Name: optogenetic entrainment of hippocampal theta oscillations in behaving mice
Uploaded: 2018-06-29T13:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Optogenetic Entrainment of Hippocampal Theta Oscillations in Behaving Mice at JoVE.com

Vi vil gerne takke Maria Gorbati ekspert hjælp til dataanalyse og Jennifer Kupferman for kommentarer på manuskriptet. Dette arbejde blev støttet af Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG; Exc 257 NeuroCure, TK og AP; Prioriterede Program 1665, 1799/1-1(2), Heisenberg program, 1799/2-1, AP), tysk-israelske grundlaget for videnskabelig forskning og udvikling (GIF; Jeg-1326-421.13/2015, TK) og Human Frontier Science Program (HFSP; RGY0076/2012, TK).

PV-Cre knock-i mandlige mus59, 10-25 uger gammel, blev anvendt. Mus var opstaldet under standardbetingelser i det animalske facilitet og holdt på en 12-timers lys/mørke cyklus. Alle procedurer er udført i overensstemmelse med nationale og internationale retningslinjer, og blev godkendt af de lokale sundhedsmyndigheder (Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz, Nordrhein-Westfalen).
1. viral injektion
<ol><li>Følg biologiske sikkerhed retningslinjer<sup c...

Her fremlagde vi et almindeligt tilgængelige metode til entrain og fremkalde hippocampus theta svingninger i de opfører dyr. Denne tilgang kan være nyttig for studier af theta rytme funktioner i informationsbehandling og adfærd. Kritiske aspekter af denne metode omfatter: (1) valg af opsin og målretning af ChR2 til axoner af MS-celler i hippocampus, (2) robust optisk og elektriske funktioner af implanterede optisk fiber-wire array forsamlinger til at sikre kontinuerlig stimulering og LFP optagelse i opfører sig mus...

