Summary

Fibre optique d'implantation pour la stimulation chronique optogenetic de tissu cérébral

Published: October 29, 2012
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Summary

Le développement de optogénétique offre désormais les moyens de stimuler les neurones génétiquement précisément définies et les circuits, les deux<em> In vitro</em> Et<em> In vivo</em>. Ici, nous décrivons le montage et l'implantation d'une fibre optique pour photostimulation chronique du tissu cérébral.

Abstract

Modèles élucider de connectivité neuronale a été un défi pour les neurosciences cliniques et fondamentales. Électrophysiologie a été l'étalon-or pour l'analyse des tendances de la connectivité synaptique, mais paires enregistrements électrophysiologiques peuvent être à la fois lourd et expérimentalement limitant. Le développement de optogénétique a mis en place une méthode élégante pour stimuler les neurones et les circuits, à la fois in vitro et in vivo 1 2,3. En exploitant un type de cellule activité de promoteur pour diriger l'expression spécifique dans opsine populations neuronales distinctes, on peut justement stimuler génétiquement définies dans les sous-types de neurones circuits distincts 4-6. Méthodes bien décrites pour stimuler les neurones, y compris la stimulation électrique et / ou des manipulations pharmacologiques, sont souvent un type de cellule aveugle, invasive, et peut endommager les tissus environnants. Ces limitations pourraient altérer la fonction synaptique normale et / ou le comportement du circuit. En outre, en raisonde la nature de la manipulation, les méthodes actuelles sont souvent aigu et le terminal. Optogénétique donne la capacité de stimuler les neurones d'une manière relativement inoffensifs, et dans les neurones génétiquement ciblées. La majorité des études portant sur ​​optogénétique vivo actuellement utiliser une fibre optique guidée à travers une canule implantée 6,7, mais les limites de cette méthode sont notamment le tissu cérébral endommagé par insertion répétée d'une fibre optique, et la rupture potentiel de la fibre à l'intérieur de la canule. Étant donné le domaine florissant de optogénétique, une méthode plus fiable de la stimulation chronique est nécessaire pour faciliter études à long terme avec des dommages collatéraux tissulaire minimale. Ici nous fournissons notre protocole modifié comme article de vidéo pour compléter la méthode efficace et élégamment décrit à Sparte et al. 8 pour la fabrication d'un implant de fibre optique et sa fixation permanente sur le crâne de souris anesthésiées, ainsi que le montage de la fibrecoupleur optique connectant l'implant à une source de lumière. L'implant, reliés par des fibres optiques à un laser à semi-conducteur, permet une méthode efficace pour photostimulate fonctionnelle chronique circuits neuronaux avec moins de dommages des tissus 9 à l'aide de petites attaches amovibles,. Fixation permanente des implants fibre optique offre cohérente et à long terme dans des études in vivo optogenetic des circuits neuronaux en éveil, les souris se comportent 10 avec lésion tissulaire minime.

Protocol

* Tous les matériaux ainsi que des fabricants respectifs et / ou des vendeurs sont indiqués ci-dessous le protocole. 1. Assemblée de l'implant Préparer un mélange d'époxy thermodurcissable à fibre optique en ajoutant 100 mg de durcisseur pour 1 g de résine. Mesurer et couper environ 35 mm de fibre de 125 um optique d'un noyau 100 um en le marquant avec un scribe de coin pointe au carbure. Placez le scribe perpendiculaire à la fibre optique et le scor…

Discussion

Optogénétique est une technique puissante qui permet un contrôle sans précédent sur les sous-types neuronaux spécifiques. Cela pourrait être exploité afin de moduler les circuits neuronaux avec une précision anatomique et temporelle, tout en évitant le dénigrement de type cellulaire et des effets envahissants de la stimulation électrique à travers une électrode. L'implantation de la fibre optique permet cohérente, la stimulation chronique des circuits neuronaux au cours de plusieurs sessions en éveil…

Acknowledgements

Nous tenons à souligner que cette technique a été décrite à l'origine par Sparte et al., 2012 et a été facilement adapté pour une utilisation dans notre laboratoire.

