Name: in vivo wireless optogenetic control of skilled motor behavior
Uploaded: 2021-11-22T14:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about In Vivo Wireless Optogenetic Control of Skilled Motor Behavior at JoVE.com

Dit werk werd ondersteund door het UNAM-PAPIIT-project IA203520. We bedanken de IFC-dierenfaciliteit voor hun hulp bij het onderhoud van muizenkolonies en de rekeneenheid voor IT-ondersteuning, in het bijzonder aan Francisco Perez-Eugenio.

De procedures met betrekking tot diergebruik werden uitgevoerd volgens lokale en nationale richtlijnen en goedgekeurd door het overeenkomstige Institutional Animal Care and Use Committee (Institute of Cellular Physiology IACUC-protocol VLH151-19). Drd1-Cre transgene mannelijke muizen27, 35-40 dagen postnatale met C57BL/6 achtergrond werden gebruikt in het huidige protocol. Muizen werden gehouden onder de volgende omstandigheden: temperatuur 22±1 °C; vochtigheid 55%; lichtschema 12/12 uur met lic...

<ol>
	<li>Balbinot, G., 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=Post-stroke+kinematic+analysis+in+rats+reveals+similar+reaching+abnormalities+as+humans.">Post-stroke kinematic analysis in rats reveals similar reaching abnormalities as humans.</a> Scientific Report. 8 (1), 8738 (2018).</li><li>Klein, A., Sacrey, L. A., Whishaw, I. Q., Dunnett, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+use+of+rodent+skilled+reaching+as+a+translational+model+for+investigating+brain+damage+and+disease.">The use of rodent skilled reaching as a translational model for investigating brain damage and disease.</a> Neuroscience &amp; Biobehavioral Reviews. 36 (3), 1030-1042 (2012).</li><li>MacLellan, C. L., Gyawali, S., Colbourne, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Skilled+reaching+impairments+follow+intrastriatal+hemorrhagic+stroke+in+rats.">Skilled reaching impairments follow intrastriatal hemorrhagic stroke in rats.</a> Behavioural Brain Research. 175 (1), 82-89 (2006).</li><li>Evenden, J. L., Robbins, T. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+unilateral+6-hydroxydopamine+lesions+of+the+caudate-putamen+on+skilled+forepaw+use+in+the+rat.">Effects of unilateral 6-hydroxydopamine lesions of the caudate-putamen on skilled forepaw use in the rat.</a> Behavioural Brain Research. 14 (1), 61-68 (1984).</li><li>Rodgers, R. A., Travers, B. G., Mason, A. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bimanual+reach+to+grasp+movements+in+youth+with+and+without+autism+spectrum+disorder.">Bimanual reach to grasp movements in youth with and without autism spectrum disorder.</a> Frontiers in Psychology. 9, 2720 (2019).</li><li>Sacrey, L. A. -. O., Zwaigenbaum, L., Bryson, S., Brian, J., Smith, I. 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+reach-to-grasp+movement+in+infants+later+diagnosed+with+autism+spectrum+disorder:+a+high-risk+sibling+cohort+study.">The reach-to-grasp movement in infants later diagnosed with autism spectrum disorder: a high-risk sibling cohort study.</a> Journal of Neurodevelopmental Disorders. 10 (1), 41 (2018).</li><li>Azim, E., Jiang, J., Alstermark, B., Jessell, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Skilled+reaching+relies+on+a+V2a+propriospinal+internal+copy+circuit.">Skilled reaching relies on a V2a propriospinal internal copy circuit.</a> Nature. 508 (7496), 357-363 (2014).</li><li>Marques, J. M., Olsson, I. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Performance+of+juvenile+mice+in+a+reach-to-grasp+task.">Performance of juvenile mice in a reach-to-grasp task.</a> Journal of Neuroscience Methods. 193 (1), 82-85 (2010).</li><li>Miklyaeva, E. I., Castaneda, E., Whishaw, I. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Skilled+reaching+deficits+in+unilateral+dopamine-depleted+rats:+Impairments+in+movement+and+posture+and+compensatory+adjustments.">Skilled reaching deficits in unilateral dopamine-depleted rats: Impairments in movement and posture and compensatory adjustments.</a> The Journal of Neuroscience. 14 (11), 7148-7158 (1994).</li><li>Vaidya, M., Kording, K., Saleh, M., Takahashi, K., Hatsopoulos, N. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neural+coordination+during+reach-to-grasp.">Neural coordination during reach-to-grasp.</a> Journal of Neurophysiology. 114 (3), 1827-1836 (2015).</li><li>Wang, X., 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=Deconstruction+of+corticospinal+circuits+for+goal-directed+motor+skills.">Deconstruction of corticospinal circuits for goal-directed motor skills.</a> Cell. 171 (2), 440-455 (2017).</li><li>Xu, 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=Rapid+formation+and+selective+stabilization+of+synapses+for+enduring+motor+memories.">Rapid formation and selective stabilization of synapses for enduring motor memories.</a> Nature. 462 (7275), 915-919 (2009).</li><li>Ian, Q. W., Sergio, M. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+structure+of+skilled+forelimb+reaching+in+the+rat:+A+proximally+driven+movement+with+a+single+distal+rotatory+component.">The structure of skilled forelimb reaching in the rat: A proximally driven movement with a single distal rotatory component.</a> Behavioural Brain Research. 41 (1), 49-59 (1990).</li><li>Proske, U., Gandevia, S. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+proprioceptive+senses:+their+roles+in+signaling+body+shape,+body+position+and+movement,+and+muscle+force.">The proprioceptive senses: their roles in signaling body shape, body position and movement, and muscle force.</a> Physiological Reviews. 92 (4), 1651-1697 (2012).</li><li>Yttri, E. A., Dudman, J. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Opponent+and+bidirectional+control+of+movement+velocity+in+the+basal+ganglia.">Opponent and bidirectional control of movement velocity in the basal ganglia.</a> Nature. 533 (7603), 402-406 (2016).</li><li>Donchin, O., Gribova, A., Steinberg, O., Bergman, H., Vaadia, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Primary+motor+cortex+is+involved+in+bimanual+coordination.">Primary motor cortex is involved in bimanual coordination.</a> Nature. 395 (6699), 274-278 (1998).</li><li>Brus-Ramer, M., Carmel, J. B., Martin, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Motor+cortex+bilateral+motor+representation+depends+on+subcortical+and+interhemispheric+interactions.">Motor cortex bilateral motor representation depends on subcortical and interhemispheric interactions.</a> The Journal of Neuroscience. 29 (19), 6196-6206 (2009).