Nous remercions le Dr Randy Chitwood pour la lecture critique du manuscrit. Ce travail a été soutenu par la Fondation Whitehall et la Alfred P. Sloan Foundation accorde à HJK.

1. Montage optique (Figure 1) <ol><li> Pour excitation à deux photons d&#39;un système laser infrarouge pulsé avec des impulsions femtosecondes est utilisé. Un laser haute puissance de sortie (dans certains cas&gt; 2W à 890 nm de longueur d&#39;onde) est nécessaire pour compenser les pertes importantes introduites par les composants optiques du système. </li><li> Un système prechirper constitué de deux prismes confère une dispersion négative de vitesse de groupe (GVD) sur les impulsions laser avant les déflecteurs acousto-optiques (OD) pour compenser la dispersion temporelle introduite par le OD 1. </li><li> OD avec deux grands orifices (10 mm pour un objectif à immersion d&#39;eau avec 40x NA 0,8) dévier le faisceau laser en deux dimensions. </li><li> Un réseau de diffraction réfléchissant avec 100 bois / mm est placée 13 cm derrière les OD pour compenser la dispersion spatiale introduite par OD en utilisant des impulsions laser courtes. </li><li> Le faisceau laser est dirigé par deux télescopes de relais dans le port de l&#39;appareil d&#39;un montant microscope. </li><li> Iris sont placés à intervalles réguliers pour l&#39;alignement des composants optiques. </li><li> Un séparateur de faisceau dichroïque à l&#39;avant de l&#39;objectif transmet la lumière d&#39;excitation infrarouge et de l&#39;échantillon reflète la lumière de fluorescence de l&#39;échantillon vers un détecteur. </li><li> Détecteurs Epi-et transfluorescence (photomultiplicateurs, PMT) recueillir signal de fluorescence à travers l&#39;objectif et - le cas échéant - à travers le condenseur. </li><li> Filtres en verre de couleur (BG-39, 3-5 mm) sont placés en face des détecteurs pour empêcher la lumière d&#39;excitation d&#39;atteindre les détecteurs. </li><li> Les angles de déviation AOD sont commandés par un ordinateur équipé d&#39;une carte numérique-analogique du convertisseur (156,25 fréquence d&#39;horloge kHz), ce qui entraîne à son tour oscillateurs commandés en tension. </li><li> Le signal des photomultiplicateurs est transmis à travers un filtre passe-bas Butterworth (fréquence de coupure de 100 kHz) et numérisé par un convertisseur analogique-numérique (156,25 kHz fréquence d&#39;horloge) avant d&#39;être stockés dansun ordinateur pour analyse. </li><li> L&#39;alignement et le bruit électrique sont testés par l&#39;enregistrement de la répartition des signaux de fluorescence avec et sans lumière laser, à haute et à faible gain des photomultiplicateurs, ainsi qu&#39;avec et sans indicateur. Le scanner est correctement configuré et protégé lorsque la largeur de la distribution des signaux de fluorescence à gain élevé et avec l&#39;indicateur est beaucoup plus grande que les largeurs des autres distributions de signaux de fluorescence (Fig. 2). </li></ol> 2. Les procédures expérimentales <ol><li> Dithered aléatoire analyse à l&#39;accès repose sur la détection de l&#39;augmentation de calcium intracellulaire dans. Un grand nombre de neurones peuvent être colorées par injection d&#39;un bolus de la forme ester d&#39;un indicateur de calcium (par exemple l&#39;Oregon Green 488 BAPTA-1 AM) dans le tissu neural 5. </li><li> Plusieurs emplacements de chaque neurone soma sont enregistrés, chacun pour un court laps de temps (&quot;dithering&quot;, de 4 emplacements, 6,4 microsecondes pour chaque emplacement temps d&#39;enregistrement = 25,6 ms pour le courrierhaque neurone dans chaque cycle, Fig. 3C). Pour sélectionner les neurones d&#39;intérêt d&#39;une image complète constituée de 256x256 pixels est acquis (Fig. 3A). Le centre de chaque neurone soma à enregistrer est sélectionné manuellement à l&#39;intérieur de cette image. Le logiciel de contrôle ajoute automatiquement trois points à une distance de 2 um autour de ce centre. </li><li> Dans chaque cycle, le signal de fluorescence est enregistrée à partir de chacune des 40 neurones (Fig. 3B). Ce processus est répété pendant toute la durée d&#39;un enregistrement (5 enregistrement seconde = 3255 cycles, 1 cycle = 1,536 ms). </li></ol> 3. Outils logiciels en ligne pour maximiser l&#39;efficacité de détection de crête <ol><li> Spike de détection de signaux de fluorescence calcium somatiques s&#39;appuie sur un rapport signal-sur-bruit (S / B) des signaux de fluorescence calcium somatiques les. Un haut S / N peut être obtenue en augmentant l&#39;intensité d&#39;excitation. Intensité d&#39;excitation, cependant, ne peut être augmentée jusqu&#39;à une certaine limite en raison de photovieillissement. Détection de pic est élevé dans un très petit window des intensités d&#39;excitation que lorsque les signaux de fluorescence ont une grande S / N, mais seulement photovieillissement on observe très peu 3. Afin d&#39;assurer que les signaux enregistrés sont dans la fenêtre du pic de détection élevé pendant les enregistrements, nous surveillons le taux de photons (voir l&#39;équation 3.2) et le déclin de fluorescence de base en utilisant l&#39;analyse en ligne. </li><li> Taux approximatif de photons par neurone est calculée à partir d&#39;une fenêtre de temps (100-200 ms) du bruit de fond. Taux nombre de photons (λ N) et de photons (λ = λ N / At) est calculée à partir des valeurs de fluorescence en ajustant la distribution (σ) de la fluorescence change par rapport à l&#39;équation suivante: </li></ol><img alt="L&#39;équation 1" src="/files/ftp_upload/4052/4052eq1.jpg" /> L&#39;équation représente la distribution de Poisson pour le bruit de grenaille de photons avec un changement de variable de changement de fluorescence relative: AF / F = (G * N λ (t)-N-G * lambda;, 0) / G * N λ, 0 où G représente le gain cumulé de photomultiplicateur et tous les autres composants électroniques. Notez que cette équation ne détermine pas correctement le nombre de photons détectés pour enregistrements in vivo, car il ya d&#39;autres sources de bruit (artéfacts de mouvement), en plus de bruit de grenaille photonique. Néanmoins, cette équation est utile pour les enregistrements in vivo pour estimer le bruit. <ol start="3"><li> De fluorescence de base est calculée à partir de la même fenêtre temporelle et tracée en fonction du temps ou des essais. La baisse moyenne du niveau de référence est maintenue en dessous de 0,0002 / s en ajustant la puissance laser en raison de détection de crête diminue rapidement en cas de dépassement de cette limite. </li><li> Toutes les 10-20 minutes les positions Somata neurones sont encore vérifiées par l&#39;acquisition d&#39;une image complète. Si nécessaire, les emplacements d&#39;enregistrement sont réglés. Les emplacements peuvent être ajustés pour tous les neurones à la fois, ou pour les neurones individuels. </li></ol> 4. La reconstrucn des cadencements de pointe des signaux de fluorescence (déconvolution) <ol><li> Les signaux de fluorescence résultant de l&#39;activité neuronale souvent Additionnez dans le temps, car le déclin des transitoires calciques est longue (plusieurs centaines de millisecondes). Une méthode de déconvolution reconstruit horaires crampons et pointes de signaux de fluorescence. </li><li> Pour déterminer le train le plus