloberfläche freizulegen, und saubere Schädel mit H 2 O 2. </li><li> Mark Injektionsstellen auf Schädel , der eine feine Spitze Permanentmarker und Bohrungen für beide Hemisphären (1B) verwendet wird . Koordinaten für Injektionen in dieser Studie sind (von Bregma (mm)): mPFC: anteriore 1.9, lateral ± 0,3, ventralen 2.1; Mgm / PIN: posterior 3.0, lateral ± 1,8, ventralen 3,8; mpITC / BLA: posterior 1,45, Seiten ± 3,35, und ventralen 4,75. </li><li> Montieren gefüllt Glaspipette auf stereotaktischen Rahmen verbunden mit einer Druckeinspritzvorrichtung und bringen die Pipette zu Bregma Position. </li><li> Brechen Sie die Spitze der Glaspipette mit feinen geraden Spitze Pinzette. Tun Sie dies vorsichtig Aerosolerzeugung von Viruslösung zu verhindern. Stellen Sie sicher, dass die Pipettenspitze ein paar Druckimpulse durch die Anwendung und die Beobachtung der Extrusion von Tropfen viru geöffnet ists Lösung. </li><li> Gehen Sie zu den gewünschten Injektions Koordinaten und injizieren die Hälfte der Pipetteninhalt (~ 0,5 ul) die folgenden Einstellungen auf dem Druckinjektionsvorrichtung mit: Druck: 20 psi, mittlere Pulslänge: 30 ms, die durchschnittliche Anzahl von Impulsen: 50. </li><li> Lassen Sie Pipette in Platz für ca. 1 min, bevor sie langsam (1 mm / min) zurückgezogen wird es. Hinweis: Stellen Sie sicher, dass Pipette nicht blockiert wird, bevor Verfahren mit der gleichen Pipette auf anderen Hemisphäre zu wiederholen. Bei blockierten Spitze, reinigen oder brechen wieder Spitze und Null Pipette Position bei Bregma ab. </li><li> Saubere Schädel mit PBS (pH 7,4), entfernen Sie Klemmen, die Haut sanft zusammen ziehen und vernähen den Schnitt mit einzelnen Knopfnaht (3-4 Knoten). Wenden Sie Desinfektionsmittel (Providon-Jod-Basis) um die Wunde. </li><li> Stoppen Sie die Anästhesie und lassen Sie nicht die Maus unbeaufsichtigt, bis er vollständig wach ist. Halten Sie einzelne Untergebracht oder Rückkehr in Gesellschaft anderer Tiere nur, wenn sie vollständig erholt. Postoperativ weiterhin den Gesundheitsstatus zu überwachen und Verwalter Analgetikum, falls erforderlich. Befolgen Sie die Anweisungen nach den Regeln von der lokalen Animal Care und Use Committee vorgelegt. </li></ol> 2. Herstellung von Acute Slices <ol><li> Bereiten Sie ACSF, Schneiden Lösung, Werkzeuge (Schere, Skalpell, Pinzetten, Spatel, Pasteurpipette) und Agarblöcken. Anmerkung: 1 L künstlicher Cerebrospinalflüssigkeit (ACSF) pro Experiment erforderlich ist , und hergestellt wird durch Chemikalien in doppelt destilliertem H 2 O , wie zuvor 16,23 veröffentlicht aufzulösen. Cutting - Lösung wird durch Ergänzung 200 ml ACSF mit 0,87 ml 2 M MgSO 4 Stammlösung hergestellt. </li><li> Oxygenat ACSF und Schneidelösung während des Experiments mit 95% O 2 und 5% CO 2. </li><li> Tief betäuben Maus ein kleines Tier Anästhesiegerät mit Isofluran (3% in Sauerstoff) verwendet wird. Überprüfen Narkose Tiefe Reflex mit Gliedmaßen Rückzug, bevor Sie fortfahren. </li><li> Enthaupten Maus große Schere und sofort kühlenKopf in eiskaltes Schneidelösung. </li><li> Offene Schädel durch einen einzigen Mittelschnitt von kaudal rostral und drücken Sie vorsichtig Stück des Schädels an den Seiten einer Pinzette. Schnell Gehirn entfernen, indem Sie es vorsichtig aus dem Schädel Anheben eines kleinen runden Spachtel. Abgeschnitten Cerebellum mit Skalpell. Platzieren Sie Gehirn in eiskaltem Schneidelösung. </li><li> Für mPFC Injektionsstellen: vorderen Teil des Gehirns (mit mPFC) mit einem Skalpell und setzen in eiskaltem Schneidelösung bis Schneiden abgeschnitten. </li><li> Überschüssiges Schneidelösung mit einem Filterpapier und kleben Sie den hinteren Teil des Gehirns auf die Vibratom Bühne. </li><li> Für gekippten Amygdala Scheiben, kleben Sie das Gehirn auf einem Agar - Block (4%) schneiden bei einem 35 ° Winkel (1D, Mitte). Für koronalen Amygdala Scheiben, mgm / PIN Injektionsstellen und mPFC Injektionsstellen, kleben Sie das Gehirn direkt auf der Bühne (1D, links und rechts). Legen Sie einen zusätzlichen Agar-Block hinter Gehirn für Stabilität beim Schneiden. </li><li> Place Stufenkammer mit eiskaltem mit Sauerstoff angereicherten Schneidelösung in Schneiden, die bei 4 ° C unter Verwendung einer Kühleinheit gehalten wird. Bereiten akuten Scheiben der Amygdala (320 &amp; mgr; m) mit einem Saphirklinge. Die Scheiben in einer Schnittstelle Kammer mit Sauerstoff angereicherten ACSF bei RT geliefert. </li><li> Nach der Herstellung der akuten Amygdala Scheiben, legen Sie die Schnittstelle Kammer in einem Wasserbad bei 36 ° C Scheiben zu erholen für 35 - 45 min. Anschließend kehren die Schnittstelle Kammer auf RT. Denn von diesen Scheiben aufnehmen, fahren Sie mit Schritt 3.2. </li><li> Während Beginn des Schrittes 2.10 geschnittenen Scheiben der Injektionsstellen nach wie vor für die akute Amygdala Scheiben beschrieben (Schritte 2,8 bis 2,9). Rückgewinnung von Scheiben im Wasserbad ist hier nicht erforderlich. Optional: Um schnell Injektionsstelle Lage abzuschätzen, beobachten Scheiben auf einem Stereoskop mit einer Leuchtstofflampe und geeigneter Filtersätze ausgestattet. </li><li> Fix Scheiben enthält, Injektionsstellen für die Post-hoc-Analyse, indem sie zwischen zwei Filterpapieren sandwichartig und submerGing sie in 4% Paraformaldehyd (PFA) in O / N PBS-Lösung. Für die Analyse der Injektionsstellen fahren Sie mit Schritt 4.1. </li></ol> 3. Visualisierung und Stimulation der präsynaptischen Fibers <ol><li> Bereiten Sie Patch-Mikroskop für optogenetische Aktivierung von Fasern und Zellen: <ol><li> Zentrieren Sie die montierte Leuchtdiode (LED) auf den Lichtabgabeleitung. </li><li> Messen Sie die LED-Lichtintensität an der hinteren Brennebene und am Ausgang jedes Objektiv mit einem Leistungsmesser die entsprechende Wellenlänge von 470 nm zu wählen. </li><li> Berechnen Sie die Lichtintensität in mW / mm 2 und erstellen Sie eine Kalibrierungskurve (LED - Intensität (%) im Vergleich zu Lichtleistung (mW / mm 2)) für jedes Ziel für Werte für 470 nm Wellenlänge gemessen. </li></ol></li><li> Rufen Sie einen spitzen Amygdala Scheibe von der Schnittstellenkammer und in der Schnittkammer auf den aufrechten Mikroskop mit einer Leuchtstofflampe ausgestattet montiert. Achten Sie auf die Scheibe, so dass der SLIC zu positionierene Oberfläche nach oben in der Schnittstellenkammer zugewandt ist, ist auch mit Blick nach oben in der Aufnahmekammer. Perfundieren slice mit frischem, oxygenierte ASCF mit einer Rate von 1 bis 2 ml / min bei einer Temperatur von ca. 31 ° C. </li><li> Beobachten präsynaptischen Fasern in der Schicht, die Leuchtstofflampe in Kombination mit geeigneter Filtersätze für das spezifische fluoreszierende Protein exprimiert werden. Verwenden 5x Ziel eine Übersicht (Figur 1E) zu erhalten, und 60x Ziel für die Beurteilung der Faserdichte innerhalb des Zielbereichs. Hinweis: Für die GFP und YFP, wählen Sie Filter setzen &quot;grün&quot; (Erregungs 472/20, Strahlteiler 495, Emission 490 LP) für mCherry verwenden Filter-Set &quot;rot&quot; (Erregungs 560/40, Strahlteiler 585, Emission 630/70), wie angegeben in den Materialien / Ausrüstung Tisch. </li><li> Öffnen oder die Öffnung in dem Mikroskop Lichtweg beschränken , wie für das Experiment (2D) erwünscht. </li><li> Um einen Patch Aufzeichnung zu erhalten, eine Patch-Pipette mit internen Lösung füllen und montieren in Elektrodenhalter. Bewerben positiven Druck auf die Pipette Patch und langsam zuerst in die Badlösung senken und dann unter Sichtkontrolle in die Scheibe der Mikromanipulator mit. <ol><li> Nähern Sie sich dem Neuron von Interesse mit der Patch-Pipette von der Seite und von oben. Lösen positive Druck, wenn die Pipette auf der Oberfläche der Zelle ist (dimple sichtbar auf der Zelloberfläche) und erhalten eine &quot;Gigaseal&quot; durch Unterdruck angelegt wird. </li><li> Tragen Sie weitere Sog der Membranscheibe zu Bruch Whole-Cell-Aufzeichnung zu erhalten. Anschließend stimulieren markierte Fasern mit der angeschlossenen LED die entsprechende Wellenlänge zur Aktivierung ChR mit (470 nm), während elektrische Antworten aus der Zelle aufnehmen. </li><li> Für synaptische Stimulation mit einer niedrigen LED-Intensität beginnen und zu erhöhen, bis die gewünschte synaptischen Stromamplitude erreicht ist. Auslöser der LED durch digitale Ausgänge in der Datenerfassungs - Software die Konfiguration der Zeitpunkt und die Pulslänge (Beispiele in Abbildung zu steuern3). Hinweis: andere Software und / oder TTL-erzeugende Geräte können zur Auslösung LED verwendet werden. </li></ol></li><li> Wiederholen Stimulation mit geöffneten oder begrenzte Öffnung (Schritt 3.4) in dem Mikroskop Lichtweg wie für das nächste aufgezeichnete Zelle und / oder in Gegenwart von bestimmten Arzneimitteln erwünscht. </li><li> Nach der Aufnahme beheben Scheiben für die Post-hoc-Analyse, indem sie zwischen zwei Filterpapieren sandwichartig und sie in 4% PFA O / N Untertauchen. </li><li> Analysieren elektro Daten. Hinweis: Verwenden Sie eine geeignete Software zur Visualisierung aufgenommenen Sweep-Daten für jede einzelne Stimulation offline. Wenn Wirkungen von Medikamenten zu analysieren, verwenden Spitzenerkennungsroutinen Zeitverlauf der Arzneimittelwirkung auf die synaptische Stromamplituden für alle einzelnen Sweeps zu erhalten. Bestimmen Sie, wann die Arzneimittelwirkung stabilen Zustand erreicht. Zur Herstellung von repräsentativen Durchschnitt Antworten für Zahlen verwenden Software durchschnittliche ≥10 einzelnen Durchläufe pro Versuchsbedingung (siehe Abbildung 3B-D, FH, J rechts). Hinweis: mehrere alternative Softwarepakete können für die Datenanalyse verwendet werden. </li></ol> 4. Post-hoc-Analyse von Injektionsstellen <ol><li> Waschen Scheiben Injektionsstellen (aus Schritt 2.12) und Aufnahmestellen (wenn Re-Imaging gewünscht wird, aus Schritt 3.7) dreimal in PBS. Dies wird durch wiederholtes Ersetzen Lösung mit frischem PBS auf einer rotierenden Schüttelmaschine dreimal für 10 min durchgeführt. </li><li> Bereiten Sie 2% Agar-Agar-Lösung in PBS, und lassen Sie es auf ~ 65 ° C abkühlen. Die Scheiben flach auf dem Boden eines kleinen Durchmesser von 30 mm Petrischale, betten Scheiben in Agar-Agar und lassen Sie es, bis es fest abkühlen. </li><li> Kleben Sie einen Agar-Block mit eingebetteten Scheibe oder Scheiben auf der Bühne eines Vibratom und platzieren Bühne im Schneidraum mit PBS. </li><li> Resection eingebettet Scheiben bis 70 &amp; mgr; m Dicke. Optional: Nach Resektion kann Scheiben gefärbt werden, das heißt mit Neurotrace zu offenbaren Cytoarchitektur (3A, C), und / oder by Immunfluoreszenzanfärbung für YFP oder mCherry das Signal von der MRK-Fusionsproteins zu steigern. </li><li> Berg Scheiben auf Dias und Deckglas mit Montage Medien. Bildinjektionsstellen und, falls gewünscht, auch Bildscheiben Fasern in den Projektionsbereichen unter Verwendung eines Fluoreszenzmikroskops oder eines konfokalen Laser-Scanning - Mikroskop (2A-C) enthält. </li></ol>

