Name: adaptable angled stereotactic approach for versatile neuroscience techniques
Uploaded: 2020-05-07T13:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Adaptable Angled Stereotactic Approach for Versatile Neuroscience Techniques at JoVE.com

עבודה זו נתמכה על ידי המכון הלאומי לסוכרת ומחלות עיכול וכליות (NIDDK) מעניק F31-DK-113673 (C.L.F.), T32-GM-095421 (C.L.F.), DK-089056 (G.J.M.), פרס מדע בסיסי חדשני של האגודה האמריקאית לסוכרת (#1-19-IBS-192 ל-G.J.M.) ולמרכז לחקר השמנת יתר תזונתית במימון NIDDK (DK-035816), מרכז לחקר הסוכרת (DK-017047) וסוכרת, השמנת יתר ומטבוליזם אימון מענק T32 DK0007247 (T.H.M) באוניברסיטת וושינגטון.

כל ההליכים אושרו בהתאם למכונים הלאומיים לבריאות, המדריך לטיפול ושימוש בבעלי חיים ואושרו הן על ידי הוועדה המוסדית לטיפול בבעלי חיים ושימוש (IACUC) והן על ידי בריאות ובטיחות סביבתית באוניברסיטת וושינגטון.
1. חישוב קואורדינטות זוויתיות
<ol><li>באמצעות אטלס מוח קורונול, לסמן משולש ?...

<ol>
	<li>King, B. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+rise,+fall,+and+resurrection+of+the+ventromedial+hypothalamus+in+the+regulation+of+feeding+behavior+and+body+weight.">The rise, fall, and resurrection of the ventromedial hypothalamus in the regulation of feeding behavior and body weight.</a> Physiology and Behavior. 87, 221-244 (2006).</li><li>Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., Deisseroth, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Millisecond-timescale,+genetically+targeted+optical+control+of+neural+activity.">Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity.</a> Nature Neuroscience. 8, 1263-1268 (2005).</li><li>Roth, B. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=DREADDs+for+Neuroscientists.">DREADDs for Neuroscientists.</a> Neuron. 89, 683-694 (2016).</li><li>Richevaux, L., Schenberg, L., Beraneck, M., Fricker, D. <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+Intracerebral+Stereotaxic+Injections+for+Optogenetic+Stimulation+of+Long-Range+Inputs+in+Mouse+Brain+Slices.">In Vivo Intracerebral Stereotaxic Injections for Optogenetic Stimulation of Long-Range Inputs in Mouse Brain Slices.</a> Journal of Visualized Experiments. , e59534 (2019).</li><li>Fricano-Kugler, C. J., Williams, M. R., Luikart, B., Salinaro, J. R., Li, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Designing,+packaging,+and+delivery+of+high+titer+crispr+retro+and+lentiviruses+via+stereotaxic+injection.">Designing, packaging, and delivery of high titer crispr retro and lentiviruses via stereotaxic injection.</a> Journal of Visualized Experiments. , e53783 (2016).</li><li>McSweeney, C., Mao, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Applying+Stereotactic+Injection+Technique+to+Study+Genetic+Effects+on+Animal+Behaviors.">Applying Stereotactic Injection Technique to Study Genetic Effects on Animal Behaviors.</a> Journal of Visualized Experiments. (99), e52653 (2015).</li><li>Lowell, B. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=New+Neuroscience+of+Homeostasis+and+Drives+for+Food,+Water,+and+Salt.">New Neuroscience of Homeostasis and Drives for Food, Water, and Salt.</a> New England Journal of Medicine. 380, 459-471 (2019).</li><li>Sidor, M. 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=In+vivo+optogenetic+stimulation+of+the+rodent+central+nervous+system.">In vivo optogenetic stimulation of the rodent central nervous system.</a> Journal of Visualized Experiments. , e51483 (2015).</li><li>Faber, C. 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=Distinct+Neuronal+Projections+from+the+Hypothalamic+Ventromedial+Nucleus+Mediate+Glycemic+and+Behavioral+Effects.">Distinct Neuronal Projections from the Hypothalamic Ventromedial Nucleus Mediate Glycemic and Behavioral Effects.</a> Diabetes. 67, 2518-2529 (2018).</li><li>Berndt, 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=Structural+foundations+of+optogenetics:+Determinants+of+channelrhodopsin+ion+selectivity.">Structural foundations of optogenetics: Determinants of channelrhodopsin ion selectivity.</a> Proceedings of the National Academy of Scences. 113, 822-829 (2016).</li><li>Faber, C. L., Matsen, M. E., Meek, T. H., Krull, J. E., Morton, G. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+customizable+procedure+for+angled+stereotaxic+implantation+and+microinjection+in+the+rodent+brain.">A customizable procedure for angled stereotaxic implantation and microinjection in the rodent brain.</a> Kopf Carrier. 96, (2019).</li><li>Correia, P., Matias, S., Mainen, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stereotaxic+Adeno-associated+Virus+Injection+and+Cannula+Implantation+in+the+Dorsal+Raphe+Nucleus+of+Mice.">Stereotaxic Adeno-associated Virus Injection and Cannula Implantation in the Dorsal Raphe Nucleus of Mice.</a> Bio-Protocol. 7, 2549 (2017).</li><li>Cardozo Pinto, D. F., Lammel, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hot+topic+in+optogenetics:+new+implications+of+in+vivo+tissue+heating.">Hot topic in optogenetics: new implications of in vivo tissue heating.</a> Nature Neuroscience. 22, 1039-1041 (2019).</li></ol>

