Method Article
Мы представляем метод, специально разработанный для изображения всего мозга взрослого Drosophila во время поведения и в ответ на раздражители. Голова расположена, чтобы обеспечить оптический доступ ко всему мозгу, в то время как муха может двигать ногами и антеннами, кончиком хоботка, и глаза могут получать сенсорные стимулы.
Мы представляем метод, разработанный специально для изображения всего мозга Дрозофилы во время текущего поведения, такого как ходьба. Фиксация головы и вскрытие оптимизированы, чтобы свести к минимуму их влияние на поведение. Это сначала достигается с помощью держателя, который сводит к минимуму препятствия движения. Задняя часть головы мухи приклеена к этому держателю под углом, который позволяет оптический доступ ко всему мозгу, сохраняя при этом способность мухи ходить, ухаживать, пахнуть, вкус и видеть. Задняя часть головы вскрывается для удаления тканей в оптическом пути и мышц, ответственных за движения головы артефактов. Мозг мухи впоследствии может быть изображен для записи активности мозга, например, с использованием кальция или индикаторов напряжения, во время конкретных видов поведения, таких как ходьба или уход, и в ответ на различные стимулы. После того, как сложные вскрытия, которая требует значительной практики, была освоено, этот метод позволяет записывать богатые наборы данных, связанные всей деятельности мозга поведения и стимулов ответов.
Воображение мозговой активности с использованием различных методов углубило понимание функции мозга. У людей методы визуализации мозга имеют важные ограничения: в то время как функциональная магнитно-резонансная томография (МРТ) предлагает пространственно-временное разрешение намного ниже разрешения одного нейрона, быстрые методы, такие как электроэнцефалография (ЭЭГ), позволяют только косвенный и частичный доступ кмозгу 1. В достаточно крупных животных моделях, таких как грызуны, запись датчиков флуоресцентной активности (например, GCaMP) с помощью головы установленных микроскопов позволяет наблюдать активность мозга в то время как животное движется всвоей среде 2. Тем не менее, эти методы в настоящее время дают доступ только к небольшой части мозга. Головные животные могут быть изображены более полно, но покрытие по-прежнему частично (например, поверхность коры3). Только у мелких животных, таких как личинки зебры, C. elegans и Drosophila, что весь мозг может быть изображен с временным и пространственным разрешением на уровне или близко к одномунейронов 4.
D. melanogaster является особенно перспективным, поскольку он уже давно используется в качестве генетическоймодели организма 5 и мощные генетические инструменты были разработаны6. Дополненная новой крупномасштабной анатомической сетью, полученной из электронноймикроскопии 7, муха можетпредоставить уникальные возможности для изучения сложной динамики мозга, генерируемой вкрупномасштабной сети 8. Хотя кутикула не является прозрачной, и, таким образом, должны быть удалены для изображения мозга, in vivo функциональной визуализации становится все более и более распространенным местом с момента первого исследования в 2002году 9 и несколько протоколов уже были опубликованы. Тем не менее, эти методы включают либо отделение головы мухиот тела 10, серьезно ограничивая движения мухи и / или ответы нараздражители 11,12,13,14,15, или только разрешение небольшой части мозга, чтобы бытьизображены 9,16,25,26,27,17,18,19,20,21,22,23,24. В дополнение к этим, тем не менее, мощные подходы, мы недавно разработали подготовку к изображению всего мозга во время поведения и ответы на различныестимулы 28.
Здесь мы опираемся на это исследование, чтобы представить метод, специально разработанный для изображения всего мозга в то время как муха выполняет полу-натуралистическое поведение (т.е. ходьба и уход) и реагирует на сенсорные стимулы. Это достигается с помощью держателя наблюдения, предназначенного для обеспечения доступа ко всему мозгу с спинно-задней стороны, оставляя антенны и хоботок нетронутыми, и позволяя мухе двигать ногами, чтобы ходить (например, на воздушном шаре). Шаги для вскрытия задней части головы были уточнены для скорости, воспроизводимости, и свести к минимуму их влияние на жизнеспособность и мобильность мухи.
Все шаги выполняются под стереомикроскопом.
1. Подготовка держателя
2. Размещение мухи
ПРИМЕЧАНИЕ: От одного до четырех дней старые самки мух идеально подходят, потому что женская голова больше и, следовательно, легче вскрыть, чем мужская голова, и молодые мухи имеют более мягкие кутикулы. Для ходячих экспериментов активность мухи может быть увеличена путем сопоставления экспериментов со временем более высокой циркадной активности (ЗТ0 или ЗТ11), с помощью солевого раствора, содержащего глюкозу (например, 103 мММ NaCl, 3 мМ ККл, 5 мМТ TES, 8 мМ трегалоза 2 H2O, 10 мМ глюкозы, 26 мМНаХКО 3,1 мМНаГ 2PO4, 2,5 мМ CaCl2No2H 2 O, 4 мМ МгКл2No6 H2O), голодая летать до 24 ч с водой только окружающей среды, а также путем нагрева окружающей среды до 28 градусов по Цельсию во время эксперимента. Отсечение крыльев по крайней мере на один день вперед также помогает уменьшить попытки летать и тем самым увеличитьчастоту ходьбыбои 7,29,30.
