Method Article
Burada, serbest hareket eden farelerde çoklu korteks tabakaları boyunca hücresel çözünürlük ile büyük ölçekli Ca 2+ görüntülemenin gerçekleştirilmesi için bir prosedür sunuyoruz. Yüzlerce aktif hücre, implante edilmiş bir prizma probu ile birleştirilmiş minyatür, başa monte mikroskop kullanarak eş zamanlı olarak gözlemlenebilir.
In vivo devreler ve hücresel düzeydeki fonksiyonel görüntüleme beyindeki hareketleri anlamada kritik bir araçtır. İki fotonlu mikroskop ile fare kortikal nöronlarının yüksek çözünürlüklü görüntülemesi, korteks yapısı, fonksiyonu ve plastisite ile ilgili benzersiz bilgiler sağlamıştır. Bununla birlikte, bu çalışmalar baş sabit hayvanlarla sınırlıdır ve bu çalışma için olan davranışsal karmaşıklığı büyük ölçüde azaltır. Bu yazıda, serbestçe davranan farelerde çoklu korteks tabakaları boyunca hücresel çözünürlüğe sahip kronik floresan mikroskobu gerçekleştirmek için bir prosedür açıklanmaktadır. Birkaç gün boyunca yeni bir nesne arama görevinde bulunan fare, somatosensor korteksin çok katmanlarında yüzlerce nöronun kalsiyum dinamiklerini aynı anda görselleştirmek ve kaydetmek için implante edilmiş bir prizma probu ile birlikte entegre bir minyatür floresan mikroskop kullandık. Bu teknik, farklı davranış türlerine göre farklı hayvan türlerinde diğer beyin bölgelerine uyarlanabiliraradigms.
Korteks dikkat, duyusal algılama ve yukarıdan aşağıya doğru bilişsel kontrol 1 , 2 , 3'ten motivasyon, ödül ve bağımlılık yolları 4 , 5'e kadar bir çok karmaşık zihinsel ve davranışsal işlevin önemli bir oyuncusu. İşlevinin altında yatan hesaplama süreçlerini anlamak, birçok zihinsel ve davranışsal bozukluğun daha iyi klinik anlayışını sağlamak için önemli bir hedeftir.
Birçok psikiyatrik hastalık kuramı, kortikal sinirsel devre disfonksiyonu ya da discoordinasyonun şizofreni 6 , otizm 7 ya da obsesif-kompülsif bozukluk gibi koşulların ayırıcı özelliklerinden biri olan bilişsel ve davranışsal anormallikler altında yattığı fikrinin etrafında toplanmaktadır. Böylece, toplum düzeyinde sinir aktivitesi verileri co eldeEşzamanlı davranışsal bilgi bağlamında rtical devreler çok önemlidir ve ideal olarak ince sinirsel devre diseksiyonu için spesifik hücre tiplerini hedef alabilir.
İmplante edilebilir gradyan refraktif indeks (GRIN) mikrolensiyonlarıyla birlikte küçültülmüş mikroskoplar, korteks 14 , 15 , 16 da dahil olmak üzere olası beyin bölgelerinden 9 , 10 , 11 , 12 , 13 çeşitliliğinden serbestçe hareket eden şartlar altında nöronal topluluklara optik erişim sağlar. Genetik olarak kodlanmış kalsiyum indikatörleriyle birleştirilmiş bir mobil mikroskopi sistemi kullanarak birçok beyin bölgesindeki 9 günde haftada yüzlerce nöronun bulunduğu aynı hücresel popülasyonun tutarlı şekilde görüntülenmesi sağlanır veGenetik olarak viral vektör veya transjenik teknikler kullanılarak spesifik hücre tiplerini hedef almıştır.
Korteks'in farklı fonksiyonları desteklediği ve hücrelerin kortikal tabakasında 17 , 18 , 19 bulunan yerlerine bağlı olarak farklı beyin bölgelerine bağlandığı bilinmektedir, uyanık davrandıkları konularda eşzamanlı çok katmanlı sinirsel aktivite elde etmekle ilgileniyoruz. Burada korteksi çok katmanlı bir görünüm sunan implante edilmiş bir prizma probu ile eşleştirilmiş olan minyatür flüoresan mikroskop 20'yi kullanarak günlerce serbestçe farları davrandıkça yüzlerce floresan etiketli nöronun nasıl görüntüleneceğini göstermektedir ( Şekil 1 ).
Burada kullanılan prizma probu iki ayrı GRIN lensinden oluşur: bir prizma ve bir silindirik röle lensi ( Şekil 1 ). Mikroskoptaki ışık, flüoresan etiketliProbların prizma bölümünün hipotenüsünden yansıyan prizma probunun görüntüleme yüzü boyunca yer alan hücreler. Hücrelerden yayılan ışık aynı zamanda prizmanın hipotenüsünü yansıtır, mikroskopun amacı aracılığıyla toplanır ve mikroskopta sensöre ulaşır. Bu prosedürde kullanılan prizma probu standart stereotaksik ekipmanlarla kolay kullanım için uyarlanmıştır.
Minyatür floresans mikroskopu 20 , tek hücreli çözünürlükte nöronal popülasyonlarda aksiyon potansiyelinden uyarılmış Ca 2+ geçişlerini saptar ve bu hücreler özellikle Ca 2+' ya duyarlı genetik olarak kodlanmış fluoresan göstergelerle etiketlenir. Bu protokolde, viral bir vektöre (AAV1.CaMKII.GCaMP6f.WPRE.SV40) kodlanmış Ca 2+ göstergesi enjekte ediyoruz, bir prizma probu yerleştiriyoruz, mikroskopu taktıktan sonra, birden çok gün somatosensoriyel (S1 arka bacak) nöral aktivite verilerini elde ediyoruz Bir hayvandan maruz kalmaD) serbest araştırmalar sırasında yeni nesne yüzeylerine bırakın ( Şekil 2 ).
Hayvanları ilgilendiren prosedürler, Kaliforniya'daki NASA Ames Araştırma Merkezi'ndeki LifeSource Biyomedikal Hizmetleri'ndeki Kurumsal Hayvan Bakımı ve Kullanım Komitesi (IACUC) tarafından onaylanmıştır.
1. Preoperatif Hazırlık
2. Virüs Enjeksiyonu Ameliyatı
3. Prism Prob İmplant Cerrahisi
4. Minyatür Mikroskop Kurulumu için Baz Platform Ataşmanı
5. Serbestçe Hareketli Bir Fare'de Çoklu Kortikal Katman Görüntüleme
6. Büyük Ölçekli Ca 2+ Görüntüleme Verilerinin Değerlendirilmesi
Burada özetlenen protokol, prizm probları kullanarak serbestçe davranan farelerde yüzlerce kortikal nörondan boyuna çok katmanlı Ca 2+ görüntülemeyi gerçekleştirmenin etkili ve etkili bir yolunu anlatmaktadır ( Şekil 1 ). Çok katmanlı kortikal görüntülemeye yönelik önceki yaklaşımlar başlıca sabit hayvanlar 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 ile sınırlandırılmıştır. Bu verilerin seviyesini özgürce davranan bir bağlamda elde edebilmek için davranış esnekliği için minyatür bir mikroskop platformu kullanıldı; Genetik olarak kodlanmış bir kalsiyum indikatörü (GCaMP6f) belirli bir hücre popülasyonunu (kortekste CAMKII + hücreleri) hedeflemek için kullanıldı; Ve bir prizma probu, kronik, çok tabakalı bir görüş alanı sağlamak için seçildi.
Hayvanı görüntüleme için hazırlama iş akışını gösterdik. Etiketli hücrelere optik erişim sağlamak için kronik olarak bir prizma probu implante etmeden önce, uygun bir kalsiyum indikatörü kodlayan bir viral vektör kortekse enjekte edildi ( Şekil 2 , Adım 1) ( Şekil 2 , Adım 2). Görüntüleme oturumları sırasında mikroskop yerleştirilmesi için güvenli, geçici bir platform görevi gören bir taban plakası daha sonra hayvanın başının üzerine yerleştirildi ( Şekil 2 , Adım 3), çok hücreli katmanlar arasındaki kortikal aktivitenin uyanık bir davranış deneyselinde görselleştirilmesini sağladı Kurulum ( Şekil 2 , Adım 4).
İstenen hücresel popülasyonun hedeflendiğinden emin olmak için, temsil eden bir fare için post-mortem bir koronal beyin bölümü, Şekil 3'te prizma sondası kanalı ve görüş alanı GCaMP6f laboratuara göre işaretlenmiştirSomatosensoriyel kortekste Katman 2/3 ve 5'de bulunan nöronlar.
Açık alan (Gün 1), Nesnelerin Tanıtılması (Gün 2-4) ve Roman Nesnesi (Gün 5) olmak üzere üç farklı ortama maruz kaldığında uyanık sistemli görüntüleme sırasında somatosensor kortikal nöronların aktivitesi kaydedildi ( Şekil 4 ). Gün 1, fare herhangi bir nesneden yoksun bir davranış alanına yerleştirildi. 2-4. Günlerde fare, aynı iki dokusal açıdan farklı cisimler (bir jel yatağı ve bir ahşap blok) ile arenaya yerleştirildi. 5. gün, nesnelerden biri yeni bir nesneyle değiştirildi. Hayvan 5 gün boyunca her gün 20 dakika boyunca görüntülendi.
Ca 2+ görüntü veri analiz yazılımı kullanılarak hücre ekstraksiyonunu takiben, hücre konumlarına karşılık gelen mekansal filtreler, mikroskop kayıt verilerinin ortalama floresan yoğunluğu projeksiyonu üzerine bindirildi( Şekil 5) . Beyaz kesikli çizgi, katmanları 2/3 ve 5 hücrelerini ayırır. Katmanların her birinden 5 hücreye karşılık gelen Ca 2+ izleri, hücrelerin ateşleme modelini iki farklı davranışsal bağlamda göstermektedir: Nesneleri Tanıma ve Roman Nesneye Maruz Kalma. Katman 2/3 hücreleri, fare yeni bir nesneye maruz kaldığı gün katman 5 hücreleriyle karşılaştırıldığında daha aktifti. Bu aynı zamanda, 1., 4. ve 5. günlerde tüm görüntü hücrelerinin eşikli ateşleme aktivitesini gösteren raster çizimlerden anlaşılmaktadır.
Şekil 1: Serbestçe hareket eden farelerde çoklu kortikal katmanların karşısındaki In Vivo Ca 2+ Görüntüleme. ( A ) Prizma prob özellikleri ve görüntüleme düzlemi gösterimi. Hipotenürün iç kısmındaki yansıtıcı kaplama, prizma probunun ekleme düzleminden 90 ° görüntüleme sağlar. Mercek cuFf, implantasyon prosedürünü düzene sokan ve implantasyon sırasında çevresel doku floresansının potansiyel olarak görüntülenmesine izin veren lens tutucusu ile bütünleşir ( B ) (i). Virüs enjeksiyon bölgesine göre prizma sondası kraniotomisinin ve bıçak kesiğinin yerleştirilmesi ve (ii) bıçak kesi ve virüs enjeksiyon bölgesine göre prizma sondasının düz tarafının konumunun gösterilmesi. ( C ) Fare korteksine yerleştirilen prizma probu vasıtasıyla tam alan içinde küçük bir alan için ışık yolunu gösteren in-vivo Ca 2+ görüntüleme düzeneğinin illüstrasyonu. ( D ) Prizma probu takılması sırasında örnek alan. Minyatür mikroskop, prizma probunu tutan lens tutucusuna tutturularak prizma probu kurulumu sırasında virüs ifadesinin kontrol edilmesine izin verir. ( E ) GCaMP6f etiketli S1 hücrelerinin çok katmanlı kortikal görüntülemesi için mikroskop ile prizma probu entegrasyonu. F Örnek alanTaban plakası kurulumu sırasında. Açık kan damarı deseni, ham görüntüde bazı hücrelerle taban plakası kurulumu sırasında görülür. Toplama yazılımı penceresinde DF / F açıldığında daha fazla hücre açıkça görülür. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.
