ニューロンの光刺激のために手ごろな価格のLEDアレイを使用する

要約

ChR2を表現成人生まれのニューロンは嗅覚神経回路の機能に向けての貢献を検討するために、スライスの電気生理学的な準備に操作することができます。

要約

標準スライスの電気生理学は、研究者は電気的または薬理学的操作の^1,2に対応して単一細胞の電気的応答を記録することによって、神経回路の個々のコンポーネントをプローブすることができました。光学的に遺伝的に標的ニ​​ューロンを（optogenetics）を制御する方法の発明で、研究者は今、標準のスライス標本におけるニューロンの特定のグループを制御するための前例のないレベルを持っている。特に、感光channelrhodopsin - 2（ChR2）研究者が光^3,4でニューロンを活性化することができます。標準スライスの電気生理学とChR2のLEDベースの光刺激を慎重にキャリブレーションを組み合わせることで、我々はより詳細で嗅球、嗅覚系の最初の中心的なリレーの成人生まれの介在の役割を調べることができます。成人生まれのニューロンで特異的にChR2 - YFPのウイルスの式を使用して、我々は選択的に古いの環境では若い成人生まれのニューロンを制御することができますD成熟ニューロン。私たちの光制御が簡単で安価なLEDシステムを使用して、そして我々は、このシステムは、光が単一のニューロンのスパイク活動を喚起するために必要とされるどの程度理解するためにキャリブレーションする方法を示しています。したがって、青色光の短い点滅は、リモートChR2形質導入新生児の細胞の発火パターンを制御することができます。

プロトコル

1。光学的キャリブレーション：測定LEDパワー

1. 積極的にファンや接辞によってコリメートレンズにこのLED /ヒートシンクのaparatusを冷却するヒートシンクにLEDアレイを取り付けます。
2. LED /ヒートシンク/ファン/レンズ装置で明視野照明で使用されているランプを交換してください。この装置は慎重にコリメートLEDビームが集光レンズに向かってまっすぐな光路に沿って移動するように配置する必要があります。ヒートシンク/ファンが適切にシステムの共通のグランドに接地されていることを確認します。
3. 現在の高速かつ矩形パルスを与えることができる電源とLEDアレイを駆動する。この電源は、パルス発生器から発信された5VのTTLパルスによって制御されることがあります。
4. 中心視野絞りとコンデンサーレンズの間に定義された光路に沿って平行ビーム。理想的には、LEDの光がわずかに完全に開かれた視野絞りを入れすぎないでしょう。一般的に、より緊密にコリメートLEDビームが少ないこの口径を記入し、MORが生成されます均一性を犠牲にして、電子パワー。我々のセットアップでは、consenserのダイヤフラムで、その共役面にLEDアレイの若干拡大画像を投影コリメートレンズを選択することで、光の均一性を増加した。
5. 視野絞り（光源に最も近い絞り）の画像をスライスチャンバー（ 図1）に焦点を当てているようにコンデンサーを集中しケーラー照明を実現。レンズの紙の薄い組織は、他の深さで視野絞りの焦点像を可視化するために、投影するスクリーンとして機能することができます。
6. 不透明な材料で知られている直径のピンホールの一連のドリル。光パワーメータのセンサー上でこれらの小さなピンホールは1を置きます。それが最大の読みを与えるまで、単純にパワーメータを移動することにより、視野絞りの焦点画像の上に試料ステージと中央電力計の電力計を置きます。この位置に貼ってパワーメータ。
7. 完全にすべての開口部（アパーチャ絞りを開いて、視野絞り）。体系的に光学的光パスに接続されたスライスチャンバー/パワーメータの相対的に移動し、照射領域内の光パワーの均一性を計算する。お使いのシステムのための均一性のプロットを構築する。顕微鏡を正しく客観的の焦点を中心とするケーラー照明と設定されている場合、最大電力は、直接目的の下でなければ、そしてこの焦点の外側の領域は、現在、均一性のプロットに基づいて電力の既知量を受信する必要があります。
8. ピンホールの各サイズについては、光パワー対ピンホールの表面積の標準曲線を構築する。 LEDアレイへの入力電流を調整することによって、複数のパワーレベルでこの曲線を生成し、それぞれの曲線からmm2当たりの電力を計算する。 LEDアレイは、パッチの光学系に使用する場合、パッチを適用する照明の下で送信されるどのくらいの光を知るためにパッチを適用するために必要な光学素子を（コンデンサ、ピンホールおよびフィルタ）を導入することを確認してください。
9. パワーメータを反転水銀ランプがオンになっているときに客観的に直面し、470nmでの照度を計算する。
10. チャンバーにライブスライスを追加し、散乱の脳組織を透過した光パワーを決定するための標準曲線を再構築する。

2。スライシング手続きと電気生理学

パート：スライス標本

1. 麻酔（60 mg / kgのケタミンとキシラジン2mg/kg）とマウスを刎ねる。の混合物でバブリング時〜310mOsm、pH7.4の、124のNaCl、3のKCl、1.3 MgSO _4を用い 、26のNaHCO _3、1.25 NaHPO _4、20グルコース、2のCaCl _2：MMの人工脳脊髄液（ACSF、に脳を解剖する嗅球を損傷しないように注意しながら95％O2、5％CO ₂ ^5,1）、。一方のエッジ（水平方向のセクションの）でさえ腹側表面に寒天上の2つの半球と場所を区切ります。
2. 接着剤vibrに寒天と各半球皮質の背側表面atomeチャック、そしてゆっくりと氷冷ACSFでお風呂を埋める。 300μm以下のセクションでは腹側表面からスライス、彼らが30〜45分で回復できるように、温めておいた（34-36 ° C）と酸素ACSFに各セクションを転送する。