Materials

Name of the Reagent or Equipment Company Catalogue # Comments
LC Ferrule Sleeve Precision Fiber Products (PFP) SM-CS125S 1.25 mm ID
FC MM Pre-Assembled Connector PFP MM-CON2004-2300 230 μm Ferrule
Miller FOPD-LC Disc PFP M1-80754 For LC ferrules
Furcation tubing PFP FF9-250 900 μm o.d., 250 μm i.d.
MM LC Stick Ferrule 1.25 mm PFP MM-FER2007C-1270 127 μm ID Bore
MM LC Stick Ferrule 1.25 mm PFP MM-FER2007C-2300 230 μm ID Bore
Heat-curable epoxy, hardener and resin PFP ET-353ND-16OZ  
FC/PC and SC/PC Connector Polishing Disk ThorLabs D50-FC For FC ferrules
Digital optical power and Energy Meter ThorLabs PM100D Spectrophotometer
Polishing Pad ThorLabs NRS913 9″ x 13″ 50 Durometer
Aluminum oxide Lapping (Polishing) Sheets: 0.3, 1, 3, 5 μm grits ThorLabs LFG03P, LFG1P, LFG3P, LFG5P  
Standard Hard Cladding Multimode Fiber ThorLabs BFL37-200 Low OH, 200 μm Core, 0.37 NA
Fiber Stripping Tool ThorLabs T10S13 Clad/Coat: 200 μm / 300 μm
SILICA/SILICA Optical Fiber Polymicro Technologies FVP100110125 High -OH, UV Enhanced, 0.22 NA
1×1 Fiberoptic Rotary Joint doric lenses FRJ_FC-FC  
Mono Fiberoptic Patchcord doric lenses MFP_200/230/900-0.37_2m_FC-FC  
Heat shrink tubing, 1/8 inch Allied Electronics 689-0267  
Heat gun Allied Electronics 972-6966 250 W; 750-800 °F
Cotton tipped applicators Puritan Medical Products Company 806-WC  
VetBond tissue adhesive Fischer Scientific 19-027136  
Flash denture base acrylic Yates Motloid ColdPourPowder+Liq  
BONN Miniature Iris Scissors Integra Miltex 18-1392 3-1/2″(8.9cm), straight, 15 mm blades
Johns Hopkins Bulldog Clamp Integra Miltex 7-290 1-1/2″(3.8 cm), curved
MEGA-Torque Electric Lab Motor Vector EL-S  
Panther Burs-Ball #1 Clarkson Laboratory 77.1006  
Violet Blue Laser System CrystaLaser CK473-050-O Wavelength: 473 nm
Laser Power Supply CrystaLaser CL-2005  
Dumont #2 Laminectomy Forceps Fine Science Tools 11223-20  
Probe Fine Science Tools 10140-02  
5″Straight Hemostat Excelta 35-PH  
Vise with weighted base Altex Electronics PAN381  

References

  1. Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., Deisseroth, K. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neuronal activity. Nat Neurosci. 8, 1263-1268 (2005).
  2. Arenkiel, B. R. In Vivo Light-Induced Activation of Neural Circuitry in Trangenic Mice Expressing Channelrhodopsin-2. Neuron. 54, 205-218 (2007).
  3. Gradinaru, V. Molecular and cellular approaches for diversifying and extending optogenetics. Cell. 141, 165-16 (2010).
  4. Luo, L., Callaway, E. M., Svoboda, K. Genetic dissection of neural circuits. Neuron. 57, 634-660 (2008).
  5. Arenkiel, B. R., Ehlers, M. D. Molecular genetic and imaging technologies for circuit based neuroanatomy. Nature. 461, 900-907 (2009).
  6. Zhang, F. Optogenetic interrogation of neural circuits: technology for probing mammalian brain structures. Nat. Protoc. 5, 439-456 (2010).
  7. Adamantidis, A. R., Zhang, F., Aravanis, A. M., Deisseroth, K., de Lecea, L. Neural substrates of awakening probed with optogenetic control of hypocretin neurons. Nature. 450, 420-424 (2007).
  8. Sparta, D. R. Construction of implantable optical fibers for long-term optogenetic manipulation of neural circuits. Nature Protocols. 7, 12-23 (2012).
  9. Stuber, G. D. Excitatory transmission from the amygdala to nucleus accumbens facilitates reward seeking. Nature. 475, 377-380 (2011).
  10. Liu, X. Optogenetic stimulation of a hippocampal engram activates fear memory recall. Nature. 484, 381-385 (2012).

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Cite This Article
Ung, K., Arenkiel, B. R. Fiber-optic Implantation for Chronic Optogenetic Stimulation of Brain Tissue. J. Vis. Exp. (68), e50004, doi:10.3791/50004 (2012).

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