</li><li>d'Avella, A., Saltiel, P., Bizzi, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combinations+of+muscle+synergies+in+the+construction+of+a+natural+motor+behavior.">Combinations of muscle synergies in the construction of a natural motor behavior.</a> Nature Neuroscience. 6 (3), 300-308 (2003).</li><li>Fattori, P., 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=Hand+orientation+during+reach-to-grasp+movements+modulates+neuronal+activity+in+the+medial+posterior+parietal+area+V6A.">Hand orientation during reach-to-grasp movements modulates neuronal activity in the medial posterior parietal area V6A.</a> The Journal of Neuroscience. 29 (6), 1928-1936 (2009).</li><li>vanden Berg, F. E., Swinnen, S. P., Wenderoth, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Excitability+of+the+motor+cortex+ipsilateral+to+the+moving+body+side+depends+on+spatio-temporal+task+complexity+and+hemispheric+specialization.">Excitability of the motor cortex ipsilateral to the moving body side depends on spatio-temporal task complexity and hemispheric specialization.</a> PLoS One. 6 (3), 17742 (2011).</li><li>vanden Berg, F. E., Swinnen, S. P., Wenderoth, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Involvement+of+the+primary+motor+cortex+in+controlling+movements+executed+with+the+ipsilateral+hand+differs+between+left-+and+right-handers.">Involvement of the primary motor cortex in controlling movements executed with the ipsilateral hand differs between left- and right-handers.</a> Journal of Cognitive Neuroscience. 23 (11), 3456-3469 (2011).</li><li>Verstynen, T., Diedrichsen, J., Albert, N., Aparicio, P., Ivry, R. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ipsilateral+motor+cortex+activity+during+unimanual+hand+movements+relates+to+task+complexity.">Ipsilateral motor cortex activity during unimanual hand movements relates to task complexity.</a> Journal of Neurophysiology. 93 (3), 1209-1222 (2005).</li><li>Lopez-Huerta, V. G., 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=Striatal+bilateral+control+of+skilled+forelimb+movement.">Striatal bilateral control of skilled forelimb movement.</a> Cell Reports. 34 (3), 108651 (2021).</li><li>Lopez-Huerta, V. G., 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=The+neostriatum:+two+entities,+one+structure.">The neostriatum: two entities, one structure.</a> Brain Structure and Function. 221 (3), 1737-1749 (2016).</li><li>Becker, M. I., Calame, D. J., Wrobel, J., Person, A. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Online+control+of+reach+accuracy+in+mice.">Online control of reach accuracy in mice.</a> Journal of Neurophysiology. 124 (6), 1637-1655 (2020).</li><li>Jaidar, O., 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=Synchronized+activation+of+striatal+direct+and+indirect+pathways+underlies+the+behavior+in+unilateral+dopamine-depleted+mice.">Synchronized activation of striatal direct and indirect pathways underlies the behavior in unilateral dopamine-depleted mice.</a> European Journal of Neuroscience. 49 (11), 1512-1528 (2019).</li><li>Gong, 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=Targeting+Cre+recombinase+to+specific+neuron+populations+with+bacterial+artificial+chromosome+constructs.">Targeting Cre recombinase to specific neuron populations with bacterial artificial chromosome constructs.</a> The Journal of Neuroscience. 27 (37), 9817-9823 (2007).</li><li>Rowland, N. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Food+or+fluid+restriction+in+common+laboratory+animals:+balancing+welfare+considerations+with+scientific+inquiry.">Food or fluid restriction in common laboratory animals: balancing welfare considerations with scientific inquiry.</a> Comparative Medicine. 57 (2), 149-160 (2007).</li><li>Ullman-Culler&#233;, M. H., Foltz, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Body+condition+scoring:+a+rapid+and+accurate+method+for+assessing+health+status+in+mice.">Body condition scoring: a rapid and accurate method for assessing health status in mice.</a> Laboratory Animal Science. 49 (3), 319-323 (1999).</li><li>Chen, C. C., Gilmore, A., Zuo, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Study+motor+skill+learning+by+single-pellet+reaching+tasks+in+mice.">Study motor skill learning by single-pellet reaching tasks in mice.</a> Journal of Visualized Experiments. (85), e51238 (2014).</li><li>Fink, 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=Presynaptic+inhibition+of+spinal+sensory+feedback+ensures+smooth+movement.">Presynaptic inhibition of spinal sensory feedback ensures smooth movement.</a> Nature. 509 (7498), 43-48 (2014).</li><li>Li, Q., 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=Refinement+of+learned+skilled+movement+representation+in+motor+cortex+deep+output+layer.">Refinement of learned skilled movement representation in motor cortex deep output layer.</a> Nature Communication. 8, 15834 (2017).</li><li>Overduin, S. A., d'Avella, A., Carmena, J. M., Bizzi, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microstimulation+activates+a+handful+of+muscle+synergies.">Microstimulation activates a handful of muscle synergies.</a> Neuron. 76 (6), 1071-1077 (2012).</li><li>Miyazaki, 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=Large+Timescale+interrogation+of+neuronal+function+by+fiberless+optogenetics+using+lanthanide+micro-particles.">Large Timescale interrogation of neuronal function by fiberless optogenetics using lanthanide micro-particles.</a> Cell Reports. 26 (4), 1033-1043 (2019).</li><li>Yang, Y., 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+multilateral+devices+for+optogenetic+studies+of+individual+and+social+behaviors.">Wireless multilateral devices for optogenetic studies of individual and social behaviors.</a> Nature Neuroscience. 24 (7), 1035-1045 (2021).</li><li>Kampasi, 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=Fiberless+multicolor+neural+optoelectrode+for+in+vivo+circuit+analysis.">Fiberless multicolor neural optoelectrode for in vivo circuit analysis.</a> Scientific Reports. 6, 30961 (2016).</li><li>Allen, B. D., Singer, A. C., Boyden, E. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Principles+of+designing+interpretable+optogenetic+behavior+experiments.">Principles of designing interpretable optogenetic behavior experiments.</a> Learning &amp; Memory. 22 (4), 232-238 (2015).</li><li>Packer, 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=.">.</a> Nature Methods. 9, 1202-1205 (2012).</li></ol>

