Nous présentons une méthode spécifiquement adaptée à l’image de l’ensemble du cerveau de la drosophile adulte pendant le comportement et en réponse aux stimuli. La tête est positionnée pour permettre un accès optique à l’ensemble du cerveau, tandis que la mouche peut déplacer ses jambes et les antennes, le bout de la trompe, et les yeux peuvent recevoir des stimuli sensoriels.
Nous présentons une méthode développée spécifiquement pour l’image de l’ensemble du cerveau drosophile lors de comportements continus tels que la marche. La fixation et la dissection de la tête sont optimisées pour minimiser leur impact sur le comportement. Ceci est d’abord réalisé en utilisant un support qui minimise les entraves de mouvement. L’arrière de la tête de la mouche est collé à ce support à un angle qui permet un accès optique à l’ensemble du cerveau tout en conservant la capacité de la mouche à marcher, toiletter, sentir, goûter et voir. L’arrière de la tête est disséqué pour enlever les tissus dans le chemin optique et les muscles responsables des artefacts de mouvement de la tête. Le cerveau volant peut ensuite être photographié pour enregistrer l’activité cérébrale, par exemple à l’aide d’indicateurs de calcium ou de tension, lors de comportements spécifiques tels que la marche ou le toilettage, et en réponse à différents stimuli. Une fois que la dissection difficile, qui nécessite une pratique considérable, a été maîtrisée, cette technique permet d’enregistrer de riches ensembles de données relatant l’activité cérébrale entière aux réactions de comportement et de stimulus.
L’activité cérébrale d’imagerie utilisant diverses techniques ont approfondi la compréhension de la fonction cérébrale. Chez l’homme, les techniques d’imagerie cérébrale ont des limitations importantes : alors que l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) offre une résolution spatio-temporelle bien en deçà de la résolution d’un seul neurone, les techniques rapides telles que l’électroencéphalographie (EEG) ne permettent qu’un accès indirect et partielau cerveau 1. Dans des modèles animaux suffisamment grands comme les rongeurs, l’enregistrement de capteurs d’activité fluorescente (p. ex., GCaMP) à l’aide de microscopes montés sur la tête permet d’observer l’activité cérébrale pendant que l’animal se déplace dansson environnement 2. Néanmoins, ces techniques ne donnent actuellement accès qu’à une petite partie du cerveau. Les animaux fixés à la tête peuvent être photographiés de façon plus complète, mais la couverture est encore partielle (p. ex., la surface du cortex3). Ce n’est que chez les petits animaux, comme les larves de poisson zèbre, C. elegans et Drosophila, que tout le cerveau peut être photographié avec une résolution temporelle et spatiale au niveau ou à proximité de neuronesindividuels 4.
D. melanogaster est particulièrement prometteur parce qu’il a longtemps été utilisé comme un organisme modèlegénétique 5 et de puissants outils génétiques ont été développés6. Complétée par le nouveau réseau anatomique à grande échelle dérivé de la microscopieélectronique 7,la mouche pourrait offrir des possibilités uniques d’étudier la dynamique cérébrale complexe générée sur un réseau à grande échelle8. Bien que la cuticule ne soit pas transparente, et doit donc être enlevée pour imager le cerveau, l’imagerie fonctionnelle in vivo est devenue de plus en plus courante depuis la première étude en 20029 et plusieurs protocoles ont déjà été publiés. Toutefois, ces méthodes impliquent soit de séparer la tête de mouchedu corps 10,de restreindre sévèrement les mouvements de la mouche et/ou les réponses aux stimuli11,12,13,14,15, ou seulement de permettre une petite partie de le cerveau à être photographié9,16,25,26,27,17,18,19,20,21,22,23,24. Pour compléter ces approches néanmoins puissantes, nous avons récemment développé une préparation à l’image de l’ensemble du cerveau lors du comportement et des réponses à divers stimuli28.
Ici, nous nous construisons sur cette étude pour présenter une méthode spécifiquement développée pour imager l’ensemble du cerveau tandis que la mouche effectue un comportement semi-naturaliste (c’est-à-dire la marche et le toilettage) et répond aux stimuli sensoriels. Ceci est réalisé en utilisant un support d’observation conçu pour donner accès à l’ensemble du cerveau à partir du côté dorsale-postérieur, tout en laissant les antennes et la trompe intactes, et en permettant à la mouche de déplacer ses jambes pour marcher (par exemple, sur une boule coussinée par air). Les étapes de dissécation de l’arrière de la tête ont été affinées pour la vitesse, la reproductibilité et pour minimiser leur effet sur la viabilité et la mobilité de la mouche.
