Name: scalable fluidic injector arrays for viral targeting of intact 3-d brain circuits
Uploaded: 2010-01-21T00:00:00
Duration: 13 min 36 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Scalable Fluidic Injector Arrays for Viral Targeting of Intact 3-D Brain Circuits at JoVE.com

ESB признает, финансирование новых Новатор NIH директора премии (DP2 OD002002-01), NIH вызов Грант 1RC1MH088182-01, NIH Гранд Возможности Грант 1RC2DE020919-01, NIH 1R01NS067199-01, NSF (0835878 и 0848804), Макговерн института нейротехнологии премии программе , Министерство обороны, NARSAD, Альфреда П. Слоуна, Джерри и Мардж Бернетт, премии SFN исследований для инноваций в области неврологии, MIT Media Lab, Benesse Фонда, и Уоллес H. Coulter Foundation.

<ol>
	<li>Chow, B., Han, X., Qian, X., Boyden, E. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-performance+halorhodopsin+variants+for+improved+genetically-targetable+optical+neural+silencing.">High-performance halorhodopsin variants for improved genetically-targetable optical neural silencing.</a> Frontiers in Systems Neuroscience. , (2009).</li><li>Bi, A., Cui, J., Ma, Y. P., Olshevskaya, E., Pu, M., Dizhoor, A. M., Pan, Z. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ectopic+expression+of+a+microbial-type+rhodopsin+restores+visual+responses+in+mice+with+photoreceptor+degeneration.">Ectopic expression of a microbial-type rhodopsin restores visual responses in mice with photoreceptor degeneration.</a> Neuron. 50, 23-33 (2006).</li><li>Han, X., Qian, X., Bernstein, J., Zhou, H., Franzesi, G., Stern, P., Bronson, R., Graybiel, A., Desimone, R., Boyden, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Millisecond-Timescale+Optical+Control+of+Neural+Dynamics+in+the+Nonhuman+Primate+Brain.">Millisecond-Timescale Optical Control of Neural Dynamics in the Nonhuman Primate Brain.</a> Neuron. 62 (2), 191-198 (2009).</li><li>Zhang, F., Wang, L. P., Brauner, M., Liewald, J. F., Kay, K., Watzke, N., Wood, P. G., Bamberg, E., Nagel, G., Gottschalk, A., Deisseroth, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multimodal+fast+optical+interrogation+of+neural+circuitry.">Multimodal fast optical interrogation of neural circuitry.</a> Nature. 446 (7136), 633-639 (2007).</li><li>Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., Deisseroth, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Millisecond-timescale+genetically+targeted+optical+control+of+neural+activity.">Millisecond-timescale genetically targeted optical control of neural activity.</a> Nat Neurosci. 8 (9), 1263-1268 (2005).</li><li>Han, X., Boyden, E. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multiple-color+optical+activation,+silencing,+and+desynchronization+of+neural+activity,+with+single-spike+temporal+resolution.">Multiple-color optical activation, silencing, and desynchronization of neural activity, with single-spike temporal resolution.</a> PLoS ONE. 2, e299-e299 (2007).</li><li>Szobota, S., Gorostiza, P., Del Bene, F., Wyart, C., Fortin, D. L., Kolstad, K. D., Tulyathan, O., Volgraf, M., Numano, R., Aaron, H. L., Scott, E. K., Kramer, R. H., Flannery, J., Baier, H., Trauner, D., Isacoff, E. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Remote+control+of+neuronal+activity+with+a+light-gated+glutamate+receptor.">Remote control of neuronal activity with a light-gated glutamate receptor.</a> Neuron. 54 (4), 535-545 (2007).</li><li>Lima, S. Q., Miesenbock, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Remote+control+of+behavior+through+genetically+targeted+photostimulation+of+neurons.">Remote control of behavior through genetically targeted photostimulation of neurons.</a> Cell. 121 (1), 141-152 (2005).</li><li>Zhang, F., Wang, L. P., Boyden, E. S., Deisseroth, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Channelrhodopsin-2+and+optical+control+of+excitable+cells.">Channelrhodopsin-2 and optical control of excitable cells.</a> Nat. Methods. 3, 785-792 (2006).</li><li>Ishizuka, T., Kakuda, M., Araki, R., Yawo, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Kinetic+evaluation+of+photosensitivity+in+genetically+engineered+neurons+expressing+green+algae+light-gated+channels.">Kinetic evaluation of photosensitivity in genetically engineered neurons expressing green algae light-gated channels.</a> Neurosci Res. 54 (2), 85-94 (2006).</li><li>Luo, L., Callaway, E. M., Svoboda, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Genetic+dissection+of+neural+circuits.">Genetic dissection of neural circuits.</a> Neuron. 57 (5), 634-660 (2008).</li></ol>

Все процедуры в соответствии с Руководством NIH для лабораторных животных и одобрен Уход Массачусетского технологического института и использованию животных и биобезопасности комитетов.