ההתקדמות האחרונה במדעי המוח תמכה בתובנה והבנה מתקדמות לגבי הפעילות והתפקוד של מדעי המוח. זה כולל את היישום של טכנולוגיות אופטוגנטיות וכימוגנטיות כדי להפעיל או להשתיק אוכלוסיות עצביות נפרדות ואתרי ההקרנה שלהם ב vivo. לאחרונה, זה כלל התפתחות של אינדיקטורים סידן מקודדים גנטית (למשל, GCaMP, RCaMP) ו?...

שליטה עצבית בהתנהגות, האכלה ומטבוליזם כרוכה בתיאום של נוירו-מעגלים מורכבים, אינטגרטיביים ומיותרים. מטרת הנהיגה של תחום מדעי המוח היא לנתח את הקשר בין מבנה המעגל העצבי לתפקוד. למרות שכלי מדעי המוח הקלאסיים (כלומר, נגעים, זריקות פרמקולוגיות מקומיות וגירוי חשמלי) חשפו ידע חיוני לגבי תפקידם של אזורי מוח ספציפיים השולטים בהתנהגות ובמטבוליזם, כלים אלה מוגבלים על ידי חוסר הספציפיות וההיפוךשלהם 1.
ההתקדמות האחרונה בתחום מדעי המוח שיפרה מאוד את היכולת לחקור ולתפעל את תפקוד המעגל באופן ספציפי מסוג תא עם רזולוציה ספאטיוטמפוראלית גבוהה. 2 אופטוגנטית ו כימיה3 גישות, למשל, לאפשר מניפולציה מהירה והפיכוי של פעילות בסוגי תאים מוגדרים גנטית של בעלי חיים נעים בחופשיות. אופטוגנטיקה כרוכה בשימוש בערוצי יונים רגישים לאור, המכונים channelrhodopsins, כדי לשלוט בפעילות העצבית. המפתח לטכניקה זו הוא אספקת הגנים של channelrhodopsin ומקור אור כדי להפעיל את opsin. אסטרטגיה נפוצה להעברת גנים היא באמצעות שילוב של 1) עכברים מהונדסים גנטית המביעים Cre-רקומבינאז בנוירונים נפרדים, ו -2) וקטורים ויראליים תלויי Cre קידוד channelrhodopsin.
בעוד שאופטוגנטיקה מספקת אמצעים אלגנטיים ומדויקים ביותר לשליטה בפעילות העצבית, השיטה מותנית במיקרו-ערך סטריאוטקטי מוצלח של וקטור ויראלי ומיקום סיבים לאזור מוח מוגדר. למרות הליכים סטראוטקטיים הם דבר שבשגרה במעבדה המודרנית למדעי המוח (ויש כמה פרוטוקולים מצוינים המתארים הליך זה)4,5,6, היכולת למקד באופן עקבי ורבייה אזורי מוח נפרדים לאורך קו האמצע (כלומר, ההיפותלמוס הבינוני, אזור במוח קריטי לרגולציה של פונקציות הומיאוסטטיות7) מציג אתגרים נוספים. אתגרים אלה כוללים הימנעות של סינוס קשת מעולה, החדר השלישי, גרעין היפותלמי סמוך. בנוסף, ישנן מגבלות מרחביות משמעותיות להשתלה דו-צדדית של חומרה הנדרשת למחקרי עיכוב. עם אתגרים אלה בחשבון, פרוטוקול זה מציג הליך ניתן לשינוי למיקוד אזורי מוח נפרדים באמצעות גישה סטריאואטקטית זוויתית.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Fiberoptic Cannulae</td>
			<td>Doric Lenses</td>
			<td>MFC_200/230-0.57_###_MF1.25_FLT</td>
			<td>Customizable</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Kopf Model 1900 Stereotaxic Alignment System</td>
			<td>Kopf</td>
			<td>Model 1900</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Kopf Model 1900-51 Center Height Gauge</td>
			<td>Kopf</td>
			<td>Model 1900-51</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Kopf Model 1905 Alignment Indicator</td>
			<td>Kopf</td>
			<td>Model 1905</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Kopf Model 1911 Stereotaxic Drill</td>
			<td>Kopf</td>
			<td>Model 1911</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Kopf Model 1915 Centering Scope</td>
			<td>Kopf</td>
			<td>Model 1915</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Kopf Model 1922 60-Degree Non-Rupture Ear Bars</td>
			<td>Kopf</td>
			<td>Model 1922</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Kopf Model 1923-B Mouse Gas Anesthesia Head Holder</td>
			<td>Kopf</td>
			<td>Model 1923-B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Kopf Model 1940 Micro Manipulator</td>
			<td>Kopf</td>
			<td>Model 1940</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micro4 Microinjection System</td>
			<td>World Precision Instruments</td>
			<td>--</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mouse bone screws</td>
			<td>Plastics One</td>
			<td>00-96 X 1/16</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stereotaxic Cannula Holder, 1.25mm ferrule</td>
			<td>Thor Labs</td>
			<td>XCL</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Surgical Drill</td>
			<td>Cell Point Scientific</td>
			<td>Ideal Micro Drill</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

