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Neurociencias

Optogenetica trascinamenti di teta Hippocampal oscillazioni nel comportarsi topi

Published: June 29, 2018
doi:
10.3791/57349
, ,
1Systems Neurophysiology Research Group, Institute of Clinical Neuroscience and Medical Psychology, Medical Faculty,Heinrich Heine University Düsseldorf, 2Behavioural Neurodynamics Group,Leibniz Institute for Molecular Pharmacology (FMP)/ NeuroCure Cluster of Excellence, 3Neuronal Circuits and Behavior Research Group,Max Planck Institute for Metabolism Research

Summary

Descriviamo l’uso di optogenetica e registrazioni elettrofisiologiche per manipolazioni selettive delle oscillazioni di teta hippocampal (5-10 Hz) in topi si comporta. L’efficacia di trascinamento ritmo è controllata mediante potenziali di campo locale. Una combinazione di opto – e farmacogenetica inibizione indirizzi la lettura efferente di sincronizzazione hippocampal.

Abstract

Numerosi dati sulle relazioni delle oscillazioni di rete neurale per comportamento e organizzazione di scarica neuronale in tutte le regioni del cervello chiamano di nuovi strumenti per manipolare in modo selettivo ritmi del cervello. Qui descriviamo un approccio che unisce optogenetica proiezione specifici con extracellulare elettrofisiologia per alta fedeltà controllo delle oscillazioni di teta hippocampal (5-10 Hz) in topi si comporta. La specificità di trascinamento optogenetica è ottenuta prendendo di mira channelrhodopsin-2 (ChR2) alla popolazione delle cellule del setto mediale, fondamentalmente coinvolte nella generazione di oscillazioni di teta hippocampal, GABAergici e un locale sincronizzato l’attivazione di un sottoinsieme delle afferenze inibitorie del setto nell’ippocampo. L’efficacia del controllo ritmo optogenetica è verificata da un monitoraggio simultaneo di local field potential (LFP) da altra parte della lamina dell’area CA1 e/o di scarica neuronale. Utilizzando questa preparazione facilmente implementabile mostriamo l’efficacia di vari protocolli di stimolazione optogenetica per induzione delle oscillazioni di teta e per la manipolazione della loro frequenza e regolarità. Infine, una combinazione del controllo ritmo theta con inibizione proiezione specifica indirizzi la lettura degli aspetti particolari della sincronizzazione hippocampal di regioni efferente.

Introduction

Attività neuronale nei mammiferi è coordinato dalle oscillazioni di rete, che assistono il trasferimento di informazioni all’interno e tra le regioni del cervello1,2,3,4. Ritmi del cervello sono oscillazioni che vanno da molto lento ( 200 Hz). Un grande corpo di prova sostiene il coinvolgimento delle oscillazioni di rete nelle funzioni cerebrali diverse, tra cui cognizione5,6,7,8,9,10 , comportamenti innati11,12 , come pure i disordini neuropsichiatrici quali morbo di Parkinson e l’epilessia13,14,15. Metodi selettivi e temporalmente precisi per manipolazione sperimentale delle oscillazioni di rete sono quindi essenziali per lo sviluppo di modelli fisiologicamente plausibile di sincronizzazione e per stabilire relazioni causali con comportamento.