Toutes les étapes sont effectuées sous un stéréomicroscope.
1. Préparation du titulaire
2. Placer la mouche
REMARQUE : Les mouches femelles d’un à quatre jours sont idéales parce que la tête femelle est plus grosse et donc plus facile à disséquer que la tête masculine, et les mouches plus jeunes ont la cuticule plus douce. Pour les expériences de marche, l’activité de la mouche peut être augmentée en faisant correspondre les expériences avec des périodes d’activité circadienne plus élevée (ZT0 ou ZT11), en utilisant de la solution saline contenant du glucose (comme 103 mM NaCl, 3 mM KCl, 5 mM TES, 8 mM trehalose 2 H2O, 10 mM de glucose, 26 mM NaHCO3, 1 mM NaH2PO4, 2,5 mM CaCl2·2 H2O, 4 mM MgCl2·6 H2O), en affamant la mouche jusqu’à 24 h avec un environnement d’eau seulement, et en chauffant l’environnement à ~28 °C pendant l’expérience. Couper les ailes au moins un jour à l’avance contribue également à diminuer les tentatives de vol et ainsi augmenter la fréquence des combats demarche 7,29,30.
3. Sécurisation de la tête
4. Positionnement du corps
REMARQUE : Cette étape doit être effectuée rapidement; avant que la mouche ne se remette de l’anesthésie.
5. Sceller le trou
6. Disséquer la tête
REMARQUE : Utilisez des forceps aiguisés pour les étapes suivantes. Les forceps très fins sont critiques car les forceps ternes ront le rendre plus difficile d’ouvrir la cuticule de tête et peuvent mener aux dommages additionnels sur la tête ou le cerveau de la mouche. Un grossissement fort peut aider à ce stade. À cet effet, on peut remplacer les oculaires du microscope binoculaire par des oculaires 30x.
La préparation décrite ci-dessus permet l’observation de l’ensemble du cerveau au microscope pour l’imagerie 3D à grande échelle comme les photons classiques 2 ou la microscopie confocale, mais aussi des techniques plus rapides telles que lafeuille de lumière 31 et d’autres techniques structurées de microscopie d’éclairage(examinées en 32), ou la microscopiede champ lumineux 28.
L’accès à l’ensemble du cerveau tout en observant le comportement et en maintenant les organes sensoriels fonctionnels permet de répondre à plusieurs questions.
Tout d’abord, quelle est l’activité cérébrale globale lorsque la mouche est au repos, pendant le comportement, et quand elle répond aux stimuli? À titre d’exemple, nous incluons des données obtenues au microscope à champ lumineux montrant l’activation du cerveau lors des réponses aux stimuli et au comportement. Par exemple, dans la vidéo 2, une sonde de calcium a été exprimée dans tous les neurones (nsyb-GAL4 et UAS-syt-GCaMP6s (gauche) ou UAS-GCaMP6M (droite)) et une bouffée d’odeur a été présentée. Remarquez comment la préparation permet d’obtenir un aperçu de l’activité cérébrale pendant la réponse au stimulus. Les puissants outils génétiques de Drosophila peuvent être utilisés pour limiter l’expression de ces capteurs à des sous-types neuronaux spécifiques. Dans la vidéo 3, nous avons limité l’expression d’un capteur de calcium aux neurones dopaminergiques et sérotoninergiques (TH-GAL4, DDC-GAL4 et UAS-GCaMP6M). Remarquez la forte activité synchrone au-dessus du cerveau étroitement corrélée avec la marche à la mouche, permise en observant tout le cerveau pendant le comportement. En plus de l’activité calcique, d’autres signaux physiques ou chimiques peuvent être photographiés (en utilisant par exemple des capteurspour la tension 28,33, produitsdu métabolisme 34,35 ou neuromodulateursspécifiques 36).
Pour mieux comprendre le rôle de l’activité cérébrale, nous pouvons nous demander quelles régions sont impliquées dans quel comportement, réponse aux stimuli ou modèles spontanés d’activité. Les données peuvent en effet être utilisées comme un écran impartial pour extraire les régions fonctionnelles à l’aide de techniques telles que l’analyse des composants principaux et l’analyse indépendante des composants. La figure 9A montre différentes régions fonctionnelles dans différentes couleurs. La forme et la localisation des régions fonctionnelles permettent de les cartographier en modèles anatomiques pour identifier les régions du cerveau et, dans certains cas, le type de neurone. De plus, une fois alignées sur le modèle anatomique, les valeurs de fluorescence peuvent être moyennes dans les régions anatomiques du cerveau pour une analyse quantitative (voir la figure 9B). Par exemple, un modèle gaussien hiérarchique appliqué aux données de la figure 9B montre que les régions sont plus actives pendant la marche (avec une médiane ΔF/F de 0,029, Intervalle crédible de 95% =[0,017 0,041]) mais pas pendant le toilettage (médiane ΔF/F = -0,0049 avec intervalle crédible de 95%=[-0,016 0,0059]).