Neuronal aktivitet i pattedyr er koordineret af netværk svingninger, der bistår informationsoverførslen inden for og mellem hjernen regioner1,2,3,4. Hjernen rytmer omfatter svingninger spænder fra meget langsom (< 0,8 Hz) op til ultrahurtig (> 200 Hz) frekvenser. En stor mængde af beviser understøtter inddragelse af netværk svingninger i forskellige hjernefunktioner, herunder kognition5,6,7,8,9,10 , medfødte adfærd11,12 samt neuropsykiatriske lidelser som Parkinsons sygdom og epilepsi13,14,15. Selektiv og tidsligt præcise metoder til eksperimentelle manipulation af netværk svingninger er derfor afgørende for udviklingen af fysiologisk plausible modeller af synkronisering og for at etablere årsagssammenhænge med adfærd.
Netværkssynkronisering er medieret af forskellige biologiske substrater og processer, spænder fra molekylære identitet af ionkanaler og deres kinetik til Neuromodulationsbehandling af ophidselse og netværk connectivity. Den biologiske udformning af rytme generatorer16 er blevet afsløret for mange hjernen rytmer, forskellige aspekter afhvilke (, frequency, amplitude)er ofte forårsaget af dynamikken i forskellige celletyper og netværk. For eksempel, er hæmmende interneurons rettet mod somata af principal celler de vigtigste aktører på tværs af frekvensbånd og hjernen regioner17,18, herunder theta19,20, gamma20 , 21, og ripple (140-200 Hz)22 svingninger. Til gengæld er fase synkronisering af Fjern celler sikret af robust feed-forward signalering af pyramideformet celler, som nulstiller affyring af interneurons. En afgørende parameter for svingninger, den synkroniserede neuronal indbyggertal, er nært beslægtet med den målte LFP svingning amplitude og mindst for hurtige svingninger, afhænger det ophidsende drev på interneurons2. Derimod langsommere svingninger, som delta og theta rytmer, der genereres af langtrækkende tilbagevendende sløjfer, dannet af cortico-thalamic23,24 og hippocampus-mediale septal fremskrivninger25, 26,27, henholdsvis. Svingninger i sådanne kredsløb er tilvejebragt gennem interaktioner signal propagation forsinkelser, overgearet svar og deres hyppighed præference i deltagende celler28,29,30, 31 , 32. hæmmende fremskrivninger fra GABAergic parvalbumin (PV)-positive celler i de mediale septum (MS) til interneurons i hippocampus25,33, parahippocampal regioner og entorhinal cortex26 er afgørende for generation af theta svingninger i den mediale tindingelappen. Således kan fysiologiske mekanismer af netværk svingninger og neuronal synkronisering manipuleres ved hjælp af optogenetics med en real-time præcision.
Celle typespecifikke optogenetic manipulationer er blevet anvendt til undersøgelser af hippocampus og kortikale svingninger i vitro34,35,36,37,38 og in vivo30,39,40,41,42,43,44,45, herunder funktionelle undersøgelser af gamma5,12,36,46,47,48,49,50, 51,52 og ripple svingninger40,53,54 og søvn spindler55,56. For nylig udtrykte vi et Cre-afhængige ChR2 virus i MS, en vigtig region for generation af hippocampus theta rytme, af PV-Cre mus. Bruger dette præparat, blev funktioner af hippocampus theta svingninger (hyppighed og tidsmæssige stabilitet) kontrolleret af optogenetic stimulation af hæmmende fremskrivninger af MS i hippocampus11. Desuden vakte theta-frekvens optogenetic stimulation af hæmmende septo-hippocampus fremskrivninger theta rytme under vågen immobilitet. Optogenetically medrives theta rytme vises egenskaberne for spontan theta svingninger i musen på LFP og neuronal aktivitetsniveauer.
Nøglefunktioner af denne protokol omfatter: (1) udnyttelse af en hæmmende pathway, som er fysiologisk kritisk for spontan theta svingninger samtidig undgå uspecifik effekter på Hippocampus ophidselse; (2) cytoskeletale, dvs, projektion-specifik stimulation til at minimere en direkte indflydelse på ikke-hippocampus MS efferents; (3) lokale theta-rytmisk lys stimulation, at sikre en minimal direkte indblanding med theta-rytmisk septo-hippocampus dynamik og en global bilaterale medrivning af theta svingninger; (4) parametrisk kontrol af theta svingninger hyppighed og regelmæssighed; og (5) kvantificering af medrivning troskab med høj tidsmæssige opløsning ved hjælp af LFP aktivere kvantitative kausalitet analyse i opfører dyr. Da dette præparat udnytter hovedsagelig en kendt rollen som den septo-hippocampus disinhibition i theta generation25,30, det giver mulighed for robust kontrol over flere parametre af theta svingninger i opfører mus. Studier hvor andre mindre undersøgte veje og celletyper af septo-hippocampus kredsløb blev manipuleret38,39,47,49,50,51 , 52 , 53 , 54 , 55 , 56 , 57 , 58 afsløre yderligere mekanismer af theta rytme.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>PV-Cre mice</td>
			<td>The Jackson Laboratory</td>
			<td>B6;129P2-Pvalbtm1(cre)Arbr/J</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Name</td>
			<td>Company</td>
			<td>Catalog Number</td>
			<td>Comments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Surgery</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stereotaxis</td>
			<td>David Kopf Instruments, Tujunga, CA, USA</td>
			<td>Model 963</td>
			<td>Ultra Precise Small Animal Stereotaxic Instrument</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Drill bits, 0.8 mm</td>
			<td>Bijoutil, Allschwil, Switzerland</td>
			<td>49080HM</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.01-1 ml syringe</td>
			<td>Braun, Melsungen, Germany</td>
			<td>9161406V</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sterican cannulas</td>
			<td>Braun</td>
			<td>26 G, 0.45x25 mm BL/LB</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fine and sharp scissors</td>
			<td>Fine Science Tools Inc., Vancouver, Canada</td>
			<td>14060-09</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Forceps</td>
			<td>Fine Science Tools Inc.</td>
			<td>11210-10</td>
			<td>Dumont AA - Epoxy Coated Forceps</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Blunt stainless steel scissors</td>
			<td>Fine Science Tools Inc.</td>
			<td>14018-14</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Soldering station</td>
			<td>Weller Tools GmbH, Besigheim, Germany</td>
			<td>WSD 81</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Erythromycin</td>
			<td>Rotexmedica GmbH, Trittau, Germany</td>
			<td>PZN: 10823932</td>
			<td>1g Powder for Solution for Infusion</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Name</td>
			<td>Company</td>
			<td>Catalog Number</td>
