Bu çalışma, Sinica Akademisi Moleküler Biyoloji Enstitüsü ve Tayvan Ulusal Bilim ve Teknoloji Konseyi tarafından desteklenmiştir. Fizik Enstitüsü'ndeki Makine Atölyesi, Academia Sinica, özel tasarım parçaların üretilmesine yardımcı oldu. Ayrıca P. Argast'a (Friedrich Miescher Biyomedikal Araştırma Enstitüsü, Basel, İsviçre) kafa aşamasının hızlı kilit mekanizmasının tasarımı için teşekkür etmek istiyoruz.

Tüm hayvan prosedürleri, Academia Sinica Kurumsal Hayvan Bakımı ve Kullanımı Komitesi'nin yönergelerine uygun olarak onaylanmış ve gerçekleştirilmiştir. Araştırma araçlarının ayrıntıları Malzeme Tablosunda bulunabilir.
1. Kayıt odasının hazırlanması
<ol><li>Yarı altıgen bir tank, bir taban plakası ve bir kafa aşaması hazırlayın (Şekil 1A; Ek Dosyalar 1-3). Baş aşaması, dairese...

Zebra Balığı Ön Beyininde Davranış İzleme ve Nöral Aktivite Örüntüsü

<ol>
	<li>Grienberger, C., Konnerth, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+calcium+in+neurons.">Imaging calcium in neurons.</a> Neuron. 73 (5), 862-885 (2012).</li><li>Chow, D. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deep+three-photon+imaging+of+the+brain+in+intact+adult+zebrafish.">Deep three-photon imaging of the brain in intact adult zebrafish.</a> Nature Methods. 17 (6), 605-608 (2020).</li><li>Mittmann, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two-photon+calcium+imaging+of+evoked+activity+from+L5+somatosensory+neurons+in+vivo.">Two-photon calcium imaging of evoked activity from L5 somatosensory neurons in vivo.</a> Nature Neuroscience. 14 (8), 1089-1093 (2011).</li><li>Friedrich, R. W., Jacobson, G. A., Zhu, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Circuit+neuroscience+in+zebrafish.">Circuit neuroscience in zebrafish.</a> Current Biology. 20 (8), R371-R381 (2010).</li><li>Kappel, J. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visual+recognition+of+social+signals+by+a+tectothalamic+neural+circuit.">Visual recognition of social signals by a tectothalamic neural circuit.</a> Nature. 608 (7921), 146-152 (2022).</li><li>Bartoszek, E. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ongoing+habenular+activity+is+driven+by+forebrain+networks+and+modulated+by+olfactory+stimuli.">Ongoing habenular activity is driven by forebrain networks and modulated by olfactory stimuli.</a> Current Biology. 31 (17), 3861-3874 (2021).</li><li>Valente, A., Huang, K. H., Portugues, R., Engert, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ontogeny+of+classical+and+operant+learning+behaviors+in+zebrafish.">Ontogeny of classical and operant learning behaviors in zebrafish.</a> Learning &amp; Memory. 19 (4), 170-177 (2012).</li><li>Buske, C., Gerlai, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Maturation+of+shoaling+behavior+is+accompanied+by+changes+in+the+dopaminergic+and+serotoninergic+systems+in+zebrafish.">Maturation of shoaling behavior is accompanied by changes in the dopaminergic and serotoninergic systems in zebrafish.</a> Developmental Psychobiology. 54 (1), 28-35 (2012).</li><li>Huang, K. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+virtual+reality+system+to+analyze+neural+activity+and+behavior+in+adult+zebrafish.">A virtual reality system to analyze neural activity and behavior in adult zebrafish.</a> Nature Methods. 17 (3), 343-351 (2020).</li><li>Rupprecht, P., Prendergast, A., Wyart, C., Friedrich, R. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Remote+z-scanning+with+a+macroscopic+voice+coil+motor+for+fast+3D+multiphoton+laser+scanning+microscopy.">Remote z-scanning with a macroscopic voice coil motor for fast 3D multiphoton laser scanning microscopy.</a> Biomedical Optics Express. 7 (5), 1656-1671 (2016).</li><li>Papadopoulos, I. N., Jouhanneau, J. -. S., Poulet, J. F. A., Judkewitz, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scattering+compensation+by+focus+scanning+holographic+aberration+probing+(F-SHARP).">Scattering compensation by focus scanning holographic aberration probing (F-SHARP).</a> Nature Photonics. 11 (2), 116-123 (2017).</li><li>Torigoe, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Zebrafish+capable+of+generating+future+state+prediction+error+show+improved+active+avoidance+behavior+in+virtual+reality.">Zebrafish capable of generating future state prediction error show improved active avoidance behavior in virtual reality.</a> Nature Communications. 12 (1), 5712 (2021).</li></ol>