Het gebruik van optogenetische manipulatie van neuronale populaties in goed gedefinieerde gedragsparadigma's bevordert onze kennis over de mechanismen die ten grondslag liggen aan motorische controle 7,23. Draadloze methoden zijn vooral geschikt voor taken die tests op meerdere dieren of vrije beweging vereisen34,35. Niettemin, naarmate technieken en apparaten worden verfijnd, zou het de go-to-optie moete...

Motorisch geschoold gedrag is aanwezig tijdens de meeste bewegingen die door ons worden uitgevoerd, en het is bekend dat het wordt beïnvloed bij verschillende hersenaandoeningen 1,2,3,4,5,6. Het implementeren van taken die het mogelijk maken om de ontwikkeling, het leren en de prestaties van bekwame bewegingen te bestuderen, is cruciaal voor het begrijpen van de neurobiologische onderbouwing van de motorische functie, vooral in modellen van hersenletsel, neurodegeneratieve en neurologische ontwikkelingsstoornissen 2,7,8,9,10,11,12,13 . Het reiken naar en ophalen van objecten wordt routinematig gedaan in het dagelijks leven, en het is een van de eerste motorische vaardigheden die tijdens de vroege ontwikkeling zijn verworven en vervolgens door de jaren heen zijn verfijnd 5,6. Het omvat een complex gedrag dat sensorisch-motorische processen vereist, zoals de perceptie van de kenmerken van het object, bewegingsplanning, actieselectie, bewegingsuitvoering, lichaamscoördinatie en snelheidsmodulatie 7,14,15,16. Unimanuele taken met hoge behendigheid vereisen dus de deelname van vele hersenstructuren van beide hemisferen 16,17,18,19,20,21,22. Bij muizen wordt de single pellet reach-to-grasp-taak gekenmerkt voor verschillende fasen die afzonderlijk kunnen worden gecontroleerd en geanalyseerd 7,13,23. Deze functie maakt het mogelijk om de bijdrage van specifieke neuronale subpopulaties in verschillende stadia van acquisitie en gedragsprestaties te bestuderen en biedt een platform voor gedetailleerde studies van motorische systemen 13,23,24. De beweging vindt plaats in een paar seconden; daarom moet snelle videografie worden gebruikt voor kinematische analyse in verschillende stadia van het geschoolde motorische traject 7,25. Verschillende parameters kunnen uit de video's worden geëxtraheerd, waaronder lichaamshouding, traject, snelheid en type fouten25. Kinematische analyse kan worden gebruikt om subtiele veranderingen tijdens draadloze optogenetische manipulatie te detecteren 7,23.
Het gebruik van geminiaturiseerde light-emitting diodes (LED's) om licht te leveren via een draadloos head-mounted systeem maakt het mogelijk om op afstand optogenetische controle te hebben terwijl het dier de taak uitvoert. De draadloze optogenetische controller accepteert single-pulse of continue triggercommando's van een stimulator en stuurt infraroodsignalen (IR) naar een ontvanger die is aangesloten op de geminiaturiseerde LED23,26. Het huidige protocol combineert deze draadloze optogenetische benadering met snelle videografie van een behendigheidstaak om de rol van specifieke neuronale populaties te ontleden tijdens de uitvoering van fijn motorisch gedrag23. Omdat het een unimanuele taak is, maakt het het mogelijk om de deelname van structuren in beide hemisferen te beoordelen. Traditioneel regelen de hersenen de lichaamsbeweging op een zeer asymmetrische manier; taken met een hoge behendigheid vereisen echter zorgvuldige coördinatie en controle van vele hersenstructuren, waaronder ipsilaterale kernen en differentiële bijdrage van neuronale subpopulaties binnen kernen 10,20,21,22,23. Dit protocol laat zien dat subcorticale structuren van beide hemisferen de baan van de voorpoot23 regelen. Dit paradigma kan geschikt zijn om andere hersengebieden en modellen van hersenziekten te bestuderen.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Anaesthesia machine</td>
			<td>RWD</td>
			<td>R583S</td>
			<td>Isoflurane vaporizer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anesket</td>
			<td>PiSA</td>
			<td></td>
			<td>Ketamine</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Breadboard</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>MB3090/M</td>
			<td>Solid aluminum optical breadboard</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Camera lense</td>
			<td>Canon</td>
			<td></td>
			<td>50mmf/ 1.4 manual focus lenses (c-mount)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Camera system</td>
			<td>BrainVision</td>
			<td>MiCAM02</td>
			<td>Camera controller and synchronizer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cotton swabs</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CS solution</td>
			<td>PiSA</td>
			<td></td>
			<td>Sodium chloride solution 9%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Customized training chamber</td>
			<td>In house</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Drill bit #105</td>
			<td>Dremel</td>
			<td>2 615 010 5AE</td>
