Name: multi-fiber photometry to record neural activity in freely-moving animals
Uploaded: 2019-10-20T14:30:00
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Diese Arbeit wurde durch ein Stipendium des Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC: RGPIN-2017-06131) an C.P. C. P. unterstützt. Wir danken auch dem Plateforme d'Outils Moléculaires (https://www.neurophotonics.ca/fr/pom) für die Herstellung der in dieser Studie verwendeten viralen Vektoren.

Alle Experimente wurden in Übereinstimmung mit den Institutional Animal Care and Use Committees der University of California, San Diego, und dem Canadian Guide for the Care and Use of Laboratory Animals durchgeführt und von der Université Laval Animal Protection genehmigt. ausschuß.
1. Ausrichtung des optischen Pfades zwischen der CMOS-Kamera (komplementärer Metalloxid-Halbleiter) und dem einzelnen oder verzweigten Patchkabel
<ol><li>Lösen Sie alle Schrauben am 5-Achsen-Übersetzer (11...

<ol>
	<li>Gunaydin, L. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Natural+Neural+Projection+Dynamics+Underlying+Social+Behavior.">Natural Neural Projection Dynamics Underlying Social Behavior.</a> Cell. 157 (7), 1535-1551 (2014).</li><li>Proulx, C. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+neural+pathway+controlling+motivation+to+exert+effort.">A neural pathway controlling motivation to exert effort.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (22), 5792-5797 (2018).</li><li>Muir, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+Vivo+Fiber+Photometry+Reveals+Signature+of+Future+Stress+Susceptibility+in+Nucleus+Accumbens.">In Vivo Fiber Photometry Reveals Signature of Future Stress Susceptibility in Nucleus Accumbens.</a> Neuropsychopharmacology. 43 (2), 255-263 (2017).</li><li>Wang, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Learning+shapes+the+aversion+and+reward+responses+of+lateral+habenula+neurons.">Learning shapes the aversion and reward responses of lateral habenula neurons.</a> eLife. 6, (2017).</li><li>de Jong, J. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Neural+Circuit+Mechanism+for+Encoding+Aversive+Stimuli+in+the+Mesolimbic+Dopamine+System.">A Neural Circuit Mechanism for Encoding Aversive Stimuli in the Mesolimbic Dopamine System.</a> Neuron. 101 (1), 133-151 (2018).</li><li>Lerner, T. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intact-Brain+Analyses+Reveal+Distinct+Information+Carried+by+SNc+Dopamine+Subcircuits.">Intact-Brain Analyses Reveal Distinct Information Carried by SNc Dopamine Subcircuits.</a> Cell. 162 (3), 635-647 (2015).</li><li>Calipari, E. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vivo+imaging+identifies+temporal+signature+of+D1+and+D2+medium+spiny+neurons+in+cocaine+reward.">In vivo imaging identifies temporal signature of D1 and D2 medium spiny neurons in cocaine reward.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (10), 2726-2731 (2016).</li><li>Gonz&#225;lez, A. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inhibitory+Interplay+between+Orexin+Neurons+and+Eating.">Inhibitory Interplay between Orexin Neurons and Eating.</a> Current Biology. 26 (18), 2486-2491 (2016).</li><li>Chen, T. -. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrasensitive+fluorescent+proteins+for+imaging+neuronal+activity.">Ultrasensitive fluorescent proteins for imaging neuronal activity.</a> Nature. 499 (7458), 295-300 (2013).</li><li>Barker, D. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lateral+Preoptic+Control+of+the+Lateral+Habenula+through+Convergent+Glutamate+and+GABA+Transmission.">Lateral Preoptic Control of the Lateral Habenula through Convergent Glutamate and GABA Transmission.</a> Cell Reports. 21 (7), 1757-1769 (2017).</li><li>Siciliano, C. A., Tye, K. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Leveraging+calcium+imaging+to+illuminate+circuit+dysfunction+in+addiction.">Leveraging calcium imaging to illuminate circuit dysfunction in addiction.</a> Alcohol. 74, 47-63 (2018).</li><li>Kim, C. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simultaneous+fast+measurement+of+circuit+dynamics+at+multiple+sites+across+the+mammalian+brain.">Simultaneous fast measurement of circuit dynamics at multiple sites across the mammalian brain.</a> Nature Methods. 13 (4), 325-328 (2016).</li><li>Sych, Y., Chernysheva, M., Sumanovski, L. T., Helmchen, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-density+multi-fiber+photometry+for+studying+large-scale+brain+circuit+dynamics.">High-density multi-fiber photometry for studying large-scale brain circuit dynamics.</a> Nature Methods. 16 (6), 553-560 (2019).</li><li>Akam, T., Walton, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=pyPhotometry:+Open+source+Python+based+hardware+and+software+for+fiber+photometry+data+acquisition.">pyPhotometry: Open source Python based hardware and software for fiber photometry data acquisition.