probable pic de la base du signal de fluorescence enregistrée, comparer les différents modèles. Ici, nous avons utilisé un algorithme génétique pour déterminer le modèle - et donc le train et les horaires pic pointe - avec le maximum de vraisemblance. </li><li> Dans les populations non homogènes de neurones, le pic-évoqué signal calcique peut varier entre les neurones. Pour une analyse non supervisée des ensembles de données, nous avons conçu un algorithme qui prend en compte la variation du signal calcique transitoire évoquée par de neurone en neurone. </li><li> Afin d&#39;éviter un grand nombre de faux positifs, il est utile de se contracter l&#39;amplitude autorisée et temps de déclin constant de la modèle du signal calcique pic-évoquée. La distribution conjointe de l&#39;amplitude et le temps de déclin constant de la seule pointe transitoires calciques évoqués sont enregistrés dans une série distincte d&#39;expériences du même type de neurones dans les mêmes conditions expérimentales utilisant simultanément des enregistrements électrophysiologiques et optiques. </li><li> Pour tenir compte des changements de base lents et de réduire les coûts de calcul de déconvolution, des enregistrements plus longs sont divisés en plusieurs traces plus courtes de 1-5 secondes. </li><li> Pour chaque neurone et chaque enregistrement, l&#39;algorithme de déconvolution peut tester un grand nombre de modèles (jusqu&#39;à un million de modèles différents ou plus). Pour accélérer déconvolution, une expérience est une déconvolution sur un maximum de 10 ordinateurs différents en parallèle. </li><li> Après déconvolution, les données pic est analysé et contrôlé. Un histogramme en temps péri-stimulus, probabilité pointe, et cadence de tir (moyenne pic par les neurones) sont calculés de manière automatisée. </li></ol> 5.Les résultats représentatifs Succès dépend de détection de crête sur un rapport signal sur bruit des signaux de fluorescence enregistrées calcium somatiques. Tout simplement en utilisant les taux d&#39;excitation élevées (laser haute puissance) peut se traduire par un impact négatif de photoeffects sur du matériel biologique (photovieillissement). Dans le photovieillissement balayage tramé à accès aléatoire se manifeste par une diminution de la fluorescence de base et diminue des signaux calciques évoquées pic-fluorescence. La diminution du signal de pic-évoqués peuvent rapidement entraîner une défaillance de détecter des pics. Il ya seulement une très petite fenêtre de l&#39;intensité d&#39;excitation où la détection de signaux de fluorescence pic est élevé. Sur l&#39;extrémité supérieure de cette fenêtre est limitée par le photovieillissement, à l&#39;extrémité inférieure des signaux de fluorescence ont un faible rapport signal-sur-bruit. Pour les neurones corticaux en tranches aiguës, nous utilisons la puissance du laser qui entraîne des taux de photons d&#39;environ 400,000-1,500,000 photons / s lors de l&#39;enregistrement à environ 100 um sous la surface de la tranche. Lorsque vous utilisez une grandeAffinité indicateur - ici Oregon Green 488 BAPTA - 1 - ce signal est suffisante pour détecter des pics individuels. Fig. 3E montre un exemple d&#39;un signal de fluorescence enregistrées à une cadence d&#39;excitation très faible, un exemple d&#39;un enregistrement dans la fenêtre de détection, et l&#39;autre à taux d&#39;excitation très élevée. Par rapport à d&#39;autres techniques pour enregistrer l&#39;activité neuronale avec une résolution à cellule unique et une seule pointe, tergiversé au hasard analyse à l&#39;accès est possible d&#39;enregistrer à partir d&#39;un plus grand nombre de neurones de la même population locale, et est moins invasive, par exemple par rapport à tétrode / multiélectrodes enregistrements . Ainsi tramage aléatoire analyse à l&#39;accès peut être utilisé pour enregistrer l&#39;activité neuronale de nombreux neurones pour mesurer l&#39;information mutuelle signalée par l&#39;activité supraliminaire 6 (figure 4A), les modifications de l&#39;activité neuronale dans une population de neurones (plasticité corticale), et la propagation de l&#39;activité supraliminaire dans les populations de neurones 14 (figure 4B) <img<html> alt = &quot;Figure 1&quot; src = &quot;/ files/ftp_upload/4052/4052fig1.jpg&quot; /&gt; Figure 1. Conception optique de la configuration tramée-analyse à l&#39;accès aléatoire. <img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/4052/4052fig2.jpg" /> Figure 2 Alignement et des essais:. Distributions de signaux de fluorescence enregistrés dans des conditions différentes. A) de lumière laser et le gain de photomultiplicateur n bas, B) avec un gain plus élevé PMT, mais pas de lumière laser, la répartition est plus large à cause du courant photomultiplicateur sombre. C) Avec le laser et enregistré au gain du PMT élevé. Une différence entre les distributions indiquées dans B et cette distribution semble indiquer que la lumière d&#39;excitation atteint les détecteurs PMT. D) La distribution des signaux de fluorescence enregistrés à gain élevé de neurone soma. Si aucune autre source de bruit contribue, cette répartition découle de photons coup-que du bruit. . Jpg &quot;/&gt; Figure 3 Une image) d&#39;image maximale de fluorescence pour détecter et sélectionner des positions Somata neurones, B) de balayage vers l&#39;un des cycles, C) Illustration du principe de tramage;. Dans chaque Soma (cercle) sont enregistrées plusieurs endroits avant de déplacer le faisceau à l&#39;autre soma, D) Illustration de la sortie de la D deux / A canaux. Pour chaque neurone soma, signal de fluorescence est enregistrée à partir de 4 points différents dans chaque soma (S1-S4). L&#39;emplacement de chaque point est donnée par sa position x et y. La positions x et y pour tous les spots et tous les neurones sont envoyées au convertisseur numérique-analogique d&#39;une manière séquentielle. Alors que le faisceau est déplacé entre deux corps cellulaires des neurones, aucun signal n&#39;est acquis (blanc). E) Exemples de signaux de fluorescence. Noter que chaque exemple montre la réponse à une pointe (telle que mesurée avec électrophysiologique cellule attenante enregistrement). <img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/4052/4052fig4.jpg" /> Figure 4. Etudier cortical en utilisant la fonction de tramage aléatoire analyse à l&#39;accès. A) Mesure de l&#39;information mutuelle signalée par des populations de neurones. L&#39;image du haut montre microphotographie d&#39;une coupe de cerveau aiguë et deux pipettes de stimulation placés dans la même colonne corticale dans la couche 4 (L4). Centre de graphiques montrent des réponses de neurones pour chaque répétition d&#39;un stimulus. Graphique du bas montre l&#39;information mutuelle de Shannon signalée par la population enregistrée de neurones. Propagation de mesure B) de l&#39;activité supraliminaire enrichissement (de propagation du signal) entre les populations de neurones corticaux. Graphique ci-dessus illustre la conception expérimentale, l&#39;image du centre montre l&#39;image de fluorescence, lignes pointillées indiquent les limites baril, graphique inférieur montre des pics détectés en réponse à une stimulation électrique des fibres thalamo-corticales (triangles).