			<td>Engraving cutter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dustless precission chocolate pellets</td>
			<td>Bio-Serv</td>
			<td>F05301</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethyl Alcohol</td>
			<td>J.T.&#160; Baker</td>
			<td>9000-02</td>
			<td>Ethanol</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Eyespears</td>
			<td>Ultracell</td>
			<td>40400-8</td>
			<td>Eyespears of absorbent PVA material</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fluriso</td>
			<td>VetOne</td>
			<td>V1 502017-250</td>
			<td>Isoflurane</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass capillaries</td>
			<td>Drumond Scientific</td>
			<td>3-000-203-G/X</td>
			<td>Pipettes for NanoJect II</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hidrogen peroxide</td>
			<td>Farmacom</td>
			<td></td>
			<td>Antiseptic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-speed camera</td>
			<td>BrainVision</td>
			<td>MiCAM02-CMOS</td>
			<td>Monochrome high-speed cameras</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Infrared emmiter</td>
			<td>Teleopto</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Insulin syringe</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LED cannula</td>
			<td>Teleopto</td>
			<td>TelC-c-l-d</td>
			<td>LED cannula 250um 487nm light</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micropipette 10 uL</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td>Z740436</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micro-pipette puller</td>
			<td>Sutter</td>
			<td>P-87</td>
			<td>Horizontal puller</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope LSM780</td>
			<td>Zeiss</td>
			<td></td>
			<td>Confocal microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microtome</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mock receiver</td>
			<td>Teleopto</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NanoJect II</td>
			<td>Drumond Scientific</td>
			<td>3-000-204</td>
			<td>Micro injector</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oxygen tank</td>
			<td>Infra</td>
			<td>na</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>pAAV-EF1a-double.floxed-hChR2(H134R)-mCherry-WPRE- HGHpA</td>
			<td>Addgene</td>
			<td>20297</td>
			<td>Viral vector for ChR-2 expression</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Parafilm</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Paraformaldehyde</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>P-6148</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phosphate saline buffer</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>P-4417</td>
			<td>Phosphate saline buffer tablets</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pipette tips 10 uL</td>
			<td>ThermoFisher</td>
			<td>AM12635</td>
			<td>0.5-10 uL&#160; volume</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pisabental</td>
			<td>PiSA</td>
			<td></td>
			<td>Sodium pentobarbital</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plexiglass</td>
			<td>commercial</td>
			<td></td>
			<td>Acrylic sheet</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Povidone iodine</td>
			<td>Farmacom</td>
			<td></td>
			<td>Antiseptic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Procin</td>
			<td>PiSA</td>
			<td></td>
			<td>Xylacine</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Puralube</td>
			<td>Perrigo pharma</td>
			<td>1228112</td>
			<td>Eye lubricant 15% mineral oil/85% petrolatum</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rotary tool</td>
			<td>Kmoon</td>
			<td>Mini grinder</td>
			<td>Standard</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scalpel</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scalpel blade</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stereotaxic apparatus</td>
			<td>Stoelting</td>
			<td>51730D</td>
			<td>Digital apparatus</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Super-Bond C&#38;B</td>
			<td>Sun Medical</td>
			<td></td>
			<td>Dental cement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Surgical dispossable cap</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Teleopto remote controller</td>
			<td>Teleopto</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tg Drd1-Cre mouse line</td>
			<td>Gensat</td>
			<td>036916-UCD</td>
			<td>Transgene insertion FK150Gsat</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tissue adhesive</td>
			<td>3M Vetbond</td>
			<td>1469SB</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TPI Vibratome 1000 plus</td>
			<td>Peico</td>
			<td></td>
			<td>Microtome</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vectashield mounting media with DAPI</td>
			<td>Vector laboratories</td>
			<td>H-1200</td>
			<td>Mounting media</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wireless receiver</td>
			<td>Teleopto</td>
			<td>TELER-1-P</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

