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

Gostaríamos de agradecer a Maria Gorbati para ajuda especializada com análise de dados e Jennifer Kupferman para comentários sobre o manuscrito. Este trabalho foi apoiado pela Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG; NeuroCure exc 257, TK e AP; Programa prioritário 1665, 1799/1-1(2), programa de Heisenberg, 1799/2-1, AP), a Fundação alemã-israelense de pesquisa científica e desenvolvimento (GIF; Eu-1326-421.13/2015, TK) e o programa de ciência de fronteira humana (HFSP; RGY0076/2012, TK).

PV-Cre bater-nos ratos masculinos59, 10-25 semanas de idade, foram utilizados. Os ratos foram alojados em condições padrão na instalação de animais e mantidos em um ciclo claro/escuro de 12 h. Todos os procedimentos foram realizados em conformidade com as diretrizes nacionais e internacionais e foram aprovados pelas autoridades sanitárias locais (turismo für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz, Nordrhein-Westfalen).
1. viral injeção
<ol><li>Durante todo o pro...

Aqui apresentamos uma metodologia amplamente acessível para arrastar e provocar oscilações theta hippocampal no comportamento animal. Essa abordagem pode ser útil para estudos de funções do ritmo theta no processamento de informações e comportamento. Aspectos críticos deste método incluem: (1) a escolha do opsin e direcionamento de ChR2 de axônios de MS em células do hipocampo, (2) robustas características ópticas e elétricas dos assemblies de matriz fios fibra óptica implantados para garantir estimulaç?...

Atividade neuronal em mamíferos é coordenada por oscilações de rede, que ajudam a transferência de informações dentro e entre regiões cerebrais1,2,3,de4. Ritmos do cérebro incluem oscilações variando de muito lento (< 0,8 Hz) até ultra rápidas frequências (> 200 Hz). Um corpo grande da evidência suporta envolvimento das oscilações de rede em funções cerebrais diversas, incluindo cognição5,6,7,8,9,10 , comportamentos inata11,12 , bem como distúrbios neuropsiquiátricos, tais como a doença de Parkinson e epilepsia de14,13,15. Seletivos e temporalmente precisos métodos para manipulação experimental de oscilações de rede são, portanto, essenciais para o desenvolvimento de modelos fisiologicamente plausíveis de sincronização e para estabelecer nexos de causalidade com o comportamento.
Sincronização de rede é mediada por diversos substratos biológicos e processos, variando de identidade molecular de canais iônicos e sua cinética de neuromodulação da excitabilidade e conectividade de rede. O projeto biológico do ritmo geradores16 foi revelado para muitos ritmos cerebrais, aspectos distintos do qual (por exemplo, frequência, amplitude) são muitas vezes provocada pela dinâmica de redes e tipos de células distintas. Por exemplo, interneurônios inibitórios visando o somata das células principais são os jogadores mais importantes em bandas de frequência e cérebro regiões17,18, incluindo theta19,20, gama20 , 21e ondulação (140-200 Hz)22 oscilações. Por sua vez, sincronização de fase de células distantes é assegurada pelo robusto feed-forward sinalização de células piramidais, que redefine o disparo dos interneurônios. Um parâmetro crucial das oscilações, o tamanho da população neuronal sincronizada, está intimamente relacionado com a amplitude da oscilação LFP medidos e, pelo menos para oscilações rápidas, depende a unidade excitatória sobre interneurônios2. Em contraste, oscilações mais lentas, como delta e theta ritmos, são geradas pelos laços reentrantes de longo alcance, formados por córtico-talâmica23,24 e hippocampal-medial septal projeções25, 26,27, respectivamente. Oscilações em tais circuitos são trazidas pelas interações de atrasos de propagação do sinal, respostas excitáveis e sua preferência de frequência em participantes células28,29,30, 31 , 32. projeções inibitórias gabaérgica parvalbumin (PV)-positivo são células do septo medial (MS) para interneurônios no hipocampo25,33, regiões hipocampal e de córtex entorhinal26 essencial para a geração de oscilações de theta no lóbulo temporal. Assim, os mecanismos fisiológicos de oscilações de rede e sincronização neuronal podem ser manipulados usando optogenetics com uma precisão em tempo real.
Célula tipo específico optogenetic manipulações foram aplicadas para estudos das oscilações hippocampal e cortical em vitro34,35,36,37,38 e vivo em30,39,40,41,42,,43,44,45, incluindo funcional investigações de gama5,12,36,46,47,,48,,49,50, 51,52 e ondulação oscilações40,53,54 e sono fusos55,56. Recentemente nós expressa um vírus ChR2 Cre-dependente no MS, uma região chave para a geração do ritmo theta hippocampal, dos ratos PV-Cre. Usando esta preparação, características das oscilações theta hippocampal (frequência e estabilidade temporal) eram controladas por estimulação optogenetic de projeções inibidoras do MS no hipocampo11. Além disso, a estimulação de optogenetic frequência theta de projeções de displasia septo-hippocampal inibitórias evocado ritmo theta durante imobilidade acordada. O optogenetically arrastado Propriedades do ritmo theta exibido das oscilações de theta espontânea no rato na LFP e níveis de atividade neuronal.
As principais características deste protocolo incluem: (1) utilização de uma via inibitória que é fisiologicamente essencial para oscilações de theta espontânea, evitando efeitos inespecíficos na excitabilidade hippocampal; (2) axonal, ou seja, estimulação de projeção específicas para minimizar uma influência directa na não-hippocampal MS eferentes; (3) local theta-rítmica estimulação de luz, garantindo uma mínima interferência direta com dinâmica de displasia septo-hippocampal theta-rítmica e um arrastamento bilateral global das oscilações de theta; (4) paramétrico controle de frequência de oscilações de theta e regularidade; e (5) quantificação de fidelidade de arrastamento com alta resolução temporal usando LFP para permitir a análise quantitativa de causalidade em comportamento de animais. Uma vez que esta preparação essencialmente capitaliza sobre um papel bem conhecido da displasia septo-hippocampal desinibição em theta geração25,30, permite controle robusto sobre vários parâmetros de oscilações de theta no comportamento de ratos. Estudos onde outros menos caminhos investigados e tipos de células, os circuitos de displasia septo-hippocampal foram manipularam38,39,,47,,49,50,51 , 52 , 53 , 54 , 55 , 56 , 57 , 58 mais revelar mecanismos do 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