</a> Scientific Reports. 9 (1), 3521 (2019).</li><li>Sparta, D. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Construction+of+implantable+optical+fibers+for+long-term+optogenetic+manipulation+of+neural+circuits.">Construction of implantable optical fibers for long-term optogenetic manipulation of neural circuits.</a> Nature Protocol. 7 (1), 12-23 (2011).</li><li>Stamatakis, A. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lateral+Hypothalamic+Area+Glutamatergic+Neurons+and+Their+Projections+to+the+Lateral+Habenula+Regulate+Feeding+and+Reward.">Lateral Hypothalamic Area Glutamatergic Neurons and Their Projections to the Lateral Habenula Regulate Feeding and Reward.</a> The Journal of Neuroscience. 36 (2), 302-311 (2016).</li><li>Tervo, G. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Designer+AAV+Variant+Permits+Efficient+Retrograde+Access+to+Projection+Neurons.">A Designer AAV Variant Permits Efficient Retrograde Access to Projection Neurons.</a> Neuron. 92 (2), 372-382 (2016).</li><li>Yu, K., da Silva, P., Albeanu, D. F., Li, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Central+Amygdala+Somatostatin+Neurons+Gate+Passive+and+Active+Defensive+Behaviors.">Central Amygdala Somatostatin Neurons Gate Passive and Active Defensive Behaviors.</a> The Journal of Neuroscience. 36 (24), 6488-6496 (2016).</li><li>Falkner, A. L., Grosenick, L., Davidson, T. J., Deisseroth, K., Lin, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hypothalamic+control+of+male+aggression-seeking+behavior.">Hypothalamic control of male aggression-seeking behavior.</a> Nature Neuroscience. 19 (4), 596-604 (2016).</li><li>Ren, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anatomically+Defined+and+Functionally+Distinct+Dorsal+Raphe+Serotonin+Sub-systems.">Anatomically Defined and Functionally Distinct Dorsal Raphe Serotonin Sub-systems.</a> Cell. 175 (2), 472-487 (2018).</li><li>Barnett, L. M., Hughes, T. E., Drobizhev, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deciphering+the+molecular+mechanism+responsible+for+GCaMP6m&#8217;s+Ca2+-dependent+change+in+fluorescence.">Deciphering the molecular mechanism responsible for GCaMP6m&#8217;s Ca2+-dependent change in fluorescence.</a> PLOS ONE. 12 (2), 0170934 (2017).</li><li>Sun, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Genetically+Encoded+Fluorescent+Sensor+Enables+Rapid+and+Specific+Detection+of+Dopamine+in+Flies,+Fish,+and+Mice.">A Genetically Encoded Fluorescent Sensor Enables Rapid and Specific Detection of Dopamine in Flies, Fish, and Mice.</a> Cell. 174 (2), 481-496 (2018).</li><li>Patriarchi, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrafast+neuronal+imaging+of+dopamine+dynamics+with+designed+genetically+encoded+sensors.">Ultrafast neuronal imaging of dopamine dynamics with designed genetically encoded sensors.</a> Science. 360 (6396), (2018).</li><li>Feng, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Genetically+Encoded+Fluorescent+Sensor+for+Rapid+and+Specific+In+Detection+of+Norepinephrine.">A Genetically Encoded Fluorescent Sensor for Rapid and Specific In Detection of Norepinephrine.</a> Neuron. 102 (4), 745-761 (2019).</li><li>Akerboom, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Genetically+encoded+calcium+indicators+for+multi-color+neural+activity+imaging+and+combination+with+optogenetics.">Genetically encoded calcium indicators for multi-color neural activity imaging and combination with optogenetics.</a> Frontiers in Molecular Neuroscience. 6, 1-29 (2013).</li><li>Dana, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sensitive+red+protein+calcium+indicators+for+imaging+neural+activity.">Sensitive red protein calcium indicators for imaging neural activity.</a> eLife. 5, (2016).</li><li>Wang, H., Jing, M., Li, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lighting+up+the+brain:+genetically+encoded+fluorescent+sensors+for+imaging+neurotransmitters+and+neuromodulators.">Lighting up the brain: genetically encoded fluorescent sensors for imaging neurotransmitters and neuromodulators.</a> Current Opinion in Neurobiology. 50, 171-178 (2018).</li><li>Lu, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wireless+optoelectronic+photometers+for+monitoring+neuronal+dynamics+in+the+deep+brain.">Wireless optoelectronic photometers for monitoring neuronal dynamics in the deep brain.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 115 (7), 1374-1383 (2018).</li><li>Jennings, J. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visualizing+Hypothalamic+Network+Dynamics+for+Appetitive+and+Consummatory+Behaviors.">Visualizing Hypothalamic Network Dynamics for Appetitive and Consummatory Behaviors.</a> Cell. 160 (3), 516-527 (2014).</li></ol>