Burada, iki fotonlu kalsiyum görüntüleme için yetişkin zebra balığının kafasını dizginlemek için ayrıntılı bir protokol açıklıyoruz. Lazer tarama görüntüleme için yeterince stabil bir koltuk başlığı elde etmek için iki kritik adım vardır. İlk olarak, kafa çubuğu kafataslarının belirli bağlantı yerlerine yapıştırılmalıdır. Kafatasının diğer kısımları genellikle mekanik stabilite sağlamak için çok incedir ve hatta güçlü vücut hareketleri sırasında kırılabilir. İki...

Genetik olarak kodlanmış göstergeler veya sentetik boyalarla kalsiyum floresan görüntüleme, insan olmayan primatlar, kemirgenler, kuşlar ve böcekler dahil olmak üzere davranan hayvanlarda nöronal aktiviteyi ölçmek için güçlü bir yöntem olmuştur1. Beyin yüzeyinin yaklaşık 800 μm altına kadar yüzlerce hücrenin aktivitesi, çoklu foton görüntüleme 2,3 kullanılarak aynı anda ölçülebilir. Spesifik hücre tiplerinin aktivitesi, genetik olarak tanımlanmış nöronal popülasyonlarda kalsiyum göstergelerinin eksprese edilmesiyle de ölçülebilir. Küçük omurgalı modelleri için görüntüleme yönteminin uygulanması, beyin bölgeleri arasında nöronal hesaplama alanında yeni olanaklar sunmaktadır.
Zebra balığı, sinirbilim araştırmalarında yaygın olarak kullanılan bir model sistemdir. Döllenmeden yaklaşık 6 gün sonra larva zebra balıkları, minyatür beyinleri ve şeffaf gövdeleri nedeniyle kalsiyum görüntüleme için kullanılmıştır4. Yavru zebra balığı (3-4 haftalık) ayrıca sensorimotor yolların altında yatan nöral mekanizmaları incelemek için kullanılır 5,6. Bununla birlikte, ilişkisel öğrenme ve sosyal davranışlar da dahil olmak üzere karmaşık davranışlar için maksimum performans düzeyinedaha büyük yaşta ulaşılır 7,8. Bu nedenle, görüntüleme yöntemlerini kullanarak yetişkin zebra balıklarının beyinlerindeki çoklu bilişsel işlevleri incelemek için güvenilir bir protokol gereklidir. Zebra balığı larvaları ve yavru zebra balıkları in vivo görüntüleme için agaroza gömülebilirken, 2 aylık veya daha büyük yetişkin zebra balıkları bu tür koşullarda hipoksiden muzdariptir ve fiziksel olarak agaroz tarafından sınırlandırılamayacak kadar güçlüdür. Bu nedenle, beyni stabilize etmek ve hayvanın solungaçlardan serbestçe nefes almasını sağlamak için cerrahi bir prosedür gereklidir.
Burada, tek bir baş çubuğunun yeni bir tasarımını içeren bir koltuk başlığı protokolünü açıklıyoruz. 25 dakikalık kısaltılmış ameliyat süresi, önceki yönteme göre iki kat daha hızlıdır9. Ayrıca kayıt odasının (yarı altıgen tank), kafa aşamasının ve iki parçayı birleştirmek için hızlı kilitleme mekanizmasının tasarımını da açıklıyoruz9. Son olarak, görsel olarak tetiklenen beyin aktivitesini ve davranışlarını incelemek için sürükleyici bir görsel uyaran sunma kurulumu da açıklanmaktadır. Genel olarak, burada açıklanan prosedürler, kafası kısıtlanmış yetişkin bir zebra balığında genetik olarak tanımlanmış hücre popülasyonlarında iki fotonlu kalsiyum görüntüleme gerçekleştirmek için kullanılabilir ve çeşitli davranışsal paradigmalar sırasında beyin aktivitelerinin araştırılmasını sağlar.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Acquisition card</td>
			<td>MBF Bioscience</td>
			<td>Vidrio vDAQ</td>
			<td>Microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Back-projection film</td>
			<td>Kimoto</td>
			<td>Diland screen - GSK</td>
			<td>present visual stimulus</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Band-pass filter (510/80 nm)</td>
			<td>Chroma</td>
			<td>ET510/80m</td>
			<td>Microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Base plate for the semi-hexagonal tank</td>
			<td>custom made</td>
			<td>see supplemental files</td>
			<td>recording chamber</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Camera filter (&#60;875 nm)</td>
			<td>Edmund optics</td>
			<td>#86-106</td>
			<td>Behavior recording</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Camera filter (&#62;700 nm)</td>
			<td>Edmund optics</td>
			<td>#43-949</td>
			<td>Behavior recording</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Camera lens</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>MVL50M23</td>
			<td>Behavior recording</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chameleon Vision-S</td>
			<td>Coherent</td>
			<td>Vision-S</td>
			<td>Laser</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Circular plate for the head stage</td>
			<td>custom made</td>
			<td>see supplemental files</td>