adaptable angled stereotactic approach for versatile neuroscience techniques

ניתוח סטריאוטקטי הוא כלי חיוני במעבדה המודרנית למדעי המוח. עם זאת, היכולת למקד במדויק ומדויק אזורים במוח קשה להגיע עדיין מציב אתגר, במיוחד בעת מיקוד מבני המוח לאורך קו האמצע. אתגרים אלה כוללים הימנעות של סינוס קשת מעולה החדר השלישי ואת היכולת למקד באופן עקבי גרעיני מוח סלקטיביים ודיסקרטיים. בנוסף, טכניקות מתקדמות יותר במדעי המוח (למשל, אופטוגנטיקה, פוטומטריית סיבים והדמיה של שני פוטונים) מסתמכות על השתלה ממוקדת של חומרה משמעותית למוח, ומגבלות מרחביות הן מכשול נפוץ. מוצג כאן פרוטוקול ניתן לשינוי למיקוד סטריאוטקטי של מבני מוח מכרסמים באמצעות גישה קורונית זוויתית. זה יכול להיות מותאם 1) מודלים עכבר או חולדה, 2) טכניקות שונות במדעי המוח, ו 3) אזורי מוח מרובים. כדוגמה מייצגת, הוא כולל את החישוב של קואורדינטות סטריאוטקטיות למיקוד של גרעין ההונאה ההיפותלמוסית של העכבר (VMN) לניסוי עיכוב אופטוגנטי. הליך זה מתחיל במיקרו-רינג'ק דו-צדדי של וירוס הקשור לאדנו (AAV) המקודד ערוץ כלוריד רגיש לאור (SwiChR++) למודל עכבר תלוי Cre, ואחריו ההשתלה הדו-צדדית הזוויתית של צינורית fiberoptic. באמצעות גישה זו, הממצאים מראים כי הפעלה של תת קבוצה של נוירונים VMN נדרש עבור תגובות נגד פיקוח גלוקוז שלם היפוגליקמיה המושרה אינסולין.

פרוטוקול זה מתאר הליך כירורגי לביצוע מחקרים אופטוגנטיים כדי לחקור את התפקיד של נוירונים VMN ההיפותלמי בשליטה גליקמית9. הראשון מנוצל היה גישה סטריאוטקטית סטנדרטית (לא זוויתית) עבור מיקרו-יז'ק דו-צדדי של וירוס channelrhodopsin מעכב ל- VMN. בעוד שגישה זוויתית תתאים גם היא, הגישה הסטנדרטית (ה...