			<td>Comments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optogenetics</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hamilton pump</td>
			<td>PHD Ultra, Harvard Apparatus, Holliston, MA, USA</td>
			<td>model 703008</td>
			<td>PHD Ultra Syringe Pump with push/pull mechanism</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hamilton 5 &#181;L Syringe, 26 gauge</td>
			<td>PHD Ultra, Harvard Apparatus</td>
			<td>Model 75 RN SYR</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hamilton 5 &#181;L Plunger</td>
			<td>PHD Ultra, Harvard Apparatus</td>
			<td>Model 75 RN SYR</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tubing</td>
			<td>Fisher Scientific, Pittsburgh, USA</td>
			<td>PE 20</td>
			<td>Inner diameter 0.38 mm (.015&#34;), Outer diameter 1.09 mm (.043&#34;)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sterican cannulas</td>
			<td>Braun, Melsungen, Germany</td>
			<td>27 G, 25x0.40 mm, blunt</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Precision drill/grinder</td>
			<td>Proxxon, Wecker, Luxemburg</td>
			<td>fbs 240/e</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cutting disks</td>
			<td>Proxxon</td>
			<td>NO 28812</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cre dependent channelrhodopsin</td>
			<td>Penn Vector Core, Philadelphia, PA, USA</td>
			<td>AV-1-18917P</td>
			<td>Contruct name: AAV2/1.CAGGS.flex.ChR2.tdTomato, titer: 1.42x1013 vg/ml</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cam kinase dependent halorhodopsin</td>
			<td>Penn Vector Core</td>
			<td>AV-1-26971P</td>
			<td>Construct name: eNpHR3.0, AAV2/1.CamKIIa.eNpHR3.0-EYFP.WPRE.hGH, titer: 2.08_1012 vg/ml</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Multimode optic fiber</td>
			<td>ThorLabs, Dachau, Germany</td>
			<td>FG105LCA</td>
			<td>0.22 NA, Low-OH, &#216;105 &#181;m Core, 400 - 2400 nm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ceramic stick ferrule</td>
			<td>Precision Fiber Products, Milpitas, CA, USA</td>
			<td>CFLC126</td>
			<td>Ceramic LC MM Ferrule, ID 126um</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polishing paper</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>LF3D</td>
			<td>6&#34; x 6&#34; Diamond Lapping (Polishing) Sheet</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Power meter</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>PM100D</td>
			<td>Compact Power and Energy Meter Console, Digital 4&#34; LCD</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Multimode fiber optic coupler</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>FCMM50-50A-FC</td>
			<td>1x2 MM Coupler, 50:50 Split Ratio, 50 &#181;m GI Fibers, FC/PC</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fiberoptic patch cord</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>FG105LCA CUSTOM-MUC</td>
			<td>custom made, 3 m long, with protective tubing, Tubing: FT030, Connector 1: FC/PC, Connector 2: 1.25mm (LC) Ceramic Ferrule</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sleeve</td>
			<td>Precision Fiber Products, Milpitas, CA, USA</td>
			<td>ADAL1</td>
			<td>Ceramic Split Mating Sleeve for &#216;1.25 mm (LC/PC) Ferrules</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>473 nm DPSS laser</td>
			<td>Laserglow Technologies, Toronto, ON, Canada</td>
			<td>R471005FX</td>
			<td>LRS-0473 Series</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>593 nm DPSS laser</td>
			<td>Laserglow Technologies</td>
			<td>R591005FX</td>
			<td>LRS-0594 Series</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MC_Stimulus II</td>
			<td>Multichannel Systems, Reutlingen, Germany</td>
			<td>STG 4004</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Impedance conditioning module</td>
			<td>Neural microTargeting worldwide, Bowdoin, USA</td>
			<td>ICM</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Name</td>
			<td>Company</td>
			<td>Catalog Number</td>
			<td>Comments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electrophysiology</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tungsten wires</td>
			<td>California Fine Wire Company, Grover Beach, CA, USA</td>
			<td>CFW0010954</td>
			<td>40 &#181;m, 99.95%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Capillary tubing</td>
			<td>Optronics</td>
			<td>1068150020</td>
			<td>ID: 100.4 &#181;m</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Omnetics nanoconnector</td>
			<td>Omnetics Connector Corporation, Minneapolis, USA</td>
			<td>A79038-001</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Screws</td>
			<td>Bilaney, D&#252;sseldorf, Germany</td>
			<td>00-96x1/16</td>
			<td>stainless-steel</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicone probe</td>
			<td>NeuroNexus Technologies, Ann Arbor, MI, USA</td>
			<td>B32</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Headstage</td>
			<td>Neuralynx, Bozeman, Montana USA</td>
			<td>HS-8</td>
			<td>miniature headstage unity gain preamplifiers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silver conductive paint</td>
			<td>Conrad electronics, Germany</td>
			<td>530042</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Liquid flux</td>
			<td>Felder GMBH L&#246;ttechnik, Oberhausen, Germany</td>
			<td>L&#246;t&#246;l ST</td>
			<td>DIN EN 29454.1, 3.2.2.A (F-SW 11)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LED</td>
			<td>Neuralynx</td>
			<td>HS-LED-Red-omni-10V</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Name</td>
			<td>Company</td>
			<td>Catalog Number</td>
			<td>Comments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Software</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB</td>
			<td>Mathworks, Natick, MA, USA</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MC_Stimulus software</td>
			<td>Multichannel, Systems</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Neurophysiological Data Manager</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>NDManager, http://neurosuite.sourceforge.net</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Klusters</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>http://neurosuite.sourceforge.net, Hazan et al., 2006</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Software of the recording system</td>
			<td>Neuralynx</td>
			<td>Cheetah</td>
			<td>https://neuralynx.com/software/cheetah</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Multi-channel data analysis software</td>
			<td>Cambridge Electronic Design Limited, Cambridge, GB</td>
			<td>Spike2</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