			<td>recording chamber</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Controller for piezo actuator</td>
			<td>Physik Instrumente&#160;</td>
			<td>E-665. CR</td>
			<td>Microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Current amplifier</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>TIA60</td>
			<td>Microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Elitedent Q-6</td>
			<td>Rolence Enterprise</td>
			<td>Q-6</td>
			<td>Surgery: UV lamp</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Emission Filter 510/80 nm</td>
			<td>Chroma</td>
			<td>ET510/80m</td>
			<td>Microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Head bar</td>
			<td>custom made</td>
			<td>see supplemental files</td>
			<td>recording chamber</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Infrared light</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>M810L3</td>
			<td>Behavior recording</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LED projector</td>
			<td>AAXA</td>
			<td>P2B LED Pico Projector</td>
			<td>present visual stimulus</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Moist paper tissue (Kimwipe)</td>
			<td>Kimtech Science</td>
			<td>34155</td>
			<td>Surgery: moist paper tissue</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Motorized XY sample stage</td>
			<td>Zaber</td>
			<td>X-LRM050</td>
			<td>Microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Neutral Density Filters (50% Transmission)</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>NE203B</td>
			<td>present visual stimulus</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>&#216;1/2&#34; Post Holder</td>
			<td>ThorLabs</td>
			<td>PH1.5V</td>
			<td>Surgery: hollow tube for cannon</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>&#216;1/2&#34; Stainless Steel Optical Post</td>
			<td>ThorLabs</td>
			<td>TR150/M</td>
			<td>Surgery: fish loading module</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Objective lens 16x, 0.8NA</td>
			<td>Nikon</td>
			<td>CF175</td>
			<td>Microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oil-based modeling clay</td>
			<td>Ly Hsin Clay</td>
			<td>C4086</td>
			<td>Surgery: head bar holder</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optical adhesive</td>
			<td>Norland Products</td>
			<td>NOA68</td>
			<td>Surgery: UV curable glue</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photomultiplier tube</td>
			<td>Hamamatsu</td>
			<td>H11706P-40</td>
			<td>Microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Piezo actuator</td>
			<td>Physik Instrumente&#160;</td>
			<td>P-725.4CA PIFOC</td>
			<td>Microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pockels Cell</td>
			<td>Conoptics</td>
			<td>M350-80-LA-BK-02</td>
			<td>Microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Red Wratten filter (&#62; 600 nm)</td>
			<td>Edmund optics</td>
			<td>#53-699</td>
			<td>present visual stimulus</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Resonant-Galvo Scan System</td>
			<td>INSS</td>
			<td>RGE-02</td>
			<td>Microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Right-Angle Clamp for &#216;1/2&#34; Post</td>
			<td>ThorLabs</td>
			<td>RA90/M</td>
			<td>Surgery: fish loading module</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rotating Clamp for &#216;1/2&#34; Post</td>
			<td>ThorLabs</td>
			<td>SWC/M</td>
			<td>Surgery: fish loading module</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ScanImage</td>
			<td>MBF Bioscience</td>
			<td>Basic version</td>
			<td>Microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Semi-hexagonal tank</td>
			<td>custom made</td>
			<td>see supplemental files</td>
			<td>recording chamber</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Super-Bond C&#38;B Kit</td>
			<td>Sun Medical Co.</td>
			<td>Super-Bond C&#38;B</td>
			<td>Surgery: dental cement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tricaine methanesulfonate</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>E10521</td>
			<td>Surgery: anesthetic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>USB Camera</td>
			<td>FLIR</td>
			<td>BFS-U3-13Y3M-C</td>
			<td>Behavior recording</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vetbond</td>
			<td>3M</td>
			<td>1469SB</td>
			<td>Surgery: tissue glue</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