3. Обеспечение безопасности головы
4. Позиционирование тела
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг должен быть выполнен быстро; прежде чем муха оправиться от анестезии.
5. Запечатывание отверстия
6. Рассекая голову
ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте заточенные типсы для следующих шагов. Очень тонкие миппы имеют решающее значение, как скучно типсов сделает его более трудным, чтобы открыть голову кутикулы и может привести к дополнительным травмам на голове мухи или мозга. Сильное увеличение может помочь на данном этапе. С этой целью можно заменить глазки бинокулярного микроскопа 30x глаз.
Препарат, описанный выше, позволяет наблюдения всего мозга под микроскопом для крупномасштабных 3D изображений, таких как классические 2 фотона или конфокальные микроскопии, но и быстрее методы, такие каксветовой лист 31 и другие структурированные методы микроскопииосвещения (рассмотрены в 32), или световое полемикроскопии 28.
Доступ ко всему мозгу при наблюдении за поведением и поддержании функциональных органов чувств позволяет ответить на несколько вопросов.
Во-первых, какова общая активность мозга, когда муха находится в покое, во время поведения, и когда она реагирует на раздражители? В качестве примера мы включаем данные, полученные с помощью светового полевого микроскопа, показывающего активацию мозга во время реакции на раздражители и поведение. Например, в видео 2,кальций зонд был выражен во всех нейронов (nsyb-GAL4 и UAS-syt-GCaMP6s (слева) или UAS-GCaMP6M (справа)) и клубы запаха был представлен. Обратите внимание, как препарат позволяет получить обзор активности мозга во время ответа на стимул. Мощные генетические инструменты в Drosophila могут быть использованы для ограничения экспрессии этих датчиков для конкретных подтипов нейронов. В видео 3, мы ограничили выражение датчика кальция дофаминергических и серотонинергических нейронов (TH-GAL4, DDC-GAL4 и UAS-GCaMP6M). Обратите внимание на сильную синхронную активность над мозгом, тесно связанную с ходьбой мухи, разрешенную наблюдением всего мозга во время поведения. В дополнение к активности кальция, другие физические или химические сигналы могут быть изображены (с помощью,например, датчики напряжения 28,33,метаболизм продукты 34,35 или конкретных нейромодуляторов36).
Чтобы понять роль мозговой активности более конкретно, мы можем спросить, какие регионы участвуют в каком поведении, реакции на раздражители или спонтанные модели активности. Данные действительно могут быть использованы в качестве беспристрастного экрана для извлечения функциональных регионов с использованием таких методов, как анализ основных компонентов и независимый анализ компонентов. На рисунке 9A показаны различные функциональные области в разных цветах. Форма и локализация функциональных областей позволяют сопоставить их с анатомическими шаблонами для определения областей мозга, а в некоторых случаях и типа нейронов. Кроме того, после присоединения к анатомическому шаблону значения флуоресценции могут быть усредняться в анатомических областях мозга для количественного анализа (см. рисунок 9B). Например, иерархическая гауссийская модель, применяемая к данным на рисунке 9B, показывает, что регионы более активны во время прогулки (при медиане 0,029, 95% достоверный интервал »0.017 0.041»), но не во время жениха (медиана F/F -0.0049 с 95% надежным интервалом »-0.016 0.0059»).
В дополнение к глубине понимания, одновременные записи различных функциональных областей, разрешенных препаратом, могут быть использованы для изучения динамических свойств функциональной сети. Это важно, потому что области мозга во всех изученных до сих пор мозга сильно взаимосвязаны, и все больше и больше исследований показывают, что даже сенсорные области реагируют на поведенческое состояние животного. Можно просмотреть несколько аспектов, таких как функциональные свойства графика (например, модули) и пространственно-временные узоры, которые могут быть вписана в динамические системы(см. 8 примеров).
