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 vill tacka Maria Gorbati för experthjälp med dataanalys och Jennifer Kupferman för synpunkter på manuskriptet. Detta arbete stöds av Deutsche Forschungsgemeinschafts (DFG; EXC 257 NeuroCure, TK och AP; Prioriterade Program 1665, 1799/1-1(2), Heisenberg programmet, 1799/2-1, AP), Tysk-israeliska grunden för vetenskaplig forskning och utveckling (GIF; Jag-1326-421.13/2015, TK) och Human Frontier Science-programmet (HFSP; RGY0076/2012, TK).

PV-Cre inpressning hanmöss59, 10-25 veckor gammal, användes. Möss var inrymt under standart villkorar i djuranläggningen och höll på en cykel med 12 h i ljus och mörker. Alla förfaranden utfördes i enlighet med nationella och internationella riktlinjer, och godkändes av de lokala hälsomyndigheterna (Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz, Nordrhein-Westfalen).
1. viral injektion
<ol><li>Under hela förfarandet, följ biologisk säkerhet riktlinj...

Här presenterade vi en lättillgänglig metod för att stiga på tåg och framkalla Hippocampus theta svängningar i beter sig djuret. Detta tillvägagångssätt kan vara användbar för studier av theta rytms funktioner i informationsbehandling och beteende. Kritiska aspekter av denna metod inkluderar: (1) val av opsin och inriktning av ChR2 axoner av MS celler i hippocampus, (2) robusta optiska och elektriska funktioner av implanterade optic fiber-tråd matris församlingar att säkerställa kontinuerlig stimulering o...

Neuronal aktivitet i däggdjur samordnas av nätverket svängningar, som biträder informationsöverföring inom och mellan hjärnan regioner1,2,3,4. Hjärnans rytmer inkluderar svängningar alltifrån mycket långsam (< 0,8 Hz) upp till ultrasnabba (> 200 Hz) frekvenser. En stor mängd bevis stöder medverkan av nätverket svängningar i olika hjärnfunktioner, inklusive kognition5,6,7,8,9,10 , medfödda beteenden11,12 samt neuropsykiatriska sjukdomar såsom Parkinsons sjukdom, epilepsi13,14,15. Selektiv och temporally precisa metoder för experimentell manipulation av nätverket svängningar är därför viktiga för utvecklingen av fysiologiskt rimliga modeller av synkronisering och för att fastställa orsakssamband med beteende.
Nätverk synkronisering medieras av olika biologiskt substrat och processer, alltifrån molekylär identitet av jonkanaler och deras kinetik till neuromodulation retbarhet och nätverksanslutning. Biologiska utformningen av rytm generatorer16 har avslöjats för många hjärnan rytmer, skilda aspekter av som (t.ex., frekvens, amplitud) är ofta till följd av dynamiken i olika celltyper och nätverk. Exempelvis är hämmande interneuroner inriktning i somata av huvudsakliga celler de viktigaste aktörerna över frekvensband och hjärnan regioner17,18, inklusive theta19,20, gamma20 , 21och rippel (140-200 Hz)22 svängningar. I sin tur säkerställs fas synkronisering av avlägsna celler genom robust feed-forward signalering av pyramidala celler, som återställer bränning av interneuroner. En avgörande parameter för svängningar, storleken på synkroniserade neuronala befolkningen, är nära besläktad med den uppmätta LFP svängningens amplitud och, åtminstone för snabba svängningar, beror på den excitatoriska enheten på interneuroner2. Däremot långsammare svängningar, som delta och theta rytmer, genereras av långväga reentrant loopar, bildas av cortico-thalamic23,24 och Hippocampus-mediala septal prognoser25, 26,27, respektive. Svängningar i sådana kretsar är följd av interaktioner av signalen förökning förseningar, hetsiga svaren och deras frekvens preferens i deltagande celler28,29,30, 31 , 32. hämmande prognoser från GABAergic parvalbumin (PV)-positiva celler av mediala septum (MS) till interneuroner i hippocampus25,33, parahippocampal regioner och entorhinal cortex26 är väsentliga för generering av theta svängningar i den mediala temporalloben. Således, fysiologiska mekanismer av nätverket svängningar och neuronala synkronisering kan manipuleras med optogenetik med en realtid precision.
Cell typspecifika optogenetic manipulationer har tillämpats för studier av hippocampus och kortikala svängningar i vitro34,35,36,37,38 och invivo30,39,40,41,42,43,44,45, inklusive funktionella utredningar av gamma5,12,36,46,47,48,49,50, 51,52 och rippel svängningar40,53,54 och sömn spindlar55,56. Nyligen uttryckte vi ett Cre-beroende ChR2 virus i MS, en nyckelregion för generering av hippocampus theta rytmen, PV-Cre möss. Använder detta preparat, kontrollerades dragen av hippocampus theta svängningarna (frekvens och tidsmässiga stabilitet) av optogenetic stimulering av hämmande prognoser av MS i hippocampus11. Dessutom frammanade theta frekvens optogenetic stimulering av hämmande septo-Hippocampus prognoser theta rytm under vaken orörlighet. Optogenetically fångas upp theta rytm visas egenskaperna för spontana theta svängningar i musen på LFP och neuronal aktivitetsnivå.
Viktiga funktioner i detta protokoll: (1) utnyttjande av ett hämmande väg som är fysiologiskt kritiska för spontana theta svängningar samtidigt undvika ospecifika effekter på Hippocampus retbarhet; (2) axonal, dvs, projektion-specifika stimulering att minimera en direkt påverkan på icke-Hippocampus MS efferents; (3) lokala theta-rytmiska ljus stimulans, säkerställer en minimal direkt inblandning med theta-rytmiska septo-Hippocampus dynamik och en global bilaterala övningsprovet av theta svängningar; (4) parametrisk kontroll av theta svängningar frekvens och korrekthet. och (5) kvantifiering av övningsprovet trohet med hög temporal upplösning använder LFP för att möjliggöra kvantitativa kausalitet analys i beter sig djur. Eftersom denna beredning i huvudsak kapitaliserar på en välkänd roll av den septo-Hippocampus avhämning i theta generation25,30, gör det robust kontroll över flera parametrar av theta svängningar i beter sig möss. Studier där andra mindre undersökta spridningsvägar och celltyper av septo-Hippocampus kretsen var manipulerade38,39,47,49,50,51 , 52 , 53 , 54 , 55 , 56 , 57 , 58 avslöja ytterligare mekanismer av theta rytmen.