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M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=BLA+to+vHPC+inputs+modulate+anxiety-related+behaviors.">BLA to vHPC inputs modulate anxiety-related behaviors.</a> Neuron. 79 (4), 658-664 (2013).</li><li>Chu, H. Y., Ito, W., Li, J., Morozov, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Target-specific+suppression+of+GABA+release+from+parvalbumin+interneurons+in+the+basolateral+amygdala+by+dopamine.">Target-specific suppression of GABA release from parvalbumin interneurons in the basolateral amygdala by dopamine.</a> J Neurosci. 32 (42), 14815-14820 (2012).</li><li>Zhang, Y. P., Oertner, T. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+induction+of+synaptic+plasticity+using+a+light-sensitive+channel.">Optical induction of synaptic plasticity using a light-sensitive channel.</a> Nat Methods. 4 (2), 139-141 (2007).</li><li>Britt, J. P., Benaliouad, F., McDevitt, R. A., Stuber, G. D., Wise, R. A., Bonci, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synaptic+and+behavioral+profile+of+multiple+glutamatergic+inputs+to+the+nucleus+accumbens.">Synaptic and behavioral profile of multiple glutamatergic inputs to the nucleus accumbens.</a> Neuron. 76 (4), 790-803 (2012).</li><li>Kohl, M. M., Shipton, O. A., Deacon, R. M., Rawlins, J. N., Deisseroth, K., Paulsen, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hemisphere-specific+optogenetic+stimulation+reveals+left-right+asymmetry+of+hippocampal+plasticity.">Hemisphere-specific optogenetic stimulation reveals left-right asymmetry of hippocampal plasticity.</a> Nat Neurosci. 14 (11), 1413-1415 (2011).</li><li>Morozov, A., Sukato, D., Ito, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Selective+suppression+of+plasticity+in+amygdala+inputs+from+temporal+association+cortex+by+the+external+capsule.">Selective suppression of plasticity in amygdala inputs from temporal association cortex by the external capsule.</a> J Neurosci. 31 (1), 339-345 (2011).</li><li>Davidson, B. L., Breakefield, X. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Viral+vectors+for+gene+delivery+to+the+nervous+system.">Viral vectors for gene delivery to the nervous system.</a> Nat Rev Neurosci. 4 (5), 353-364 (2003).</li><li>Aschauer, D. F., Kreuz, S., Rumpel, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+of+transduction+efficiency,+tropism+and+axonal+transport+of+AAV+serotypes+1,+2,+5,+6,+8,+and+9+in+the+mouse+brain.">Analysis of transduction efficiency, tropism and axonal transport of AAV serotypes 1, 2, 5, 6, 8, and 9 in the mouse brain.</a> PLoS One. 8 (9), (2013).</li><li>Salegio, E. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Axonal+transport+of+adeno-associated+viral+vectors+is+serotype-dependent.">Axonal transport of adeno-associated viral vectors is serotype-dependent.</a> Gene Ther. 20 (3), 348-352 (2013).</li><li>Holehonnur, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Adeno-associated+viral+serotypes+produce+differing+titers+and+differentially+transduce+neurons+within+the+rat+basal+and+lateral+amygdala.">Adeno-associated viral serotypes produce differing titers and differentially transduce neurons within the rat basal and lateral amygdala.</a> BMC Neurosci. 15, (2014).</li><li>McFarland, N. R., Lee, J. S., Hyman, B. T., McLean, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparison+of+transduction+efficiency+of+recombinant+AAV+serotypes+1,+2,+5,+and+8+in+the+rat+nigrostriatal+system.">Comparison of transduction efficiency of recombinant AAV serotypes 1, 2, 5, and 8 in the rat nigrostriatal system.</a> J Neurochem. 109 (3), 838-845 (2009).</li><li>Miyashita, T., Shao, Y. R., Chung, J., Pourzia, O., Feldman, D. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Long-term+channelrhodopsin-2+(ChR2)+expression+can+induce+abnormal+axonal+morphology+and+targeting+in+cerebral+cortex.">Long-term channelrhodopsin-2 (ChR2) expression can induce abnormal axonal morphology and targeting in cerebral cortex.</a> Front Neural Circuits. 7, (2013).</li></ol>