Watch this Scientific Journal Video about Adaptable Angled Stereotactic Approach for Versatile Neuroscience Techniques at JoVE.com

Adaptable Angled Stereotactic Approach for Versatile Neuroscience Techniques

המתואר כאן הוא הליך סטריאוטקטי שיכול למקד אזורים מאתגרים וקשים להשכה למוח (בשל מגבלות מרחביות) באמצעות גישה קורונטית זוויתית. פרוטוקול זה מותאם הן למודלים של עכברים והן למודלים של חולדות וניתן ליישם אותו על יישומים מוחיים מגוונים, כולל השתלת צינורית ומיקרו-נג'קציה של מבנים ויראליים.

גישה סטריאו-טיאו-טסטרואקטיבית מסתגלת לטכניקות רב-תכליתיות במדעי המוח

Stereotactic surgery is an essential tool in the modern neuroscience lab. However, the ability to precisely and accurately target difficult-to-reach brain ...

This protocol is significant as it is an adaptable, stereotactic procedure that can be utilized in both mice and rats, and can be applied to many new neuroscientific techniques. The main advantage of this adaptable stereotactic procedure is it's ability to be used to target challenging and difficult-to-reach regions of the brain. Demonstrating the procedure will be Chelsea Faber, a young, talented post-doctoral research fellow in the laboratory.After confirming that the frame and micromanipulator have been calibrated, place the center height gauge into the socket of the head holder baseplate. Secure the centering scope in the tool holder and sight down the scope. Adjust the position of the micromanipulator until the crosshairs are aligned and focused on the gauge crosshairs, and place the ear bars into the holders such that the indicator lines on both sides are at zero.Use the medial-lateral and anterior-posterior knobs on the head holder to centerline the ear bars in the X and Y planes above the crosshair of the center height gauge. To align the ear bar position in the Z-axis, remove the ear bars from the holder and remove the center height gauge. Then, replace the ear bars and re-center the bars at zero.Then, sight down the scope again, and use the vertical shift and coronal tilt knobs respectively to lower and rotate the ear bars until the scope crosshairs remain centered between the ear bars throughout coronal rotation. To align the central axis of rotation for angled coordinates, secure the centering scope in the tool holder and position the micromanipulator to the calculated coordinate. Note that the right/left coordinate for the angled implantation corresponds to the length of side A.Sighting down the scope, mark this coordinate to represent the point at which the cannula will enter the brain, once the head is rotated.Reposition the micromanipulator over the midline, and use the coronal tilt knob to rotate the head to the calculated angle. If the scope crosshairs do not line up with the reference mark, use the vertical shift knob to adjust the head position in the Z-axis until the crosshairs line up as close as possible to the mark. At this point, the arbitrary point of rotation should be aligned with the center of rotation of the stereotax.Rotate the head back to the zero degree coronal position before proceeding to subsequent drilling and microinjection steps. After performing the microinjection, return the head to the zero degree level position, and use a hand drill to place two holes, anteriorly, and two holes, posteriorly, far enough from the angled coordinate burr holes to accommodate the ferrule portion of the fiberoptic that sits above the skull. When all of the holes have been drilled, use a small flathead screwdriver to insert the bone screws as gently as possible, such that they sit firmly in the skull without penetrating the brain.Clamp a fiberoptic cannula into the cannula holder, and place the cannula holder in the tool holder. Rotate the head to the calculated angle, noting that the coordinates of the micromanipulator do not apply to the new tool. Use the center of the angled burr holes as the implantation target.Lower the fiber optic until it just touches the dura within the center of the burr hole, and zero the micromanipulator in the Z-axis. Slowly lower the fiberoptic to the dorsal ventral angled coordinate, then use cyanoacrylate gel to connect the fiber optic ferrule to the ipsilateral anchor screws. Use a micropipette tip to apply an accelerant.Once the gel has completely hardened, gently loosen and raise the cannula holder until it is clear of the ferrule. Implant the second fiberoptic to the contralateral angled coordinate, then level the head. For extra security, use the cyanoacrylate gel and accelerant to make an additional connection between the two angled fiberoptic cannulas, and apply a small, relatively thin amount of dental cement to the surface of the skull, taking care to thoroughly cover the anchor screws and the base of the fiberoptic cannulas.To interrogate the role of hypothalamus ventromedial nucleus neurons in glycemic control, in this representative analysis, a standard, non-angled, stereotactic approach was utilized for the bilateral microinjection of an inhibitory channel rhodopsin virus to the ventromedial nucleus. Given the proximity of the ventromedial nucleus to the midline, space constraints did not permit a non-angled implantation of bilateral fiberoptics, necessitating the development of a surgical strategy for precisely implanting fiberoptics at an angle. The most important things to remember are to simply be patient and to take your time, as being consistent and accurate with your coordinate assignments is critical to success.This procedure can be adapted and applied to any neuroscientific method requiring microinjection or implantation into the rodent brain, including chemogenetics, optogenetics, and fiber photometry approaches.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