Рисунок 1: Подготовка держателя (шаг 1). A)Дизайн держателя (вид сверху). B) Подготовка слота шеи. вверху: конструкция ленты, дно: параллельные лезвия, используемые для разреза шеи слот. C)Вид держателя снизу. D) Нижняя точка зрения с указанием, где добавить ленту слот шеи. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 2: Дальнейшая подготовка (шаг 1). A) Добавить жир в шею слот для предотвращения клея для покрытия задней части головы и для предотвращения солевых утечек. Шкала баров, 1 мм. B) Сверху: форма кусок ленты, которая будет использоваться, чтобы подтолкнуть тело вниз. Внизу: убедитесь, что лента подходит держатель. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 3: Размещение V-образный кусок ленты, чтобы помочь центрирования. (A)Нижний вид. (B)Вид сверху. Масштаб бар, 2 мм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 4: Поместите муху (шаг 2). Слева используйте два тупых типса, чтобы поместить тело так, чтобы шея была в шейном слоте. Средний, выровнять голову. Глаза лежат с обеих сторон по краям слота. Голова мухи прямая. Правильно, уложи муху с тканью, покрытой льдом, чтобы она не двигалась. Шкала бар, 1 мм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 5: Исправить голову (шаг 3). A)Идеальный угол головы. B) Добавить УФ-клей вокруг головы, избегая сенсорных областях, представляющих интерес. Шкала бар, 1 мм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 6: кончик хоботка и антенны могут быть свободны от клея (шаг 3). Белый круг указывает область применения УФ-клея. Стрелка показывает, какие части остаются свободными от клея для обонятельных и вкусных экспериментов. Обратите внимание на дополнительную ленту, которая предотвращает ноги от прикосновения клей области. Шкала бар, 200 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 7: Поместите заднюю ленту (шаг 4.2). Лента, созданная в шаге 1 (см. рисунок 2, слева) используется для места тела и покрытия большого отверстия в держателе. Шкала бар, 1 мм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 8: Шаги вскрытия (шаг 6). A-B) Вырезать с каждой стороны у основания темного треугольника (кресты) и удалить эту часть кутикулы C). D)и E) удалить мышцы 16. Затем аккуратно удалить остальную часть кутикулы F), воздушные мешки G), и мышцы. H)Рассеченная голова. Шкала бар, 200 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 9: Результаты представительов. A)Функциональные регионы (извлеченные с помощью PCA и ICA,как в 28) для мухи, выражаюной GCaMP6 пан-нейронально изображены с помощью светового поля микроскопа (25x, NA'0.95 с соответствующим f/12 микрообъектив массив). Шкала бар, 100 мкм. B) Средняя активность кальция в крупных областях мозга во время реакции на раздражители и поведение (воспроизводитсяс 28). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Видео 1: Мышцы 16 движений (шаг 6.3). GFP был выражен в мышцах. Обратите внимание на насосное движение, которое исходит от отверстия чуть выше трахеи. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить это видео.
Видео 2: Пан-нейрональной активности кальция во время реакции на запах для двух различных препаратов. Бальзамический уксус пыхтел на лету. Пан-нейронная активность кальция (водитель nsyb-GAL4, UAS-syt-GCaMP6s слева и UAS-GCaMP6M справа) была изображена с помощью светового полевого микроскопа (25x, NA-0.95 с соответствующим массивом микролинов f/12). Изображения светового поля были затем реконструированы, как описано врефери 28,37. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить это видео.
Видео 3: Активность кальция в подмножестве типа нейронов во время поведения. GCaMP6 был выражен в дофаминергических и серотонинергических нейронов (с TH-GAL4 и DDC-GAL4). В сочетании с генетическими инструментами мухи, препарат позволяет наблюдать сильное увеличение активности во многих регионах во время прогулки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить это видео.
Дополнительный материал. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дрозофила является одним из редких взрослых животных, где весь мозг может быть изображен во время сложного поведения. Здесь мы представляем метод подготовки мухи и подвергать весь ее мозг изображению текущей всей деятельности мозга. Следует отметить несколько важных моментов.
Вскрытие небольшого животного, такого как D. melanogaster является сложной задачей. Таким образом, метод требует много практики и терпения, чтобы освоить его. Однако после тренировки процедура занимает менее 30 минут и дает воспроизводимые результаты.
Метод, который мы представили, имеет дополнительные ограничения. Во-первых, наклон головы мухи из ее естественного положения приводит к растяжению шеи, которые могут повредить соединительной ткани, нервов или мышц. Во-вторых, хотя вентраловая подэзофагеальная зона (СЕЗ) оптически доступна, она находится ниже полупрозрачного пищевода, что снижает интенсивность и разрешение в этой области. Наконец, хотя держатель находится вне досягаемости в большинстве направлений, муха все еще иногда осознает свое присутствие и толкает на него, чтобы попытаться бежать.
Несмотря на эти ограничения, всеобъемлющие данные, полученные от всего изображения мозга во время поведения и реакции на раздражители позволит расшифровать функции мозга на уровне всей сети, когда животное взаимодействует с и перемещается сложных, натуралистических средах.
Авторов нечего раскрывать.
Мы благодарим Хайди Миллер-Mommerskamp за техническую помощь и Ивет Мелисса Guatibonza Arevalo за полезные комментарии по рукописи. Первоначальные версии протокола были разработаны в лаборатории Ральфа Гринспена. Эта работа была поддержана Немецким исследовательским фондом (DFG), в частности, через грант FOR2705 (TP3) для IGK, и Фонд Симонс (Aimon - 414701) и Кавли Институт мозга и разума (грант номер #2017-954), полученный 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 |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены