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

Detta arbete stöddes av National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases (NIDDK) beviljar F31-DK-113673 (C.L.F.), T32-GM-095421 (C.L.F.), DK-089056 (G.J.M.), american diabetes association innovative basic science award (#1-19-IBS-192 till G.J.M.) och NIDDK-finansierade Nutrition Obesity Research Center (DK-035816), Diabetes Research Center (DK-017047) och Diabetes, Fetma och metabolism utbildning grant T32 DK0007247 (T.H.M) vid University of Washington.

Alla förfaranden godkändes i enlighet med National Institutes of Health, Guide for the Care and Use of Animals och godkändes av både Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) och Environmental Health and Safety vid University of Washington.
1. Beräkning av vinklade koordinater
<ol><li>Använd en koronajärnatlas, markera en rätt triangel så att hypotenus passerar genom målregionen av intresse. I det representativa exemplet (figur 1) är den hyp...

<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>

De senaste framstegen inom neurovetenskap har stött avancerad insikt och förståelse för aktiviteten och funktionen hos hjärnans neurokretsar. Detta inkluderar tillämpningen av optogenetisk och kemogenetisk teknik för att aktivera eller tysta diskreta neuronala populationer och deras projektionsplatser in vivo. På senare tid har detta inkluderat utveckling av genetiskt kodade kalciumindikatorer (t.ex. GCaMP, RCaMP) och andra fluorometriska biosensorer (t.ex. dopamin, noradrenalin) för in vivo-registrering av neur...

Neural kontroll av beteende, utfodring och metabolism innebär samordning av mycket komplexa, integrativa och redundanta neurokretsar. Ett drivande mål för neurovetenskapsfältet är att dissekera förhållandet mellan neuronal kretsstruktur och funktion. Även om klassiska neurovetenskapliga verktyg (dvs. lesioning, lokala farmakologiska injektioner och elektrisk stimulering) har upptäckt vital kunskap om rollen hos specifika hjärnregioner som kontrollerar beteende och metabolism, begränsas dessa verktyg av deras brist på specificitet och reversibilitet1.
De senaste framstegen inom neurovetenskapsområdet har avsevärt förbättrat förmågan att förhöra och manipulera kretsfunktionen på ett celltypsspecifikt sätt med hög spatiotemporal upplösning. Optogenetiska2- och kemogenetiska3-metoder möjliggör till exempel snabb och reversibla manipulering av aktivitet hos genetiskt definierade celltyper av fritt rörliga djur. Optogenetik innebär användning av ljuskänsliga jonkanaler, så kallade channelrhodopsins, för att kontrollera neuronal aktivitet. Nyckeln till denna teknik är gen leverans av channelrhodopsin och en ljuskälla för att aktivera opsin. En vanlig strategi för genleverans är genom en kombination av 1) genetiskt konstruerade möss som uttrycker Cre-rekombinas i diskreta nervceller och 2) Cre-beroende virusvektorer kodning channelrhodopsin.
Medan optogenetik ger ett elegant, mycket exakt sätt att kontrollera neuronal aktivitet, är metoden beroende av framgångsrik stereotaktisk mikroinjektion av virusvektorn och fiberoptisk placering i en definierad hjärnregion. Även om stereotaktiska procedurer är vanliga inom det moderna neurovetenskapliga labbet (och det finns flera utmärkta protokoll som beskriver dettaförfarande) 4,5,6, att konsekvent och reproducerbart rikta diskreta hjärnregioner längs mittlinjen (dvs. den mediobasala hypotalamus, ett hjärnområde som är kritiskt för regleringen av homeostatiska funktioner7) innebär ytterligare utmaningar. Dessa utmaningar inkluderar undvikande av överlägsen sagittal sinus, tredje ventrikel och intilliggande hypotalamus atomkärnor. Dessutom finns det betydande rumsliga begränsningar för bilateral implantation av hårdvara som krävs för hämningsstudier. Med dessa utmaningar i åtanke presenterar detta protokoll häri ett modifierbart förfarande för att rikta in sig på diskreta hjärnregioner via en vinklad stereotaktisk strategi.

