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

Vorremmo ringraziare Maria Gorbati per aiuto di esperti con l'analisi dei dati e Jennifer Kupferman per commenti sul manoscritto. Questo lavoro è stato supportato dalla Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG; EXC 257 NeuroCure, TK e AP; Programma prioritario 1665, 1799/1-1(2), programma di Heisenberg, 1799/2-1, AP), la Fondazione di tedesco-israeliano per la ricerca scientifica e lo sviluppo (GIF; Io-1326-421.13/2015, TK) e Human Frontier Science Program (HFSP; RGY0076/2012, TK).

PV-Cre topi knock-in maschio59, 10-25 settimane, sono stati utilizzati. Topi sono stati stabulati in condizioni standard nella struttura animali e tenuti su un ciclo luce/buio di 12 h. Tutte le procedure sono state effettuate in conformità alle linee guida nazionali ed internazionali e sono state approvate dalle autorità sanitarie locali (Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz, Nordrhein-Westfalen).
1. virale iniezione
<ol><li>Durante l'intera procedura,...

Qui abbiamo presentato una metodologia ampiamente accessibile per salire sul treno e suscitare le oscillazioni di teta hippocampal nel comportamento degli animali. Questo approccio può essere utile per gli studi di funzioni di teta ritmo nell'elaborazione delle informazioni e nel comportamento. Aspetti critici di questo metodo includono: (1) scelta dell'opsina e targeting di ChR2 di assoni di MS cellule nell'ippocampo, caratteristiche ottiche ed elettriche (2) robuste degli assembly di matrice impiantati cavi fibra otti...

Attività neuronale nei mammiferi è coordinato dalle oscillazioni di rete, che assistono il trasferimento di informazioni all'interno e tra le regioni del cervello1,2,3,4. Ritmi del cervello sono oscillazioni che vanno da molto lento (< 0,8 Hz) fino a frequenze di ultraveloce (> 200 Hz). Un grande corpo di prova sostiene il coinvolgimento delle oscillazioni di rete nelle funzioni cerebrali diverse, tra cui cognizione5,6,7,8,9,10 , comportamenti innati11,12 , come pure i disordini neuropsichiatrici quali morbo di Parkinson e l'epilessia13,14,15. Metodi selettivi e temporalmente precisi per manipolazione sperimentale delle oscillazioni di rete sono quindi essenziali per lo sviluppo di modelli fisiologicamente plausibile di sincronizzazione e per stabilire relazioni causali con comportamento.
Sincronizzazione di rete è mediata da diversi substrati biologici e processi, che vanno dalla identità molecolare dei canali ionici e loro cinetica di neuromodulazione dell'eccitabilità e della connettività di rete. Il disegno biologico del ritmo generatori16 è stato rivelato per molti ritmi del cervello, aspetti distinti di cui (ad esempio, frequenza, ampiezza) sono spesso causata da dinamiche di tipi cellulari e reti. Per esempio, interneuroni inibitori targeting il somata delle cellule principali sono i giocatori più importanti attraverso bande di frequenza e cervello regioni17,18, tra cui theta19,20, gamma20 , 21e ripple (140-200 Hz)22 oscillazioni. A sua volta, sincronizzazione di fase delle cellule distanti è assicurata dalla robusta feed-forward segnalazione delle cellule piramidali, che reimposta l'infornamento di interneuroni. Un parametro cruciale delle oscillazioni, la dimensione della popolazione neuronale sincronizzata, è strettamente correlato alla ampiezza di oscillazione di LFP misurato e, almeno per veloce oscillazioni, dipende l'unità eccitatorio sulla interneuroni2. Al contrario, oscillazioni più lente, come delta e theta ritmi, vengono generate dai cicli rientrante a lungo raggio, formate da cortico-thalamic23,24 e proiezioni settale mediale hippocampal25, 26,27, rispettivamente. Oscillazioni in tali circuiti sono provocate da interazioni di ritardi di propagazione del segnale, eccitabile risposte e la loro preferenza di frequenza in cellule partecipanti28,29,30, 31 , 32. inibitorie proiezioni da parvalbumina GABAergici (PV)-positive sono cellule del setto mediale (MS) a interneuroni in ippocampo25,33, parahippocampal regioni e corteccia di entorhinal26 essenziale per la generazione delle oscillazioni di teta nel lobo temporale mediale. Così, i meccanismi fisiologici delle oscillazioni di rete e sincronizzazione neuronale possono essere manipolate usando optogenetica con una precisione in tempo reale.
Cella tipo-specific optogenetica manipolazioni sono state applicate per lo studio delle oscillazioni ippocampali e corticali in vitro34,35,36,37,38 e in vivo30,39,40,41,42,43,44,45, tra cui funzionale le indagini di gamma5,12,36,46,47,48,49,50, 51,52 e ripple oscillazioni40,53,54 e sonno mandrini55,56. Recentemente abbiamo espresso un virus ChR2 Cre-dipendente negli Stati membri, una regione chiave per la generazione del ritmo Teta hippocampal, di PV-Cre topi. Utilizzando questa preparazione, caratteristiche delle oscillazioni Teta hippocampal (frequenza e stabilità temporale) sono stati controllati da optogenetica stimolo inibitorio proiezioni del MS in ippocampo11. Inoltre, lo stimolo optogenetica Teta-frequenza delle proiezioni setto-ippocampale inibitorie evocato ritmo theta durante sveglio immobilità. Il optogenetically trascinato ritmo theta visualizzato proprietà delle oscillazioni spontanee theta nel topo a livello di attività neuronale e LFP.
Caratteristiche principali di questo protocollo includono: (1) utilizzo di una via inibitoria che è fisiologicamente fondamentale per le oscillazioni spontanee Teta, evitando effetti aspecifici sull'eccitabilità hippocampal; (2) assonale, cioè, la stimolazione di proiezione specifiche per ridurre al minimo un'influenza diretta sulla non-ippocampale MS efferenze; (3) locale theta-ritmica stimolazione luminosa, assicurando una minima interferenza diretta con dinamiche septo-hippocampal theta-ritmica e un trascinamento globale bilaterale delle oscillazioni theta; (4) parametrici Teta oscillazioni frequenza e regolarità; e (5) quantificazione della fedeltà di trascinamento con elevata risoluzione temporale utilizzando LFP per consentire un'analisi quantitativa di causalità a comportarsi gli animali. Poiché questa preparazione essenzialmente capitalizza un ruolo ben noto della disinibizione setto-ippocampale in theta generazione25,30, permette la regolazione robusto sopra diversi parametri delle oscillazioni di teta in topi si comporta. Gli studi dove altri meno studiati percorsi e tipi di cellule della circuiteria septo-hippocampal sono stati manipolati38,39,47,49,50,51 , 52 , 53 , 54 , 55 , 56 , 57 , 58 rivelare ulteriori meccanismi del ritmo theta.

