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

We bedank Maria Gorbati voor deskundige hulp bij data-analyse en Jennifer Kupferman voor commentaar op het manuscript. Dit werk werd gesteund door de Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG; Uitm 257 NeuroCure, TK en AP; Prioritaire programma 1665, 1799/1-1(2), Heisenberg programma, 1799/2-1, AP), de Duits-Israëlische Stichting voor wetenschappelijk onderzoek en ontwikkeling (GIF; Ik-1326-421.13/2015, TK) en het Human Frontier Science Program (HFSP; RGY0076/2012, TK).

PV-Cre knock-in mannelijke muizen59, 10-25 weken oud, werden gebruikt. Muizen werden gehuisvest onder normale omstandigheden in het dier faciliteit en bewaard op een 12 h licht/donker cyclus. Alle procedures werden uitgevoerd volgens nationale en internationale richtlijnen, en goedgekeurd door de lokale gezondheidsautoriteiten (Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz, Nordrhein-Westfalen).
1. virale injectie
<ol><li>Volg tijdens de hele procedure, biologisc...

Hier voorgesteld hebben we een breed toegankelijke methodologie later te ontlokken hippocampal theta oscillaties in het dier gedraagt. Deze aanpak kan zinvol zijn voor studies van theta ritme van functies in de informatieverwerking en gedrag. Kritieke aspecten van deze methode zijn: (1) de keuze van de opsin en doelgerichtheid van ChR2 aan de axonen van MS cellen in de hippocampus, (2) robuuste optische en elektrische kenmerken van geïmplanteerde optische vezel-draads matrix assemblages om continu stimulatie en de LFP o...

Neuronale activiteit bij zoogdieren wordt gecoördineerd door netwerk trillingen, die het bijstaan van informatieoverdracht binnen en tussen hersenen regio's1,2,3,4. Ritmes van de hersenen omvatten oscillaties variërend van erg traag (< 0.8 Hz) tot ultrasnelle (> 200 Hz) frequenties. Een grote hoeveelheid bewijs ondersteunt betrokkenheid van netwerk oscillaties in diverse hersenfuncties, inclusief cognitie5,6,7,8,9,10 , aangeboren gedrag11,12 , alsmede neuropsychiatrische aandoeningen zoals de ziekte van Parkinson en epilepsie13,14,15. Selectieve en stoffelijk nauwkeurige methoden voor experimentele manipulatie van netwerk oscillaties zijn daarom essentieel voor de ontwikkeling van fysiologisch plausibel modellen van synchronisatie en voor de vaststelling van causale verbanden met gedrag.
Netwerksynchronisatie is bemiddeld door diverse biologische substraten en processen, variërend van moleculaire identiteit van ionenkanalen en hun kinetiek tot neuromodulatie van prikkelbaarheid en verbinding met het netwerk. Het biologische ontwerp van ritme generatoren16 is gebleken voor vele ritmes van de hersenen, verschillende aspecten van welke (b.v., frequentie en amplitude) vaak zijn veroorzaakt door de dynamiek van verschillende celtypes en netwerken. Bijvoorbeeld, zijn remmende interneuronen gericht op de waarin van de belangrijkste cellen de belangrijkste spelers over frequentiebanden en hersenen regio's17,18, met inbegrip van theta19,20, gamma20 , 21, en rimpel (140-200 Hz)22 oscillaties. Op zijn beurt wordt fase synchronisatie van verre cellen gewaarborgd door het robuuste feed-forward signalering van piramidale cellen, die het afvuren van interneuronen reset. Een cruciale parameter van trillingen, de grootte van de gesynchroniseerde neuronale bevolking, is nauw verwant aan de amplitude van de gemeten LFP trilling en, ten minste voor snelle schommelingen, afhankelijk van het excitatory station naar interneuronen2. Daarentegen langzamer oscillaties, zoals delta en theta ritmes, worden gegenereerd door lange-afstands terugkerende lussen, gevormd door cortico-thalamus23,24 en hippocampal-mediale septal projecties25, 26,27, respectievelijk. Oscillaties in dergelijke schakelingen zijn teweeggebracht door interacties van signaal doorgeven vertragingen, prikkelbaar reacties en hun frequentie voorkeur in deelnemende cellen28,29,30, 31 , 32. remmende projecties van GABAergic parvalbumin (PV)-positieve cellen van het mediale septum (MS) te interneuronen in de hippocampus25,33, de parahippocampal regio's en de Entorinale cortex26 essentieel voor de generatie van theta oscillaties in de mediale temporale kwab. Dus, fysiologische mechanismen van netwerk oscillaties en neuronale synchronisatie kunnen worden gemanipuleerd met behulp van optogenetics met een real-time precisie.
Cel type-specifieke optogenetic manipulaties zijn aangevraagd door studies van de hippocampal en corticale oscillaties in vitro34,35,,36,,37,38 en in vivo30,39,40,41,42,43,44,45, met inbegrip van functionele onderzoeken van gamma5,12,36,,46,47,48,49,50, 51,52 en rimpel oscillaties40,53,,54 en slaap spindles55,,56. We hebben onlangs een Cre-afhankelijke ChR2-virus in de lidstaat, een belangrijke regio voor de generatie van het hippocampal theta ritme, van PV-Cre muizen. Met behulp van deze voorbereiding, werden kenmerken van de hippocampal theta oscillaties (frequentie en temporele stabiliteit) gecontroleerd door optogenetic stimulatie van remmende prognoses van de lidstaten in de hippocampus11. Bovendien opgeroepen theta-frequentie optogenetic stimulatie van remmende septo-hippocampal projecties theta ritme tijdens wakker immobiliteit. De optogenetically entrained theta ritme weergegeven eigenschappen van spontane theta oscillaties in de muis LFP en neuronale activiteitenniveaus.
Belangrijkste kenmerken van dit protocol zijn: (1) gebruik van een remmende traject dat is fysiologisch essentieel voor spontane theta oscillaties terwijl het vermijden van aspecifieke effecten op hippocampal prikkelbaarheid; (2) axonale, dat wil zeggen, projectie-specifieke stimulatie te minimaliseren een directe invloed op niet-hippocampal MS-efferents; (3) lokale theta-ritmische lichte stimulatie, zorgen voor een minimale directe inmenging met theta-ritmische septo-hippocampal dynamiek en een wereldwijde bilaterale meevoeren van theta oscillaties; (4) parametrische controle theta oscillaties frequentie en regelmatigheid; en (5) kwantificering van entrainment trouw met hoge temporele resolutie met behulp van LFP om kwantitatieve causaliteit analyse in het gedrag van dieren. Aangezien deze voorbereiding in wezen speelt in op een bekende rol van de septo-hippocampal disinhibitie in theta generatie25,30, hierdoor robuuste controle over verschillende parameters van theta oscillaties in gedragend muizen. Studies waar andere minder onderzochte trajecten en celtypes van het septo-hippocampal circuits waren gemanipuleerd38,39,47,49,50,51 , 52 , 53 , 54 , 55 , 56 , 57 , 58 onthullen verdere mechanismen van de theta-ritme.