The authors declare that they have no competing financial interests.

Dieses Protokoll beschreibt ein Verfahren zur ex vivo optogenetische Untersuchung von neuronalen Schaltkreise und lokale Konnektivität , die leicht auf die meisten umgesetzt werden können, wenn alle aufrechten Scheibe Patch-Clamp - Aufnahme - Setups , indem sie mit einem ~ 470 nm LED an der Epifluoreszenz Licht Port Ausrüstung nicht. Ein großer Vorteil der optogenetische Stimulation der axonale Projektionen in Scheiben ist, dass es für die spezifische Aktivierung und Untersuchung von Eigenschaften von Verb...

Präzise Werkzeuge zur Visualisierung und gleichzeitige Aktivierung von spezifischen Verbindungen zwischen den Gehirnbereichen und bestimmten Arten von Neuronen werden immer wichtiger, um die funktionelle Konnektivität zugrunde liegende gesunde Gehirnfunktion und Krankheitszuständen zu verstehen. Idealerweise führt diese physiologische Untersuchung der genauen synaptischen Eigenschaften, mit denen identifiziert Neuronen kommunizieren. Dies gilt insbesondere für Verbindungen zwischen Gehirnbereichen, die nicht in einer einzigen akuten Hirnschnitt erhalten werden kann. In der Vergangenheit wurde dies in getrennten Experimenten weitgehend erreicht. Zum einen injizierten neuronalen Tracern in vivo wurden mit anschließender licht- oder elektronenmikroskopische Analyse der prä- und postsynaptischen Partnern kombiniert eingesetzt. Auf der anderen Seite, wenn Faserbahnen aus der Herkunftsregion erhalten sind und zugänglich im Schnittpräparat wurde eine elektrische Stimulation verwendet synaptischen Kommunikationsmechanismen mit Zellen in der Zielregion zu beurteilen. Mit dem Aufkommen von Optogenetik, die gezielte Expression von lichtgesteuerten Kationenkanäle wie Channelrhodopsine (CHRS) an fluoreszierenden Proteinen fusioniert, ermöglicht nun die Aktivierung von Neuronen und ihrer axonalen Trajektorien während es für ihre Visualisierung und post-hoc - Analyse anatomischer 1- 4. Weil chr-exprimierenden Axone sogar stimuliert werden kann , wenn von den Eltern somata 5 durchtrennt, ist es möglich , in brain slices: 1) Eingänge von Hirnregionen beurteilen , die nicht zugänglich zu herkömmlichen elektrischen Stimulation waren, weil Faserbahnen nicht trennbar oder der spezifische Trajektorie ist nicht bekannt; 2) eindeutig die Herkunftsregion für bestimmte Eingaben zu identifizieren, die postuliert, wurden aber nicht vollständig verstanden; und 3) untersuchen die funktionelle Konnektivität zwischen definierten Zelltypen, sowohl lokal als auch in langfristigen Projektionen. Wegen einer Reihe von Vorteilen, diese optogenetische Abbildung von Schaltkreisen in Hirnschnitten geworden breitenly verwendet in den letzten Jahren, und eine Vielzahl von viralen Vektoren für die Expression von fluoreszenzmarkierten CHRS von kommerziellen Anbietern leicht erhältlich. Einige der wichtigsten Vorteile von optogenetische Aktivierung über herkömmliche elektrische Stimulation sind keine Schädigung des Gewebes durch die Platzierung der Stimulationselektroden, eine Spezifität von Faser Stimulation, weil die elektrische Stimulation auch Fasern der Passage oder anderen nahe gelegenen Zellen rekrutieren können, und eine ebenso schnelle und zeitlich präzise Stimulation. Zusätzlich können stereotaktische Injektion von viralen Vektoren können leicht an spezifischen Gehirnbereichen 6 und bedingte oder zelltypspezifische Expression 7 unter Verwendung von Cre-abhängige Expression und / oder spezifischer Promotoren erreicht werden , ausgerichtet sein. Hier wird diese Technik zur Kartierung von Langstrecken und lokale Schaltungen in der Angst-System angewendet. Die Amygdala ist eine Schlüsselregion für den Erwerb und die Expression von Angst und Speicherung von Angst und emotionale Erinnerungen 8,9. Neben from die Amygdala, dem medialen präfrontalen Kortex (mPFC) und Hippocampus (HC), Strukturen, die auf der Amygdala reziprok verbunden sind, werden in Aspekten der Erfassung, Konsolidierung und den Abruf von Angst und Extinktion Erinnerungen 10,11 gebracht. Aktivität in Unterteilungen des mPFC erscheint bei der Kontrolle der hohen und niedrigen Angst heißt 12,13 eine doppelte Rolle zu spielen. Dies könnte teilweise durch direkte Verbindungen von mPFC zur Amygdala vermittelt werden, die Amygdala-Aktivität steuern würde und ausgegeben. Daher ist in den letzten Jahren begannen mehrere Studien in ex vivo Scheibe Experimente synaptische Interaktionen zwischen mPFC Afferenzen und spezifischen Zielzellen in der Amygdala 14-17 zu untersuchen. Während Angst Lernen erreicht sensorische Informationen über bedingten und unbedingten Stimuli die Amygdala über Projektionen von spezifischen Thalamus und kortikale Regionen. Plasticity dieser Eingänge der Neuronen in dem Seitenteil (LA) des Basolateral Amygdala (BLA) ist ein wichtiger Mechanismus Angstkonditionierung 9,18 zugrunde liegen. Zunehmende Hinweise darauf , dass parallel Kunststoff Prozesse in der Amygdala hemmenden Elemente beinhalten Angst Speicher zur Steuerung 19. Eine Gruppe von Cluster - inhibitorischen Neuronen sind die GABA - erge medialen paracapsular interkaliert Zellen (mpITCs), aber ihre genaue Konnektivität und Funktion versteht sich unvollständig 20-22. Hier wird optogenetische Schaltung Mapping verwendet und abführenden Konnektivität dieser Zellen und deren Auswirkungen auf die Zielneuronen in der Amygdala beurteilen zu können , was zeigt , dass mpITCs direkten sensorischen Input von Thalamus und kortikale Relaisstationen 23 empfangen. Spezifische Expression von ChR in mpITCs oder BLA Neuronen ermöglicht die Zuordnung von lokalen Interaktionen und enthüllt, dass mpITCs hemmen, sind aber auch für beide Seiten aktiviert durch, BLA Haupt Neuronen, so dass sie in neuartigen Feedforward und Feedback hemmende Schaltungen platzieren, die effektiv BLA Aktivität steuern23.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td colspan="4">Surgery</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stereotactic frame</td>
			<td>Stoelting, USA</td>
			<td>51670</td>
			<td rowspan="2">can be replaced by other stereotactic frame for mice</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Steretoxic frame mouse adaptor</td>
			<td>Stoelting, USA</td>
			<td>51625</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gas anesthesia mask for mice</td>
			<td>Stoelting, USA</td>
			<td>50264</td>
			<td>no longer available, replaced by item no. 51609M</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pressure injection device, Toohey Spritzer</td>
			<td>Toohey Company, USA</td>
			<td>T25-2-900</td>
			<td>other pressure injection devices (e.g. Picospritzer) can be used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Kwik Fill glass capillaries</td>
			<td>World Precision Instruments, Germany</td>
			<td>1B150F-4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anesthesia machine, IsoFlo</td>
			<td>Eickemeyer, Germany</td>
			<td>213261</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DC Temperature Controler and heating pad</td>
			<td>FHC, USA</td>
			<td>40-90-8D</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Horizontal Micropipette Puller Model P-1000</td>
			<td>Sutter Instruments, USA</td>
			<td>P-1000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Surgical tool sterilizer, Sterilizator 75</td>
			<td>Melag, Germany</td>
			<td>08754200</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>rAAV-hSyn-ChR2(H134R)-eYFP (serotype 2/9)</td>
			<td>Penn Vector Core, USA</td>
			<td>AV-9-26973P</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>rAAV-CAGh-ChR2(H134R)-mCherry (serotype 2/9)&#160;</td>
			<td>Penn Vector Core, USA</td>