В последние годы число генетически закодированы оптических сенсибилизаторов позволили нейроны активируются и замолчать в естественных условиях в временно точностью моды, в ответ на короткие импульсы света (например, 1,4,5,6,7,8 , 11). Ключевым методом, с которой нейроны имели возможность ознакомиться с света в мозге млекопитающих, является использование вирусов, таких как лентивирусов и адено-ассоциированные вирусы (ААВ), которые могут доставить гены, кодирующие opsins в мозг животных от мышей до обезьян, в безопасной и прочной одежды (например, 2,9,10). Вирусы позволяют быстрее затрат времени, чем у трансгенных, особенно для организмов, которые не являются генетическими модельных организмов, таких как крысы и обезьяны, и для opsins может позволить высоким уровнем выражение, которое не может быть возможным в трансгенных сценариев. Здесь мы показываем, параллельный массив инжектор способен создать, в быстром сроки &quot;, сеансового уровня трансгенных&quot;, позволяющие всем 3-мерной структуры мозга, чтобы быть с вирусно целевой ген, в одном хирургическом шаг. Массив инжектор содержит один или более объемные насосы, что каждый диск набор шприцов, каждый из которых питается в полиимида / из кварцевого стекла с помощью капиллярного высокого давления, устойчивых к разъему. Капилляры размера, а затем вставляется, желаемых местах, указанных на заказ фрезерные стереотаксической борту позиционирование, что позволяет вирусы или другие реагенты для доставки желаемый набор области мозга. Чтобы воспользоваться устройством, хирург сначала заполняет жидкостный подсистемы полностью с маслом, backfills капилляров с вирусом, вставляет устройство в мозг, и вселяет реагенты медленно (&lt;0,1 мкл / мин). Эта технология позволит широкий спектр новых видов экспериментов, таких, как миллисекунд сроки закрытия сложно форме структуры (например, гиппокамп) в конкретное время поведение, временно точностью инактивации двусторонних структур, которые могут выступать в избыточно (например, левой и правой миндалины), и возмущение нескольких дискретных областях мозга (например, вождение двух соединенных между регионами по фазе, чтобы изучить, как кросс-регион синхронность зависит от деятельности в рамках каждого региона, или стимулирующие вклад в регионе в то время как глушителей подмножество цели, чтобы понять, какая из нескольких целей имеют решающее значение для посреднической последствия этих входов). Для больших мозгов как и на приматах, в котором мы недавно продемонстрировала оптический камерного типа конкретной нейронной активации 3, возмущающих деятельности в поведенчески-соответствующей области могут потребовать вирусной маркировки больших, сложных структур. Отметим, что параллельно массивы инжектор может быть использована для введения практически любую полезную нагрузку - лекарства, нейромодуляторов, нейромедиаторов, или даже клетки - в сложных 3-D модели в головном мозге, в временно-точно. Наконец, из поступательных точки зрения, вполне возможно, что быстрое, пациент настраиваемые генной терапии или устройств доставки лекарственных средств может быть быстро специально разработаны и изготовлены в соответствии с индивидуальными геометрии мозга, поддерживая новые методы лечения различных патологий, возможно за счет использования оптические молекул контроля. Инжектор массивы предназначены, чтобы быть точным, как в пространстве и объемно. В X-и Y-направлений, это достигается путем бурения очень точно размещены отверстия с использованием недорогих мини-мельницы, с отверстиями достаточно большой, чтобы соответствовать инжекторов, так что инжекторы проходят параллельно друг другу, а в точном местоположения. В Z-направлении, инжекторы отделаны использованием стереотаксической аппарат, позволяющий уровень точности эквивалентна стереотаксической сама операция. Объемной точности возникает из-за точность насоса Гамильтона, а также почти нулевым мертвым объемом разъемов, адаптированных с высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) области. Инжекторы изготавливаются из плавленого кварца капиллярная трубка, которая является сильным и достаточно жестким, что он поддерживает точную форму и расстояние под давлением, не больше толщины стенки альтернативы, такие как сталь канюль. Малые изменения могут быть легко приняты для приведения параллельных массива инжектор для различных экспериментов. Например, если меньший объем вируса или меньшими интервалами не требуется, меньше капиллярной трубки могут быть использованы, наряду с соответствующим меньше сверло. Будущие устройства могут использовать микрожидкостных каналов и насосов, для увеличения числа параллельных инжекторы, чтобы свести к минимуму размеры (возможно, позволяющих такие устройства для установки на головы свободно движущихся животных).

<!DOCTYPE html PUBLIC "-//W3C//DTD XHTML 1.0 Transitional//EN" "http://www.w3.org/TR/xhtml1/DTD/xhtml1-transitional.dtd">
<html xmlns="http://www.w3.org/1999/xhtml" xml:lang="en" lang="en">	
		
		<div>
		<table border="1">
		<thead>
		<tr>
		<th>Material Name</th>
		<th>Type</th>
		<th>Company</th>
		<th>Catalogue Number</th>
		<th>Comment</th>
		</tr>
		</thead>
		<tbody>
		
<tr>
<td>Dremel Tool</td>
<td>Tool</td>
<td>Dremel</td>
<td>3956-02</td>
<td>&nbsp;</td>
<tr>
<td>Laser Cutter</td>
<td>Tool</td>
<td>Universal Laser Systems</td>
<td>VLS2.30</td>
<td>&nbsp;</td>
<tr>
<td>Hot glue gun</td>
<td>Tool</td>
<td>Stanley Bostitch</td>
<td>GR20</td>
<td>&nbsp;</td>
<tr>
<td>Injection/withdrawal syringe pump (Hamilton pump)</td>
<td>Tool</td>
<td>Harvard Apparatus</td>
<td>702001</td>
<td>&nbsp;</td>
<tr>
<td>10 &mu;l Hamilton syringes</td>
<td>Tool</td>
<td>Hamilton Company</td>
<td>701N</td>
<td>Need one per injection site</td>
</tr>
<tr>
<td>Mouse stereotax</td>
<td>Tool</td>
<td>Stoelting</td>
<td>51725D</td>
<td>&nbsp;</td>
<tr>
<td>Modela mini-mill</td>
<td>Tool</td>
<td>Roland</td>
<td>MDX-15</td>
<td>&nbsp;</td>
<tr>
<td>0.011" diameter drill bit for mini mill</td>
<td>Tool</td>
<td>Mcmaster-Carr</td>
<td>8915A12</td>
<td>&nbsp;</td>
<tr>
<td>1/32" diameter drill bit For mini-mill</td>
<td>Tool</td>
<td>McMaster-Carr</td>
<td>8848A35</td>
<td>&nbsp;</td>
<tr>
<td>High speed dental drill</td>
<td>Tool</td>
<td>Lynx</td>
<td>333</td>
<td>&nbsp;</td>
<tr>
<td>Dental drill accessories</td>
<td>Tool</td>
<td>Pearson</td>
<td>F 35-08-25 F 35-07-10 P 86-02-38</td>
<td>&nbsp;</td>
<tr>
<td></td>
<td></td>
<td></td>
<td></td>
<td></td>
</tr>
<tr>
<td>1.5mm outer diameter (OD) stainless steel cannula</td>
<td>Material</td>
<td>Small-Parts</td>
<td>HTX-15R</td>
<td>&nbsp;</td>
<tr>
<td>1-72 binding slotted machine screw</td>
<td>Material</td>
<td>Small-Parts</td>
<td>MX-0172B</td>
<td>&nbsp;</td>
<tr>
<td>1-72 hex nut</td>
<td>Material</td>
<td>Small-Parts</td>
<td>HNX-0172</td>
<td>&nbsp;</td>
<tr>
<td>PCB proto-board, 1/32" thick</td>
<td>Material</td>
<td>Digi-Key</td>
<td>PC57-T-ND</td>
<td>&nbsp;</td>
<tr>
<td>Acrylic Sheet, 1/8" thick</td>
<td>Material</td>
<td>Mcmaster-Carr</td>
<td>8560K239</td>
<td>&nbsp;</td>
<tr>
<td>HPLC connectors</td>
<td>Material</td>
<td>Upchurch Scientific</td>
<td>F-252, P-627, P-200, P-235, F-240 (some of these can be bought in 10-packs; simply add an &#x2018;x&#x2019; to the end of the part number)</td>
<td>Need one per injection per site, except F-252, P-627, and P-235, which can be reused</td>
</tr>
<tr>
<td>Fused silica capillary tubing, OD: 245 &mu;m, ID: 100 &mu;m</td>
<td>Material</td>
<td>Polymicro Technologies</td>
<td>2000022-10M</td>
<td>&nbsp;</td>
<tr>
<td>5-minute general purpose epoxy</td>
<td>Material</td>
<td>Permatex</td>
<td>84101</td>
<td>5-minute general purpose epoxy</td>
</tr>
<tr>
<td>Polyethylene tubing .066 x .095 inch</td>
<td>Material</td>
<td>VWR</td>
<td>63018-827</td>
<td>&nbsp;</td>		</tbody>
		</table>
		</div>