in vivo wireless optogenetic control of skilled motor behavior

Fijne motoriek is essentieel in het dagelijks leven en kan worden aangetast bij verschillende aandoeningen van het zenuwstelsel. De verwerving en uitvoering van deze taken vereisen sensorisch-motorische integratie en omvatten nauwkeurige controle van bilaterale hersencircuits. Het implementeren van unimanuele gedragsparadigma's in diermodellen zal het begrip verbeteren van de bijdrage van hersenstructuren, zoals het striatum, aan complex motorisch gedrag, omdat het manipulatie en registratie van neurale activiteit van specifieke kernen in controleomstandigheden en ziekte tijdens de uitvoering van de taak mogelijk maakt. 
Sinds de oprichting is optogenetica een dominant hulpmiddel geweest voor het ondervragen van de hersenen door selectieve en gerichte activering of remming van neuronale populaties mogelijk te maken. De combinatie van optogenetica met gedragstesten werpt licht op de onderliggende mechanismen van specifieke hersenfuncties. Draadloze op het hoofd gemonteerde systemen met geminiaturiseerde lichtgevende diodes (LED's) maken op afstand optogenetische controle mogelijk in een volledig vrij bewegend dier. Dit voorkomt dat de beperkingen van een bedraad systeem minder beperkend zijn voor het gedrag van dieren zonder afbreuk te doen aan de efficiëntie van de lichtemissie. Het huidige protocol combineert een draadloze optogenetische benadering met snelle videografie in een unimanuele behendigheidstaak om de bijdrage van specifieke neuronale populaties aan fijn motorisch gedrag te ontleden.