			<td>AV-9-20938M</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>rAAV-EF1a-DIOhChR2(H134R)-YFP (serotype 2/1)&#160;</td>
			<td>Penn Vector Core, USA</td>
			<td>AV-1-20298P</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>fast green</td>
			<td>Roth, Germany</td>
			<td>0301.1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isoflurane Anesthetic, Isofuran CP (1ml/ml)</td>
			<td>CP Pharma, Germany</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Antiseptic, Betadine (providone-iodine)</td>
			<td>Purdure Products, USA</td>
			<td>BSOL32</td>
			<td>can be replaced by other disinfectant</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Analgesic, Metacam Solution (5mg/ml meloxicam)</td>
			<td>Boehringer Ingelheim, Germany</td>
			<td></td>
			<td>can be replaced by other analgesics</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bepanthen eye ointment</td>
			<td>Bayer, Germany</td>
			<td>0191</td>
			<td>can be replaced by other eye ointment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Drill NM3000 (SNKG1341 and SNIH1681)</td>
			<td>Nouvag, Switzerland</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sutranox Suture Needle</td>
			<td>Fine Science Tools, Germany</td>
			<td>12050-01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Braided Silk Suture</td>
			<td>Fine Science Tools, Germany</td>
			<td>18020-60</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="4">Recordings, light stimulation, and analysis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>artificial cerebrospinal fluid (ACSF)</td>
			<td>for composition see references #16 and #23</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>internal patch solutions</td>
			<td>for composition see references #16 and #23</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MagnesiumSulfate Heptahydrate</td>
			<td>Roth, Germany</td>
			<td>P027.1</td>
			<td>prepare 2M stock solution in purified water</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Slicer, Microm HM650V</td>
			<td>Fisher Scientific, Germany</td>
			<td>920120</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cooling unit for tissue slicer, CU65</td>
			<td>Fisher Scientific, Germany</td>
			<td>770180</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sapphire blade</td>
			<td>Delaware Diamond Knives</td>
			<td></td>
			<td>custom order, inquire with company</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stereoscope, SZX2-RFA16</td>
			<td>Olympus, Japan</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Xcite fluorescent lamp (XI120Q-1492)</td>
			<td>Lumen Dynamics Group, Canada</td>
			<td>2012-12699</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Patch microscope, BX51WI</td>
			<td>Olympus, Japan</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Multiclamp 700B patch amplifier&#160;</td>
			<td>Molecular Devices, USA</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digitdata 1440A</td>
			<td>Molecular Devices, USA</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PClamp software, Version 10</td>
			<td>Molecular Devices, USA</td>
			<td></td>
			<td>used to control data acquisition and stimulation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bath temperature controler, TC05</td>
			<td>Luigs &#38; Neumann, Germany</td>
			<td>200-100 500 0145</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Three axis micromanipulator Mini 25</td>
			<td>Luigs &#38; Neumann, Germany</td>
			<td>210-100 000 0010</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micromanipulator controller SM7</td>
			<td>Luigs &#38; Neumann, Germany</td>
			<td>200-100 900 7311</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>glass capillaries for patch pipettes</td>
			<td>World Precision Instruments, Germany</td>
			<td>GB150F-8P</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cellulose nitrate filterpaper for interface chamber&#160;</td>
			<td>Satorius Stedim Biotech, Germany</td>
			<td>13006--50----ACN</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LED unit, CoolLED pE</td>
			<td>CoolLED, UK</td>
			<td>244-1400</td>
			<td rowspan="4">CoolLED or USL 70/470 and appropriate adapters are two alternative choices for LED stimulation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CoolLED 100 Dual Adapt</td>
			<td>CoolLED, UK</td>
			<td>pE-ADAPTOR-50E</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LED unit, USL 70/470</td>
			<td>Rapp Optoelectronic</td>
			<td>L70-000</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dual port adapter</td>
			<td>Rapp Optoelectronic</td>
			<td>inquire with company</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Filter set red (excitation)</td>
			<td>AHF, Germany</td>
			<td>F49-560</td>
			<td rowspan="3">Filters can be bought as set F46-008</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160; (beamsplitter)</td>
			<td>AHF, Germany</td>
			<td>F48-585</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160; (emission)</td>
			<td>AHF, Germany</td>
			<td>F47-630</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Filter set green (excitation)</td>
			<td>AHF, Germany</td>
			<td>F39-472</td>
			<td rowspan="3">Alternatives: filterset F36-149 or F46-002 (with bandpass emission)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160; (beamsplitter)</td>
			<td>AHF, Germany</td>
			<td>F43-495W</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160; (emission)</td>
			<td>AHF, Germany</td>
			<td>F76-490</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LaserCheck, handheld power meter</td>
			<td>Coherent, USA</td>
			<td><a>1098293</a></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>IgorPro Software, Version 6</td>
			<td>Wavemetrics, USA</td>
			<td></td>
			<td rowspan="2">for electrophysiology data analysis, other alternative software packages can also be used&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Neuromatic suite of macros for IgorPro</td>
			<td><a href="http://www.neuromatic.thinkrandom.com/">http://www.neuromatic.thinkrandom.com</a></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="4">Post hoc analysis of injections and projections</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Paraformaldehyde powder (PFA)</td>
			<td>Roth, Germany</td>
			<td>0335.2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Neurotrace 435/455 blue fluorescent Nissl stain</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>N-21479</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>agar-agar for embedding and resectioning</td>
			<td>Roth, Germany</td>
			<td>5210.3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>30 x 10 mm petri dishes for embedding</td>
			<td>SPL Life Sciences</td>
			<td></td>
			<td>alternatives can be used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Slides, Super Frost</td>
			<td>R. Langenbrinck, Germany</td>
			<td>61303802</td>
			<td>alternatives can be used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>cover slips</td>
			<td>R. Langenbrinck, Germany</td>
			<td>3000302</td>
			<td>alternatives can be used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vecta Shield mounting medium</td>
			<td>Vector Laboratories, USA</td>
			<td>H-1000</td>
			<td>alternative mounting media can be used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>cellulose nitrate filter for flattening slices for fixation</td>
			<td>Satorius Stedim Biotech, Germany</td>
			<td>11406--25------N</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Confocal Laser Scanning Microscope LSM 710</td>
			<td>Zeiss, Germany</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