Dados abrangentes sobre relacionamentos de oscilações de rede neural para comportamento e organização de descarga neuronal em todas as regiões do cérebro chamam para novas ferramentas para manipular seletivamente ritmos cerebrais. Aqui nós descrevemos uma abordagem combina optogenetics de projeção específico com eletrofisiologia extracelular para controle de alta-fidelidade de oscilações de theta hippocampal (5-10 Hz) no comportamento de ratos. A especificidade do arrastamento a optogenetic é conseguida pela segmentação channelrhodopsin-2 (ChR2) à população gabaérgica das células do septo medial, crucialmente envolvidas na geração das oscilações de theta hippocampal, e um local sincronizado ativação de um subconjunto de afferents septal inibitório no hipocampo. A eficácia do controle do ritmo de optogenetic é verificada por um monitoramento simultâneo do campo local potencial (LFP) entre lâmina da área CA1 e/ou de descarga neuronal. Usando esta preparação facilmente implementável mostramos a eficácia de diferentes protocolos de estimulação optogenetic para indução de oscilações de theta e para a manipulação de sua frequência e regularidade. Finalmente, uma combinação do ritmo theta controle com inibição de projeção específico aborda a leitura de aspectos particulares da sincronização hippocampal por regiões eferentes.

Direcionamento de ChR2 para células gabaérgica no MS conforme descrito na seção 1 é ilustrado na Figura 2A. Optogenetic estimulação de axônios das células de MS gabaérgica no hipocampo dorsal através de uma fibra óptica que é implantado acima da área CA1 entrains oscilações theta na frequência do estímulo em ipsilateral (Figura 2B) bem como contralateral Hemisfério (Figura 2). Osci...

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Optogenetic Entrainment of Hippocampal Theta Oscillations in Behaving Mice

Nós descrevemos o uso de optogenetics e eletrofisiológicas gravações para manipulações seletivas das oscilações de theta hippocampal (5-10 Hz) no comportamento de ratos. A eficácia do arrastamento ritmo é monitorada utilizando o potencial do campo local. Uma combinação de opto - e inibição farmacogenética aborda a leitura eferente de sincronização hippocampal.

Optogenetic de arrastamento de Theta Hippocampal oscilações em comportar-se ratos

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

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