우리는 행동 도중 그리고 자극에 응하여 성인 Drosophila의 전체 두뇌를 이미지하기 위하여 특별히 조정된 방법을 제시합니다. 머리는 전체 뇌에 광학 액세스를 허용하기 위해 배치되며, 비행은 다리와 안테나, 프로보시스의 끝을 움직일 수 있으며 눈은 감각 자극을받을 수 있습니다.
우리는 걷기와 같은 지속적인 행동 도중 Drosophila 두뇌 전체를 이미지하기 위하여 특별히 개발된 방법을 제시합니다. 헤드 고정 및 해부는 동작에 미치는 영향을 최소화하기 위해 최적화되어 있습니다. 이것은 먼저 이동 장애를 최소화하는 홀더를 사용하여 달성됩니다. 플라이 의 머리 의 뒷면은 산책, 신랑, 냄새, 맛과 볼 수있는 비행의 능력을 유지하면서 전체 뇌에 광학 액세스를 할 수있는 각도로이 홀더에 붙어있습니다. 머리의 뒷면은 머리 운동 유물을 담당하는 광학 경로 및 근육의 조직을 제거하기 위해 해부됩니다. 플라이 뇌는 칼슘 이나 전압 지표를 사용 하 여 뇌 활동을 기록 하기 위해 이후 이미지를 수 있습니다., 예를 들어 칼슘 또는 전압 지표를 사용 하 여, 걷기 또는 그루밍 등 특정 행동 하는 동안, 그리고 다른 자극에 대 한 응답. 상당한 연습을 필요로하는 도전적인 해부를 마스터한 후,이 기술은 행동과 자극 반응에 전체 뇌 활동과 관련된 풍부한 데이터 세트를 기록 할 수 있습니다.
다양한 기술을 사용하여 뇌 활동을 이미징하는 것은 뇌 기능에 대한 이해를 심화시켰습니다. 인간에서, 두뇌 화상 진찰 기술은 중요한 한계가 있습니다: 기능적인 자기 공명 화상 진찰 (fMRI)는 단 하나 신경 해상도의 훨씬 더 낮은 spatio 측두성 해상도를 제공하지만, 뇌전도 (EEG)와 같은 빠른 기술은 뇌1에간접적이고 부분적인 접근을 허용합니다. 설치류와 같은 충분히 큰 동물 모델에서는, 헤드 마운트 현미경을 사용하여 형광 활성 센서(예를 들어, GCaMP)의 기록은 동물이 그 환경에서 움직이는 동안 뇌 활동을 관찰할 수 있게 한다2. 그럼에도 불구 하 고, 이러한 기술은 현재 뇌의 작은 부분에 만 액세스를 제공. 머리 고정 된 동물은 보다 포괄적으로 이미지 될 수 있지만, 커버리지는 여전히 부분 (예를 들어, 피질 표면3). 제브라피시 애벌레, C. 예르간과 드로소필라와 같은 작은 동물에서만 전체 뇌가 단일 뉴런4의수준에서 시간적 및 공간 해상도로 이미지화될 수 있다.
D. 멜라노가스터는 오랫동안 유전적 모델유기체5로 사용되어 왔으며 강력한 유전적 도구가6로개발되었기 때문에 특히 유망하다. 전자 현미경 검사법 7에서 파생된 새로운 대규모 해부학네트워크7에의해 보완된, 플라이는 대규모 네트워크8에서생성된 복잡한 뇌 역학을 연구할 수 있는 독특한 기회를 제공할 수 있었다. 큐티클은 투명하지 않고, 따라서 뇌를 이미지하기 위해 제거되어야하지만, 생체 내 기능 적 이미징은 2002 년 첫 번째 연구 이후 점점 더 일반적인 장소가되었다9 여러 프로토콜은 이미 출판되었습니다. 그러나, 이러한 방법은몸(10)으로부터플라이 헤드를 분리하고, 플라이의 움직임을심각하게 제한하고,자극(11,12,13,14,15)또는 뇌의 작은 부분만9,16, 26,26,27,17, 18,18,20,20, 20, 20, 20, 20, 20, 20, 20을포함한다. 이러한 강력한 접근 방식을 보완하기 위해, 우리는 최근에 다양한 자극(28)에대한 행동과 반응 중에 전체 뇌를 이미지화 할 준비를 개발했습니다.