scalable fluidic injector arrays for viral targeting of intact 3-d brain circuits

Наше понимание нейронные цепи, - как они посредником вычислений, которые subserve ощущения, мысли, эмоции и действия, и как они повреждены в неврологических и психических расстройств - будет в значительной мере способствовало технологии для быстрой ориентации гены комплекса 3 - мерных нейронных цепей, быстрого создания &quot;сеансового уровня трансгенных&quot;. Мы недавно разработали методы, в которых вирусы кодировки для светочувствительных белков может внимания специфические типы клеток к миллисекунд сроки активации и глушителей в интактном мозге. Мы здесь присутствует разработке и реализации массива инжектор, способных доставлять вирусы (или другой жидкости) в десятки определенных точках в течение 3-мерной структуры головного мозга (<strong&gt; Рисунок. 1А, 1Б</strong&gt;). Массив инжектор содержит один или более объемные насосы, что каждый диск набор шприцов, каждый из которых питается в полиимида / из кварцевого стекла с помощью капиллярного высокого давления, устойчивых к разъему. Капилляры размера, а затем вставляется, желаемых местах, указанных на заказ фрезерные стереотаксической борту позиционирование, что позволяет вирусы или другие реагенты для доставки желаемый набор области мозга. Чтобы воспользоваться устройством, хирург сначала заполняет жидкостный подсистемы полностью с маслом, backfills капилляров с вирусом, вставляет устройство в мозг, и вселяет реагенты медленно (&lt;0,1 мкл / мин). Параллельную природу массив инжектора способствует быстрой, точной и надежной маркировки целых нейронных цепей с вирусными полезных нагрузок, таких как оптические сенсибилизаторы включить свет активации и заставить замолчать определенных схем мозга. Наряду с другими технологиями, такими как оптические волокна массивов для легкой доставки искомые множества мозга регионов, мы надеемся создать инструментарий, который позволяет систематическое зондирование причинных функций мозга в интактном мозге. Эта технология может не только открыть такие системных подходов к схеме ориентированной неврологии у млекопитающих, а также содействовать маркировки области мозга в больших животных, таких как не-человеческое приматов, но также может открыть клинические поступательного путь для клеточной удельной оптической протезирование контроль , чья точность может дать улучшение лечения неразрешимыми расстройства мозга. Наконец, такие устройства, как описано здесь может способствовать именно своевременная доставка жидкостный другие полезные нагрузки, такие, как стволовые клетки и фармакологических агентов, до 3-мерной структуры, легко настраиваемых пользователем моды.

Watch this Scientific Journal Video about Scalable Fluidic Injector Arrays for Viral Targeting of Intact 3-D Brain Circuits at JoVE.com

Scalable Fluidic Injector Arrays for Viral Targeting of Intact 3-D Brain Circuits

Контроль и анализ нейронных цепей<em&gt; В естественных условиях</em&gt; Способствовало бы технологию для доставки вирусов и других реагентов из 3-мерных наборов области мозга. Мы демонстрируем настроены жидкостный инжектор массив изготовление и доставку вирусно кодировке оптических сенсибилизаторов, что позволяет оптическое манипулирование комплексных схем мозга.