Şekil 2: Prizma Prob İmplantasyonu ve Mikroskop Kurulumu için İş Akışı Olaylarının Zaman Çizelgesi Gösterilen Şematik. Hafta sayısı, X ekseni üzerinde ve Y ekseni boyunca işlemlerin iş akışı adımları üzerinde gösterilir. ( A ) Aynı dorso-ventral eksende fare somatosensoriyel korteksin çok katmanlarını etiketlemek için viral enjeksiyon (AAV1.CaMKII.GCaMP6f.WPRE.SV40) gösteren grafik. ( B ) virüs enjeksiyonlarından 2 hafta sonra, bir prizma probuE, virüs enjeksiyon bölgelerine paralel olan bir eksene yerleştirilir. ( C ) Prizma probu implantasyonundan yaklaşık bir hafta sonra, hayvanın mikroskop ile ekspresyonu kontrol edilir ve bir hücre popülasyonu görülebiliyorsa kafaya bir taban plakası monte edilir. ( D ) Hayvan, daha sonra, ilgili davranışsal görevler sırasında kronik görüntüleme için hazırdır (Mouse clip art, UW-Madison Biochemistry MediaLab'ın izninin ardından değiştirilmiştir). Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.
Şekil 3: Prism Probe Yerinin ve GCaMP İfadesinin Postmostem Histolojik Onaylaması. ( A ) Prizma prob yolunu gösteren ve görüntüleme tarafı bakan temsili fare beynindeki koronal kesitGCaMP6f ifade eden hücreleri (AAV1.CaMKII.GCaMP6f nöronlarda katmanlar 2/3 ve 5'de ifade edilir). ( B ) DAPI için boyanmayı takiben aynı koronal beyin bölümü. Ölçek çubuğu = 250 μm ( C ) Somatosensoriyel kortekste GCaMP6f eksprese eden hücreler ışığında büyütülmüştür. Ölçek çubuğu = 100 μm. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.
Şekil 4: Habitüasyon sırasında Fare Aktivitesi, Tanılama ve Yeni Nesne Pozlama Testi, Video Yazılımı kullanılarak Video İzlenmiştir. ( A ) 1. Gün, hayvan herhangi bir nesneden yoksun bir davranış alanına yerleştirildi (Açık Alan). ( B ) 2-4. Günlerde aynı iki dokusal açıdan farklı nesne (jel ped ve ahşap blok) arenaya yerleştirildi (Object Familiarization). ( C ) 5. günde, nesnelerden biri yeni bir nesneyle (kum kağıdı ile ahşap blok) değiştirildi (Novel Object Exposure). Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.
Şekil 5: Mikroskop ile Görüntülenen Temsilci Bir Farenin Somatosensor Korteksinin Yüzeysel ve Derin Katmanlarından Kalsiyum Dinamiği. ( A ) Nöronal uzaysal filtrelerin (yeşil bloklar) ve prizma tarama alanı üzerinden mikroskop kayıtlarının ortalama floresans yoğunluğu projeksiyonunun birleştirilmiş hali. Beyaz kesikli çizgi ile gösterilen supragranular ve infragranular tabakalar arasındaki sınır. Ölçek çubuğu = 100 μm. ( B ) Yüzeysel ve derin tabakalı beş örnek hücrenin (dolu mavi ve kırmızı cTemel A ve bağımsız bileşen analizini takiben floresansın standart sapması birimleri belirtir. Yatay ölçek çubuğu 50 s ve dikey ölçek çubuğu 10 SD ( C ) Açık alan, Nesne Tanıtımı ve Roman nesnesi araştırması üzerinde gösterilen yüzeysel (katmanlar 2/3) ve derin katmanlardan (katman 5) hücrelerin raster çizimi. Ölçek çubuğu = 100 s. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.
Uyanıklık davranışı sırasında nöral devre aktivitesini anlamak, sağlık ve hastalıkta beyin fonksiyonunu etkin bir şekilde incelemek için gerekli olan hayati bir nevrofizyolojik araştırmanın seviyesidir. Korteks uyanık davranış bağlamında çalışmak için özellikle önemli bir bölgedir çünkü birçok hayati duyu, bilişsel ve yürütücü işlevlerde önemli rol oynar 28 , 29 .