여기서, 우리는 비행이 반 자연주의 행동 (즉, 걷기와 그루밍)을 수행하고 감각 자극에 반응하는 동안 전체 뇌를 이미지하기 위해 특별히 개발 된 방법을 제시하기 위해이 연구를 기반으로합니다. 이는 등쪽 후방 측에서 뇌 전체에 접근할 수 있도록 설계된 관찰 홀더를 사용하여 안테나와 프로보시스를 그대로 두고, 비행을 허용하여 다리를 걸을 수 있도록 허용(예: 공기 쿠션 볼). 헤드의 뒷면을 해부하는 단계는 속도, 재현성을 위해 정제되었으며, 비행의 생존력과 이동성에 미치는 영향을 최소화합니다.
모든 단계는 스테레오 현미경으로 수행됩니다.
1. 홀더 준비
2. 플라이 배치
참고 : 1 ~ 4 일 된 여성 파리는 여성의 머리가 더 크고 따라서 남성 머리보다 해부하기 쉽기 때문에 이상적이며, 젊은 파리는 부드러운 큐티클을 가지고 있습니다. 걷기 실험을 위해, 포도당을 포함하는 식염수를 사용하여 더 높은 circadian 활성(ZT0 또는 ZT11)의 시간과 실험을 일치시킴으로써 비행의 활성을 증가시킬 수 있다(예: 103 mM NaCl), 3 mM KCl, 5 mM TES, 8 mM trehalose 2 H2O, 10 mM 포도당, 26 mM NaHCO3,1 mM NaH2PO4,2.5 mM CaCl2·2H 2 O, 4 mM MgCl2·6 H2O), 최대 24 시간까지 의 질비를 배후하여 24시간까지 의 환경만, C8°시. 날개를 하루 이상 미리 클리핑하면 비행 시도를 줄이고 따라서 걷기 시합7,29,30의빈도를 증가시키는 데 도움이됩니다.
3. 머리 고정
4. 바디 위치 지정
참고: 이 단계는 신속하게 수행해야 합니다. 비행이 마취에서 회복하기 전에.
5. 구멍 밀봉
6. 머리를 해부
참고: 다음 단계에 는 선명한 포셉을 사용합니다. 매우 미세한 집게는 무딘 집게가 머리 표피를 여는 것을 더 어렵게 만들고 비행의 머리 또는 두뇌에 추가 상해로 이끌어 낼 수 있기 때문에 중요합니다. 강한 배율은이 단계에서 도움이 될 수 있습니다. 이를 목표로 쌍안경 현미경의 안구를 30배 의 안구로 대체할 수 있습니다.
상술한 제제는 고전적인 2 광자 또는 공초점 현미경검사와 같은 대규모 3D 이미징을 위한 현미경하에서 전체 뇌의 관찰을 허용하지만, 또한광시트(31)와 다른 구조화된 조명 현미경기술(32에서검토), 또는 경장 현미경검사법(28)과같은 더 빠른 기술도 있다.
행동을 관찰하고 기능성 감각 기관을 유지하면서 전체 뇌에 대한 액세스는 몇 가지 질문에 대답 할 수 있습니다.
첫째, 비행이 쉬고, 행동 중, 자극에 반응할 때 전반적인 뇌 활동은 무엇입니까? 예를 들어, 자극및 행동에 반응하는 동안 뇌 활성화를 보여주는 경장 현미경으로 얻은 데이터를 포함합니다. 예를 들어, 비디오 2에서,칼슘 프로브는 모든 뉴런(nsyb-GAL4 및 UAS-syt-GCaMP6s(왼쪽) 또는 UAS-GCaMP6M(오른쪽)으로 발현되었고 악취의 퍼프가 제시되었다. 준비는 자극에 반응하는 동안 뇌 활동의 개요를 얻을 수있는 방법을 주목한다. Drosophila에 있는 강력한 유전 공구는 특정 신경 특수형에 이 센서의 발현을 제한하는 것을 이용될 수 있습니다. 비디오 3에서,우리는 도파민및 혈청세포 뉴런 (TH-GAL4, DDC-GAL4 및 UAS-GCaMP6M)에 칼슘 센서의 발현을 제한했습니다. 행동 하는 동안 전체 뇌를 관찰 하 여 허용 하는 플라이 워킹과 밀접 하 게 상관 상관 뇌를 통해 강한 동기 활동을 주의. 칼슘 활성 이외에, 다른 물리적 또는 화학적 신호는 이미지화될 수 있다(예를 들어 전압28,33,신진 대사 제품34,35 또는 특정 신경 조절기36에대한 센서를 사용).
뇌 활동의 역할을 더 구체적으로 이해하기 위해, 우리는 어떤 행동이, 자극에 대한 반응 또는 활동의 자발적인 패턴에 관여하는 지구를 물어볼 수 있습니다. 데이터는 실제로 주 성분 분석 및 독립적인 구성 요소 분석과 같은 기술을 사용하여 기능 영역을 추출하는 편향되지 않은 화면으로 사용될 수 있습니다. 그림 9A는 다른 색상의 다른 기능 영역을 나타낸다. 기능 영역의 모양과 국소화를 통해 해부학적 템플릿에 매핑하여 뇌 영역과 경우에 따라 뉴런 유형을 식별할 수 있습니다. 더욱이, 일단 해부학적 템플릿에 정렬되면, 형광 값은 정량분석을 위해 해부학적 뇌 영역에서 평균될 수 있다(그림 9B참조). 예를 들어 그림 9B의 데이터에 적용된 계층 적 gaussian 모델은 방행 중에 영역이 더 활성화되어 있음을 보여 줍니다(ΔF/F 중앙값 0.029, 95% 신뢰할 수 있는 간격=[0.017 0.041])하지만 신랑 중에는 그렇지 않습니다(ΔF/F 중앙값 = -0.0049 95% 신뢰할 수 있는 간격[-0.01].05.01.01).
이해 깊이에 추가하면, 준비에 의해 허용되는 상이한 기능 영역의 동시 기록은 기능 네트워크의 동적 특성을 연구하는 데 사용될 수 있다. 이것은 중요 하기 때문에 지금까지 공부 하는 모든 두뇌에 두뇌 영역은 매우 되 면 상호 연결 하 고 점점 더 많은 연구 도 감각 영역 동물의 행동 상태에 응답 하는 것으로 나타났습니다. 동적 시스템에 맞을 수 있는 기능 그래프 특성(예: 모듈) 및 스파티오-측두패턴(예:8 참조)과 같은 여러 측면을 볼 수 있습니다.
그림 1: 홀더 준비(1단계). A)홀더 디자인(상단에서 보기). B)목 슬롯 준비. 상단: 테이프 디자인, 하단: 목 슬롯을 절단하는 데 사용되는 병렬 블레이드. C)아래로부터 홀더의 보기. D) 목 슬롯 테이프를 추가할 위치를 나타내는 하단 뷰입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 추가 준비(1단계). A)머리 뒤쪽을 덮는 접착제를 방지하고 식염수 누출을 방지하기 위해 목 슬롯에 기름을 추가합니다. 스케일 바, 1mm. B)상단 : 몸을 아래로 밀어 하는 데 사용할 것 이다 테이프의 조각의 모양. 아래쪽: 테이프가 홀더에 맞는지 확인합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 중심을 돕기 위해 V자 형 테이프 조각을 배치합니다. (A)하단 뷰. (B)최고 보기. 스케일 바, 2mm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 플라이(2단계)를 놓습니다. 왼쪽, 목이 목 슬롯에 있도록 몸을 배치하기 위해 두 개의 둔한 집게를 사용합니다. 중간, 머리를 정렬합니다. 눈은 슬롯 의 가장자리에 양쪽에 놓여 있습니다. 플라이의 머리는 똑바로. 오른쪽, 얼음으로 덮인 조직으로 비행을 감싸서 움직이지 못하게 하십시오. 스케일 바, 1mm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: 머리를 고정합니다(3단계). A) 머리의 이상적인 각도. B)관심있는 감각 영역을 피하고 머리 주위에 UV 접착제를 추가합니다. 스케일 바, 1mm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: 프로보스시스의 팁과 안테나는 접착제(3단계)로부터 자유롭게 보관할 수 있다. 흰색 원은 UV 접착제가 적용된 영역을 나타냅니다. 화살표는 후각 및 돌풍 실험에 대한 접착제에서 무료로 남아있는 부품을 보여줍니다. 다리가 접착제 영역에 닿지 않도록 하는 선택적 테이프를 참고하십시오. 스케일 바, 200 μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 7: 후면 테이프(4.2단계)를 놓습니다. 1단계에서 생성된 테이프(그림 2,왼쪽 참조)는 본문을 배치하고 홀더의 큰 구멍을 덮는 데 사용됩니다. 스케일 바, 1mm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 8: 해부 단계(6단계). A-B) 어두운 삼각형의 기저부(십자가)의 기저부에서 각 면을 잘라내어 큐티클 C의이 부분을 제거합니다. D)및 E)근육 16을 제거합니다. 