Масштабируемая Fluidic Массивы Инжектор для Вирусный Ориентация интактного 3-D участки мозга

Our understanding of neural circuits--how they mediate the computations that subserve sensation, thought, emotion, and action, and how they are corrupted ...

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Targeting of Deep Brain Structures with Microinjections for Delivery of Drugs, Viral Vectors, or Cell Transplants

Ориентация глубинных структур мозга с Микроинъекции для доставки лекарственных средств, вирусные векторы, или клеточных трансплантатов

Microinjections into the brain parenchyma are important procedures to deliver drugs, viral vectors or cell transplants.  The brain lesion that an ...

Intact Histological Characterization of Brain-implanted Microdevices and Surrounding Tissue

Гистологическая характеристика интактного мозга имплантированных Microdevices и окружающих тканей

Research  into the design and utilization of brain-implanted microdevices, such as  microelectrode arrays, aims to produce clinically relevant devices ...

Electrophysiological Recording in the Brain of Intact Adult Zebrafish

Электрофизиологические записи в мозгу неповрежденном взрослых данио рерио

Previously, electrophysiological studies in adult zebrafish have been limited to slice preparations or to eye cup preparations and electrorentinogram ...

3-D Imaging and Analysis of Neurons Infected In Vivo with Toxoplasma gondii

3-D Imaging and Analysis of Neurons Infected In Vivo with Toxoplasma gondii

3-D изображений и анализ нейронов Infected<em&gt; В Vivo</em&gt; С<em&gt; Токсоплазма</em

Toxoplasma gondii is an obligate, intracellular parasite with a broad host range, including humans and rodents. In both humans and rodents, Toxoplasma ...

Modification of a Colliculo-thalamocortical Mouse Brain Slice, Incorporating 3-D printing of Chamber Components and Multi-scale Optical Imaging

Модификация Colliculo-таламокортикального мозга мыши фрагмент, включающий 3-D печать палаты компонентов и нескольких масштаб оптических изображений

The ability of the brain to process sensory information relies on both ascending and descending sets of projections. Until recently, the only way to study ...

Interfacing 3D Engineered Neuronal Cultures to Micro-Electrode Arrays: An Innovative In Vitro Experimental Model

Interfacing 3D Engineered Neuronal Cultures to Micro-Electrode Arrays: An Innovative In Vitro Experimental Model

Взаимодействие 3D конструктивных нейронов культур Микро-матриц электродов: Инновационный<em&gt; In Vitro</em&gt; Экспериментальная модель

Currently, large-scale networks derived from dissociated neurons growing and developing in vitro on extracellular micro-transducer devices are the ...

Ex Vivo Optogenetic Dissection of Fear Circuits in Brain Slices

Ex Vivo Optogenetic Dissection of Fear Circuits in Brain Slices

Ex Vivo оптогенетика Вскрытие страха схем в головном мозге Ломтики

Optogenetic approaches are now widely used to study the function of neural populations and circuits by combining targeted expression of light-activated ...

Developing HiPSC Derived Serum Free Embryoid Bodies for the Interrogation of 3-D Stem Cell Cultures Using Physiologically Relevant Assays

Разработка HiPSC-продуцированных сывороточных свободных эмбриоидных тел для опроса трехмерных культур стволовых клеток с использованием физиологически релевантных анализов

Although a number of in vitro disease models have been developed using hiPSCs, one limitation is that these two-dimensional (2-D) systems may not ...

Combining Optogenetics with Artificial microRNAs to Characterize the Effects of Gene Knockdown on Presynaptic Function within Intact Neuronal Circuits

Сочетание Оптогенетика с искусственных микроРНК охарактеризовать последствия нокдаун гена на пресинаптическом функции внутри нетронутыми нейронных цепей

The purpose of this protocol is to characterize the effect of gene knockdown on presynaptic function within intact neuronal circuits. We describe a ...

Generation of 3-D Collagen-based Hydrogels to Analyze Axonal Growth and Behavior During Nervous System Development

Поколение трехмерных коллагеновых гидрогелей для анализа аксоналального роста и поведения при развитии нервной системы

This protocol uses natural type I collagen to generate three-dimensional (3-D) hydrogel for monitoring and analyzing the axonal growth. The protocol is ...