De reach-to-grasp-taak is een paradigma dat veel wordt gebruikt om vormgeving, leren, prestaties en kinematica van fijne vaardigheidsbewegingen onder verschillende experimentele manipulaties te bestuderen. Muizen leren de taak in een paar dagen uit te voeren en bereiken meer dan 55% nauwkeurigheid bij het bereiken van een plateau na 5 dagen training (figuur 2A, B). Net als wat eerder is gemeld, voert een percentage dieren de taak niet naar behoren uit (29,62%), en die moeten...

Watch this Scientific Journal Video about In Vivo Wireless Optogenetic Control of Skilled Motor Behavior at JoVE.com 

In Vivo Wireless Optogenetic Control of Skilled Motor Behavior (Video) | JoVE 

Het huidige protocol beschrijft hoe draadloze optogenetica in combinatie met high-speed videografie kan worden gebruikt in een enkele pellet reach-to-grab-taak om de neurale circuits te karakteriseren die betrokken zijn bij de uitvoering van bekwaam motorisch gedrag bij vrij bewegende muizen.

In vivo Draadloze optogenetische controle van bekwaam motorisch gedrag

Fine motor skills are essential in everyday life and can be compromised in several nervous system disorders. The acquisition and performance of these ...

Het huidige protocol draagt bij aan de studie van de hersenmechanismen die ten grondslag liggen aan geschoold motorisch gedrag. Draadloze optogenetica maakt de manipulatie van specifieke neuronen mogelijk terwijl proefpersonen een taak uitvoeren in vrije beweging. In combinatie met high-speed videografie is het mogelijk om een gedetailleerde analyse van fijn motorisch gedrag te hebben.De methode kan helpen om motorische problemen bij neurologische en neurodegeneratieve aandoeningen te begrijpen. Deze technieken kunnen ook worden gebruikt om de hersenfunctie in andere gedragsparadigma's te bestuderen. Diana Rodriguez-Munoz, een undergrad student uit mijn lab, zal helpen met experimenteren.Begin voor de chirurgische ingrepen met het voorbereiden van een LED-canule van de gewenste lengte volgens de dorso-ventrale coördinaten van de structuur-van-belang. Om dit te doen, knipt u de glasvezel tot een lengte die langer is dan de uiteindelijke gewenste grootte en maalt u de vezelpunt tot de doellengte met ruw schuurpapier. Poets vervolgens de vezelpunt met fijn schuurpapier.Vul voor micro-injecties een pipet met de minerale olie en plaats de pipet in de micro-injector. Zorg ervoor dat de micro-injecteermachine correct werkt door wat minerale olie te injecteren. Bereid vervolgens de verdoofde muis voor op de operatie door een oogzalf aan te brengen en het haar van de hoofdhuid te verwijderen met een trimmer en ontharingscrème.Veeg vervolgens de hoofdhuid af met wattenstaafjes met 8% povidon jodium en 70% ethanol afwisselend drie keer elk. Plaats na het ontsmetten de muis in het stereotaxische apparaat en zet het hoofd vast, zodat de schedel in de mediaal-laterale en voorste-achterste assen wordt geëgaliseerd. Gebruik een scalpel om een incisie van één centimeter door de hoofdhuid te maken ter hoogte van de ogen langs de sagittale as.Trek vervolgens de huid terug om de schedel bloot te leggen en reinig het botvlies met wattenstaafjes. Reinig het schedeloppervlak met zoutoplossing en wattenstaafjes en los eventuele bloedingen aan het oppervlak op met steriele absorberende oogsperen. Breng vervolgens een druppel van 2,5% waterstofperoxide aan met een wattenstaafje en laat het een paar seconden werken om de schedelnaden zichtbaar te maken en een betere referentie te hebben.Reinig het gebied na een paar seconden grondig met een schoon wattenstaafje. Met een glazen pipet met een uiteindelijke tipdiameter van 15 micron, lokaliseer bregma en lambda om te controleren of de schedel in de voorste-achterste as is geëgaliseerd. Schilder vervolgens een referentiepunt in de hoofdtekst boven de geselecteerde coördinaten met een markering.Voer in het referentiepunt een craniotomie met een diameter van één millimeter uit die zachte druk uitoefent op de schedel met een roterend gereedschap op een lage tot gemiddelde snelheid met een kleine, ronde tandboor. Als u klaar bent, verplaatst u het capillair naar de geselecteerde anterieure achterste of AP en mediaal-laterale of ML-coördinaten. Laad het capillair met 300 tot 400 nanoliter van het CreE-afhankelijke adeno-geassocieerde virus, of AAV, zoals AAV1, D-flox channelrhodopsin mCherry om channelrhodopsine in het interessegebied tot expressie te brengen.Een AAV kan worden gebruikt