<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

Uitgebreide gegevens over relaties van neuraal netwerk oscillaties naar gedrag en organisatie van neuronale kwijting over hersengebieden vragen om nieuwe instrumenten te selectief manipuleren ritmes van de hersenen. Hier beschrijven we een aanpak projectie-specifieke optogenetics te combineren met de extracellulaire electrofysiologie voor HiFi-besturingselement van hippocampal theta oscillaties (5-10 Hz) in gedragend muizen. De specificiteit van de entrainment optogenetic wordt bereikt door gericht op channelrhodopsin-2 (ChR2) voor de GABAergic bevolking van mediale septal cellen, cruciaal betrokken in de generatie van hippocampal theta oscillaties, en een lokale gesynchroniseerd activering van een subset van remmende septal afferents in de hippocampus. De doeltreffendheid van het optogenetic ritme besturingselement wordt gecontroleerd door een gelijktijdige controle van het lokale veld potentiële (LFP) over lamina van de CA1-gebied en/of neuronale kwijting. Laten we zien met behulp van deze gemakkelijk uitvoerbaar voorbereiding werkzaamheid van verschillende optogenetic stimulatie protocollen voor inductie van theta oscillaties en voor het manipuleren van de frequentie en de regelmaat. Tot slot, een combinatie van de theta rhythm control met remming van de projectie-specifieke adressen de uitlezing van bepaalde aspecten van de hippocampal synchronisatie door efferent regio's.

Doelgerichtheid van ChR2 naar GABAergic cellen in de MS zoals beschreven in sectie 1 wordt geïllustreerd in figuur 2A. Optogenetic stimulatie van axonen van MS GABAergic cellen in de dorsale hippocampus via een optische vezel die is geïmplanteerd boven het gebied CA1 entrains theta oscillaties op de frequentie van de prikkel in de ipsilaterale (figuur 2B) evenals contralaterale halfrond (figuur 2C)...

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

We beschrijven het gebruik van optogenetics en elektrofysiologische opnames voor selectieve manipulaties van hippocampal theta oscillaties (5-10 Hz) in gedragend muizen. De werkzaamheid van de entrainment ritme wordt gecontroleerd met behulp van lokale veld potentieel. Een combinatie van opto- en Farmacogenetische inhibitie adressen de efferent uitlezing van hippocampal synchronisatie.

Optogenetic meevoeren van Hippocampal Theta oscillaties in het gedrag van muizen

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

Grootschalige Opname van Neuronen door Movable Silicon Probes in Behaving Knaagdieren

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

Isolatie en Cultuur van hippocampale neuronen van Prenatal Muizen

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

Dubbele Elektrofysiologische Opnames van synaptisch-opgeroepen astrogliale en Neuronale responsen bij acute hippocampus Slices

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

Beoordeling van Dendritische arborization in de gyrus dentatus van de hippocampus regio in Muizen

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

Beoordeling van Hippocampale Dendritische Complexiteit in Oude Muizen Met behulp van de Golgi-Cox Methode

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 in de Hippocampal Theta Band<em&gt; In Vitro</em&gt;: Methodologieën voor opname uit het Geïsoleerde Knaagdier Septohippocampale 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 beeldvorming van individuele neuronen in gedragen 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

Opname ruimtelijk beperkte schommelingen in de Hippocampus gedragen muizen

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

Optogenetische manipulatie van neurale circuits tijdens het monitoren van slaap/wakkerheid toestanden in muizen

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

Op lange termijn sensorisch Conflict in vrij gedragen muizen

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