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

Diese Arbeit wurde durch das UNAM-PAPIIT-Projekt IA203520 unterstützt. Wir danken der IFC-Tieranlage für ihre Hilfe bei der Wartung von Mauskolonien und der Recheneinheit für die IT-Unterstützung, insbesondere Francisco Perez-Eugenio.

Die Verfahren zur Verwendung von Tieren wurden nach lokalen und nationalen Richtlinien durchgeführt und vom entsprechenden Institutional Animal Care and Use Committee (Institute of Cellular Physiology IACUC-Protokoll VLH151-19) genehmigt. Drd1-Cre transgene männliche Mäuse27, 35-40 Tage postnatal mit C57BL/6 Hintergrund wurden im aktuellen Protokoll verwendet. Die Mäuse wurden unter folgenden Bedingungen gehalten: Temperatur 22±1 °C; Luftfeuchtigkeit 55%; Lichtplan 12/12 Uhr mit ausgeschalte...

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	<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. 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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>

Die Verwendung der optogenetischen Manipulation neuronaler Populationen in klar definierten Verhaltensparadigmen erweitert unser Wissen über die Mechanismen, die der motorischen Kontrolle zugrunde liegen 7,23. Drahtlose Methoden eignen sich besonders für Aufgaben, die Tests an mehreren Tieren oder freie Bewegung erfordern34,35. Da jedoch Techniken und Geräte verfeinert werden, sollte es die erste Wahl ...

Motorisches geschicktes Verhalten ist bei den meisten von uns ausgeführten Bewegungen vorhanden, und es ist bekannt, dass es bei mehreren Gehirnstörungen beeinflusst wird 1,2,3,4,5,6. Die Durchführung von Aufgaben, die es ermöglichen, die Entwicklung, das Lernen und die Leistung qualifizierter Bewegungen zu untersuchen, ist entscheidend für das Verständnis der neurobiologischen Grundlagen der motorischen Funktion, insbesondere in Modellen von Hirnverletzungen, neurodegenerativen und neurologischen Entwicklungsstörungen 2,7,8,9,10,11,12,13 . Das Greifen nach und das Abrufen von Objekten erfolgt routinemäßig in alltäglichen Handlungen und ist eine der ersten motorischen Fähigkeiten, die während der frühen Entwicklung erworben und dann im Laufe der Jahre 5,6 verfeinert wurden. Es umfasst ein komplexes Verhalten, das sensorisch-motorische Prozesse wie die Wahrnehmung der Objektmerkmale, Bewegungsplanung, Aktionsauswahl, Bewegungsausführung, Körperkoordination und Geschwindigkeitsmodulation 7,14,15,16 erfordert. Daher erfordern unimanuelle Aufgaben mit hoher Geschicklichkeit die Teilnahme vieler Gehirnstrukturen beider Hemisphären 16,17,18,19,20,21,22. Bei Mäusen ist die Einzelpellet-Reach-to-Grasp-Aufgabe für mehrere Phasen charakterisiert, die separat gesteuert und analysiert werden können 7,13,23. Diese Funktion ermöglicht es, den Beitrag spezifischer neuronaler Subpopulationen in verschiedenen Stadien der Akquisition und Verhaltensleistung zu untersuchen und bietet eine Plattform für detaillierte Studien motorischer Systeme 13,23,24. Die Bewegung erfolgt in ein paar Sekunden; Daher sollte die Hochgeschwindigkeits-Videografie für die kinematische Analyse in verschiedenen Stufen der qualifizierten motorischen Trajektorie 7,25 verwendet werden. Aus den Videos können mehrere Parameter extrahiert werden, darunter Körperhaltung, Flugbahn, Geschwindigkeit und Art der Fehler25. Die kinematische Analyse kann verwendet werden, um subtile Veränderungen während der drahtlosen optogenetischen Manipulationzu erkennen 7,23.
Die Verwendung miniaturisierter Leuchtdioden (LEDs) zur Lichtabgabe über ein drahtloses Head-Mounted-System ermöglicht eine optogenetische Fernsteuerung, während das Tier die Aufgabe ausführt. Der drahtlose optogenetische Controller akzeptiert Einzelimpuls- oder kontinuierliche Triggerbefehle von einem Stimulator und sendet Infrarotsignale (IR) an einen Empfänger, der an die miniaturisierte LED23,26 angeschlossen ist. Das aktuelle Protokoll kombiniert diesen drahtlosen optogenetischen Ansatz mit der Hochgeschwindigkeits-Videografie einer Geschicklichkeitsaufgabe, um die Rolle spezifischer neuronaler Populationen während der Durchführung des feinmotorischen Verhaltenszu analysieren 23. Da es sich um eine unimanuelle Aufgabe handelt, ermöglicht es die Bewertung der Beteiligung von Strukturen in beiden Hemisphären. Traditionell steuert das Gehirn die Körperbewegung auf sehr asymmetrische Weise; Aufgaben mit hoher Geschicklichkeit erfordern jedoch eine sorgfältige Koordination und Kontrolle von vielen Gehirnstrukturen, einschließlich ipsilateraler Kerne und differentieller Beiträge neuronaler Subpopulationen innerhalb der Kerne 10,20,21,22,23. Dieses Protokoll zeigt, dass subkortikale Strukturen aus beiden Hemisphären die Flugbahn des Vordergliedssteuern 23. Dieses Paradigma kann geeignet sein, andere Gehirnregionen und Modelle von Hirnerkrankungen zu untersuchen.