als een controle om het reporter-eiwit tot expressie te brengen. Nadat u ervoor hebt gezorgd dat de punt niet verstopt is, plaatst u de glazen pipet in de hersenen op de dorso-ventrale minus 3,35 millimeter coördinaten in het dorsaal-laterale striatum en injecteert u 200 nanoliter van het virus met behulp van een automatische injector met een snelheid van 23 nanoliter per seconde. Wacht 10 minuten na de injectie voordat u de glazen pipet langzaam terugtrekt om morsen te voorkomen.Reinig en droog vervolgens eventuele resten met wattenstaafjes. Bevestig vervolgens de glazen LED-canule aan de stereotaxische arm en kalibreer de coördinaten met bregma als referentie. Breng vervolgens de canule langzaam in om weefselbeschadiging te voorkomen en plaats deze 100 micrometer boven de injectieplaats.Zodra de LED-canule op zijn plaats zit, voegt u een druppel van 100 microliter weefsellijm toe aan de rand van de craniotomie. Gebruik een steriele borstel om beetje bij beetje een vers bereid tandcementmengsel rond de canuleconnector aan te brengen, lagen op te bouwen totdat de schedel bedekt is en de connector stevig aan de schedel is bevestigd, waardoor de pinnen volledig vrij blijven. Wanneer het cement volledig droogt, sluit u de huid rond het implantaat met weefsellijm.Plaats de muis vervolgens in een herstelkooi boven een verwarmingskussen bij 33 graden Celsius terwijl u controleert op de tekenen van ongemak of pijn. Registreer het gedrag van het dier met een gewone camera en leg 30 tot 60 frames per seconde vast vanaf de voorkant van de kamer. Een spiegel kan onder de trainingskamer worden geplaatst in een hoek van 45 graden om de houding van het dier te volgen.Wanneer muizen de pellet beginnen te bereiken, draait u de LED-canule handmatig met de afstandsbediening om een continue stimulatie te hebben voor de tijd dat het gedrag niet langer dan twee seconden wordt uitgevoerd. Het stimulatieapparaat activeert een LED van 470 nanometer met een intensiteit op het puntje van één milliwatt per vierkante millimeter. Het fijne motorische gedrag van het dier onder optogenetische manipulaties werd bestudeerd met de reach-to-grab-taak.De muizen leerden de taak in een paar dagen uit te voeren en bereikten meer dan 55% nauwkeurigheid, waardoor ze na vijf dagen training een plateau bereikten. Het traject van bewegingen werd gevolgd met snelle videografie, waardoor het mogelijk werd om kinematica te analyseren. De kwantificeerbare beoordeling van parameters zoals afgelegde afstand, snelheid, versnelling, eindpunt en traject werd uitgevoerd.In de gemiste proeven begonnen de muizen de grijpbeweging verder weg van de pellet dan de hitproeven. Bovendien waren fouten significant geassocieerd met de houding van de muis, wat blijkt uit verschillen in de lichaamshoek tijdens hit- en gemiste proeven. De contralaterale activering van D1 dopamine die stekelige projectieneuronen of SPN's tot expressie brengt, verminderde het grijpsucces in vergelijking met de controleomstandigheden.Tijdens een optogenetische stimulatie nam de pootbaan toe in de reisafstand, wat leidde tot het onvermogen om de pellet te richten en een toename van het initiële fouttype één. Principecomponentanalyse, of PCA, toonde aan dat alle onderzoekstrajecten tijdens contralaterale D1 SPN-activering gescheiden waren in een cluster met bijna geen overlap met het controlecluster, wat wijst op een lage gelijkenis. Activering van de DSSAL's aan de ipsilaterale zijde leidde tot een toename van de trajectdispersie die door PCA-analyse werd aangetoond.Vandaar dat de ipsilaterale D1 SPN-activering het bereiktraject wijzigde zonder de gedragsuitkomst te veranderen. Let er bij het uitvoeren van dit protocol op dat u de canule correct plaatst, zodat deze niet loskomt tijdens trainingssessies. Deze methode kan worden gebruikt in andere gedragsparadigma's om motorisch gedrag, sensorische verwerking, leren en geheugen te bestuderen.Draadloze optogenetica zal het mogelijk maken om naturalistisch gedrag en de neurobiologische onderbouwing ervan te bestuderen in echt vrij bewegende onderwerpen.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

In Vivo Wireless Optogenetic Control of Skilled Motor Behavior

Optogenetic Stimulation of Escape Behavior in Drosophila melanogaster

Optogenetic Stimulation of Escape Behavior in Drosophila melanogaster (Video) | JoVE 

Optogenetic Stimulatie van Escape Gedrag in<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 ...