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N., Greenberg, D., Helmchen, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+input+and+output+of+neocortical+networks+in+vivo.">Imaging input and output of neocortical networks in vivo.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102, 14063-14068 (2005).</li><li>Lin, B. J., Chen, T. W., Schild, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cell+type-specific+relationships+between+spiking+and+[Ca2+]i+in+neurons+of+the+Xenopus+tadpole+olfactory+bulb.">Cell type-specific relationships between spiking and [Ca2+]i in neurons of the Xenopus tadpole olfactory bulb.</a> J. Physiol. 582, 163-175 (2007).</li><li>Zeng, S., Lv, X., Zhan, C., Chen, W. 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Methods. 3, 377-383 (2006).</li><li>Hendel, T., Mank, M., Schnell, B., Griesbeck, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluorescence+changes+of+genetic+calcium+indicators+and+OGB-1+correlated+with+neural+activity+and+calcium+in+vivo+and+in+vitro.">Fluorescence changes of genetic calcium indicators and OGB-1 correlated with neural activity and calcium in vivo and in vitro.</a> J. Neurosci. 28, 7399-7411 (2008).</li><li>Ranganathan, G. N., Koester, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Correlations+decrease+with+propagation+of+spiking+activity+in+the+mouse+barrel+cortex.">Correlations decrease with propagation of spiking activity in the mouse barrel cortex.</a> Front Neural Circuits. 5, 8 (2011).</li></ol>