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	<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

Feinmotorik ist im Alltag essentiell und kann bei mehreren Erkrankungen des Nervensystems beeinträchtigt werden. Die Erfassung und Durchführung dieser Aufgaben erfordert eine sensorisch-motorische Integration und beinhaltet eine präzise Steuerung bilateraler Gehirnschaltkreise. Die Implementierung unimanueller Verhaltensparadigmen in Tiermodellen wird das Verständnis des Beitrags von Gehirnstrukturen, wie dem Striatum, zum komplexen motorischen Verhalten verbessern, da es die Manipulation und Aufzeichnung der neuronalen Aktivität bestimmter Kerne unter Kontrollbedingungen und Krankheiten während der Ausführung der Aufgabe ermöglicht. 
Seit ihrer Entstehung ist die Optogenetik ein dominantes Werkzeug für die Befragung des Gehirns, indem sie eine selektive und gezielte Aktivierung oder Hemmung neuronaler Populationen ermöglicht. Die Kombination von Optogenetik mit Verhaltensassays beleuchtet die zugrunde liegenden Mechanismen spezifischer Gehirnfunktionen. Drahtlose Head-Mounted-Systeme mit miniaturisierten Leuchtdioden (LEDs) ermöglichen die optogenetische Fernsteuerung in einem völlig frei beweglichen Tier. Dadurch wird vermieden, dass die Einschränkungen eines kabelgebundenen Systems für das Verhalten von Tieren weniger einschränkend sind, ohne die Lichtemissionseffizienz zu beeinträchtigen. Das aktuelle Protokoll kombiniert einen drahtlosen optogenetischen Ansatz mit Hochgeschwindigkeits-Videografie in einer unimanuellen Geschicklichkeitsaufgabe, um den Beitrag spezifischer neuronaler Populationen zum feinmotorischen Verhalten zu analysieren.

Die Reach-to-Grasp-Aufgabe ist ein Paradigma, das häufig verwendet wird, um Formgebung, Lernen, Leistung und Kinematik der feinen Skill-Bewegung unter verschiedenen experimentellen Manipulationen zu untersuchen. Mäuse lernen, die Aufgabe in ein paar Tagen auszuführen und erreichen eine Genauigkeit von mehr als 55%, die nach 5 Tagen Training ein Plateau erreicht (Abbildung 2A, B). Ähnlich wie zuvor berichtet, erfüllt ein Prozentsatz der Tiere die Aufgabe nicht angemessen...

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

Das vorliegende Protokoll beschreibt, wie drahtlose Optogenetik in Kombination mit Hochgeschwindigkeits-Videografie in einer einzigen Pellet-Reach-to-Grasp-Aufgabe verwendet werden kann, um die neuronalen Schaltkreise zu charakterisieren, die an der Leistung eines qualifizierten motorischen Verhaltens in sich frei bewegenden Mäusen beteiligt sind.

Im lebenden Organismus Drahtlose optogenetische Steuerung des motorischen Verhaltens