A Method for High Fidelity Optogenetic Control of Individual Pyramidal Neurons In vivo

A Method for High Fidelity Optogenetic Control of Individual Pyramidal Neurons In vivo (Video) | JoVE 

Een methode voor High Fidelity optogenetic controle van individuele piramidale neuronen<em&gt; In vivo</em

Optogenetic methods  have emerged as a powerful tool for elucidating neural circuit activity  underlying a diverse set of behaviors across a broad range ...

In vivo Optogenetic Stimulation of the Rodent Central Nervous System

In vivo Optogenetic Stimulation of the Rodent Central Nervous System (Video) | JoVE 

In vivo optogenetische Stimulatie van de knaagdieren centrale zenuwstelsel

The ability to probe defined neural circuits in awake, freely-moving animals with cell-type specificity, spatial precision, and high temporal resolution ...

A Procedure for Implanting a Spinal Chamber for Longitudinal In Vivo Imaging of the Mouse Spinal Cord

A Procedure for Implanting a Spinal Chamber for Longitudinal In Vivo Imaging of the Mouse Spinal Cord (Video) | JoVE 

Een procedure voor het implanteren van een Spinal Kamer voor Longitudinaal<em&gt; In Vivo</em&gt; Beeldvorming van de Muis Spinal Cord

Studies in the mammalian neocortex have enabled unprecedented resolution of cortical structure, activity, and response to neurodegenerative insults by ...

Ex Vivo Optogenetic Dissection of Fear Circuits in Brain Slices

Ex Vivo Optogenetic Dissection of Fear Circuits in Brain Slices (Video) | JoVE 

Ex Vivo optogenetische Dissection of Fear Circuits in Brain Slices

Optogenetic approaches are now widely used to study the function of neural populations and circuits by combining targeted expression of light-activated ...

Optogenetic Entrainment of Hippocampal Theta Oscillations in Behaving Mice

Optogenetic Entrainment of Hippocampal Theta Oscillations in Behaving Mice (Video) | JoVE 

Optogenetic meevoeren van Hippocampal Theta oscillaties in het gedrag van muizen

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

Tracking Drosophila Larval Behavior in Response to Optogenetic Stimulation of Olfactory Neurons

Tracking Drosophila Larval Behavior in Response to Optogenetic Stimulation of Olfactory Neurons (Video) | JoVE 

Bijhouden van Drosophila larvale gedrag in reactie op de stimulatie van de Optogenetic van olfactorische neuronen

The ability of insects to navigate toward odor sources is based on the activities of their first-order olfactory receptor neurons (ORNs). While a ...

In Vivo Targeted Expression of Optogenetic Proteins Using Silk/AAV Films

In Vivo Targeted Expression of Optogenetic Proteins Using Silk/AAV Films (Video) | JoVE 

In Vivo Gerichte expressie van Optogenetic eiwitten met behulp van Silk/AAV Films

The quest to understand how neural circuits process information in order to drive behavioral output has been greatly aided by recently-developed optical ...

In Vivo Optical Calcium Imaging of Learning-Induced Synaptic Plasticity in Drosophila melanogaster

In Vivo Optical Calcium Imaging of Learning-Induced Synaptic Plasticity in Drosophila melanogaster (Video) | JoVE 

In vivo optische calcium beeldvorming van leren-geïnduceerde synaptische plasticiteit in Drosophila melanogaster

Decades of research in many model organisms have led to the current concept of synaptic plasticity underlying learning and memory formation. ...

Measuring and Manipulating Functionally Specific Neural Pathways in the Human Motor System with Transcranial Magnetic Stimulation

Measuring and Manipulating Functionally Specific Neural Pathways in the Human Motor System with Transcranial Magnetic Stimulation (Video) | JoVE 

Meten en manipuleren van functioneel specifieke neurale paden in het menselijk motorsysteem met transcraniële magnetische stimulatie

Understanding interactions between brain areas is important for the study of goal-directed behavior. Functional neuroimaging of brain connectivity has ...