Aucun conflit d&#39;intérêt déclaré.

Dithered à accès aléatoire balayage détecte indirectement l&#39;activité supraliminaire dopage de l&#39;augmentation de calcium intracellulaire somatique associée à chaque pic dans un corps cellulaires des neurones. Les augmentations du calcium intracellulaire sont détectés par des colorants fluorescents de calcium. Les limites de tramage aléatoire analyse à l&#39;accès proviennent en grande partie de la limité de signal sur bruit des signaux de fluorescence de calcium. Le rapport signal-à-bruit est limit?...

<table border="1"><tbody><tr><td> Nom du réactif </td><td> Entreprise </td><td> Numéro de catalogue </td><td> Commentaires (optionnel) </td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Les composants optiques sont répertoriés dans l&#39;ordre, en commençant par le laser </td></tr><tr><td> Titan: Saphir Laser </td><td> Coherent Inc </td><td> Chameleon Ultra 2 </td><td> Haute puissance de sortie recommandée (&gt; 2 W à 900 nm) </td></tr><tr><td> Lentille achromatique f = 30 mm </td><td> Laboratoires Thor </td><td> AC254-030-B </td><td> Anti-reflet (AR) 650-1050 nm revêtement pour </td></tr><tr><td> Lentille achromatique f = 100 mm </td><td> Laboratoires Thor </td><td> AC254-100-B </td><td> AR 650-1050 nm </td></tr><tr><td> Objectif f = 75 mm </td><td> Laboratoires Thor </td><td> LA1608-B </td><td> AR 650-1050 nm </td></tr><tr><td> Objectif f = 175 mm</td><td> Laboratoires Thor </td><td> LA1229-B </td><td> AR 650-1050 nm </td></tr><tr><td> Lentille achromatique f = 300 mm </td><td> Laboratoires Thor </td><td> AC254-300-B </td><td> AR 650-1050 nm </td></tr><tr><td> Lentille achromatique f = 100 mm </td><td> Laboratoires Thor </td><td> AC254-100-B </td><td> AR 650-1050 nm </td></tr><tr><td> Lentille achromatique f = 100 mm </td><td> Laboratoires Thor </td><td> AC254-100-B </td><td> AR 650-1050 nm </td></tr><tr><td> Déflecteurs acousto-optiques </td><td> Intraaction Corp </td><td> ATD 6510CD2 </td><td></td></tr><tr><td> Réseau de diffraction réfléchissant </td><td> Newport </td><td> 53-011R </td><td> 100 traits / mm pour OD avec 65 MHz de bande passante et de l&#39;angle de balayage de 45 mrad </td></tr><tr><td> 21,6 mm Brewster prismes </td><td> Lambda Optics Research Inc </td><td> IBP21.6SF10 </td><td></td></tr><tr><td> Verre coloré </td><td> Schott </td&gt; <td> BG-39 </td><td></td></tr><tr><td> Miroir dichroïque </td><td> Chroma Technology Corp </td><td> Z532RDC </td><td></td></tr><tr><td> Modules photomultiplicateurs </td><td> Hamamatsu </td><td> H9305-03 </td><td></td></tr><tr><td> DAC-ADC conseil d&#39;administration </td><td> National Instruments </td><td> PCI-6115 </td><td></td></tr><tr><td> Oregon Green 488 BAPTA-une heures </td><td> Invitrogen </td><td> O-6807 </td><td></td></tr></tbody></table>

optical recording of suprathreshold neural activity with single-cell and single-spike resolution