그런 다음 큐티클 F의나머지 부분, 공기 자루 G)및 근육을 부드럽게 제거합니다. H)머리를 해부. 스케일 바, 200 μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 9: 대표 결과. A)기능영역(PCA및 ICA를 사용하여 추출)을 발현하는 GCaMP6 팬뉴뉴니어를 경전지 현미경으로 이미지화(25x, NA=0.95와 일치하는 f/12 마이크로 렌즈 어레이). 스케일 바, 100 μm. B)자극 및 행동에 대한 응답 중 큰 뇌 영역에서평균 칼슘활성(28에서재현). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
비디오 1: 근육 16 운동 (단계 6.3). GFP는 근육에서 발현되었다. 기관 바로 위의 구멍에서 나오는 펌핑 움직임을 유의하십시오. 이 비디오를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
비디오 2: 두 가지 다른 준비를 위한 냄새에 반응 하는 동안 팬 신경 칼슘 활동. 발사믹 식초는 즉석에서 부풀어 오른 다. 범뉴알 칼슘 활성(nsyb-GAL4 드라이버, UAS-syt-GCaMP6s 왼쪽 및 UAS-GCaMP6M 오른쪽)은 경야 현미경(25x, NA=0.95)으로 이미지화되었다(25x, NA=0.95와 일치하는 f/12 마이크로렌즈 어레이). 그런 다음 경야 이미지는 심판28,37에설명된 대로 재구성되었다. 이 비디오를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
비디오 3: 행동 중 뉴런 유형 하위 집합의 칼슘 활동. GCaMP6는 도파민및 세로토니르기크 뉴런(TH-GAL4 및 DDC-GAL4)에서 발현되었다. 플라이 유전 도구와 함께, 준비는 걷는 동안 많은 지역에서 활동의 강한 증가를 관찰 할 수 있습니다. 이 비디오를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 재료. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
Drosophila는 전체 두뇌가 복잡한 행동 도중 심상될 수 있는 희소한 성인 동물 의 한개입니다. 여기에서, 우리는 비행을 준비하고 진행중인 전체 뇌 활동을 이미지에 전체 뇌를 노출하는 방법을 제시한다. 몇 가지 중요한 점을 주목해야 합니다.
D. 멜라노가스터와 같은 작은 동물을 해부하는 것은 어려운 일입니다. 따라서 방법은 그것을 마스터하기 위해 많은 연습과 인내심이 필요합니다. 그러나, 훈련 후, 절차는 30 분 미만 소요 하 고 재현 가능한 결과 생산.
우리가 제시 한 방법에는 추가 제한이 있습니다. 첫째, 자연적인 위치에서 플라이 헤드를 기울이면 목이 스트레칭되어 결합 조직, 신경 또는 근육에 손상을 줄 수 있습니다. 둘째, 복부 식도 영역(SEZ)은 광학적으로 접근할 수 있지만 반투명 식도 아래에 있어 이 영역의 강도와 해상도가 감소합니다. 마지막으로, 홀더는 대부분의 방향으로 손이 닿지 않지만, 비행은 여전히 때때로 그 존재를 깨닫고 탈출을 시도하도록 밀어 넣습니다.
이러한 제한에도 불구하고, 자극에 대한 반응과 행동 및 반응 중 전체 뇌 이미징에서 얻은 포괄적인 데이터는 동물이 복잡하고 자연주의적 환경과 상호 작용하고 탐색할 때 전체 네트워크의 수준에서 뇌 기능을 해독할 수 있게 합니다.
저자는 공개 할 것이 없습니다.
우리는 하이디 밀러 - Mommerskamp 기술적 인 도움과 원고에 대한 유용한 의견에 대한 이브 멜리사 과티본자 아레발로 감사합니다. 프로토콜의 초기 버전은 랄프 그린스펀의 실험실에서 개발되었다. 이 작품은 독일 연구 재단 (DFG)에 의해 지원되었다, 특히 IGK에 FOR2705 (TP3) 보조금을 통해, 사이먼재단 (에이몬 – 414701) 및 뇌와 마음카블리 연구소 (보조금 번호 #2017-954) SA에 의해 수신.
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 |
JoVE'article의 텍스트 или 그림을 다시 사용하시려면 허가 살펴보기
허가 살펴보기더 많은 기사 탐색
This article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. 판권 소유