Die Faserphotometrie ist ein zugänglicher Ansatz, der es Forschern ermöglicht, Massenkalzium-Dynamiken von definierten neuronalen Populationen bei frei beweglichen Tieren aufzuzeichnen. Diese Methode kann mit einer Vielzahl von Verhaltenstests kombiniert werden, einschließlich "bewegungslastige" Aufgaben wie erzwungene Schwimmtests2, Angstkonditionierung18, soziale Interaktionen1,4und andere7 ,<...

Die Fähigkeit, neuronale Reaktionen mit bestimmten Aspekten des Verhaltens eines Tieres zu korrelieren, ist entscheidend, um die Rolle zu verstehen, die eine bestimmte Gruppe von Neuronen bei der Leitung oder Reaktion auf eine Handlung oder einen Reiz spielt. Angesichts der Komplexität des Verhaltens von Tieren, mit den unzähligen inneren Zuständen und äußeren Reizen, die selbst die einfachsten Aktionen beeinflussen können, rüstet die Aufzeichnung eines Signals mit Einer-Versuchs-Auflösung die Forscher mit den notwendigen Werkzeugen aus, um diese zu überwinden. Einschränkungen.
Die Faserphotometrie ist für viele Forscher auf dem Gebiet der Systemneurowissenschaften aufgrund ihrer relativen Einfachheit im Vergleich zu anderen In-vivo-Aufnahmetechniken, ihrem hohen Signal-Rausch-Verhältnis und der Fähigkeit, in einer Vielzahl von Verhaltensparadigmen1,2,3,4,5,6,7,8. Im Gegensatz zu herkömmlichen elektrophysiologischen Methoden ist die Photometrie der optische Ansatz, der am häufigsten in Verbindung mit genetisch kodierten Calciumindikatoren (GECIs, gCaMP-Serie)9verwendet wird. GECIs ändern ihre Fluoreszenzfähigkeit, je nach, ob sie an Kalzium gebunden sind oder nicht. Da die innere Konzentration von Kalzium in Neuronen sehr streng reguliert ist und spannungsgebundene Kalziumkanäle sich öffnen, wenn ein Neuron ein Aktionspotential abfeuert, erhöht sich die innere Kalziumkonzentration vorübergehend, was zu vorübergehenden Fähigkeit eines GECI zur Fluoreszenz, kann ein guter Proxy für neuronaleFeuerung 9sein.
Mit der Faserphotometrie wird das Anregungslicht eine dünne Multimode-Optikfaser ins Gehirn geleitet, und ein Emissionssignal wird durch dieselbe Faser wieder nach oben gesammelt. Da diese Glasfasern leicht und biegsam sind, kann sich ein Tier weitgehend ungehindert bewegen, was diese Technik mit einer Vielzahl von Verhaltenstests und -bedingungen kompatibel macht. Einige Bedingungen, wie schnelle Bewegungen oder das Biegen des Glasfaser-Patchkabels über den Radius hinaus, in dem es die gesamte interne Reflexion aufrechterhalten kann, können Signalartefakte einführen. Um Signalvon Rauschen zu verkennen, können wir eine Eigenschaft von GCaMP ausnutzen, die als "isosbestic point" bekannt ist. Kurz gesagt, mit GCaMP, da die Wellenlänge des Anregungslichts nach links verschoben wird, nimmt seine Emission im kalziumgebundenen Zustand ab und die Emission im Kalzium-ungebundenen Zustand nimmt geringfügig zu. Der Punkt, an dem die relative Intensität dieser beiden Emissionen gleich ist, wird als isosbestischer Punkt bezeichnet. Wenn GCaMP an dieser Stelle angeregt wird, wird seine Emission nicht durch Veränderungen der inneren Kalziumkonzentrationen beeinflusst, und die Varianz des Signals ist am häufigsten auf die Dämpfung des Signals durch Überbiegung des Glasfaser-Patchkabels oder die Bewegung des Neuronalgewebes zurückzuführen. relativ zur implantierten Faser.
Die Ein-Einheiten-Elektrophysiologie ist aufgrund ihrer einzelligen und Single-Spike-Level-Auflösung nach wie vor der Goldstandard für frei bewegliche In-vivo-Aufnahmen. Es kann jedoch schwierig sein, die molekulare Identität der zellen zu bestimmen, die aufgezeichnet werden, und die Post-hoc-Analyse kann ziemlich mühsam sein. Faserphotometrie hat zwar keine einzellige Auflösung, ermöglicht es Forschern jedoch, Fragen zu stellen, die mit herkömmlichen Techniken nicht angegangen werden können. Durch die Kombination viraler Strategien mit transgenen Tieren kann die Expression von GECIs auf genetisch definierte neuronale Typen gerichtet werden, um populations- oder projektionsdefinierte neuronale Aktivität aufzuzeichnen, die durch die Überwachung des Calciumsignals direkt am Axon durchgeführt werden kann. Klemmen10,11. Darüber hinaus ist es durch die Implantation mehrerer faseroptischer Kanülen möglich, die neuronale Aktivität aus mehreren Hirnregionen und -wegen im selben Tier gleichzeitig zu überwachen12,13.