two-photon calcium imaging of forebrain activity in behaving adult zebrafish

Yetişkin zebra balığı (Danio rerio) bilişsel işlevleri incelemek için zengin bir davranış repertuarı sergiler. Ayrıca, optik görüntüleme yöntemleriyle beyin bölgelerindeki aktiviteleri ölçmek için kullanılabilecek minyatür bir beyne sahiptirler. Bununla birlikte, yetişkin zebra balıklarında beyin aktivitesinin kaydedilmesine ilişkin raporlar azdır. Bu çalışma, yetişkin zebra balıklarının dorsal ön beyninde iki fotonlu kalsiyum görüntüleme gerçekleştirme prosedürlerini açıklamaktadır. Yetişkin zebra balıklarının başlarını hareket ettirmesini engellemeye yönelik adımlara odaklanıyoruz, bu da beyin aktivitesinin lazerle taranarak görüntülenmesini sağlayan stabilite sağlıyor. Kafası kısıtlanmış hayvanlar, vücut kısımlarını serbestçe hareket ettirebilir ve yardım almadan nefes alabilir. Prosedür, baş desteği ameliyatının süresini kısaltmayı, beyin hareketini en aza indirmeyi ve kaydedilen nöron sayısını en üst düzeye çıkarmayı amaçlamaktadır. Kalsiyum görüntüleme sırasında sürükleyici bir görsel ortam sunmak için bir kurulum da burada açıklanmıştır ve bu, görsel olarak tetiklenen davranışların altında yatan nöral bağıntıları incelemek için kullanılabilir.

Calcium fluorescence imaging with genetically encoded indicators or synthetic dyes has been a powerful method of measuring neuronal activity in behaving animals, including non-human primates, rodents, birds, and insects1. The activity of hundreds of cells, up to approximately 800 &#181;m below the brain surface, can be measured simultaneously using multi-photon imaging2,3. The activity of specific cell types can also be measured by expressing calcium indicators in genetically defined neuronal populations. Application of the imaging method for small vertebrate models opens up new possibilities in the field of neuronal computation across brain regions.
Zebrafish are a widely used model system in neuroscience research. Larval zebrafish at around 6 days post-fertilization have been used for calcium imaging due to their miniature brain and transparent body4. Juvenile zebrafish (3-4 weeks old) are also used for studying the neural mechanisms underlying sensorimotor pathways5,6. However, the maximal performance level for complex behaviors, including associative learning and social behaviors, is reached at an older age7,8. Thus, a reliable protocol is required to study multiple cognitive functions in the brains of adult zebrafish using imaging methods. While zebrafish larva and juvenile zebrafish can be embedded in agarose for in vivo imaging, adult zebrafish at 2 months or older suffer from hypoxia in such conditions and are physically too strong to be restrained by agarose. Therefore, a surgical procedure is required to stabilize the brain and enable the animal to breathe freely through the gills. 
Here, we describe a head restraint protocol that involves a novel design of a single head bar. The reduced surgery time of 25 min is twice as fast as the previous method9. We also describe the design of the recording chamber (semi-hexagonal tank), the head stage and a quick-lock mechanism to combine the two parts9. Finally, the setup to present an immersive visual stimulus to study visually triggered brain activity and behaviors is also described. Overall, the procedures described here can be used to perform two-photon calcium imaging in genetically defined cell populations in a head-restrained adult zebrafish, enabling the investigation of brain activities during various behavioral paradigms.