optogenetic entrainment of hippocampal theta oscillations in behaving mice

Omfattende data om relationer af neurale netværk svingninger til adfærd og organisation af neuronal decharge på tværs af hjerneregioner kræver nye værktøjer til selektivt manipulere hjernen rytmer. Her beskriver vi en tilgang, der kombinerer projektion-specifikke optogenetics med ekstracellulære Elektrofysiologi til high-fidelity kontrol af hippocampus theta svingninger (5-10 Hz) i opfører mus. Optogenetic medrivning specificitet opnås ved at målrette channelrhodopsin-2 (ChR2) til GABAergic befolkningen af mediale septal celler, afgørende involveret i generation af hippocampus theta svingninger, og en lokal synkroniseret aktivering af en delmængde af hæmmende septal afferenter i hippocampus. Effekten af kontrolelementet optogenetic rytme er verificeret ved en samtidig overvågning af de lokale felt potentielle (LFP) på tværs af lamina af området CA1 og/eller neuronal decharge. Ved hjælp af denne let gennemførlige forberedelse viser vi effekten af forskellige optogenetic stimulation protokoller for induktion af theta svingninger og manipulation af deres hyppighed og regelmæssighed. Endelig, en kombination af kontrolelementet theta rytme med projektion-specifik hæmning adresser udlæsning af særlige aspekter af hippocampus synkroniseringen af efferente regioner.

Målretning af ChR2 GABAergic celler i MS som beskrevet i afsnit 1 er illustreret i figur 2A. Optogenetic stimulation af axoner af MS GABAergic celler i den dorsale hippocampus via en optisk fiber, der er implanteret over området CA1 medriver theta svingninger på hyppigheden af stimulus i ipsilaterale (figur 2B) samt kontralaterale halvkugle (figur 2 c). Theta svingninger kan være mere eller mindr...

Watch this Scientific Journal Video about Optogenetic Entrainment of Hippocampal Theta Oscillations in Behaving Mice at JoVE.com

Optogenetic Entrainment of Hippocampal Theta Oscillations in Behaving Mice

Vi beskriver brugen af optogenetics og elektrofysiologiske optagelser til selektiv manipulationer af hippocampus theta svingninger (5-10 Hz) i opfører mus. Effekten af rytme medrivning overvåges ved hjælp af lokale felt potentiale. En kombination af opto- og en hæmning adresser den efferente udlæsning af hippocampus synkronisering.