In diesem Manuskript beschreiben wir eine Technik für Einzel- und Multifaserphotometrie, wie man kalziumunabhängige Artefakte korrigiert und detailliert beschreibt, wie man mono- und dualfarbene Aufnahmen durchführt. Wir bieten auch Beispiele für die Arten von Fragen, die man stellen kann, und deren zunehmende Komplexität (siehe Abbildung 1). Das Faserphotometrie-Setup für Multifaseraufzeichnungen, die in diesem Protokoll detailliert sind, kann mithilfe einer Liste von Materialien erstellt werden, die unter https://sites.google.com/view/multifp/hardware (Abbildung 2) zu finden sind.
Es ist wichtig, dass das System sowohl für 410 nm als auch für 470 nm Anregungswellenlängen für kalziumunabhängige und kalziumabhängige Fluoreszenzemissionen aus GCaMP6 oder seinen Varianten ausgestattet ist. Für kundenspezifische Setups oder wenn keine Software zum Ausführen des Systems verfügbar ist, kann das kostenlose Open-Source-Programm Bonsai (http://www.open-ephys.org/bonsai/) verwendet werden. Alternativ kann die Faserphotometrie über MATLAB (z.B. https://github.com/deisseroth-lab/multifiber)12 oder eine andere Programmiersprache14ausgeführt werden. Die Software und Hardware des Systems sollte die Manipulation der 410 nm und 470 nm LEDs und der Kamera, die Extraktion von Bildern (Abbildung 2), und die Berechnung der mittleren Fluoreszenzintensität in den Bereichen von Interesse (ROIs) um die Fasern auf die Bilder. Der Ausgang sollte eine Tabelle mit mittleren Intensitätswerten sein, die mit den LEDs 470 nm und 410 nm von jeder Faser im Patchkabel aufgezeichnet werden. Bei Multifaserexperimenten können gebündelte Fasern mit 400 m die Bewegung von Mäusen einschränken. In solchen Fällen empfehlen wir die Verwendung von 200 m Patchkabeln, die mehr Flexibilität bieten. Es kann auch möglich sein, kleinere Dummy-Kabel während des Trainings von Mäusen zu verwenden.
Es ist entscheidend, in der Lage zu sein, Zeitpunkte für Ereignisse von Interesse während der Faserphotometrie-Erfassung zu extrahieren. Wenn das System nicht ohne weiteres ein integriertes System zur Integration von TTLs für bestimmte Ereignisse bereitstellt, besteht eine alternative Strategie darin, einzelnen aufgezeichneten Zeitpunkten einen Zeitstempel zuzuweisen, um sich an bestimmten Zeiten und Ereignissen während des Experiments auszurichten. Die Zeitstempelung kann mit der Computeruhr erfolgen.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>1/4&#34;-20 Stainless Steel Cap Screw, 1&#34; Long</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>SH25S100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1/4&#34;-20 Stainless Steel Cap Screw, 1/2&#34; Long</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>SH25S050</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1/4&#34;-20 Stainless Steel Cap Screw, 3/8&#34; Long</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>SH25S038</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1000 &#181;m, 0.50 NA, SMA-SMA Fiber Patch Cable</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>M59L01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>12.7 mm Optical Post</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>TR30/M</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>12.7 mm Pedestal Post Holder</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>PH20EM</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>15 V, 2.4 A Power Supply Unit with 3.5 mm Jack Connector for T-Cube</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>KPS101</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>20x objective</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>RMS20X</td>
			<td>#10 in Figure 2, #11 in Figure 5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>30 mm Cage Cube with Dichroic Filter Mount</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>CM1-DCH/M</td>
			<td>#8-9 in Figure 2, #8-10 in Figure 5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>405 nm LED</td>
			<td>Doric Lenses</td>
			<td>CLED_405</td>
			<td>#2 in Figure 2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>410 nm bandpass filter</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>FB410-10</td>
			<td>#5 in Figure 2; #7 in Figure 5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>465 nm. LED</td>
			<td>Doric Lenses</td>
			<td>CLED_465</td>
			<td>#1 in Figure 2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>470 nm bandpass filter</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>FB470-10</td>
			<td>#4 in Figure 2; #6 in Figure 5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>560 nm bandpass filter</td>
			<td>Semrock</td>
			<td>FF01-560/14-25</td>
			<td>#5 in Figure 5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>560 nm LED</td>
			<td>Doric Lenses</td>
			<td>CLED_560</td>