Korteksin korteksdeki temel işlevsel birimi olduğu düşünülür ve kortikal hücrelerin popülasyon düzeyindeki aktivitelerinin sütundaki fiziksel konumlarına göre farklılık gösterdiği bilinir. Örneğin, somatosensoryal korteksteki katmanlardaki 2/3 katmanlı eksitatör nöronlar öncelikle diğer neokortikal bölgelere yönelir ve diğer korteks ağlarını 30 modüle eder, buna karşın daha derin tabakalardaki hücreler esas olarak talamus 31 gibi kortikal bölgelere yansıtılır. Yüz etkinliklerinin kaydedilmesiÖnceden belirlenmiş kortikal hücrelerin eş zamanlı olarak serbestçe davrandıklarında farklı lamina boyunca aynı anda ve güvenilir şekilde kortikal bilgi akışı konusundaki anlayışımızı ilerleteceğini ve kortikal sütunların gerçek zamanlı davranışsal bilgi ve görevle ilişkili zamana bağlı bilgi ile daha ince fonksiyonel diseksiyona izin verdiğini, ölçekler.
Bu seviyedeki sinir devresi verilerini toplamak, serbestçe davranıyor konularda (veya istenen baş-sabit konular) büyük ölçekli Ca 2+ görüntülemeyi gerçekleştirmek için etkin ve düzenli bir minyatür mikroskop platformu kullanılarak mümkün hale gelir. Genetik olarak kodlanmış kalsiyum göstergeleri ile hücre tipi spesifik hedeflemeyi etkinleştirmek ve kronik implante edilmiş bir prizma probu tarafından sağlanan çok katmanlı bir görüş alanını görüntülerken kullanılan bu protokol, pek çok olası uygulama arasında bir vaka araştırmıştır: farelerde somatosensoriyel kortikal işlemedeki laminar farklılıkların gözlenmesi Fiziksel olarak yeni bir cisim ile etkileşimde bulunur ( Şekil 5 ).Bu, uyanıkken çoklu korteks tabakalarını çalışma özgürlüğü içinde davranan bu tür hücre tipine özgü, in vivo yaklaşımın ilk prosedürel örneğidir ve aktif beyindeki laminer yapıları anlamak için mevcut deneysel yöntemlerin spektrumunu genişletir.
Bu tekniğin prizma probu tarafından sağlanan periskopik görüş alanı, doğrudan ilgi alanına doğru doku korunması istenildiğinde diğer beyin yapılarına uygulanabilir. Örneğin, CA3 görüntüleme, hipokampal fonksiyonun kesintiye uğramadan başarılabilir.
Ca 2+ aktivitesini görüntüleme için Prism probuna dayalı yaklaşım, bir mikro prizmanın kortekse fiziksel olarak yerleştirilmesini ve kalıcı bir şekilde implantasyonunu gerektirir; bu, lens probunun yerleştirildiği bir kortikal lezyonun yaratılmasına denktir. Bu, apikal dendritlerin ve süreçlerin kesilmesi de dahil olmak üzere, lokal sinirsel devrelerde bozulmalara neden olabilir. TOnun prosedürü aynı zamanda bölgedeki glial hücrelerin ilk kez aktivasyonuna neden olur, ancak bunun prizma yüzünden yaklaşık 150 mikron dokuya lokalize edilmesi ve beynin iyileşmesi sonrasında düşmesi beklenir22. Deney planlanırken bu tekniğin normal devre anatomisini ve / veya hayvanların davranışını etkileyip etkilemeyeceğini düşünmek çok önemlidir. Davranışsal kontrol grupları her zaman karıştırılarak deneysel sonuç üretebilecek temel davranışlarda önemli bir değişiklik olmadığından emin olunması için yürütülmelidir.