A Novel Approach for Documenting Phosphenes Induced by Transcranial Magnetic Stimulation

גישה חדשנית עבור תיעוד Phosphenes מושרה על ידי גירוי מגנטי Transcranial

Stimulation of the human visual cortex produces a transient perception of light, known as a phosphene. Phosphenes are induced by invasive electrical ...

High Density Event-related Potential  Data Acquisition in Cognitive Neuroscience

צפיפות האירועים הקשורים גבוהה רכישת נתונים פוטנציאלים קוגניטיביים Neuroscience

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) is currently the standard method of evaluating brain function in the field of Cognitive Neuroscience, in part ...

Rodent Stereotaxic Surgery and Animal Welfare Outcome Improvements for Behavioral Neuroscience

מכרסמים כירורגיה Stereotaxic ועל צער בעלי חיים שיפורים תוצאה של ההתנהגות Neuroscience

Stereotaxic surgery for the implantation of cannulae into specific brain regions has for many decades been a very successful experimental technique to ...

A Fully Automated and Highly Versatile System for Testing Multi-cognitive Functions and Recording Neuronal Activities in Rodents

מערכת אוטומטי לחלוטין תכליתי מאוד עבור בדיקת ריבוי פונקציות קוגניטיביות ורישום פעילות עצבית במכרסמים

We have developed a fully automated system for operant behavior testing and neuronal activity recording by which multiple cognitive brain functions can be ...

Investigating the Function of Deep Cortical and Subcortical Structures Using Stereotactic Electroencephalography: Lessons from the Anterior Cingulate Cortex

חוקרים את הפונקציה של עומק קליפת מוח ומבנים קורטיקליים שימוש stereotactic Electroencephalography: לקחים מCortex Anterior cingulate

Stereotactic Electroencephalography (SEEG) is a technique used to localize seizure foci in patients with medically intractable epilepsy. This procedure ...

Limbal Approach-Subretinal Injection of Viral Vectors for Gene Therapy in Mice Retinal Pigment Epithelium

הזרקת גישת subretinal Limbal של ויראלי וקטורים לטיפול גנטי בעכברים הרשתית פיגמנט האפיתל

The eye is a small and enclosed organ which makes it an ideal target for gene therapy. Recently various strategies have been applied to gene therapy in ...

A Simple Alternative to Stereotactic Injection for Brain Specific Knockdown of miRNA

חלופה פשוטה להזרקת stereotactic למציאה ספציפית המוח של מירנה

MicroRNAs (miRNAs) are key regulators of gene expression.  In the brain, vital processes like neurodevelopment and neuronal functions depend on the ...

Endoscopic Endonasal Trans-sphenoidal Approach: Minimally Invasive Surgery for Pituitary Adenomas

בגישה אנדוסקופית דרך האף טרנס-sphenoidal: כירורגיה זעיר פולשנית עבור אדנומות בבלוטת יתרת המוח

Endoscopic endonasal trans-sphenoidal surgery has become the gold standard for the surgical treatment of pituitary adenomas and many other pituitary ...

Stereotactic Atlas-Guided Laser Capture Microdissection of Brain Regions Affected by Traumatic Injury

לייזר מונחה אטלס סטיאוטטי ללכוד את Microdissection של אזורים במוח מושפע פציעה טראומטית

The ability to isolate specific brain regions of interest can be impeded in tissue disassociation techniques that do not preserve their spatial ...

A Simple Approach to Induce Experimental Autoimmune Neuritis in C57BL/6 Mice for Functional and Neuropathological Assessments

גישה פשוטה כדי לגרום לדלקת בעצה חיסון ניסיוני בעכברים C57BL/6 עבור הערכות Neuropathological פונקציונלי

Experimental autoimmune neuritis (EAN) is a well-appreciated experimental model of autoimmune peripheral demyelinating diseases. EAN disease is induced by ...