			<td>#1 in Figure 3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5-axis kinematic Mount</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>K5X1</td>
			<td>#11 in Figure 2, #12 in Figure 5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Achromatic Doublet</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>AC254-035-A-ML</td>
			<td>#7 in Figure 2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Adaptor for 405 collimator</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>AD11F</td>
			<td>#3 in Figure 2; #4 in Figure 5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Adaptor for ajustable collimator</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>AD127-F</td>
			<td>#3 in Figure 2; #4 in Figure 5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aluminum Breadboard</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>MB1824</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Clamping Fork</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>CF125</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cube connector</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>CM1-CC</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dual 493/574 dichroic</td>
			<td>Semrock</td>
			<td>FF493/574-Di01-25x36</td>
			<td>#10 in Figure 5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Emission filter for GCaMP6</td>
			<td>Semrock</td>
			<td>FF01-535/22-25</td>
			<td>#6 in Figure 2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Enclosure with Black Hardboard Panels</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>XE25C9</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Externally SM1-Threaded End Cap for Machining</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>SM1CP2M</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fast-change SM1 Lens Tube Filter Holder</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>SM1QP</td>
			<td>#4-6 in Figure 2, #5-7 in Figure 5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fixed Collimator for 405 nm light</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>F671SMA-405</td>
			<td>#3 in Figure 2; #4 in Figure 5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fixed collimator for 470 and 560 nm light</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>F240SMA-532</td>
			<td>#3 in Figure 2; #4 in Figure 5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Green emission filter</td>
			<td>Semrock</td>
			<td>FF01-520/35-25</td>
			<td>In light beam splitter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-Resolution USB 3.0 CMOS Camera</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>DCC3260M</td>
			<td>#13 in Figure 2, #15 in Figure 5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Light beam splitter</td>
			<td>Neurophotometrics</td>
			<td>SPLIT</td>
			<td>#14 in Figure 5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Longpass Dichroic Mirror, 425 nm Cutoff</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>DMLP425R</td>
			<td>#8 in Figure 2, #9 in Figure 5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Longpass Dichroic Mirror, 495 nm Cutoff</td>
			<td>Semrock</td>
			<td>FF495-Di03</td>
			<td>#9 in Figure 2, #8 in Figure 5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Metabond dental cement</td>
			<td>C&#38;B</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M8 - M8 cable</td>
			<td>Doric Lenses</td>
			<td>Cable_M8-M8</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optic fiber cannulas</td>
			<td>Doric Lenses</td>
			<td></td>
			<td>Need to specify that these will be used to photometry experiments requiring low autofluorescence</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optic fiber Patchcords</td>
			<td>Doric Lenses</td>
			<td></td>
			<td>Need to specify that these will be used to photometry experiments requiring low autofluorescence</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Red emission filter</td>
			<td>Semrock</td>
			<td>FF01-600/37-25</td>
			<td>In light beam splitter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>T7 LabJack</td>
			<td>LabJack</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>T-cube LED Driver</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>LEDD1B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>USB 3.0 I/O Cable, Hirose 25, for DCC3240</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>CAB-DCU-T3</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
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multi-fiber photometry to record neural activity in freely-moving animals

Die Aufzeichnung der Aktivität einer Gruppe von Neuronen in einem frei beweglichen Tier ist ein schwieriges Unterfangen. Darüber hinaus wird es, da das Gehirn in kleinere und kleinere funktionelle Untergruppen zerlegt wird, von größter Bedeutung, aus Projektionen und/oder genetisch definierten Subpopulationen von Neuronen aufzuzeichnen. Fiber-Photometrie ist ein zugänglicher und leistungsstarker Ansatz, der diese Herausforderungen bewältigen kann. Durch die Kombination optischer und genetischer Methoden kann die neuronale Aktivität in tiefen Gehirnstrukturen gemessen werden, indem genetisch kodierte Kalziumindikatoren exexzessiert werden, die die neuronale Aktivität in ein optisches Signal übersetzen, das leicht messbar ist. Das aktuelle Protokoll beschreibt die Komponenten eines Multifaser-Photometriesystems, wie man auf tiefe Gehirnstrukturen zugreift, um Licht zu liefern und zu sammeln, eine Methode, um Bewegungsartefakte zu berücksichtigen, und wie fluoreszierende Signale verarbeitet und analysiert werden. Das Protokoll beschreibt experimentelle Überlegungen bei der Durchführung von Einzel- und Dual-Farb-Bildgebung, entweder aus einzelnen oder mehreren implantierten Optischen Fasern.