Sinirsel farmakolojik manipülasyona sahip bu minyatür mobil Ca 2+ görüntüleme tekniğini, çeşitli bilişsel, sosyal, motor veya intrinsik davranış parametrelerini kullanarak ve diğer fizyolojik ölçümlerle birleştirerek sinirsel devrelerin davranış ve sinyaldeki işlevsel rollerini anlamaya odaklanan çalışmaları derinleştirebilir ve zenginleştirebilir Işleme 32 . Bastırma veya aktiviteİlaçlar tarafından modüle edilen bazı yolların ationu, bu teknolojiyi kullanarak kolayca incelenebilen ilişkili davranışları etkileyebilir 33 . Kalsiyum göstergesinin hedeflemesini değiştirerek farklı hücre türlerine dalmak, başka güçlü ve kullanışlı bir uygulamadır ve çeşitli sinirsel devre sorularını çözmek için birçok deneysel araç kombinasyonuna olanak tanır.
Yazarlar, gazetenin politikasını okudular ve aşağıdaki rekabet uyuşmazlıklarına sahip oldular: SG, SO ve VC'nin Inscopix'te ücretli çalışanları var.
Yazarlar, Howard Hughes Tıp Enstitüsünün Janelia Araştırma Kampüsü'ndeki Genetik Olarak Kodlanmış Nöronal Gösterge ve Efekt (GENIE) Projesinden V. Jayaraman, DS Kim, LL Looger ve K. Svoboda'ya, AAV1-GCaMP6f'nin cömert bağışlarından dolayı teşekkür etmek istiyorlar Pennsylvania Üniversitesi Vektörel Çekirdek. Ayrıca, konform mikroskopi hizmetleri için NIH NS069375 tarafından desteklenen Stanford Üniversitesi'ndeki A. Olson ve Neuroscience Mikroskopi Çekirdeğine teşekkür etmek istiyorlar.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Neurostar Motorized Ultra Precise Small Animal Stereotaxic Instrument | Kopf | Model 963SD | Surgery |
Stereoscope | Labomed | Prima DNT | Surgery and Imaging |
Mini Rectal Thermistor Probe (.062"/1.6 mm diameter) - 1/4" Jack | FHC | 40-90-5D-02 | Surgery |
Heating Pad 5 X 12.5 cm | FHC | 40-90-2-07 | Surgery |
DC Temperature Controller | FHC | 40-90-8D | Surgery |
Microsyringe Pump | World Precision Instruments | UMP3 model; serial 155788 F110 | Surgery |
NanoFil 10 μL Syringe | World Precision Instruments | NANOFIL | Surgery |
35 G Beveled Tip Nanofil NDL 2PK | World Precision Instruments | NF35BV-2 | Surgery |
Omnidrill35, 115 - 230 V | World Precision Instruments | 503598 | Surgery |
Burrs for Micro Drill | Fine Science Tools | 19007-05 | Surgery |
nVista | Inscopix | 100-001048 | Imaging |
AAV1.CaMKII.GCaMP6f.WPRE.SV40 | Penn Vector Core | AV-1-PV3435 | Surgery |
Ketoprofen | Victor Medical | 5487 | Surgery |
Carprofen | Victor Medical | 1699008 | Surgery |
Isoflurane | Victor Medical | 1001054 | Surgery |
Gelfoam (Patterson Veterinary Supply Inc Gelfoam Sponge 12 cm x 7 mm) | Pfizer (Fisher Scientific) | NC9841478 | Surgery |
Dumont #5/45 forceps | Fine Science Tools | 11251-35 | Surgery |
Dumont #5 forceps | Fine Science Tools | 11251-30 | Surgery |
Dissecting knives | Fine Science Tools | 10055-12 | Surgery |
ProView Implant Kit | Inscopix | 100-000756 | Surgery and Imaging |
ProView Prism Probe 1.0 mm-Dia. ~4.3 mm Length | Inscopix | 100-000592 | Surgery and Imaging |
Kwik-Sil adhesive pack of 2 | World Precision Instruments | KWIK-SIL | Surgery |
Kwik-Cast Sealant | World Precision Instruments | KWIK-CAST | Surgery and Imaging |
Miniature Optical Mounting Post | Newport | M-TSP-3 | Imaging |
Microscope Baseplate | Inscopix | BPL-2 | Imaging |
Microscope Baseplate Cover | Inscopix | BPC-2 | Imaging |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır