A Guide<em&gt; In vivo</emOptogenetically Belirlenen Kortikal inhibitör dan&gt; Tek birim Kayıt

Özet

Here we describe our strategy for obtaining stable, well-isolated single-unit recordings from identified inhibitory interneurons in the anesthetized mouse cortex. Neurons expressing ChR2 are identified by their response to blue light. The method uses standard extracellular recording equipment, and serves as an inexpensive alternative to calcium imaging or visually-guided patching.

Özet

Nörofizyolojideki büyük bir meydan okuma serebral kortekste çeşitli inhibitör hücre tiplerinin yanıtı özellikleri ve işlevini karakterize etmek olmuştur. Biz burada Lima ve ¹ meslektaşları tarafından geliştirilen bir yöntem kullanılarak anestezi fare kortekste tespit inhibitör itibaren istikrarlı, iyi izole edilmiş tek ünite kayıtları elde etmek için strateji paylaşıyoruz. Kayıtlar spesifik sinir hücresi alt gruplarda channelrhodopsin-2 (CHR2) ifade eden farelerde gerçekleştirilmiştir. Nüfusun üyeleri mavi ışık kısa bir flaş kendi tepkisi ile tanımlanır. "PINP" olarak adlandırılan, ya da Nöronal Popülasyonlarının photostimulation destekli Kimlik - - Bu teknik, standart dışı kayıt ekipmanı ile uygulanabilir. Bu genetik olarak tanımlanan hücreler, hücre dışı kayıtları hedefleme amacıyla, kalsiyum görüntüleme veya görme güdümlü yama için ucuz ve erişilebilir bir alternatif olarak kullanılabilir. Here gündelik pratikte yöntemini optimize etmek için bir ilkeler kümesi sağlar. Bu parvalbumin pozitif (PV +) hücre hedeflenmesi için özel olarak bu strateji rafine edilmiş, ancak bu tür somatostatin salgılayan (som +) ve kalretinin salgılayan (CR +) internöronlar gibi, hem de diğer interneuron türler için geçerlidir bulduk.

Giriş

Characterizing the myriad cell types that comprise the mammalian brain has been a central, but long-elusive goal of neurophysiology. For instance, the properties and function of different inhibitory cell types in the cerebral cortex are topics of great interest but are still relatively unknown. This is in part because conventional blind in vivo recording techniques are limited in their ability to distinguish between different cell types. Extracellular spike width can be used to separate putative parvalbumin-positive inhibitory neurons from excitatory pyramidal cells, but this method is subject to both type I and type II errors^2,3. Alternatively, recorded neurons can be filled, recovered, and stained to later confirm their morphological and molecular identity, but this is a pain-staking and time-consuming process. Recently, genetically identified populations of inhibitory interneurons have become accessible by means of calcium imaging or visually guided patch recordings. In these approaches, viral or transgenic expression of a calcium reporter (such as GCaMP) or fluorescent protein (such as GFP) allows identification and characterization of cell types defined by promoter expression. These approaches use 2-photon microscopy, which requires expensive equipment, and are also limited to superficial cortical layers due to the light scattering properties of brain tissue.

Recently, Lima and colleagues¹ developed a novel application of optogenetics to target electrophysiological recordings to genetically identified neuronal types in vivo, termed “PINP” – or Photostimulation-assisted Identification of Neuronal Populations. Recordings are performed in mice expressing Channelrhodopsin-2 (ChR2) in specific neuronal subpopulations. Members of the population are identified by their response to a brief flash of blue light. Unlike many other optogenetic applications, the goal is not to manipulate circuit function but simply to identify neurons belonging to a genetically-defined class, which can then be characterized during normal brain function. The technique can be implemented with standard extracellular recording equipment and can therefore serve as an accessible and inexpensive alternative to calcium imaging or visually-guided patching. Here we describe an approach to PINPing specific cell types in the anesthetized auditory cortex, with the expectation that the more general points can be usefully applied in other preparations and brain regions.

In cortex, PINP holds particular promise for investigating the in vivo response properties of inhibitory interneurons. GABAergic interneurons comprise a small, heterogeneous subset of cortical neurons⁴. Different subtypes, marked by the expression of particular molecular markers, have recently been shown to perform different computational roles in cortical circuits^5-9. As genetic tools improve it may eventually be possible to distinguish morphologically- and physiologically-separable types that fall within these broad classes. We here share our strategy for obtaining stable, well-isolated single-unit recordings from identified inhibitory interneurons in the anesthetized mouse cortex. This strategy was developed specifically for targeting parvalbumin-positive (PV+) cells, but we have found that it works for other interneuron types as well, such as somatostatin-expressing (SOM+) and calretinin-expressing (CR+) interneurons. Although PINPing is conceptually straightforward, it can be surprisingly unyielding in practice. We learned a number of tips and tricks through trial-and-error that may be useful to others attempting the method.

Protokol

NOT: Oregon Hayvan Bakımı ve Kullanımı Komitesi Üniversitesi tarafından onaylanan aşağıdaki protokol sağlık kuralları National Institutes uygundur.

1. Akut Cerrahi

1. Intraperitonal (ip) enjeksiyon (Tablo 1) ile, bir ketamin-medetomidin kokteyl ile hayvan anestezisi.
   Not: Bu deneylerde kullanılan fare sürücü hatları (, SST-iCre12 SOM +; * Cr iCre12, CR + Pvalb-iCre11 PV +) interneuron bir CRE bağımlı ChR2 EYFP transgenik line10 çaprazlama yoluyla üretilir. CHR2 veya ilgili opsins viral iletim benzer ekspresyon düzeyleri elde varsayarak, eşit derecede iyi çalışmasıdır.
2. Ameliyat başlamadan önce, emin olun hayvan sergiler nazik bir ayak tutam hiçbir yanıt olduğunu. Bu anestezi derinliği korumak için gerekli olarak deney boyunca anestezi yeniden yönetmek. Enjektabl anestezikler kullanıyorsanız, isteğe bağlı olarak bakım enjeksiyonlar için ip kateter implant.
3. Tuzlu su ya da bakım enjeksiyonlar (Tablo 1), uygun bir şekilde seyreltilir anestezik kokteyli kullanarak, örneğin, deney boyunca laktatlanmış Ringer çözeltisi (yaklaşık 3 ml / kg / saat) ile sulu hayvan tutun.
4. Sterotaksik veya diğer baş tutma cihazında hayvan yerleştirin. Kafatası iyi korunan emin olun. Bu kararlı tek hücre kayıtları muhafaza etmek için gereklidir.
5. Kuruluğunu önlemek için gözlerin için opthalamic merhem sürün. 36,5-37 ° C vücut ısısını korumak.
6. Ek kayıt istikrar için bir sisternal drenaj gerçekleştirin. Bir neşter bıçak kullanarak, sisterna magna maruz kafatasının arka yüzündeki doku kaldırmak. Serebrospinal sıvı boşaltmak için, dura içinde küçük bir çentik olun. Bıçağın sadece çok uç kullanın ve beyincik veya beyin sapıyla temas kaçının.
7. Bisturi kullanarak, işitsel için (ilgi kortikal alanı üzerinde küçük bir kranyotomiyi (~ 2 mm ²⁾ gerçekleştirmekkorteks bregmaya kabaca -2,3 mm posterior, orta hatta 4,5 mm lateral).
8. Dura çıkarın ve sıcak 0.5 agaroz tabakası ile maruz korteksi kapak - 1 mm kalınlığında (tuzlu su içinde% 1.5 agaroz,% 0.9 NaCl, en geçerli ~ 37 ° C). Periyodik tuz birkaç damla damlatılarak deney boyunca agaroz nemli tutmak.

2. Kayıt Set-up

1. Tungsten elektrot hazırlayın (7-14 MΩ, 127 mikron çapında, 12 ° konik ucu, epoksi kaplı). Bir cam kılcal tüp elektrodu superglue ve kavrama (Şekil 1) ısı ile büzülen boru ekleyin.
2. Kortikal yüzeye dik seyahat için ayarlanmış bir motorlu (veya hidrolik) mikromanipülatör elektrot, monte edin. Kafatası karşı, deri altında bir tel zemin kaydırın. Onlar elektromiyografik eserler üretmek gibi baş tarafı ve boyun arkasındaki kasları ile temastan kaçının.
3. Bir hücre dışı amfi kullanarak elektrik sinyali yükseltinTek ünite kayıt için uygun li fi er, tercihen bir empedans kontrol modu ile donatılmıştır. İki Osiloskoplara ve güçlendirilmiş hoparlör setini - devam eden spike aktivitesini (5000 Hz bant geçiren 300) izleyin. Burada, kaydedilen veriler 10 kHz örnekleme hızında sürekli sayısallaştırılmaktadır; ani çevrimdışı ayıklanır.
4. Ucu korteks yüzeyine ulaşıncaya kadar agaroz aracılığıyla elektrot ilerlemek. Bir mikroskop aracılığıyla bu adımı gözlemleyin. "Sıfır" mikromanipülatör bu pozisyon.
5. En iyi kayıt derinliğini tahmin etmek üzere görsel olarak penetrasyon sonunda elektrot geri çekildiği zaman, elektrot ucu sıfır derinlikte kortikal yüzeyinden çıkar olduğunu teyit etmektedir.
   Not: manipülatör okuma ve gözlenen elektrot konumu arasında bir farklılık bu dokuya göre sürüklenmiştir gösterir. Bu beyin ya da hayvan ya da manipülatör sürüklenme istikrarsızlık neden olabilir.
   1. Sağlamak için ilave bir kontrol olarakdoku ilk birkaç yüz mikrometre ile ilerletirken bu sıfır set-noktası korteks yüzeyine karşılık gelen, uyarıcı-uyarılmış alan potansiyelleri izlemek. Alan potansiyelleri izlerken, 10 Hz dışı amplifikatör alt bant geçiren filtre kesme indirin. Yerel alan potansiyelinin polaritesi tabakası I / II sınır ¹³ yakın, ~ 100 mikron derinliğinde etrafında tersine onaylayın. Bu işitsel korteks için güvenilir bir referans noktasıdır, ama diğer kortikal alanlar için farklı olabilir.
6. Manuel bir mikromanipülatör üzerine bir mavi ışık kaynağı (Şekil 2) bağlı olan bir optik fiber monte edin. Mikroskop kullanarak, mümkün olan en agaroz yüzeyine yakın olarak, elyafın ucu yerleştirin. Elektrot dokuya girecek ışını Merkezlenmesi.
7. Belirtilen genişlik ve duratio bir TTL (transistör-transistör mantığı) darbe katarı sunma yeteneğine bir kontrol ünitesi ile ışık kaynağının çıkış düzenleyenn, örneğin, bir Arduino (Şekil 3), (gösterildiği gibi), bir bilgisayar I / O kartı ya da ticari olarak temin edilebilir darbe üreteci.
   1. Her iki osiloskoplarda sinyali izleyin.
8. Bir güç ölçer kullanarak fiber optik ucunda toplam ışık gücü (mW) ölçün. Elyaf çekirdeğin kesit alanına bölünmesi ile ışınlama (mW / ^mm2) hesaplamak için bu değeri kullanın. 10 aralığı içinde bir yoğunluk değeri ile başlayın - 15 mW / mm ² ve gerekirse eserler ortadan kalkıncaya kadar aşağı doğru ayarlanır.
9. Doku girmek için hazırlanıyor agaroz elektrot, hafif eserler için kontrol edin. Arama darbe tren başlatın (örneğin, 30 msn ışık darbeleri, 500 msn interstimulus aralığı (ISI)).
   1. Işığın açısını değiştirmek için elektrot için fiber optik göreceli konumlandırma geçici ışık eserler (Şekil 4) eleyin. Eserler devam ederse, ışık gücünü azaltmayı deneyin. The eserler tamamen (sadece minimize) elimine edilemez nadir durumda, arama darbenin süresini uzatmak. Bu doğru nöronal sivri tanınmasına yardımcı olabilir.

3. Düz PINP-in '

1. Yaklaşık olarak 1 mm / sn bir hızda, beyin boyunca yavaşça elektrot ilerletin. Devam eden aktivitesini izlemek için bir osiloskop kullanın. Öte yandan, lazer impulslarından tetikleyebilir.
2. Elektrot bir ChR2 + hücre yaklaşıyor ve sık sık elektrik sinyali osiloskop belirgindir önce iyi algılanan edilebileceğini belirtir ses monitörde ışık uyarılmış başak hafif bir 'karma', dinleyin. Avans hızını yavaşlatabilir.
   NOT: Hücre elektrot doğrudan yolunda yatıyor olursa, ışık uyarılmış aktivite büyük (ve yüksek sesle) artacak. Elektrot tek bir interneuron yaklaştıkça, karma eşit boyut ve şekle sahip küçük ama iyi tanımlanmış sivri olarak çözülür.
3. En kısa sürede li gibiGHT-uyarılmış sivri ayrı osiloskop kapalı tetiklemek için yeterince büyük, bu yüzden yapmaya başlar. Başak dalga kesin şeklini gözlemlemek için yatay eksende ölçekleme ayarlayın.
4. Durdurmak ve doku yerleşmek için bekleyin. Yakın hücreye elektrodu taşımak için günaha karşı. Bu adım, sabit bir kayıt için çok önemlidir. Birkaç dakika sonra sinyal-gürültü oranı gelişmiş değilse - ki, doku yerleşmiş, ancak herhangi bir yakın elektrot ucu hücreyi getirmemiştir - avansı 5 ileri um ve tekrar bekleyin.
   1. Tepe ya da aksiyon potansiyelinin çukur ya güvenilir bir gürültü kat (örneğin, +/- 300 mV veya daha fazla) üzerinde iyi ayarlanmış bir gerilim eşik ile çekilebilir kadar bu işlemi tekrarlayın.
      NOT: inhibitör internöronlardan PINPing zaman yanlış pozitif veya belirsizlik az risk var. Çoğu hücreleri kolayca 30 msn süresi ve inter-pul ile bakliyat bir tren takip edebilirsinizse aralığı 2-5 msn (Şekil 5) güvenilir bir ilk başak gecikme ile 500 msn, veya daha hızlı. PV + hücrelerinin büyük bir çoğunluğu, özellikle, bir tam olarak 1 sn (Şekil 6) ateşleme sağlanabilmektedir. Bu inhibitör nöronlar Çünkü, disinaptik (dolaylı) aktivasyonu önemli bir endişe değildir.
5. Kayıt sırasında, ilk osiloskop devam eden etkinliğini izlemek. Boyutu ve ikinci osiloskop kullanarak sivri şekline yakın bir göz tutmak. Hoparlör kendi ses kalitesine dikkat edin.
   1. Hücre ya (onu kazığa veya hasar görme riski) elektrot çok yakın çizim belirtmek ani değişiklikler için dikkatle dinleyin, ya da uzağa sürüklüyor. Ani, büyük ve bozuk hale gelirse, dışarı geri; daha küçük büyürse, elektrot ilerlemek. 2 mikron adımda yavaş hareket.
   2. Zirve veya çukur için hizalanmış tüm başak dalga formları, atma tarafından kayıt sonrası hoc kalitesini onaylayın. Voltaj thres Varytutun. Eşik değerlerin geniş bir yelpazede, sadece hiç eşit yükseklikte (Şekil 5a) tutarlı bir başak şekli olmalıdır.
6. Herhangi bir noktada sinyal bir komşu nöronun gelen sivri kirlenirse, hareket. Elektrot komşu hücre aralığının dışında geçer, ama hedef nöron aralığında kalacağını kapalı-şans, yavaş yavaş ilerlemek. (Bu genellikle başarısız olur.)
7. Her penetrasyonu korteks (900+ mikron) tüm derinliği boyunca elektrot hareket ettirin. Işık-duyarlı nöronlar tersine, kayıtlar rutin komşu ChR2- hücrelerinden sivri ile kontamine birçok sızmalar veya sonra karşılaşılan, yeni bir elektrot deneyin.
   NOT: Hatta tek bir parti içinde, bireysel elektrotlar empedans ve ucu geometri önemli ölçüde değişebilir. Her iki faktör wh-ışık uyarılmış ani algılamak için yeterli büyüklükte olmalıdır elektrodun etkili "dinleme yarıçapı", katkıdaIle arama, henüz tek başına bir tek interneuron kayıt sağlayacak kadar sınırlı.
8. Istediğiniz gibi elektrot empedansı test edin. Dokuya zarar görmesini önlemek için, iyi beyin dışında, agaroz tabakasının üst kısmında elektrodun ucu ile bunu. 7-14 MΩ aralığı içinde, tam olarak empedans bu uygulama için performans, veya verim kesin bir belirleyici değildir. Yani dinleme yarıçapı için makul bir vekil var, dedi: alt-empedanslı elektrotlar daha birimleri pick up; yüksek empedans, az.
9. Deneyin sonunda, böyle anestezi derinliğinin düzlemi altında anestetik aşırı dozda, ya da servikal bozma gibi kurumsal onaylı vasıtasıyla, hayvan euthanize.

Sonuçlar

Biz burada "Lima ve ark. ^1. Tablo 1 ayrıntıları önerilen anestezik kokteyl, ketamin-Medetomidin-acepromazine (tarafından geliştirilmiş bir Optogenetic yöntemi kullanılarak, anestezi fare kortekste genetik ilan inhibitör gelen tek birim kayıtları elde etmek için stratejimizi paylaşmak KMA "). Şekil 1 Şekil 4. 3 Arduino mikrodenetleyici ile ışık çıkışı yolluk için yapılandırma ve kodu içeren Şekil. 2 basit bir LED...

Tartışmalar

PINP kavramsal olarak basit olmasına rağmen, pratikte zor olabilir. Başarının önemli bir belirleyici elektrot seçimdir. Elektrik dinleme çapı kritik bir parametredir. Bu ucu bazı mesafe uzakta bir ChR2 + hücreden hala zaman bir doğrultuda ilerleme hızını ayarlayabilirsiniz, böylece ışık-uyarılmış ani algılamak için yeterince büyük olmalıdır. Aynı zamanda, iyi bir tek birim izolasyonu sağlayacak kadar kısıtlanmalıdır. Bu elektrot da komşu ChR2- birimlerinden ani almak, olmamalıdır. Di...

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
ChR2-EYFP Line	Jackson Colonies	12569
Pvalb-iCre (PV) Line	Jackson Colonies	8069
Sst-iCre (SOM) Line	Jackson Colonies	13044
Cr-iCre (CR) Line	Jackson Colonies	10774
Agarose	Sigma-Aldrich	A9793	Type III-A, High EEO
Micro Point (dural hook)	FST	10066-15
Surgical Scissors	FST	14084-09
Scalpel	FST	10003-12 (handle), 10011-00 (blades)
Puralube Ophthalmic Ointment	Foster & Smith	9N-76855
Homeothermic Blanket	Harvard Apparatus	507220F
Tungsten Microelectrodes	A-M Systems	577200	12 MΩ AC resistance, 127 μm diameter, 12° tapered tip, epoxy-coated
Capillary Glass Tubing	Warner Instruments	G150TF-3
Heat Shrink Tubing	DigiKey	A332B-4-ND
Zapit Accelerator	DVA	SKU ZA/ZAA	Use with standard Super Glue.
Microelectrode AC Amplifier 1800	AM Systems	700000
MP-285 Motorized Micromanipulator	Sutter	MP-285
4-channel Digital Oscilloscopes	Tektronix	TDS2000C
Powered Speakers	Harman	Model JBL Duet
Manual Manipulator	Scientifica	LBM-7
800 µm Fiber Optic Patch Cable	ThorLabs	FC/PC BFL37-800
Power Meter	ThorLabs	PM100D (Power Meter), S121C (Standard Power Sensor)
475 nm Cree XLamp XP-E	DigiKey	XPEBLU-L1-R250-00Y01DKR-ND	LED power and efficiency are continually increasing, so we recommend checking for the latest products (www.cree.com).
Arduino UNO	DigiKey	1050-1024-ND