Signalisation de l&#39;information dans le système nerveux central des vertébrés est souvent effectué par des populations de neurones plutôt que des neurones individuels. La propagation de l&#39;activité de dopage supraliminaire implique populations de neurones. Les études empiriques portant sur la fonction corticale directement nécessitent donc des enregistrements de populations de neurones avec une résolution élevée. Nous décrivons ici une méthode optique et un algorithme de déconvolution pour enregistrer l&#39;activité neuronale à partir de 100 neurones avec une résolution à cellule unique et un seul pic. Cette méthode repose sur la détection des élévations transitoires de la concentration intracellulaire de calcium somatique associée avec des pointes supraliminaire électriques (potentiels d&#39;action) dans les neurones corticaux. Haute résolution temporelle des enregistrements optiques est obtenue par une technique de balayage à accès aléatoire rapide à l&#39;aide de déflecteurs acousto-optiques (OD) 1. Excitation à deux photons des résultats de calcium colorant sensible à haute résolution spatiale en tis cerveau opaquespoursuivre 2. Reconstruction des pics de fluorescence des enregistrements de calcium est obtenu par un procédé du maximum de vraisemblance. Simultanée des enregistrements électrophysiologiques et optiques montrent que notre méthode permet de détecter de manière fiable les pointes (&gt; 97% d&#39;efficacité de détection de crête), a un faible taux de faux pic de détection positive (&lt;0,003 pointes / s), et une grande précision temporelle (environ 3 ms) 3. Cette méthode optique de détection de crête peut être utilisé pour enregistrer l&#39;activité neuronale in vitro et chez les animaux anesthésiés in vivo 3,4.

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Optical Recording of Suprathreshold Neural Activity with Single-cell and Single-spike Resolution

Comprendre le fonctionnement du système nerveux des vertébrés centrale nécessite des enregistrements de neurones de nombreuses fonctions corticales se pose parce que le niveau des populations de neurones. Nous décrivons ici une méthode optique pour enregistrer l&#39;activité neuronale supraliminaire avec une résolution à cellule unique et une seule pointe, tergiversé au hasard analyse à l&#39;accès. Cette méthode enregistre les signaux somatiques calcium de fluorescence jusqu&#39;à 100 neurones avec une haute résolution temporelle. Un algorithme du maximum de vraisemblance deconvolves l&#39;activité neurale sous-jacente supraliminaire de signaux somatiques les calcium par fluorescence. Cette méthode permet de détecter de manière fiable les pointes avec une efficacité de détection élevé et un faible taux de faux positifs et peut être utilisé pour étudier les populations de neurones<em&gt; In vitro</em&gt; Et<em&gt; In vivo</em&gt;.

D&#39;enregistrement optique de l&#39;activité neuronale supraliminaire avec une résolution à cellule unique et un seul pic

Signaling of information in the vertebrate central nervous system is often carried by populations of neurons rather than individual neurons. Also ...

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11.8K vues.  The University of Texas at Austin. Comprendre le fonctionnement du système nerveux des vertébrés centrale nécessite des enregistrements de neurones de nombreuses fonctions corticales se pose parce que le niveau des populations de neurones. Nous décrivons ici une méthode optique pour enregistrer l'activité neuronale supraliminaire avec une résolution à cellule unique et une seule pointe, tergiversé au hasard analyse à l'accès. Cette méthode enregistre les signaux somatiques calcium de f...

Vidéo: Optical Recording of Suprathreshold Neural Activity with Single-cell and Single-spike Resolution

Surgical Implantation of Chronic Neural Electrodes for Recording Single Unit Activity and Electrocorticographic Signals

The success of long-term electrophysiological recordings often depends on the quality of the implantation surgery. Here we provide useful information for surgeons who are learning the process of implanting electrode systems. We demonstrate the implantation procedure of both a penetrating and a surface electrode. The surgical process is described from start to finish, including detailed descriptions of each step throughout the procedure. It should also be noted that this video guide is focused towards procedures conducted in rodent models and other small animal models. Modifications of the described procedures are feasible for other animal models.

We provide useful information for surgeons who are learning the process of implanting chronic neural recording electrodes. Techniques for both penetrating and surface electrode systems are described in a rodent animal model.

L&#39;implantation chirurgicale d&#39;électrodes neurales chroniques pour l&#39;enregistrement d&#39;activité Unité unique et Signaux Electrocorticographic

The success of long-term electrophysiological recordings often depends on the quality of the implantation surgery.  Here we provide useful information for ...

Recherche

Neurosciences

Multi-unit Recording Methods to Characterize Neural Activity in the Locust (Schistocerca Americana) Olfactory Circuits

Detection and interpretation of olfactory cues are critical for the survival of many organisms. Remarkably, species across phyla have strikingly similar olfactory systems suggesting that the biological approach to chemical sensing has been optimized over evolutionary time1. In the insect olfactory system, odorants are transduced by olfactory receptor neurons (ORN) in the antenna, which convert chemical stimuli into trains of action potentials. Sensory input from the ORNs is then relayed to the antennal lobe (AL; a structure analogous to the vertebrate olfactory bulb). In the AL, neural representations for odors take the form of spatiotemporal firing patterns distributed across ensembles of principal neurons (PNs; also referred to as projection neurons)2,3. The AL output is subsequently processed by Kenyon cells (KCs) in the downstream mushroom body (MB), a structure associated with olfactory memory and learning4,5. Here, we present electrophysiological recording techniques to monitor odor-evoked neural responses in these olfactory circuits.
First, we present a single sensillum recording method to study odor-evoked responses at the level of populations of ORNs6,7. We discuss the use of saline filled sharpened glass pipettes as electrodes to extracellularly monitor ORN responses. Next, we present a method to extracellularly monitor PN responses using a commercial 16-channel electrode3. A similar approach using a custom-made 8-channel twisted wire tetrode is demonstrated for Kenyon cell recordings8. We provide details of our experimental setup and present representative recording traces for each of these techniques.

Multi-unit Recording Methods to Characterize Neural Activity in the Locust Schistocerca Americana Olfactory Circuits

We demonstrate variations of the extracellular multi-unit recording technique to characterize odor-evoked responses in the first three stages of the invertebrate olfactory pathway. These techniques can easily be adapted to examine ensemble activity in other neural systems as well.

Méthodes d&#39;enregistrement multi-unités pour caractériser l&#39;activité neuronale dans le Criquet (<em&gt; Schistocerca americana</em&gt; Circuits olfactifs)

Detection and interpretation of olfactory cues are critical for the survival  of many organisms. Remarkably, species across phyla have strikingly similar ...

Optogenetic Perturbation of Neural Activity with Laser Illumination in Semi-intact Drosophila Larvae in Motion

Drosophila larval locomotion is a splendid model system in developmental and physiological neuroscience, by virtue of the genetic accessibility of the underlying neuronal components in the circuits1-6. Application of optogenetics7,8 in the larval neural circuit allows us to manipulate neuronal activity in spatially and temporally patterned ways9-13. Typically, specimens are broadly illuminated with a mercury lamp or LED, so specificity of the target neurons is controlled by binary gene expression systems such as the Gal4-UAS system14,15. In this work, to improve the spatial resolution to "sub-genetic resolution", we locally illuminated a subset of neurons in the ventral nerve cord using lasers implemented in a conventional confocal microscope. While monitoring the motion of the body wall of the semi-intact larvae, we interactively activated or inhibited neural activity with channelrhodopsin16,17 or halorhodopsin18-20, respectively. By spatially and temporally restricted illumination of the neural tissue, we can manipulate the activity of specific neurons in the circuit at a specific phase of behavior. This method is useful for studying the relationship between the activities of a local neural assembly in the ventral nerve cord and the spatiotemporal pattern of motor output.

Optogenetic Perturbation of Neural Activity with Laser Illumination in Semi-intact Drosophila Larvae in Motion

Here we describe a protocol for optogenetic manipulation of motoneuronal activity while monitoring changes in motor output (muscle contraction) in semi-intact Drosophila larvae using lasers within a conventional confocal microscope. This technique enables researchers to achieve local perturbation of neural activity in a few neuromeres to elucidate the dynamics of motor circuits.

Optogenetic Perturbation de l&#39;activité neuronale avec illumination laser à semi-intactes<em&gt; Drosophila</em&gt; Les larves in Motion

Drosophila larval locomotion is a splendid model system in developmental and physiological neuroscience, by virtue of the genetic accessibility of the ...

Micron-scale Resolution Optical Tomography of Entire Mouse Brains with Confocal Light Sheet Microscopy

Understanding the architecture of mammalian brain at single-cell resolution is one of the key issues of neuroscience. However, mapping neuronal soma and projections throughout the whole brain is still challenging for imaging and data management technologies. Indeed, macroscopic volumes need to be reconstructed with high resolution and contrast in a reasonable time, producing datasets in the TeraByte range. We recently demonstrated an optical method (confocal light sheet microscopy, CLSM) capable of obtaining micron-scale reconstruction of entire mouse brains labeled with enhanced green fluorescent protein (EGFP). Combining light sheet illumination and confocal detection, CLSM allows deep imaging inside macroscopic cleared specimens with high contrast and speed. Here we describe the complete experimental pipeline to obtain comprehensive and human-readable images of entire mouse brains labeled with fluorescent proteins. The clearing and the mounting procedures are described, together with the steps to perform an optical tomography on its whole volume by acquiring many parallel adjacent stacks. We showed the usage of open-source custom-made software tools enabling stitching of the multiple stacks and multi-resolution data navigation. Finally, we illustrated some example of brain maps: the cerebellum from an L7-GFP transgenic mouse, in which all Purkinje cells are selectively labeled, and the whole brain from a thy1-GFP-M mouse, characterized by a random sparse neuronal labeling.

In this article we describe the full experimental procedure to reconstruct, with high resolution, the fine brain anatomy of fluorescently labeled mouse brains. The described protocol includes sample preparation and clearing, specimen mounting for imaging, data post-processing and multi-scale visualization.

Résolution tomographie optique de cerveaux de souris entières avec Feuille confocale microscopie optique Micron-échelle de

Understanding the architecture of mammalian  brain at single-cell resolution is one of the key issues of neuroscience.  However, mapping neuronal soma and ...