ex vivo optogenetic dissection of fear circuits in brain slices

Optogenetische Ansätze sind heute weit verbreitet durch die Kombination gezielte Expression von lichtaktivierten Proteine ​​und die anschließende Manipulation der neuronalen Aktivität die Funktion neuronaler Populationen und Schaltungen, die durch Licht zu studieren verwendet. Channelrhodopsinen (CHRS) sind lichtgesteuerter Kationenkanäle, und wenn ihre Expression ermöglicht die Visualisierung und gleichzeitige Aktivierung spezifischer Zelltypen und deren axonale Projektionen in definierten Bereichen des Gehirns zu einem fluoreszierenden Protein fusioniert ist. Via stereotaktische Injektion von viralen Vektoren, ChR Fusionsproteine ​​konstitutiv werden können oder bedingt in spezifischen Zellen eines bestimmten Gehirnregion zum Ausdruck gebracht, und ihre axonalen Projektionen können anschließend anatomisch und funktionell mit Hilfe von Ex - vivo - optogenetische Aktivierung in Hirnschnitten untersucht werden. Dies ist von besonderer Bedeutung während des Zielens synaptischen Eigenschaften der Verbindungen zu verstehen, die nicht mit herkömmlichen elektrischen Stimulations Ansätzen angegangen werden können, oder bei der Identifizierung von neuen AffeMiete und ableitende Konnektivität, die bisher kaum verstanden wurde. Hier einige Beispiele veranschaulichen, wie diese Technik angewendet werden kann, um diese Fragen zu Aufklären Angst bezogenen Schaltungen in der Amygdala zu untersuchen. Die Amygdala ist eine Schlüsselregion für den Erwerb und die Expression von Angst und Speicherung von Angst und emotionale Erinnerungen. Viele Beweislinien legen nahe, dass die medialen präfrontalen Kortex (mPFC) in verschiedenen Aspekten der Angst Erfassung beteiligt und Extinktion, aber seine genaue Konnektivität mit der Amygdala beginnt gerade zu verstehen. Zuerst wird gezeigt , wie ex vivo optogenetische Aktivierung verwendet werden können Aspekte der synaptischen Verbindung zwischen mPFC Afferenzen und Zielzellen in der basolateralen Amygdala (BLA) zu studieren. Ferner ist dargestellt , wie diese ex vivo optogenetische Vorgehensweise angewendet werden kann , um neue Konnektivitätsmuster unter Verwendung einer Gruppe von GABA - ergen Neuronen in der Amygdala, dem paracapsular interkalierten Zellcluster (mpITC) als Beispiel zu bewerten.

Dieser Abschnitt zeigt den Workflow eines ex vivo optogenetischen Ansatz und repräsentative Ergebnisse aus verschiedenen experimentellen Strategien , um die physiologischen Eigenschaften von sensorischen und modulierende Langstrecken - Projektionen BLA und mpITC Neuronen sowie Eigenschaften der lokalen Konnektivität zwischen mpITC und BLA zu untersuchen. Nach stereotaktische Injektion des ausgewählten Virusvektor a...

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Ex Vivo Optogenetic Dissection of Fear Circuits in Brain Slices

Ex Vivo optogenetische Dissection of Fear Schaltkreise in Hirnschnitten

Optogenetische Ansätze sind weit verbreitet zu manipulieren neuronale Aktivität und bewerten die Auswirkungen auf die Gehirnfunktion verwendet. Hier wird eine Technik erläutert , dass bei in - vivo - Expression des optischen Aktivator Channelrhodopsin, ermöglicht eine ex vivo Analyse der synaptischen Eigenschaften bestimmter großer Reichweite und lokale neuronale Verbindungen in Angst bezogenen Schaltungen.