パートB：スパイクのしきい値のルースパッチの測定

3. 30分間室温にスライスをもたらすの後、静かに酸素ACSFの一定灌流下で顕微鏡のチャンバーの記録室内のスライスを配置します。
   過度にChR2感染した神経細胞を刺激するの危険にさらされ、EYFP - ChR2の存在は、落射蛍光（図2A）で確認することができます
4. ピペットプラー（サッターP - 97）上にガラス電極を引き抜きます。 ACSFでこの電極を埋める。 ACSF槽内に配置するときにチップ抵抗は7-10 Mohmを間でなければなりません。
5. 蛍光灯照明下では、スライスで成熟した形態を持つ健康なChR2 - EYFPニューロンを探します。また、パッチの光学系では、このニューロンの細胞体を探します。
6. 電極の先端を通過した光の正圧と、特定された蛍​​光ニューロンに向かってパッチ電極を下げる。膜の接触が行われると、すぐに正圧を解放し、チップを通して吸引の小さいと簡単に金額を適用します。ギガオームシールは、原形質膜とパッチ電極の壁の間になされるべきである。
7. 場合であっても電極が活動をスパイク蛍光ニューロンに十分に近い場合ギガシールは、測定可能な局所電場電位を生成するか、形成されていません。光の異なる投与量を点滅させることで、このニューロンのChR2をアクティブにします。光用量は、電源LEDと持続時間の両方の関数であるため、多くの光が複数の力と持続時間（図2B）で活動電位を喚起する必要があるか計算する。スパイクは、水銀灯の照明下で発生したどの程度も観察。

3。代表的な結果：

私たちの顕微鏡（オリンパスBX51WI）で、私たちのLEDは私です2開口と集光レンズとn個のライン、このように工場出荷時にインストールアークランプのオリジナルの光パスを維持する。視野絞りとアパーチャ横隔膜の両方を閉じることで、我々は、パッチクランプ記録（ 図1B）のための十分な明コントラストを実現することができます。すべてのダイヤフラムで完全に我々はchannelrhodopsin活性化（ 図1A）の最大光パワーにスライスを公開開きます。私たちの顕微鏡では、このパッチの設定は（4.1μW/ mm ^2の対6.88 MW / mm ^2）の最大のフルフィールドの密度より大きさの約3桁小さい光密度を生成します。

独身の成人生まれChR2 - EYFPは顆粒細胞を表現することを示して私たちは、吻側渡り鳥ストリーム（ 図2A）から疎パッチ録音で神経芽細胞の移行のレンチウイルス感染後の成人生まれの嗅球の顆粒と糸球体ニューロンの数週間の堅牢な標識を参照してください。格言で5ミリ秒の刺激UM電力（6.88 mWの/ MM ^2）スパイク（ 図2B）を呼び起こすのに十分です。発現レベルが細胞の間で変化するので、スパイクにしきい値を通過する光の量は変わるし、関心の各セルのタイプのために統計的に記述する必要があります。

フルフィールド光刺激とパッチクランプ法スライスの電気生理学1。LEDアレイのセットアップ図 。 channelrhodopsinを有効にするには（ChR2）我々は、オープンバックの開口部とコンデンサー光学系（）を介して平行ビームを投影する。この設定は、完全に視野絞りと視野絞りの変調幅（b）を閉じることにより、高コントラストのパッチの光学系に変更することができます。略語：A.ファン、B.ヒートシンク、C. LEDの配列、D.コリメータレンズ、E.ミラー、F.の視野絞り、G.開口絞り、H.コンデンサーレンズ、I. SAmpleステージ、J.目標。

図2パッチクランプと全体のフィールド光刺激のための嗅球の300μmの水平スライス（）のイメージ。 ChR2 - EYFPの発現Lentivirally感染した成人生まれの顆粒細胞は、嗅球の中心から放射状に見ることができます。スパイクを呼び起こすために必要な光用量は、LEDフラッシュ（B）の持続時間を増加させることによって見つけることができます。この顆粒細胞のしきい値は、完全なLEDの輝度（2.43mW/mm ^2）で5msのだ。 （B）= 50msので=500μm、スケール（）でスケール。

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ディスカッション

近年は神経科学研究⁶ optogeneticツールの人気が爆発的に見てきました。その結果、これらの新しいツールを使用し始めることを希望するラボのエントリの障壁を低くすることがますます重要です。ここではそれがchannelrhodopsin発現ニューロンのフルフィールド光刺激を行うことができるように、従来のパッチクランプリグのシンプルで低コストの改修とキャリブレーションを実施する方...

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資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ketamine	Imalgène 1000		100 mg/ml
Xylazine	Rompun		2%
NaCl	Sigma-Aldrich	S5886	&nbps;
KCl	Sigma-Aldrich	P5405
MgSO4	Sigma-Aldrich	M1880
NaHCO3	Sigma-Aldrich	S5761
NaHPO4	Sigma-Aldrich	S5011
Glucose	Sigma-Aldrich	G7021
CaCl2	Sigma-Aldrich	C7902
Agarose	Sigma-Aldrich	A9539
Pipette Puller	Sutter Instrument Co.		P-97
Glass Capillaries	Harvard Apparatus	GC150T-10	1.5 mm O.D./1.17 mm I.D.
LED array	Bridgelux	BXRA-C2000
Collimating lens	Thorlabs Inc.	LEDC1	40 mm beam diameter
Power supply	A1W Electronik	HKO2800	2.8 amp
Optical power meter	Thorlabs Inc.	PM 100
Heatsink	Thermaltake	A1838	Silent Boost K8
Fan	Thermaltake	A1838	Silent Boost K8
Vibratome	Leica Microsystems	VT1200S