En ajoutant à la profondeur de compréhension, les enregistrements simultanés des différentes régions fonctionnelles autorisés par la préparation peuvent être utilisés pour étudier les propriétés dynamiques du réseau fonctionnel. Ceci est important parce que les régions du cerveau dans tous les cerveaux étudiés jusqu’à présent sont fortement interconnectées de façon récurrente et de plus en plus d’études montrent que même les zones sensorielles répondent à l’état comportemental de l’animal. Plusieurs aspects peuvent être pris en compte, tels que les propriétés fonctionnelles des graphiques (p. ex., les modules) et les modèles spatio-temporels qui peuvent être adaptés aux systèmes dynamiques(voir 8 par exemple).
Figure 1 : Préparation du titulaire (étape 1). A) Conception du support (vue du haut). B) Préparation de fente de cou. haut : conception de bande, fond : lames parallèles utilisées pour couper la fente de cou. C) Vue du support d’en bas. D) Vue du bas indiquant où ajouter le ruban à sous du cou. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 2 : Autres préparatifs (étape 1). R)Ajouter de la graisse dans la fente du cou pour empêcher la colle de couvrir l’arrière de la tête et pour éviter les fuites salines. Barres d’échelle, 1 mm. B) Haut : forme du morceau de ruban adhésif qui sera utilisé pour pousser le corps vers le bas. En bas : assurez-vous que la bande s’adapte au support. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 3 : Placement d’un morceau de ruban en forme de V pour faciliter le centrage. (A) Vue du bas. (B) Vue supérieure. Barre d’échelle, 2 mm. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 4 : Placez la mouche (étape 2). À gauche, utilisez deux forceps ternes pour placer le corps de sorte que le cou est dans la fente du cou. Au milieu, alignez la tête. Les yeux se trouvent des deux côtés sur les bords de la fente. La tête de la mouche est droite. À droite, rentrez la mouche avec un tissu recouvert de glace pour l’empêcher de bouger. Barre d’échelle, 1 mm. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 5 : Fixer la tête (étape 3). A) Angle idéal de la tête. B) Ajouter de la colle UV autour de la tête, en évitant les zones sensorielles d’intérêt. Barre d’échelle, 1 mm. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 6 : La pointe de la trompe et les antennes peuvent être gardées exemptes de colle (étape 3). Le cercle blanc indique la zone où la colle UV a été appliquée. La flèche montre quelles parties sont laissées exemptes de colle pour des expériences olfactives et gustatives. Notez le ruban en option qui empêche les jambes de toucher la zone de colle. Barre d’échelle, 200 μm. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 7 : Placez la bande arrière (étape 4.2). La bande créée à l’étape 1 (voir figure 2, à gauche) est utilisée pour placer le corps et couvrir le grand trou dans le support. Barre d’échelle, 1 mm. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 8 : Étapes de dissection (étape 6). A-B) Couper de chaque côté à la base du triangle sombre (croix) et enlever cette partie de la cuticule C). D) et E) enlever le muscle 16. Puis retirez doucement le reste de la cuticule F),les sacs d’air G),et les muscles. H) Tête disséquée. Barre d’échelle, 200 μm. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 9 : Résultats représentatifs. A)Régions fonctionnelles (extraites à l’aide de PCA et ICAcomme dans 28) pour une mouche exprimant GCaMP6 pan-neuronally image avec un microscope à champ lumineux (25x, NA =0,95 avec un tableau correspondant f/12 micro lentille). Barre d’échelle, 100 μm. B) Activité moyenne de calcium dans les grandes régions du cerveau pendant les réponses aux stimuli et au comportement (reproduiteà partir de 28). S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Vidéo 1: Muscle 16 mouvements (étape 6.3). GFP a été exprimé dans les muscles. Notez le mouvement de pompage qui vient du trou juste au-dessus de la trachée. S’il vous plaît cliquez ici pour télécharger cette vidéo.