Neuronale Korrelationen von Verhaltensreaktionen können je nach einer Vielzahl von Faktoren variieren. In diesem Beispiel haben wir die In-vivo-Faserphotometrie verwendet, um die Aktivität von Axonklemmen aus dem lateralen hypothalamischen Bereich (LHA) zu messen, die in der lateralen Hatula (LHb) enden. Wildtyp-Mäuse wurden mit einem Adeno-assoziierten Virus (AAV) injiziert, das GCaMP6s (AAV-hSyn-GCaMP6s) in die LHA kodiert, und eine Optische Faser wurde mit der Spitze unmittelbar über dem LHb implantiert (<strong c...

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Multi-Fiber Photometry to Record Neural Activity in Freely-Moving Animals

In diesem Protokoll wird erläutert, wie Multifaserphotometrieaufzeichnungen implementiert und durchgeführt werden, wie Kalzium-unabhängige Artefakte korrigiert werden und wie wichtige Überlegungen für die duale Photometrie-Bildgebung berücksichtigt werden.

Multi-Fiber Photometrie zur Aufzeichnung neuronaler Aktivität bei frei beweglichen Tieren

Recording the activity of a group of neurons in a freely-moving animal is a challenging undertaking. Moreover, as the brain is dissected into smaller and ...

Faserphotometrie CSOM Bildgebung kombiniert genetisch codierte benutzerdefinierte Indikator und optische Fasern, um neuronale Aktivität in frei bewegenden Tieren zu überwachen. Was entscheidend ist, um zu verstehen, wie eine bestimmte Gruppe von Neuronen bei der Regie oder Reaktion auf eine Aktion oder einen Stimulus spielt. Diese Technik ist eine zugängliche Möglichkeit, von bestimmten Hirnregionen, die durch ihre Verbindung oder genetische Profile definiert werden, mit der eingebauten Steuerung zu trennen Signal zu Rauschen zu erfassen.Demonstrieren den Prozessor wird, Ekaterina Martianova, eine Studentin in meinem Labor. Beginnen Sie mit dem Lösen aller Schrauben am Fünf-Achsen-Übersetzer. Schrauben Sie das Patchkabel an den Adapter, der am Fünf-Achsen-Übersetzer befestigt ist.Schalten Sie dann das 470 Nanometer Anregungslicht bei geringer Leistung ein und positionieren Sie die Spitze der Faser, die auf einen auto fluoreszierenden Kunststoffschlitten zeigt. Nächster Aufnahme von der kostenlosen Metalloxid-Halbleiter- oder CMOS-Kamera im Live-Modus. Erhöhen Sie die Verstärkung oder passen Sie die Nachsuchtabelle an, bis das Bild im Mittelpunkt des Ziels sichtbar ist.Bringen Sie den Fünf-Achsen-Übersetzer auf das Ziel zu, um sicherzustellen, dass das 470-Nanometer-Licht auf der Faser am SMA- oder FC-Ende des Patchkabels zentriert ist, bis ein Bild auf der Kamera aufgelöst werden kann. Passen Sie schließlich die X- und Y-Achsen an, bis das Bild zentriert und gut aufgelöst ist. Visualisieren Sie das Licht, das vom Variolenende des Patchkabels emittiert wird, wie es als isotroper Kreis erscheinen sollte.Beginnen Sie, indem Sie alle Anregungsleuchten einschalten, um die Fasern besser zu visualisieren. Und passen Sie die Kameragewinne so an, dass keine Pixel gesättigt sind und ein klares Bild der Fasern vorhanden ist. Dann machen Sie ein vorläufiges Bild.Zeichnen Sie Bereiche von Interesse oder ROIS um die Fasern. Und halten Sie sie für die Messung der mittleren Intensitätswerte während der Aufnahmen. Für mehrere Faseraufnahmen, testen Sie für Unabhängige durch Live-Aufnahme von allen Fasern.Zeigen Sie eine Faser auf eine Lichtquelle und tippen Sie mit einem Finger. Beobachten Sie Schwankungen im Kanal. Dann farbiges Klebeband am Ende der Fasern auftragen, um zu kennzeichnen, welcher ROI welcher Faser entspricht.Richten Sie schließlich den Aufnahmebereich ein, indem Sie das Patchkabel über der Arena mit Ständern, Klammern und Halterungen aufhängen. Schließlich stellen Sie sicher, dass das Tier nicht in der Bewegung durch die Länge der Faser begrenzt wird und sich frei in der gesamten Arena bewegen kann. Beginnen Sie mit der Inspektion des distalen Endes der Fasern der Patchschnur per Auge und mit einem Mini-Fasermikroskop.Wenn die Oberfläche der Fasern zerkratzt ist, polieren Sie die Fasern mit Faserpolierfolie mit feinem Körnung neu. Dann reinigen Sie die distalen Enden des Patchkabels mit 70% Ethanol und einem Baumwollspitzenapplikator. Reinigen Sie die Faseroptikkanülen mit 70% Ethanol und einem Baumwollspitzenapplikator.Verbinden Sie das variole Ende des Patchkabels mit der implantierten Faser mit einer Keramik-Split-Hülle, die mit einem schwarzen Schrumpfrohr bedeckt ist. Stellen Sie während des Anschlusses sicher, dass die Hülse fest ist. Lassen Sie das Tier für ein paar Minuten erholen.Beginnen Sie dann mit der Aufzeichnung des optischen Signals, und führen Sie das Experiment aus. Während der Aufnahme halten Sie ein wachsames Auge auf die Live-Spur, um qualitativ hochwertige Aufnahmen zu gewährleisten. Und achten Sie auf alle Sprünge in Signal, was darauf hinweist, dass die Hülse nicht fest genug ist.Für die Dual-Farbaufnahmen fügen Sie dem Photometriesystem eine 516 Nanometer LED hinzu, um den roten fluoreszierenden Kalziumsensor und entsprechende dichroitische Spiegel und Filter zu anregen. Fügen Sie dann einen Bildsplitter zwischen dem Objektiv und der CMOS-Kamera hinzu, um die grünen und roten Emissionswellenlängen zu trennen. Schließlich zeichnen Sie ROIS um alle Fasern in beiden Farben, rot und grün.Achten Sie darauf, jeden ROI mit der entsprechenden Faser und dem entsprechenden Kanal eindeutig zu identifizieren. Lösen Sie die gleichzeitige Anregung mit 470 Nanometer und 560 Nanometer LEDs aus und wechseln Sie sie mit einer 410 Nanometer LED ab. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die gemessene Fluoreszenz signifikant gleichzeitig mit der Verabreichung von Luftpuffs für Mäuse mit Aktivierung des LHA-LHB-Signalwegs zugenommen hat.Bei Mäusen, die grünes fluoreszierendes Protein oder GFP exdrücken, wurde jedoch keine Änderung des Signals während der Verabreichung von Luftpuffs festgestellt. Diese Technik ermöglicht es Forschern, von bestimmten Arten von Zellen in verschiedenen Gehirnregionen vernünftig zu erfassen. Während sich ein Tier frei benimmt.Dies fördert die Fähigkeit, die Funktionen dieser Gehirnregionen zu sezieren, da sie sich auf das Verhalten beziehen.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