Sincronizzazione di rete è mediata da diversi substrati biologici e processi, che vanno dalla identità molecolare dei canali ionici e loro cinetica di neuromodulazione dell’eccitabilità e della connettività di rete. Il disegno biologico del ritmo generatori16 è stato rivelato per molti ritmi del cervello, aspetti distinti di cui (ad esempio, frequenza, ampiezza) sono spesso causata da dinamiche di tipi cellulari e reti. Per esempio, interneuroni inibitori targeting il somata delle cellule principali sono i giocatori più importanti attraverso bande di frequenza e cervello regioni17,18, tra cui theta19,20, gamma20 , 21e ripple (140-200 Hz)22 oscillazioni. A sua volta, sincronizzazione di fase delle cellule distanti è assicurata dalla robusta feed-forward segnalazione delle cellule piramidali, che reimposta l’infornamento di interneuroni. Un parametro cruciale delle oscillazioni, la dimensione della popolazione neuronale sincronizzata, è strettamente correlato alla ampiezza di oscillazione di LFP misurato e, almeno per veloce oscillazioni, dipende l’unità eccitatorio sulla interneuroni2. Al contrario, oscillazioni più lente, come delta e theta ritmi, vengono generate dai cicli rientrante a lungo raggio, formate da cortico-thalamic23,24 e proiezioni settale mediale hippocampal25, 26,27, rispettivamente. Oscillazioni in tali circuiti sono provocate da interazioni di ritardi di propagazione del segnale, eccitabile risposte e la loro preferenza di frequenza in cellule partecipanti28,29,30, 31 , 32. inibitorie proiezioni da parvalbumina GABAergici (PV)-positive sono cellule del setto mediale (MS) a interneuroni in ippocampo25,33, parahippocampal regioni e corteccia di entorhinal26 essenziale per la generazione delle oscillazioni di teta nel lobo temporale mediale. Così, i meccanismi fisiologici delle oscillazioni di rete e sincronizzazione neuronale possono essere manipolate usando optogenetica con una precisione in tempo reale.

Cella tipo-specific optogenetica manipolazioni sono state applicate per lo studio delle oscillazioni ippocampali e corticali in vitro34,35,36,37,38 e in vivo30,39,40,41,42,43,44,45, tra cui funzionale le indagini di gamma5,12,36,46,47,48,49,50, 51,52 e ripple oscillazioni40,53,54 e sonno mandrini55,56. Recentemente abbiamo espresso un virus ChR2 Cre-dipendente negli Stati membri, una regione chiave per la generazione del ritmo Teta hippocampal, di PV-Cre topi. Utilizzando questa preparazione, caratteristiche delle oscillazioni Teta hippocampal (frequenza e stabilità temporale) sono stati controllati da optogenetica stimolo inibitorio proiezioni del MS in ippocampo11. Inoltre, lo stimolo optogenetica Teta-frequenza delle proiezioni setto-ippocampale inibitorie evocato ritmo theta durante sveglio immobilità. Il optogenetically trascinato ritmo theta visualizzato proprietà delle oscillazioni spontanee theta nel topo a livello di attività neuronale e LFP.

Caratteristiche principali di questo protocollo includono: (1) utilizzo di una via inibitoria che è fisiologicamente fondamentale per le oscillazioni spontanee Teta, evitando effetti aspecifici sull’eccitabilità hippocampal; (2) assonale, cioè, la stimolazione di proiezione specifiche per ridurre al minimo un’influenza diretta sulla non-ippocampale MS efferenze; (3) locale theta-ritmica stimolazione luminosa, assicurando una minima interferenza diretta con dinamiche septo-hippocampal theta-ritmica e un trascinamento globale bilaterale delle oscillazioni theta; (4) parametrici Teta oscillazioni frequenza e regolarità; e (5) quantificazione della fedeltà di trascinamento con elevata risoluzione temporale utilizzando LFP per consentire un’analisi quantitativa di causalità a comportarsi gli animali. Poiché questa preparazione essenzialmente capitalizza un ruolo ben noto della disinibizione setto-ippocampale in theta generazione25,30, permette la regolazione robusto sopra diversi parametri delle oscillazioni di teta in topi si comporta. Gli studi dove altri meno studiati percorsi e tipi di cellule della circuiteria septo-hippocampal sono stati manipolati38,39,47,49,50,51 , 52 , 53 , 54 , 55 , 56 , 57 , 58 rivelare ulteriori meccanismi del ritmo theta.

Protocol

PV-Cre topi knock-in maschio59, 10-25 settimane, sono stati utilizzati. Topi sono stati stabulati in condizioni standard nella struttura animali e tenuti su un ciclo luce/buio di 12 h. Tutte le procedure sono state effettuate in conformità alle linee guida nazionali ed internazionali e sono state approvate dalle autorità sanitarie locali (Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz, Nordrhein-Westfalen). 1. virale iniezione Durante l’intera procedura,…

Representative Results

Targeting di ChR2 alle cellule di GABAergic in MS come descritto nella sezione 1 è illustrato nella Figura 2A. Optogenetica stimolazione degli assoni delle cellule MS GABAergici nell’ippocampo dorsale tramite una fibra ottica che viene impiantata sopra l’area CA1 entrains oscillazioni di teta alla frequenza dello stimolo a ipsilateral (Figura 2B) così come controlaterale emisfero (Figura 2). Oscill…

Discussion

Qui abbiamo presentato una metodologia ampiamente accessibile per salire sul treno e suscitare le oscillazioni di teta hippocampal nel comportamento degli animali. Questo approccio può essere utile per gli studi di funzioni di teta ritmo nell’elaborazione delle informazioni e nel comportamento. Aspetti critici di questo metodo includono: (1) scelta dell’opsina e targeting di ChR2 di assoni di MS cellule nell’ippocampo, caratteristiche ottiche ed elettriche (2) robuste degli assembly di matrice impiantati cavi fibra otti…

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vorremmo ringraziare Maria Gorbati per aiuto di esperti con l’analisi dei dati e Jennifer Kupferman per commenti sul manoscritto. Questo lavoro è stato supportato dalla Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG; EXC 257 NeuroCure, TK e AP; Programma prioritario 1665, 1799/1-1(2), programma di Heisenberg, 1799/2-1, AP), la Fondazione di tedesco-israeliano per la ricerca scientifica e lo sviluppo (GIF; Io-1326-421.13/2015, TK) e Human Frontier Science Program (HFSP; RGY0076/2012, TK).

Materials

PV-Cre mice The Jackson Laboratory B6;129P2-Pvalbtm1(cre)Arbr/J
Name Company Catalog Number Comments
Surgery
Stereotaxis David Kopf Instruments, Tujunga, CA, USA Model 963 Ultra Precise Small Animal Stereotaxic Instrument
Drill bits, 0.8 mm Bijoutil, Allschwil, Switzerland 49080HM
0.01-1 ml syringe Braun, Melsungen, Germany 9161406V
Sterican cannulas Braun 26 G, 0.45×25 mm BL/LB
Fine and sharp scissors Fine Science Tools Inc., Vancouver, Canada 14060-09
Forceps Fine Science Tools Inc. 11210-10 Dumont AA – Epoxy Coated Forceps
Blunt stainless steel scissors Fine Science Tools Inc. 14018-14
Soldering station Weller Tools GmbH, Besigheim, Germany WSD 81
Erythromycin Rotexmedica GmbH, Trittau, Germany PZN: 10823932 1g Powder for Solution for Infusion
Name Company Catalog Number Comments
Optogenetics
Hamilton pump PHD Ultra, Harvard Apparatus, Holliston, MA, USA model 703008 PHD Ultra Syringe Pump with push/pull mechanism
Hamilton 5 µL Syringe, 26 gauge PHD Ultra, Harvard Apparatus Model 75 RN SYR
Hamilton 5 µL Plunger PHD Ultra, Harvard Apparatus Model 75 RN SYR
Tubing Fisher Scientific, Pittsburgh, USA PE 20 Inner diameter 0.38 mm (.015"), Outer diameter 1.09 mm (.043")
Sterican cannulas Braun, Melsungen, Germany 27 G, 25×0.40 mm, blunt
Precision drill/grinder Proxxon, Wecker, Luxemburg fbs 240/e
Cutting disks Proxxon NO 28812
Cre dependent channelrhodopsin Penn Vector Core, Philadelphia, PA, USA AV-1-18917P Contruct name: AAV2/1.CAGGS.flex.ChR2.tdTomato, titer: 1.42×1013 vg/ml
Cam kinase dependent halorhodopsin Penn Vector Core AV-1-26971P Construct name: eNpHR3.0, AAV2/1.CamKIIa.eNpHR3.0-EYFP.WPRE.hGH, titer: 2.08_1012 vg/ml
Multimode optic fiber ThorLabs, Dachau, Germany FG105LCA 0.22 NA, Low-OH, Ø105 µm Core, 400 – 2400 nm
Ceramic stick ferrule Precision Fiber Products, Milpitas, CA, USA CFLC126 Ceramic LC MM Ferrule, ID 126um
Polishing paper Thorlabs LF3D 6" x 6" Diamond Lapping (Polishing) Sheet
Power meter Thorlabs PM100D Compact Power and Energy Meter Console, Digital 4" LCD
Multimode fiber optic coupler Thorlabs FCMM50-50A-FC 1×2 MM Coupler, 50:50 Split Ratio, 50 µm GI Fibers, FC/PC
Fiberoptic patch cord Thorlabs FG105LCA CUSTOM-MUC custom made, 3 m long, with protective tubing, Tubing: FT030, Connector 1: FC/PC, Connector 2: 1.25mm (LC) Ceramic Ferrule
Sleeve Precision Fiber Products, Milpitas, CA, USA ADAL1 Ceramic Split Mating Sleeve for Ø1.25 mm (LC/PC) Ferrules
473 nm DPSS laser Laserglow Technologies, Toronto, ON, Canada R471005FX LRS-0473 Series
593 nm DPSS laser Laserglow Technologies R591005FX LRS-0594 Series
MC_Stimulus II Multichannel Systems, Reutlingen, Germany STG 4004
Impedance conditioning module Neural microTargeting worldwide, Bowdoin, USA ICM
Name Company Catalog Number Comments
Electrophysiology
Tungsten wires California Fine Wire Company, Grover Beach, CA, USA CFW0010954 40 µm, 99.95%
Capillary tubing Optronics 1068150020 ID: 100.4 µm
Omnetics nanoconnector Omnetics Connector Corporation, Minneapolis, USA A79038-001
Screws Bilaney, Düsseldorf, Germany 00-96×1/16 stainless-steel
Silicone probe NeuroNexus Technologies, Ann Arbor, MI, USA B32
Headstage Neuralynx, Bozeman, Montana USA HS-8 miniature headstage unity gain preamplifiers
Silver conductive paint Conrad electronics, Germany 530042
Liquid flux Felder GMBH Löttechnik, Oberhausen, Germany Lötöl ST DIN EN 29454.1, 3.2.2.A (F-SW 11)
LED Neuralynx HS-LED-Red-omni-10V
Name Company Catalog Number Comments
Software
MATLAB Mathworks, Natick, MA, USA
MC_Stimulus software Multichannel, Systems
Neurophysiological Data Manager NDManager, http://neurosuite.sourceforge.net
Klusters http://neurosuite.sourceforge.net, Hazan et al., 2006
Software of the recording system Neuralynx Cheetah https://neuralynx.com/software/cheetah
Multi-channel data analysis software Cambridge Electronic Design Limited, Cambridge, GB Spike2
DOWNLOAD MATERIALS LIST

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Keywords: Optogenetic EntrainmentHippocampal Theta OscillationsBehaving MiceNeurophysiologySpatial NavigationVirus InjectionOptic FiberTungsten Wire Array
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Bender, F., Korotkova, T., Ponomarenko, A. Optogenetic Entrainment of Hippocampal Theta Oscillations in Behaving Mice. J. Vis. Exp. (136), e57349, doi:10.3791/57349 (2018).
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