Yazar Spotlight: Yetişkin Zebra Balığı Beyin Araştırmalarındaki Gelişmeler 

Davranan Yetişkin Zebra Balıklarında Ön Beyin Aktivitesinin İki Fotonlu Kalsiyum Görüntülemesi

The fish fore-brain hosts areas suspected to be homologous to mammalian brain regions involved in complex behavior. These include the hippocampus, the cortex, and the amygdala. We are currently trying to understand the effect of sensory information on the activity of these brain regions.Current research in zebra fish neuroscience uses two photon calcium imaging of immobilized larvae. Combined with virtual reality based behavior essays, to study sensory motor processing in the brain. Most research on the zebra fish brain is done on larvae, however some complex behaviors in fish do not fully develop until adulthood.Our protocol allows the study of brain activity in the adult during behavior. This protocol reduced surgery times by fifty percent compared to the previous method. It's a more efficient approach for restraining the head of adult zebra fish for a better image.This head restraint protocol opened an opportunity to perform an in vivo experiment on the adult zebra fish brain. In addition to the two-photon calcium image, head restraint potentially allows the opto-genetic manipulation, electro-physiology, and even ultra-sound imaging of live fish.

Protokol iki bölümden oluşur: baş desteği cerrahisi ve ön beyindeki nöronal aktivitelerin iki fotonlu kalsiyum görüntülemesi. Ameliyatın başarısı, hayvanın hayatta kalması ve baş desteğinin stabilitesi ile tanımlanır. Hayatta kalma oranı, ameliyat sırasında ağızdan% 0.01 TMS çözeltisinin sık sık perfüzyonu ile büyük ölçüde iyileştirilebilir. Balıklar anesteziden kurtulmalı ve akvaryum suyuna daldırıldıktan sonra 1-2 dakika içinde aktif olarak nefes almalıdır. İki fotonlu kalsi...

Watch this Scientific Journal Video about Advancements in Adult Zebrafish Brain Research at JoVE.com

Burada, yetişkin zebra balıklarının dorsal ön beyninde iki fotonlu kalsiyum görüntüleme yapmak için bir protokol sunuyoruz.

Adult zebrafish (Danio rerio) exhibit a rich repertoire of behaviors for studying cognitive functions. They also have a miniature brain that can be used ...

Balıkların ön beyni, karmaşık davranışlarda yer alan memeli beyin bölgelerine homolog olduğundan şüphelenilen alanlara ev sahipliği yapar. Bunlar hipokampus, korteks ve amigdalayı içerir. Şu anda duyusal bilginin bu beyin bölgelerinin aktivitesi üzerindeki etkisini anlamaya çalışıyoruz.Zebra balığı sinirbilimindeki güncel araştırmalar, hareketsizleştirilmiş larvaların iki foton kalsiyum görüntülemesini kullanır. Beyindeki duyusal motor işlemeyi incelemek için sanal gerçeklik tabanlı davranış denemeleri ile birleştirilmiştir. Zebra balığı beyni üzerine yapılan araştırmaların çoğu larvalar üzerinde yapılır, ancak balıklardaki bazı karmaşık davranışlar yetişkinliğe kadar tam olarak gelişmez.Protokolümüz, davranış sırasında yetişkinlerde beyin aktivitesinin incelenmesine izin verir. Bu protokol önceki yönteme göre ameliyat sürelerini yüzde elli oranında azalttı. Daha iyi bir görüntü için yetişkin zebra balıklarının kafasını dizginlemek daha etkili bir yaklaşımdır.Bu baş desteği protokolü, yetişkin zebra balığı beyni üzerinde in vivo bir deney yapma fırsatı açtı. İki fotonlu kalsiyum görüntüsüne ek olarak, baş desteği potansiyel olarak opto-genetik manipülasyona, elektro-fizyolojiye ve hatta canlı balıkların ultra ses görüntülemesine izin verir.

Davranan Yetişkin Zebra Balıklarında Ön Beyin Aktivitesinin İki Fotonlu Kalsiyum Görüntülemesi

Abstract