<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

Omfattande uppgifter om relationer av neurala nätverk svängningar till beteende och organisationen av neuronala urladdning i hjärnregioner kräver nya verktyg att selektivt manipulera hjärnan rytmer. Här beskriver vi en strategi som kombinerar projektion-specifika optogenetik med extracellulära elektrofysiologi för HiFi-kontroll av hippocampus theta svängningar (5-10 Hz) i beter sig möss. Specificiteten för den optogenetic övningsprovet uppnås genom att rikta channelrhodopsin-2 (ChR2) till GABAergic befolkningen av mediala septal celler, avgörande involverade i generation av hippocampus theta svängningar, och en lokal synkroniseras aktivering av en delmängd av hämmande septal afferenter i hippocampus. Effekten av optogenetic rytm kontrollen verifieras av en samtidig övervakning av lokala fältet potentiella (LFP) över lamina av området CA1 eller neuronala ansvarsfrihet. Med denna lätt genomförbara förberedelse visar vi effekten av olika optogenetic stimulering protokoll för induktion av theta svängningar och manipulering av deras frekvens och regelbundenhet. Slutligen, en kombination av theta rytm kontrollen med projektion-specifika hämning adresser avläsningen av särskilda aspekter av hippocampus synkroniseringen av efferent regioner.

Inriktning av ChR2 GABAergic celler i MS som beskrivs i avsnitt 1 illustreras i figur 2A. Optogenetic stimulering av axoner av MS GABAergic celler i dorsala hippocampus via en optisk fiber som är implanterad ovanför CA1 entrains theta svängningar på frekvensen av stimulans i ipsilaterala (figur 2B) samt kontralateral halvklotet (figur 2 c). Theta svängningar kunde fångas mer eller mindre effekt...

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 användningen av optogenetik och elektrofysiologiska inspelningar för selektiv manipulationer av hippocampus theta svängningar (5-10 Hz) i beter sig möss. Effekten av den rytm övningsprovet kontrolleras med hjälp av lokala fältet potential. En kombination av opto- och farmakogenetiska hämning adresser den efferent avläsningen av hippocampus synkronisering.

Optogenetic ångan av hippocampus Theta svängningar i beter sig möss

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

Storskalig inspelning av nervceller av lös Silicon sönder i Agera Gnagare

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 (Video) | JoVE

Isolering och kultur hippocampusneuroner från Prenatal möss

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

Dubbla Elektrofysiologiska Inspelningar av synaptiskt-framkallade astrogliala och neuronala svar i akut hippocampus skivor

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

Optogenetic Stimulering av Escape Beteende i<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

Bedömning av dendritiska arborization i gyrus dentatus i hippocampus regionen hos möss

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

Bedömning av hippocampal dendritisk komplexitet hos åldrade möss med användning av 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 för inspelning från den isolerade gnagare septohippocampalkretsen

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

Proportionerlig kalcium avbildning av enskilda nervceller i beter 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

Inspelning rumsligt begränsade svängningar i Hippocampus av beter sig möss

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 av neurala kretsar under övervakning sömn/vakenhet stater hos möss

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