Neural Activity Propagation in an Unfolded Hippocampal Preparation with a Penetrating Micro-electrode Array

This protocol describes a method for preparing a new in vitro flat hippocampus preparation combined with a micro-machined array to map neural activity in the hippocampus. The transverse hippocampal slice preparation is the most common tissue preparation to study hippocampus electrophysiology. A longitudinal hippocampal slice was also developed in order to investigate longitudinal connections in the hippocampus. The intact mouse hippocampus can also be maintained in vitro because its thickness allows adequate oxygen diffusion. However, these three preparations do not provide direct access to neural propagation since some of the tissue is either missing or folded. The unfolded intact hippocampus provides both transverse and longitudinal connections in a flat configuration for direct access to the tissue to analyze the full extent of signal propagation in the hippocampus in vitro. In order to effectively monitor the neural activity from the cell layer, a custom made penetrating micro-electrode array (PMEA) was fabricated and applied to the unfolded hippocampus. The PMEA with 64 electrodes of 200 &#181;m in height could record neural activity deep inside the mouse hippocampus. The unique combination of an unfolded hippocampal preparation and the PMEA provides a new in-vitro tool to study the speed and direction of propagation of neural activity in the two-dimensional CA1-CA3 regions of the hippocampus with a high signal to noise ratio.

We have developed an in vitro unfolded hippocampus which preserves CA1-CA3 array of neurons. Combined with the penetrating micro-electrode array, neural activity can be monitored in both the longitudinal and transverse orientations. This method provides advantages over hippocampal slice preparations as the propagation in the entire hippocampus can be recorded simultaneously.

Neural activité Propagation dans un hippocampe Préparation déplié avec un pénétrant Micro-réseau d&#39;électrodes

This protocol describes a method for preparing a new in vitro flat hippocampus preparation combined with a micro-machined array to map neural activity in ...

Extracellular Recording of Neuronal Activity Combined with Microiontophoretic Application of Neuroactive Substances in Awake Mice

Differences in the activity of neurotransmitters and neuromodulators, and consequently different neural responses, can be found between anesthetized and awake animals. Therefore, methods allowing the manipulation of synaptic systems in awake animals are required in order to determine the contribution of synaptic inputs to neuronal processing unaffected by anesthetics. Here, we present methodology for the construction of electrodes to simultaneously record extracellular neural activity and release multiple neuroactive substances at the vicinity of the recording sites in awake mice. By combining these procedures, we performed microiontophoretic injections of gabazine to selectively block GABAA receptors in neurons of the inferior colliculus of head-restrained mice. Gabazine successfully modified neural response properties such as the frequency response area and stimulus-specific adaptation. Thus, we demonstrate that our methods are suitable for recording single-unit activity and for dissecting the role of specific neurotransmitter receptors in auditory processing.
The main limitation of the described procedure is the relatively short recording time (~3 hr), which is determined by the level of habituation of the animal to the recording sessions. On the other hand, multiple recording sessions can be performed in the same animal. The advantage of this technique over other experimental procedures used to manipulate the level of neurotransmission or neuromodulation (such as systemic injections or the use of optogenetic models), is that the drug effect is confined to the local synaptic inputs to the target neuron. In addition, the custom-manufacture of electrodes allows adjustment of specific parameters according to the neural structure and type of neuron of interest (such as the tip resistance for improving the signal-to-noise ratio of the recordings).

We present methods for the construction of electrodes to simultaneously record extracellular neural activity and release multiple neuroactive substances at the vicinity of the recording sites in awake mice. This technique allows the detailed analysis of putative local synaptic inputs to the neuron of interest.

Extracellulaires enregistrement de l&#39;activité neuronale Combiné avec Microiontophoretic Application des substances neuroactifs chez la souris Awake

Differences in the activity of neurotransmitters and neuromodulators, and consequently different neural responses, can be found between anesthetized and ...

Fabrication of High Contact-Density, Flat-Interface Nerve Electrodes for Recording and Stimulation Applications

Many attempts have been made to manufacture multi-contact nerve cuff electrodes that are safe, robust and reliable for long term neuroprosthetic applications. This protocol describes a fabrication technique of a modified cylindrical nerve cuff electrode to meet these criteria. Minimum computer-aided design and manufacturing (CAD and CAM) skills are necessary to consistently produce cuffs with high precision (contact placement 0.51 &#177; 0.04 mm) and various cuff sizes. The precision in spatially distributing the contacts and the ability to retain a predefined geometry accomplished with this design are two criteria essential to optimize the cuff&#39;s interface for selective recording and stimulation. The presented design also maximizes the flexibility in the longitudinal direction while maintaining sufficient rigidity in the transverse direction to reshape the nerve by using materials with different elasticities. The expansion of the cuff&#39;s cross sectional area as a result of increasing the pressure inside the cuff was observed to be 25% at 67 mm Hg. This test demonstrates the flexibility of the cuff and its response to nerve swelling post-implant. The stability of the contacts&#39; interface and recording quality were also examined with contacts&#39; impedance and signal-to-noise ratio metrics from a chronically implanted cuff (7.5 months), and observed to be 2.55 &#177; 0.25 k&#8486; and 5.10 &#177; 0.81 dB respectively.

This article provides a detailed description on the fabrication process of a high contact-density flat interface nerve electrode (FINE). This electrode is optimized for recording and stimulating neural activity selectively within peripheral nerves.