<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

Numerosi dati sulle relazioni delle oscillazioni di rete neurale per comportamento e organizzazione di scarica neuronale in tutte le regioni del cervello chiamano di nuovi strumenti per manipolare in modo selettivo ritmi del cervello. Qui descriviamo un approccio che unisce optogenetica proiezione specifici con extracellulare elettrofisiologia per alta fedeltà controllo delle oscillazioni di teta hippocampal (5-10 Hz) in topi si comporta. La specificità di trascinamento optogenetica è ottenuta prendendo di mira channelrhodopsin-2 (ChR2) alla popolazione delle cellule del setto mediale, fondamentalmente coinvolte nella generazione di oscillazioni di teta hippocampal, GABAergici e un locale sincronizzato l'attivazione di un sottoinsieme delle afferenze inibitorie del setto nell'ippocampo. L'efficacia del controllo ritmo optogenetica è verificata da un monitoraggio simultaneo di local field potential (LFP) da altra parte della lamina dell'area CA1 e/o di scarica neuronale. Utilizzando questa preparazione facilmente implementabile mostriamo l'efficacia di vari protocolli di stimolazione optogenetica per induzione delle oscillazioni di teta e per la manipolazione della loro frequenza e regolarità. Infine, una combinazione del controllo ritmo theta con inibizione proiezione specifica indirizzi la lettura degli aspetti particolari della sincronizzazione hippocampal di regioni efferente.

Targeting di ChR2 alle cellule di GABAergic in MS come descritto nella sezione 1 è illustrato nella Figura 2A. Optogenetica stimolazione degli assoni delle cellule MS GABAergici nell'ippocampo dorsale tramite una fibra ottica che viene impiantata sopra l'area CA1 entrains oscillazioni di teta alla frequenza dello stimolo a ipsilateral (Figura 2B) così come controlaterale emisfero (Figura 2). Oscill...

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

Descriviamo l'uso di optogenetica e registrazioni elettrofisiologiche per manipolazioni selettive delle oscillazioni di teta hippocampal (5-10 Hz) in topi si comporta. L'efficacia di trascinamento ritmo è controllata mediante potenziali di campo locale. Una combinazione di opto - e farmacogenetica inibizione indirizzi la lettura efferente di sincronizzazione hippocampal.

Optogenetica trascinamenti di teta Hippocampal oscillazioni nel comportarsi topi

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 (Video) | JoVE

Su larga scala di registrazione dei neuroni da sonde mobili in silicio Comportarsi Roditori

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

Ricerca

Neuroscienze

Isolation and Culture of Hippocampal Neurons from Prenatal Mice

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

Isolamento e la coltura di neuroni ippocampali da topi prenatali

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 (Video) | JoVE

Due registrazioni elettrofisiologiche di sinapticamente-evocati Risposte astrogliale e neuronale in acute fettine di ippocampo

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

Optogenetic Stimulation of Escape Behavior in Drosophila melanogaster

Optogenetic Stimulation of Escape Behavior in Drosophila melanogaster Video (Video) | JoVE

Stimolazione Optogenetic del comportamento in Fuga<em&gt; Drosophila melanogaster</em

A  growing number of genetically encoded tools are becoming available that allow non-invasive  manipulation of the neural activity of specific neurons in ...

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

Valutazione della dendritiche arborizzazione nel giro dentato della Regione ippocampale nei topi

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

Valutazione della complessità dendritica ippocampale nei topi invecchiati utilizzando il metodo Golgi-Cox

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 nella Banda Theta Ippocampale<em&gt; In vitro</em&gt;: Metodologie per la registrazione dal circuito isolante di roditore Septohippocampal

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

Raziometrici calcio Imaging di singoli neuroni nel comportarsi 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

Registrazione spazialmente limitate oscillazioni nell'ippocampo dei topi di comportarsi

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

Manipolazione optogenetica dei circuiti neurali durante il monitoraggio degli stati di sonno/veglia nei topi

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