Optogenetic approaches are now widely used to study the function of neural populations and circuits by combining targeted expression of light-activated ...

ex-vivo-optogenetic-dissection-of-fear-circuits-in-brain-slices

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Ex Vivo Optogenetic Dissection of Fear Circuits in Brain Slices

15.8K Aufrufe.  University of Tuebingen.  Optogenetische Ansätze sind weit verbreitet zu manipulieren neuronale Aktivität und bewerten die Auswirkungen auf die Gehirnfunktion verwendet. Hier wird eine Technik erläutert , dass bei in - vivo - Expression des optischen Aktivator Channelrhodopsin, ermöglicht eine ex vivo Analyse der synaptischen Eigenschaften bestimmter großer Reichweite und lokale neuronale Verbindungen in Angst bezogenen Schaltungen. 

Serie: Ex Vivo Optogenetic Dissection of Fear Circuits in Brain Slices

Methods for Study of Neuronal Morphogenesis: Ex vivo RNAi Electroporation in Embryonic Murine Cerebral Cortex

The cerebral cortex directs higher cognitive functions. This six layered structure is generated in an inside-first, outside-last manner, in which the first born neurons remain closer to the ventricle while the last born neurons migrate past the first born neurons towards the surface of the brain1. In addition to neuronal migration2, a key process for normal cortical function is the regulation of neuronal morphogenesis3. While neuronal morphogenesis can be studied in vitro in primary cultures, there is much to be learned from how these processes are regulated in tissue environments.
We describe techniques to analyze neuronal migration and/or morphogenesis in organotypic slices of the cerebral cortex4,6. A pSilencer modified vector is used which contains both a U6 promoter that drives the double stranded hairpin RNA and a separate expression cassette that encodes GFP protein driven by a CMV promoter7-9. Our approach allows for the rapid assessment of defects in neurite outgrowth upon specific knockdown of candidate genes and has been successfully used in a screen for regulators of neurite outgrowth8. Because only a subset of cells will express the RNAi constructs, the organotypic slices allow for a mosaic analysis of the potential phenotypes. Moreover, because this analysis is done in a near approximation of the in vivo environment, it provides a low cost and rapid alternative to the generation of transgenic or knockout animals for genes of unknown cortical function. Finally, in comparison with in vivo electroporation technology, the success of ex vivo electroporation experiments is not dependant upon proficient surgery skill development and can be performed with a shorter training time and skill.

Methods for Study of Neuronal Morphogenesis: Ex vivo RNAi Electroporation in Embryonic Murine Cerebral Cortex

To conduct a rapid assessment of the function of genes in the development of cerebral cortex, we describe methods involving the ex vivo electroporation of plasmids co-expressing inhibitory RNA (RNAi) and GFP in murine embryonic cortex. This protocol is amenable to the study of various aspects of neurodevelopment such as neurogenesis, neuronal migration and neuronal morphogenesis including dendrite and axon outgrowth.

Methoden zur Untersuchung der neuronalen Morphogenese:<em&gt; Ex-vivo-</em&gt; RNAi Elektroporation in embryonale Murine Cerebral Cortex

The cerebral cortex directs higher cognitive functions. This six layered structure is generated in an inside-first, outside-last manner, in which the ...

Forschung

Neurowissenschaften

Functional Neuroimaging Using Ultrasonic Blood-brain Barrier Disruption and Manganese-enhanced MRI

Although mice are the dominant model system for studying the genetic and molecular underpinnings of neuroscience, functional neuroimaging in mice remains technically challenging. One approach, Activation-Induced Manganese-enhanced MRI (AIM MRI), has been used successfully to map neuronal activity in rodents 1-5. In AIM MRI, Mn2+ acts a calcium analog and accumulates in depolarized neurons 6,7. Because Mn2+ shortens the T1 tissue property, regions of elevated neuronal activity will enhance in MRI. Furthermore, Mn2+ clears slowly from the activated regions; therefore, stimulation can be performed outside the magnet prior to imaging, enabling greater experimental flexibility. However, because Mn2+ does not readily cross the blood-brain barrier (BBB), the need to open the BBB has limited the use of AIM MRI, especially in mice.
One tool for opening the BBB is ultrasound. Though potentially damaging, if ultrasound is administered in combination with gas-filled microbubbles (i.e., ultrasound contrast agents), the acoustic pressure required for BBB opening is considerably lower. This combination of ultrasound and microbubbles can be used to reliably open the BBB without causing tissue damage 8-11.
Here, a method is presented for performing AIM MRI by using microbubbles and ultrasound to open the BBB. After an intravenous injection of perflutren microbubbles, an unfocused pulsed ultrasound beam is applied to the shaved mouse head for 3 minutes. For simplicity, we refer to this technique of BBB Opening with Microbubbles and UltraSound as BOMUS 12. Using BOMUS to open the BBB throughout both cerebral hemispheres, manganese is administered to the whole mouse brain. After experimental stimulation of the lightly sedated mice, AIM MRI is used to map the neuronal response.
To demonstrate this approach, herein BOMUS and AIM MRI are used to map unilateral mechanical stimulation of the vibrissae in lightly sedated mice 13. Because BOMUS can open the BBB throughout both hemispheres, the unstimulated side of the brain is used to control for nonspecific background stimulation. The resultant 3D activation map agrees well with published representations of the vibrissae regions of the barrel field cortex 14. The ultrasonic opening of the BBB is fast, noninvasive, and reversible; and thus this approach is suitable for high-throughput and/or longitudinal studies in awake mice.

A technique is described for broadly opening the blood-brain barrier in the mouse using microbubbles and ultrasound. Using this technique, manganese can be administered to the mouse brain. Because manganese is an MRI contrast agent that accumulates in depolarized neurons, this approach enables imaging of neuronal activity.

Funktionelle Bildgebung mit Ultraschall-Blut-Hirnschranke Störung und Mangan-MRT

Although mice are the dominant model system for studying the genetic and molecular underpinnings of neuroscience, functional neuroimaging in mice remains ...

Brain Slice Biotinylation: An Ex Vivo Approach to Measure Region-specific Plasma Membrane Protein Trafficking in Adult Neurons

Regulated endocytic trafficking is the central mechanism facilitating a variety of neuromodulatory events, by dynamically controlling receptor, ion channel, and transporter cell surface presentation on a minutes time scale.&#160;There is a broad diversity of mechanisms that control endocytic trafficking of individual proteins. Studies investigating the molecular underpinnings of trafficking have primarily relied upon surface biotinylation to quantitatively measure changes in membrane protein surface expression in response to exogenous stimuli and gene manipulation.&#160;However, this approach has been mainly limited to cultured cells, which may not faithfully reflect the physiologically relevant mechanisms at play in adult neurons.&#160;Moreover, cultured cell approaches may underestimate region-specific differences in trafficking mechanisms.&#160;Here, we describe an approach that extends cell surface biotinylation to the acute brain slice preparation.&#160;We demonstrate that this method provides a high-fidelity approach to measure rapid changes in membrane protein surface levels in adult neurons.&#160;This approach is likely to have broad utility in the field of neuronal endocytic trafficking.