High-density EEG Recordings of the Freely Moving Mice using Polyimide-based Microelectrode

High-Density-EEG-Aufzeichnungen der sich frei bewegenden Mäusen mit Polyimid-Basis Mikroelektroden

Electroencephalogram (EEG) indicates the averaged electrical activity of the neuronal populations on a large-scale level. It is widely utilized as a ...

Forschung

Neurowissenschaften

Design and Assembly of an Ultra-light Motorized Microdrive for Chronic Neural Recordings in Small Animals

Konstruktion und Montage eines Ultra-light Motorisierte Microdrive für chronische Neural Recordings in Kleintiere

The ability to chronically record from populations of neurons in freely behaving animals has proven an invaluable tool for dissecting the function of ...

Multi-unit Recording Methods to Characterize Neural Activity in the Locust (Schistocerca Americana) Olfactory Circuits

Multi-unit Recording Methods to Characterize Neural Activity in the Locust Schistocerca Americana Olfactory Circuits

Multi-unit Recording Methoden zur neuronalen Aktivität in der Locust Charakterisieren (<em&gt; Schistocerca Americana</em&gt;) Olfaktorische Circuits

Detection and interpretation of olfactory cues are critical for the survival  of many organisms. Remarkably, species across phyla have strikingly similar ...

Recording Single Neurons' Action Potentials from Freely Moving Pigeons Across Three Stages of Learning

Aufnahme von Aktionspotentialen einzelner Neuronen &quot;sich frei zu bewegen Tauben auf drei Stages of Learning

While the subject of learning has attracted immense interest from both behavioral and neural scientists, only relatively few investigators have observed ...

Neural Activity Propagation in an Unfolded Hippocampal Preparation with a Penetrating Micro-electrode Array

Neuronale Aktivitätsausbreitung in einem ungefalteten Hippocampus Vorbereitung mit einem durchdringenden Mikroelektroden-Array

This protocol describes a method for preparing a new in vitro flat hippocampus preparation combined with a micro-machined array to map neural activity in ...

A Novel Behavioral Assay to Investigate Gustatory Responses of Individual, Freely-moving Bumble Bees (Bombus terrestris)

A Novel Behavioral Assay to Investigate Gustatory Responses of Individual, Freely-moving Bumble Bees Bombus terrestris

A Novel Verhaltenstest Gustatory Antworten einzelner, frei beweglichen Bumble Bees zur Untersuchung (<em&gt; Bombus terrestris</em&gt;)

Generalist pollinators like the buff-tailed bumble bee, Bombus terrestris, encounter both nutrients and toxins in the floral nectar they collect from ...

Recording EEG in Freely Moving Neonatal Rats Using a Novel Method

Aufzeichnung von EEG in frei bewegten neonatalen Ratten mit einer neuartigen Methode

EEG is a useful method to detect electrical activity in the brain. Moreover, it is a widely used diagnostic tool for various neurological conditions, such ...

Simultaneous Recordings of Cortical Local Field Potentials, Electrocardiogram, Electromyogram, and Breathing Rhythm from a Freely Moving Rat

Gleichzeitige Aufnahmen der kortikalen lokales Feld Potentiale, Elektrokardiogramm, Elektromyogramm und Atemrhythmus aus einem frei beweglichen Ratte

Monitoring the physiological dynamics of the brain and peripheral tissues is necessary for addressing a number of questions about how the brain controls ...

Noninvasive EEG Recordings from Freely Moving Piglets

Nicht-invasive EEG-Ableitungen von frei beweglichen Ferkel

The method allows the recording of high-quality electroencephalograms (EEGs) from freely moving piglets directly in the pigpen. We use a one-channel ...

Microdialysis of Excitatory Amino Acids During EEG Recordings in Freely Moving Rats

Mikrodialyse exzitatorischen Aminosäuren während der EEG-Ableitungen in Ratten frei beweglich

Microdialysis is a well-established neuroscience technique that correlates the changes of neurologically active substances diffusing into the brain ...