Fabrication de haute Contactez-Density, Flat-Interface Electrodes nerveuses pour l&#39;enregistrement et de stimulation Applications

Many attempts have been made to manufacture multi-contact nerve cuff electrodes that are safe, robust and reliable for long term neuroprosthetic ...

Single-cell Resolution Fluorescence Live Imaging of Drosophila Circadian Clocks in Larval Brain Culture

The circadian pacemaker circuit orchestrates rhythmic behavioral and physiological outputs coordinated with environmental cues, such as day/night cycles. The molecular clock within each pacemaker neuron generates circadian rhythms in gene expression, which underlie the rhythmic neuronal functions essential to the operation of the circuit. Investigation of the properties of the individual molecular oscillators in different subclasses of pacemaker neurons and their interaction with neuronal signaling yields a better understanding of the circadian pacemaker circuit. Here, we present a time-lapse fluorescent microscopy approach developed to monitor the molecular clockwork in clock neurons of cultured Drosophila larval brain. This method allows the multi-day recording of the rhythms of genetically encoded fluorescent circadian reporters at single-cell resolution. This setup can be combined with pharmacological manipulations to closely analyze real-time response of the molecular clock to various compounds. Beyond circadian rhythms, this multipurpose method in combination with powerful Drosophila genetic techniques offers the possibility to study diverse neuronal or molecular processes in live brain tissue.

Single-cell Resolution Fluorescence Live Imaging of Drosophila Circadian Clocks in Larval Brain Culture

The goal of this protocol is to establish ex vivo Drosophila larval brain culture optimized to monitor circadian molecular rhythms with long-term fluorescence time-lapse imaging. The application of this method to pharmacological assays is also discussed.

Fluorescence de cellule unique résolution vivre Imaging of Drosophila horloges circadiennes dans cerveau larvaire Culture

The circadian pacemaker circuit orchestrates rhythmic behavioral and physiological outputs coordinated with environmental cues, such as day/night cycles. ...

Analyzing Neural Activity and Connectivity Using Intracranial EEG Data with SPM Software

Measuring neural activity and connectivity associated with cognitive functions at high spatial and temporal resolutions is an important goal in cognitive neuroscience. Intracranial electroencephalography (EEG) can directly record electrical neural activity and has the unique potential to accomplish this goal. Traditionally, averaging analysis has been applied to analyze intracranial EEG data; however, several new techniques are available for depicting neural activity and intra- and inter-regional connectivity. Here, we introduce two analytical protocols we recently applied to analyze intracranial EEG data using the Statistical Parametric Mapping (SPM) software: time-frequency SPM analysis for neural activity and dynamic causal modeling of induced responses for intra- and inter-regional connectivity. We report our analysis of intracranial EEG data during the observation of faces as representative results. The results revealed that the inferior occipital gyrus (IOG) showed gamma-band activity at very early stages (110 ms) in response to faces, and both the IOG and amygdala showed rapid intra- and inter-regional connectivity using various types of oscillations. These analytical protocols have the potential to identify the neural mechanisms underlying cognitive functions with high spatial and temporal profiles.

We present two analytical protocols that can be used to analyze intracranial electroencephalography data using the Statistical Parametric Mapping (SPM) software: time-frequency statistical parametric mapping analysis for neural activity, and dynamic causal modeling of induced responses for intra- and inter-regional connectivity.

Analyser l’activité neurale et la connectivité à l’aide des données EEG intracrânienne avec logiciel SPM

Measuring neural activity and connectivity associated with cognitive functions at high spatial and temporal resolutions is an important goal in cognitive ...

Wide-field Single-photon Optical Recording in Brain Slices Using Voltage-sensitive Dye

Wide-field single photon voltage-sensitive dye (VSD) imaging of brain slice preparations is a useful tool to assess the functional connectivity in neural circuits. Due to the fractional change in the light signal, it has been difficult to use this method as a quantitative assay. This article describes special optics and slice handling systems, which render this technique stable and reliable. The present article demonstrates the slice handling, staining, and recording of the VSD-stained hippocampal slices in detail. The system maintains physiological conditions for a long time, with good staining, and prevents mechanical movements of the slice during the recordings. Moreover, it enables staining of slices with a small amount of the dye. The optics achieve high numerical aperture at low magnification, which allows recording of the VSD signal at the maximum frame rate of 10 kHz, with 100 pixel x 100-pixel spatial resolution. Due to the high frame rate and spatial resolution, this technique allows application of the post-recording filters that provide sufficient signal-to-noise ratio to assess the changes in neural circuits.

We introduce a reproducible and stable optical recording method for brain slices using voltage-sensitive dye. The article describes voltage-sensitive dye staining and recording of optical signals using conventional hippocampal slice preparations.

Enregistrement optique à grand champ à un seul photon dans des tranches de cerveau à l'aide de teinture sensible à la tension

Wide-field single photon voltage-sensitive dye (VSD) imaging of brain slice preparations is a useful tool to assess the functional connectivity in neural ...