Brain Slice Biotinylation: An Ex Vivo Approach to Measure Region-specific Plasma Membrane Protein Trafficking in Adult Neurons

Neuronal membrane trafficking dynamically controls plasma membrane protein availability and significantly impacts neurotransmission.&#160;To date, it has been challenging to measure neuronal endocytic trafficking in adult neurons.&#160;Here, we describe a highly effective, quantitative method to measure rapid changes in surface protein expression ex vivo in acute brain slices.

Hirnschnitt Biotinylierung: Eine<em&gt; Ex Vivo</em&gt; Ansatz zur Region spezifische Plasma Membrane Protein Handel Erwachsene Neuronen messen

Regulated endocytic trafficking is the central mechanism facilitating a variety of neuromodulatory events, by dynamically controlling receptor, ion ...

In vivo Optogenetic Stimulation of the Rodent Central Nervous System

The ability to probe defined neural circuits in awake, freely-moving animals with cell-type specificity, spatial precision, and high temporal resolution has been a long sought tool for neuroscientists in the systems-level search for the neural circuitry governing complex behavioral states. Optogenetics is a cutting-edge tool that is revolutionizing the field of neuroscience and represents one of the first systematic approaches to enable causal testing regarding the relation between neural signaling events and behavior. By combining optical and genetic approaches, neural signaling can be bi-directionally controlled through expression of light-sensitive ion channels (opsins) in mammalian cells. The current protocol describes delivery of specific wavelengths of light to opsin-expressing cells in deep brain structures of awake, freely-moving rodents for neural circuit modulation. Theoretical principles of light transmission as an experimental consideration are discussed in the context of performing in vivo optogenetic stimulation. The protocol details the design and construction of both simple and complex laser configurations and describes tethering strategies to permit simultaneous stimulation of multiple animals for high-throughput behavioral testing.

In vivo Optogenetic Stimulation of the Rodent Central Nervous System

Optogenetics has become a powerful tool for use in behavioral neuroscience experiments. This protocol offers a step-by-step guide to the design and set-up of laser systems, and provides a full protocol for carrying out multiple and simultaneous in vivo optogenetic stimulations compatible with most rodent behavioral testing paradigms.

In vivo optogenetische Stimulation des Nager Central Nervous System

The ability to probe defined neural circuits in awake, freely-moving animals with cell-type specificity, spatial precision, and high temporal resolution ...

Ex Vivo Preparations of the Intact Vomeronasal Organ and Accessory Olfactory Bulb

The mouse accessory olfactory system (AOS) is a specialized sensory pathway for detecting nonvolatile social odors, pheromones, and kairomones. The first neural circuit in the AOS pathway, called the accessory olfactory bulb (AOB), plays an important role in establishing sex-typical behaviors such as territorial aggression and mating. This small (&#60;1 mm3) circuit possesses the capacity to distinguish unique behavioral states, such as sex, strain, and stress from chemosensory cues in the secretions and excretions of conspecifics. While the compact organization of this system presents unique opportunities for recording from large portions of the circuit simultaneously, investigation of sensory processing in the AOB remains challenging, largely due to its experimentally disadvantageous location in the brain. Here, we demonstrate a multi-stage dissection that removes the intact AOB inside a single hemisphere of the anterior mouse skull, leaving connections to both the peripheral vomeronasal sensory neurons (VSNs) and local neuronal circuitry intact. The procedure exposes the AOB surface to direct visual inspection, facilitating electrophysiological and optical recordings from AOB circuit elements in the absence of anesthetics. Upon inserting a thin cannula into the vomeronasal organ (VNO), which houses the VSNs, one can directly expose the periphery to social odors and pheromones while recording downstream activity in the AOB. This procedure enables controlled inquiries into AOS information processing, which can shed light on mechanisms linking pheromone exposure to changes in behavior.

Ex Vivo Preparations of the Intact Vomeronasal Organ and Accessory Olfactory Bulb

The mouse accessory olfactory bulb (AOB) has been difficult to study in the context of sensory coding. Here, we demonstrate a dissection that produces an ex vivo preparation in which AOB neurons remain functionally connected to their peripheral inputs, facilitating research into information processing of mouse pheromones and kairomones.

Ex vivo Zubereitungen der Intact Vomeronasalorgan und akzessorischen olfaktorischen Bulbus

The mouse accessory olfactory system (AOS) is a specialized sensory pathway for detecting nonvolatile social odors, pheromones, and kairomones. The first ...

Simultaneous ex vivo Functional Testing of Two Retinas by in vivo Electroretinogram System

An In vivo electroretinogram (ERG) signal is composed of several overlapping components originating from different retinal cell types, as well as noise from extra-retinal sources. Ex vivo ERG provides an efficient method to dissect the function of retinal cells directly from an intact isolated retina of animals or donor eyes. In addition, ex vivo ERG can be used to test the efficacy and safety of potential therapeutic agents on retina tissue from animals or humans. We show here how commercially available in vivo ERG systems can be used to conduct ex vivo ERG recordings from isolated mouse retinas. We combine the light stimulation, electronic and heating units of a standard in vivo system with custom-designed specimen holder, gravity-controlled perfusion system and electromagnetic noise shielding to record low-noise ex vivo ERG signals simultaneously from two retinas with the acquisition software included in commercial in vivo systems. Further, we demonstrate how to use this method in combination with pharmacological treatments that remove specific ERG components in order to dissect the function of certain retinal cell types.

Simultaneous ex vivo Functional Testing of Two Retinas by in vivo Electroretinogram System

Ex vivo ERG can be used to record electrical activity of retinal cells directly from isolated intact retinas of animals or humans. We demonstrate here how common in vivo ERG systems can be adapted for ex vivo ERG recordings in order to dissect the electrical activity of retinal cells.

Gleichzeitig<em&gt; Ex vivo</em&gt; Funktionsprüfung von zwei Netzhäute von<em&gt; In vivo</em&gt; Elektroretinogramm-System

An In vivo electroretinogram (ERG) signal is composed of several overlapping components originating from different retinal cell types, as well as noise ...

Preparing Fresh Retinal Slices from Adult Zebrafish for Ex Vivo Imaging Experiments

The retina is a complex tissue that initiates and integrates the first steps of vision. Dysfunction of retinal cells is a hallmark of many blinding diseases, and future therapies hinge on fundamental understandings about how different retinal cells function normally. Gaining such information with biochemical methods has proven difficult because contributions of particular cell types are diminished in the retinal cell milieu. Live retinal imaging can provide a view of numerous biological processes on a subcellular level, thanks to a growing number of genetically encoded fluorescent biosensors. However, this technique has thus far been limited to tadpoles and zebrafish larvae, the outermost retinal layers of isolated retinas, or lower resolution imaging of retinas in live animals. Here we present a method for generating live ex vivo retinal slices from adult zebrafish for live imaging via confocal microscopy. This preparation yields transverse slices with all retinal layers and most cell types visible for performing confocal imaging experiments using perfusion. Transgenic zebrafish expressing fluorescent proteins or biosensors in specific retinal cell types or organelles are used to extract single-cell information from an intact retina. Additionally, retinal slices can be loaded with fluorescent indicator dyes, adding to the method&#39;s versatility. This protocol was developed for imaging Ca2+ within zebrafish cone photoreceptors, but with proper markers it could be adapted to measure Ca2+ or metabolites in M&#252;ller cells, bipolar and horizontal cells, microglia, amacrine cells, or retinal ganglion cells. The retinal pigment epithelium is removed from slices so this method is not suitable for studying that cell type. With practice, it is possible to generate serial slices from one animal for multiple experiments. This adaptable technique provides a powerful tool for answering many questions about retinal cell biology, Ca2+, and energy homeostasis.