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

Das aktuelle Protokoll trägt zur Untersuchung der Gehirnmechanismen bei, die einem geschickten motorischen Verhalten zugrunde liegen. Die drahtlose Optogenetik ermöglicht die Manipulation bestimmter Neuronen, während die Probanden eine Aufgabe in freier Bewegung ausführen. In Kombination mit der Hochgeschwindigkeits-Videografie ist eine detaillierte Analyse des feinmotorischen Verhaltens möglich.Die Methode könnte helfen, motorische Probleme bei neurologischen Entwicklungsstörungen und neurodegenerativen Erkrankungen zu verstehen. Diese Techniken können verwendet werden, um die Gehirnfunktion auch in anderen Verhaltensparadigmen zu untersuchen. Diana Rodriguez-Munoz, eine Studentin aus meinem Labor, wird beim Experimentieren helfen.Beginnen Sie für die chirurgischen Eingriffe mit der Vorbereitung einer LED-Kanüle der gewünschten Länge gemäß den dorso-ventralen Koordinaten der interessierenden Struktur. Schneiden Sie dazu die Glasfaser auf eine Länge, die länger als die endgültige gewünschte Größe ist, und schleifen Sie die Faserspitze mit grobem Schleifpapier auf die Ziellänge. Dann polieren Sie die Faserspitze mit feinem Schleifpapier.Für Mikroinjektionen eine Pipette mit dem Mineralöl füllen und die Pipette in den Mikroinjektor geben. Stellen Sie sicher, dass der Mikroinjektor korrekt funktioniert, indem Sie etwas Mineralöl injizieren. Als nächstes bereiten Sie die betäubte Maus auf die Operation vor, indem Sie eine Augensalbe auftragen und Haare von der Kopfhaut mit einem Trimmer und einer Haarentfernungscreme entfernen.Wischen Sie dann die Kopfhaut mit Wattestäbchen ab, die jeweils dreimal 8% Povidonjod und 70% Ethanol enthalten. Legen Sie die Maus nach der Desinfektion in den stereotaktischen Apparat und sichern Sie den Kopf, um sicherzustellen, dass der Schädel in den medial-lateralen und anterior-posterioren Achsen nivelliert ist. Verwenden Sie ein Skalpell, um einen Einschnitt von einem Zentimeter durch die Kopfhaut auf Augenhöhe entlang der Sagittalachse zu machen.Ziehen Sie dann die Haut zurück, um den Schädel freizulegen, und reinigen Sie das Periost mit Wattestäbchen. Reinigen Sie die Schädeloberfläche mit Kochsalzlösung und Wattestäbchen und lösen Sie Blutungen an der Oberfläche mit sterilen saugfähigen Augenspeeren. Tragen Sie dann einen Tropfen 2,5% Wasserstoffperoxid mit einem Wattestäbchen auf und lassen Sie es einige Sekunden einwirken, um die Schädelnähte sichtbar zu machen und eine bessere Referenz zu haben.Reinigen Sie den Bereich nach einigen Sekunden gründlich mit einem sauberen Wattestäbchen. Mit einer Glaspipette mit einem Endspitzendurchmesser von 15 Mikrometern können Sie Bregma und Lambda lokalisieren, um zu überprüfen, ob der Schädel in der vorder-hinteren Achse nivelliert ist. Malen Sie dann einen Referenzpunkt in der Kopfhaut über den ausgewählten Koordinaten mit einer Markierung.Führen Sie im Referenzpunkt eine Kraniotomie mit einem Durchmesser von einem Millimeter durch, indem Sie mit einem Drehwerkzeug bei niedriger bis mittlerer Geschwindigkeit mit einem kleinen, runden Zahnbohrer einen sanften Druck auf den Schädel ausüben. Wenn Sie fertig sind, verschieben Sie die Kapillare in Richtung der ausgewählten vorder-hinteren oder AP- und medial-lateralen oder ML-Koordinaten. Laden Sie die Kapillare mit 300 bis 400 Nanolitern des CreE-abhängigen Adeno-assoziierten Virus oder AAV, wie AAV1, D-flox Channelrhodopsin mCherry, um Channelrhodopsin in der Region von Interesse zu exprimieren.Ein AAV kann als Kontrolle verwendet werden, um das Reporterprotein zu exprimieren. Nachdem Sie sichergestellt haben, dass die Spitze nicht verstopft ist, führen Sie die Glaspipette im Gehirn an den dorso-ventralen minus 3,35 Millimeter-Koordinaten im dorsal-lateralen Striatum ein und injizieren Sie 200 Nanoliter des Virus mit einem automatischen Injektor mit einer Rate von 23 Nanolitern pro Sekunde. Warten Sie nach der Injektion 10 Minuten, bevor Sie die Glaspipette langsam abziehen, um ein Verschütten zu vermeiden.Dann reinigen und trocknen Sie alle Rückstände mit Wattestäbchen. Als nächstes befestigen Sie die Glas-LED-Kanüle am stereotaktischen Arm und kalibrieren Sie die Koordinaten mit Bregma als Referenz. Führen Sie dann die Kanüle langsam ein, um Gewebeschäden zu vermeiden, und legen Sie sie 100 Mikrometer über die Injektionsstelle.Sobald die LED-Kanüle an Ort und Stelle ist, fügen Sie einen Tropfen von 100 Mikrolitern Gewebekleber am Rand der Kraniotomie hinzu. Verwenden Sie eine sterile Bürste, um nach und nach eine frisch zubereitete Zahnzementmischung um den Kanülenverbinder aufzutragen und Schichten aufzubauen, bis der Schädel