Vidéo 2: Activité pan-neuronale de calcium pendant la réponse à l’odeur pour deux préparations différentes. Le vinaigre balsamique a été soufflé à la volée. L’activité pan-neuronale de calcium (conducteur de nsyb-GAL4, UAS-syt-GCaMP6s gauche et UAS-GCaMP6M droit) a été image avec un microscope de champ léger (25x, NA=0.95 avec un tableau assorti de f/12 microlens). Des images de champ de lumière ont ensuite été reconstruites telles que décrites dansl’arbitre 28,37. S’il vous plaît cliquez ici pour télécharger cette vidéo.
Vidéo 3 : Activité calcique dans un sous-ensemble de type neurone pendant le comportement. GCaMP6 a été exprimé dans les neurones dopaminergiques et sérotoninergiques (avec TH-GAL4 et DDC-GAL4). En combinaison avec les outils génétiques de mouche, la préparation permet d’observer une forte augmentation de l’activité dans de nombreuses régions pendant la marche. S’il vous plaît cliquez ici pour télécharger cette vidéo.
Matériel supplémentaire. S’il vous plaît cliquez ici pour télécharger ce fichier.
La drosophile est l’un des rares animaux adultes où tout le cerveau peut être photographié lors de comportements complexes. Ici, nous présentons une méthode pour préparer la mouche et exposer tout son cerveau à l’image en cours toute l’activité cérébrale. Plusieurs points importants doivent être notés.
Disséquer un petit animal comme D. melanogaster est un défi. La méthode demande donc beaucoup de pratique et de patience pour la maîtriser. Cependant, après l’entraînement, la procédure prend moins de 30 minutes et produit des résultats reproductibles.
La méthode que nous avons présentée a des limites supplémentaires. Tout d’abord, incliner la tête de mouche de sa position naturelle conduit à étirer le cou qui pourrait être dommageable pour le tissu conjonctif, les nerfs ou les muscles. Deuxièmement, bien que la zone subesophagale ventrale (ZES) soit optiquement accessible, elle se trouve en dessous de l’œsophage semi-transparent, ce qui diminue l’intensité et la résolution dans ce domaine. Enfin, bien que le titulaire soit hors de portée dans la plupart des directions, la mouche réalise encore parfois sa présence et pousse sur elle pour essayer de s’échapper.
Malgré ces limitations, les données complètes obtenues à partir de l’imagerie cérébrale entière pendant le comportement et les réponses aux stimuli permettra de déchiffrer la fonction cérébrale au niveau de l’ensemble du réseau lorsque l’animal interagit avec des environnements complexes et naturalistes et y navigue.
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Nous remercions Heidi Miller-Mommerskamp pour son aide technique et Iveth Melissa Guatibonza Arevalo pour les commentaires utiles sur le manuscrit. Les premières versions du protocole ont été développées dans le laboratoire de Ralph Greenspan. Ces travaux ont été soutenus par la Fondation allemande de recherche (DFG), notamment par le biais d’une subvention FOR2705 (TP3) à IGK, et par la fondation Simons (Aimon – 414701) et l’Institut Kavli pour le cerveau et l’esprit (numéro de subvention #2017-954) reçu par SA.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
#5 forceps | FST by DUMONT | 11252-30 | straight tip 0.05 x 0.02 mm, Dumoxel, 11 cm long |
#55 forceps | FST by DUMONT | 11255-20 | straight tip 0.05 x 0.02 mm, Inox, 11 cm long |
30x oculars | yegren | WF30-9-30-H | WF30X/9 High Eye-point Eyepiece Wide Field View Ocular Optical Lens for Stereo Microscope or Biological Microscope 30X, 30mm without Reticle |
AHOME/UV flashlight | Shenzhen Yijiawan Technology Co., Ltd | B07V2W9543 (ASIN) | 365 nm |
Fotoplast Gel/UV Glue | Dreve Otoplastik GmbH | 44791 | GHS07, GHS08 |
Gloss Finish Transparent Tape | 3M Scotch | ||
KIMTECH Science/Precision wipes | Kimberly-Clark Professional | 7552 | 11 x 21 cm |
KL 1500 LCD/Microscope light | Schott | ||
Leica MS5 Microscope | Leica | WF30X/9 | |
Nail Lacqueur | Opi Products Inc., N. Hollywood | 6306585338 | black |
Saline: Hepes NaH2PO4 NaHCO3 MgCl2 CaCl2 NaCl KCl sucrose threalose | Sigma Aldrich | ||
Scalpel | Werner Dorsch GmbH | 78 621; B07SXCXWFS (ASIN) | soft handle |
Vacuum grease | Dow corning | 0020080 /100 gr | Moly Kote 111 Compound Grease Grease Valve Stamp 100 g |
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