Preparing Fresh Retinal Slices from Adult Zebrafish for Ex Vivo Imaging Experiments

Imaging retinal tissue can provide single-cell information that cannot be gathered from traditional biochemical methods. This protocol describes preparation of retinal slices from zebrafish for confocal imaging. Fluorescent genetically encoded sensors or indicator dyes allow visualization of numerous biological processes in distinct retinal cell types.

Zubereitung frische retinalen Scheiben von Erwachsenen Zebrafisch für Ex Vivo Imaging-Experimente

The retina is a complex tissue that initiates and integrates the first steps of vision. Dysfunction of retinal cells is a hallmark of many blinding ...

Optogenetic Entrainment of Hippocampal Theta Oscillations in Behaving Mice

Extensive data on relationships of neural network oscillations to behavior and organization of neuronal discharge across brain regions call for new tools to selectively manipulate brain rhythms. Here we describe an approach combining projection-specific optogenetics with extracellular electrophysiology for high-fidelity control of hippocampal theta oscillations (5-10 Hz) in behaving mice. The specificity of the optogenetic entrainment is achieved by targeting channelrhodopsin-2 (ChR2) to the GABAergic population of medial septal cells, crucially involved in the generation of hippocampal theta oscillations, and a local synchronized activation of a subset of inhibitory septal afferents in the hippocampus. The efficacy of the optogenetic rhythm control is verified by a simultaneous monitoring of the local field potential (LFP) across lamina of the CA1 area and/or of neuronal discharge. Using this readily implementable preparation we show efficacy of various optogenetic stimulation protocols for induction of theta oscillations and for the manipulation of their frequency and regularity. Finally, a combination of the theta rhythm control with projection-specific inhibition addresses the readout of particular aspects of the hippocampal synchronization by efferent regions.

We describe the use of optogenetics and electrophysiological recordings for selective manipulations of hippocampal theta oscillations (5-10 Hz) in behaving mice. The efficacy of the rhythm entrainment is monitored using local field potential. A combination of opto- and pharmacogenetic inhibition addresses the efferent readout of hippocampal synchronization.

Optogenetische Mitnahme von Hippocampal Theta Schwingungen im Verhalten der Mäuse

Extensive data on relationships of neural network oscillations to behavior and organization of neuronal discharge across brain regions call for new tools ...

An Alternative Approach to Study Primary Events in Neurodegeneration Using Ex Vivo Rat Brain Slices

Despite&#160;numerous studies that attempt to develop reliable animal models&#160;which reflecting the primary processes underlying neurodegeneration, very few have been widely accepted. Here, we propose&#160;a new procedure&#160;adapted from the well-known ex vivo brain slice technique, which offers a closer in vivo-like scenario than in vitro preparations, for investigating the early events triggering cell degeneration, as observed in Alzheimer&#39;s disease (AD). This variation consists of simple and easily reproducible steps, which enable preservation of the anatomical cytoarchitecture of the selected brain region and its local functionality in a physiological milieu. Different anatomical areas can be obtained from the same brain, providing the opportunity to perform multiple experiments with the treatments in question in a site-, dose-, and time-dependent manner. Potential limitations&#160;which could affect the outcomes related to this methodology are related to the conservation of the tissue, i.e., the maintenance of its anatomical integrity during the slicing and incubation steps and the section thickness, which can influence the biochemical and immunohistochemical analysis. This approach can be employed for different purposes, such as exploring molecular mechanisms involved in physiological or pathological conditions, drug screening, or dose-response assays. Finally, this protocol could also reduce the number of animals employed in behavioral studies. The application reported here has been recently described and tested for the first time on ex vivo rat brain slices containing the basal forebrain (BF), which is one of the cerebral regions primarily affected in AD. Specifically, it has been demonstrated that the administration of a toxic peptide derived from the C-terminus of acetylcholinesterase (AChE) could prompt an AD-like profile, triggering, along the antero-posterior axis of the BF, a differential expression of proteins altered in AD, such as the alpha7 nicotinic receptor (&#945;7-nAChR), phosphorylated Tau (p-Tau), and amyloid beta (A&#946;).

An Alternative Approach to Study Primary Events in Neurodegeneration Using Ex Vivo Rat Brain Slices

We present a method which can&#160;provide further insights into the early events underlying neurodegeneration and based on the established ex-vivo brain technique, combining the advantages of in vivo and in vitro experiments. Moreover, it represents a unique opportunity for direct comparison of treated and untreated group in the same anatomical plane.

Ein alternativer Ansatz zur primären Ereignissen in Neurodegeneration mit Ex Vivo Ratte Gehirnscheiben studieren

Despite&#160;numerous studies that attempt to develop reliable animal models&#160;which reflecting the primary processes underlying neurodegeneration, ...

Optogenetic Manipulation of Neural Circuits During Monitoring Sleep/wakefulness States in Mice

In recent years, optogenetics has been widely used in many fields of neuroscientific research. In many cases, an opsin, such as channel rhodopsin 2 (ChR2), is expressed by a virus vector in a particular type of neuronal cells in various Cre-driver mice. Activation of these opsins is triggered by application of light pulses which are delivered by laser or LED through optic cables, and the effect of activation is observed with very high time resolution. Experimenters are able to acutely stimulate neurons while monitoring behavior or another physiological outcome in mice. Optogenetics can enable useful strategies to evaluate function of neuronal circuits in the regulation of sleep/wakefulness states in mice. Here we describe a technique for examining the effect of optogenetic manipulation of neurons with a specific chemical identity during electroencephalogram (EEG) and electromyogram (EMG) monitoring to evaluate the sleep stage of mice. As an example, we describe manipulation of GABAergic neurons in the bed nucleus of the stria terminalis (BNST). Acute optogenetic excitation of these neurons triggers a rapid transition to wakefulness when applied during NREM sleep. Optogenetic manipulation along with EEG/EMG recording can be applied to decipher the neuronal circuits that regulate sleep/wakefulness states.

Here, we describe methods of optogenetic manipulation of particular types of neurons during monitoring of sleep/wakefulness states in mice, presenting our recent work on the bed nucleus of the stria terminalis as an example.

Optogenetische Manipulation von neuronalen Schaltkreisen während der Überwachung von Schlaf-/Wachzustanden bei Mäusen

In recent years, optogenetics has been widely used in many fields of neuroscientific research. In many cases, an opsin, such as channel rhodopsin 2 ...