<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

Stereotaktisk kirurgi är ett viktigt verktyg i det moderna neurovetenskapliga labbet. Förmågan att exakt och exakt rikta in sig på svår att nå hjärnregioner utgör dock fortfarande en utmaning, särskilt när man riktar in sig på hjärnstrukturer längs mittlinjen. Dessa utmaningar inkluderar undvikande av överlägsen sagittal sinus och tredje ventrikel och förmågan att konsekvent rikta selektiva och diskreta hjärnan atomkärnor. Dessutom förlitar sig mer avancerade neurovetenskapliga tekniker (t.ex. optogenetik, fiberfotometri och två-fotonavbildning) på riktad implantation av betydande hårdvara till hjärnan, och rumsliga begränsningar är ett vanligt hinder. Presenteras här är ett modifierbart protokoll för stereotaktisk inriktning av gnagare hjärnstrukturer med hjälp av en vinklad koronala strategi. Det kan anpassas till 1) mus- eller råttmodeller, 2) olika neurovetenskapliga tekniker och 3) flera hjärnregioner. Som ett representativt exempel inkluderar det beräkningen av stereotaktiska koordinater för inriktning av musen hypotalamus ventromedial kärnan (VMN) för ett optogenetiskt hämningsexperiment. Detta förfarande börjar med bilaterala microinjection av en adeno-associerade virus (AAV) kodning en ljuskänslig klorid kanal (SwiChR ++) till en Cre-beroende mus modell, följt av vinklad bilaterala implantation av fiberoptiska kanyl. Med hjälp av detta tillvägagångssätt visar resultaten att aktivering av en delmängd av VMN nervceller krävs för intakt glukos motreglering svar på insulin-inducerad hypoglykemi.

Detta protokoll beskriver ett kirurgiskt ingrepp för att utföra optogenetik studier för att förhöra rollen av hypotalamus VMN nervceller i glykemisk kontroll9. Först används var en standard (icke-vinklad) stereotaktisk strategi för bilaterala microinjection av en hämmande channelrhodopsin virus till VMN. Även om ett vinklat tillvägagångssätt också skulle vara lämpligt, valdes standardmetoden (icke-vinklad) eftersom det är tillräckligt för att rikta in sig på hjärnans intressere...

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

Beskrivs här är en stereotaktisk procedur som kan rikta sig till utmanande och svår att nå hjärnregioner (på grund av rumsliga begränsningar) med hjälp av en vinklad korona tillvägagångssätt. Detta protokoll är anpassningsbart till både mus- och råttmodeller och kan tillämpas på olika neurovetenskapliga tillämpningar, inklusive kanylimplantation och mikroinjektioner av viruskonstruktioner.

Anpassningsbart vinklat stereotaktiskt tillvägagångssätt för mångsidig neurovetenskaplig teknik

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

En ny metod för att dokumentera fosfener framkallas av transkraniell magnetisk stimulering

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

High Density Händelse-relaterade Potentiella Datainsamling i kognitiv neurovetenskap

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

Gnagare Stereotaxic Kirurgi och välbefinnande Förbättringar Utfall för Behavioral 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

En helt automatiserad och Mycket mångsidig system för att testa flera kognitiva funktioner och spela in neurala Aktiviteter i Gnagare

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

Undersöka Funktion av djupa kortikala och subkortikala strukturer Använda Stereotactic Elektroencefalografi: Lärdomar från främre cingulum Cortex

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

Limbal Approach-subretinal Injektion av virala vektorer för genterapi hos möss retinal pigmentepitel

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

Ett enkelt alternativ till stereotaktisk injektion för Brain Specifik Knockdown av miRNA

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

Endoskopisk Endonasal Trans-sphenoidal tillvägagångssätt: Minimalinvasiv kirurgi för hypofysen adenom

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

Stereotaktisk Atlas-guidad Laser fånga lokalt i hjärnregioner påverkas av traumatiska skador

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

Ett enkelt sätt att framkalla experimentella autoimmuna neurit i C57BL/6 möss för funktionella och neuropatologiska bedömningar

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