bedeckt ist und der Verbinder sicher am Schädel befestigt ist, so dass die Stifte völlig frei bleiben. Wenn der Zement vollständig getrocknet ist, schließen Sie die Haut um das Implantat mit Gewebekleber.Legen Sie die Maus dann in einen Erholungskäfig über einem Heizkissen bei 33 Grad Celsius, während Sie auf die Anzeichen von Unbehagen oder Schmerzen achten. Zeichnen Sie das Verhalten des Tieres mit einer normalen Kamera auf und erfassen Sie 30 bis 60 Bilder pro Sekunde von der Vorderseite der Kammer. Ein Spiegel kann in einem Winkel von 45 Grad unter der Trainingskammer platziert werden, um die Haltung des Tieres zu überwachen.Wenn Mäuse beginnen, das Pellet zu erreichen, drehen Sie die LED-Kanüle manuell mit der Fernbedienung, um eine kontinuierliche Stimulation für die Zeit zu haben, in der das Verhalten nicht länger als zwei Sekunden ausgeführt wird. Das Stimulationsgerät löst eine LED von 470 Nanometern mit einer Intensität an der Spitze von einem Milliwatt pro Millimeterquadrat aus. Das feinmotorische Verhalten des Tieres unter optogenetischen Manipulationen wurde mit der Reach-to-Grasp-Aufgabe untersucht.Die Mäuse lernten, die Aufgabe in ein paar Tagen auszuführen und erreichten eine Genauigkeit von mehr als 55% und erreichten nach fünf Tagen Training ein Plateau. Die Flugbahn der Bewegungen wurde mit Hochgeschwindigkeits-Videografie verfolgt, was eine Analyse der Kinematik ermöglichte. Die quantifizierbare Bewertung von Parametern wie zurückgelegte Strecke, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Endpunkt und Trajektorie wurde durchgeführt.In den verpassten Versuchen starteten die Mäuse die Greifbewegung weiter weg vom Pellet als die Hit-Versuche. Darüber hinaus waren Fehler signifikant mit der Maushaltung verbunden, was sich in Unterschieden im Körperwinkel während der Treffer- und Fehlversuche zeigte. Die kontralaterale Aktivierung von D1-Dopamin-exprimierenden stacheligen Projektionsneuronen oder SPNs reduzierte den Greiferfolg im Vergleich zu den Kontrollbedingungen.Während einer optogenetischen Stimulation nahm die Flugbahn der Pfote in der Reiseentfernung zu, was zu der Unfähigkeit führte, das Pellet anzuvisieren, und zu einer Zunahme des anfänglichen Fehlertyps eins. Die Principle Component Analysis (PCA) zeigte, dass sich alle Studientrajektorien während der kontralateralen D1-SPNs-Aktivierung in einem Cluster mit nahezu keiner Überlappung mit dem Kontrollcluster trennten, was auf eine geringe Ähnlichkeit hinweist. Die Aktivierung der DSPNs auf der ipsilateralen Seite führte zu einer Zunahme der Trajektoriendispersion, die durch die PCA-Analyse gezeigt wurde.Daher veränderte die ipsilaterale D1-SPNs-Aktivierung die Zielbahn, ohne das Verhaltensergebnis zu ändern. Achten Sie bei der Durchführung dieses Protokolls darauf, die Kanüle richtig zu platzieren, damit sie sich während der Trainingseinheiten nicht löst. Diese Methode kann in anderen Verhaltensparadigmen verwendet werden, um motorisches Verhalten, sensorische Verarbeitung, Lernen und Gedächtnis zu untersuchen.Die drahtlose Optogenetik wird es ermöglichen, naturalistisches Verhalten und seine neurobiologischen Grundlagen bei sich wirklich frei bewegenden Probanden zu untersuchen.

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 

Optogenetische Stimulation von Escape Verhalten 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 ...

Forschung

Neurowissenschaften

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 

Eine Methode zur High Fidelity optogenetische Kontrolle der Einzelpyramidenzellen<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 Stimulation des Nager Central Nervous System

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 

Ein Verfahren für die Implantation eines Spinal Kammer für Längs<em&gt; In-vivo-</em&gt; Imaging der Maus 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 Schaltkreise in Hirnschnitten

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 

Optogenetische Mitnahme von Hippocampal Theta Schwingungen im Verhalten der Mäuse

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 

Tracking von Drosophila Larven Verhalten als Reaktion auf optogenetische Stimulation der olfaktorischen 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 Gezielte Expression von optogenetische Proteinen mit Seide/AAV Filme

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-Bildgebung der lerninduzierten synaptischen Plastizität bei 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 

Messung und Manipulation funktionell spezifischer neuronaler Bahnen im menschlichen Motorsystem mit transkranieller Magnetstimulation

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