Optogenetic medrivning af hippocampus Theta svingninger i opfører sig mus

Extensive data on relationships of neural network oscillations to behavior and organization of neuronal discharge across brain regions call for new tools ...

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Large-scale Recording of Neurons by Movable Silicon Probes in Behaving Rodents

Large-scale Recording of Neurons by Movable Silicon Probes in Behaving Rodents (Video) | JoVE

Storstilet Registrering af neuroner ved Flytbare Silicon Probes at opføre sig Gnavere

A major challenge in neuroscience is linking behavior to the collective activity of neural assemblies. Understanding of input-output relationships of ...

Isolation and Culture of Hippocampal Neurons from Prenatal Mice

Isolation and Culture of Hippocampal Neurons from Prenatal Mice (Video) | JoVE

Isolering og dyrkning af hippocampus neuroner fra Prænatal Mus

Primary cultures of rat and murine hippocampal neurons are widely used to reveal cellular mechanisms in neurobiology. By isolating and growing individual ...

Dual Electrophysiological Recordings of Synaptically-evoked Astroglial and Neuronal Responses in Acute Hippocampal Slices

Dual Electrophysiological Recordings of Synaptically-evoked Astroglial and Neuronal Responses in Acute Hippocampal Slices (Video) | JoVE

Dobbelte Elektrofysiologiske Optagelser af synaptisk-evoked astrogliale og Neuronal respons i Akut hippocampusskiver

Astrocytes form together with neurons tripartite synapses, where they integrate and modulate neuronal activity. Indeed, astrocytes sense neuronal inputs ...

Assessment of Dendritic Arborization in the Dentate Gyrus of the Hippocampal Region in Mice

Vurdering af dendritiske arborization i gyrus dentatus i hippocampus-regionen i mus

Dendritic arborization has been shown to be a reliable marker for examination of structural and functional integrity of neurons. Indeed, the complexity ...

Assessment of Hippocampal Dendritic Complexity in Aged Mice Using the Golgi-Cox Method

Vurdering af hippocampal dendritisk kompleksitet hos gamle mus ved anvendelse af Golgi-Cox-metoden

Dendritic spines are the protuberances from the neuronal dendritic shafts that contain&#160; excitatory synapses. The morphological and branching ...

Tuning in the Hippocampal Theta Band In Vitro: Methodologies for Recording from the Isolated Rodent Septohippocampal Circuit

Tuning in the Hippocampal Theta Band In Vitro: Methodologies for Recording from the Isolated Rodent Septohippocampal Circuit

Tuning i Hippocampal Theta Band<em&gt; In Vitro</em&gt;: Metoder til optagelse fra den isolerede gnagere Septohippocampal Circuit

This protocol outlines the procedures for preparing and recording from the isolated whole hippocampus, of WT and transgenic mice, along with recent ...

Ratiometric Calcium Imaging of Individual Neurons in Behaving Caenorhabditis Elegans

Ratiometric Calcium Imaging of Individual Neurons in Behaving Caenorhabditis Elegans

Ratiometric Calcium billeddannelse af enkelte neuroner i opfører sig Caenorhabditis Elegans

It has become increasingly clear that neural circuit activity in behaving animals differs substantially from that seen in anesthetized or immobilized ...

Recording Spatially Restricted Oscillations in the Hippocampus of Behaving Mice

Indspilning rumligt begrænset svingninger i Hippocampus adfærd mus

The local field potential (LFP) emerges from ion movements across neural membranes. Since the voltage recorded by LFP electrodes reflects the summed ...

Optogenetic Manipulation of Neural Circuits During Monitoring Sleep/wakefulness States in Mice

Optogenetisk manipulation af neurale kredsløb under overvågning søvn/vågenhed stater i mus

In recent years, optogenetics has been widely used in many fields of neuroscientific research. In many cases, an opsin, such as channel rhodopsin 2 ...

Long-term Sensory Conflict in Freely Behaving Mice

Langsigtet sensoriske konflikt i frit opfører mus

Long-term sensory conflict protocols are a valuable means of studying motor learning. The presented protocol produces a persistent sensory conflict for ...