In vivo Draadloze optogenetische controle van bekwaam motorisch gedrag
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
Materials
| Anaesthesia machine | RWD | R583S | Isoflurane vaporizer |
| Anesket | PiSA | Ketamine | |
| Breadboard | Thorlabs | MB3090/M | Solid aluminum optical breadboard |
| Camera lense | Canon | 50mmf/ 1.4 manual focus lenses (c-mount) | |
| Camera system | BrainVision | MiCAM02 | Camera controller and synchronizer |
| Cotton swabs | |||
| CS solution | PiSA | Sodium chloride solution 9% | |
| Customized training chamber | In house | ||
| Drill bit #105 | Dremel | 2 615 010 5AE | Engraving cutter |
| Dustless precission chocolate pellets | Bio-Serv | F05301 | |
| Ethyl Alcohol | J.T. Baker | 9000-02 | Ethanol |
| Eyespears | Ultracell | 40400-8 | Eyespears of absorbent PVA material |
| Fluriso | VetOne | V1 502017-250 | Isoflurane |
| Glass capillaries | Drumond Scientific | 3-000-203-G/X | Pipettes for NanoJect II |
| Hidrogen peroxide | Farmacom | Antiseptic | |
| High-speed camera | BrainVision | MiCAM02-CMOS | Monochrome high-speed cameras |
| Infrared emmiter | Teleopto | ||
| Insulin syringe | |||
| LED cannula | Teleopto | TelC-c-l-d | LED cannula 250um 487nm light |
| Micropipette 10 uL | Eppendorf | Z740436 | |
| Micro-pipette puller | Sutter | P-87 | Horizontal puller |
| Microscope LSM780 | Zeiss | Confocal microscope | |
| Microtome | |||
| Mock receiver | Teleopto | ||
| NanoJect II | Drumond Scientific | 3-000-204 | Micro injector |
| Oxygen tank | Infra | na | |
| pAAV-EF1a-double.floxed-hChR2(H134R)-mCherry-WPRE- HGHpA | Addgene | 20297 | Viral vector for ChR-2 expression |
| Parafilm | |||
| Paraformaldehyde | Sigma | P-6148 | |
| Phosphate saline buffer | Sigma | P-4417 | Phosphate saline buffer tablets |
| Pipette tips 10 uL | ThermoFisher | AM12635 | 0.5-10 uL volume |
| Pisabental | PiSA | Sodium pentobarbital | |
| Plexiglass | commercial | Acrylic sheet | |
| Povidone iodine | Farmacom | Antiseptic | |
| Procin | PiSA | Xylacine | |
| Puralube | Perrigo pharma | 1228112 | Eye lubricant 15% mineral oil/85% petrolatum |
| Rotary tool | Kmoon | Mini grinder | Standard |
| Scalpel | |||
| Scalpel blade | |||
| Stereotaxic apparatus | Stoelting | 51730D | Digital apparatus |
| Super-Bond C&B | Sun Medical | Dental cement | |
| Surgical dispossable cap | |||
| Teleopto remote controller | Teleopto | ||
| Tg Drd1-Cre mouse line | Gensat | 036916-UCD | Transgene insertion FK150Gsat |
| Tissue adhesive | 3M Vetbond | 1469SB | |
| TPI Vibratome 1000 plus | Peico | Microtome | |
| Vectashield mounting media with DAPI | Vector laboratories | H-1200 | Mounting media |
| Wireless receiver | Teleopto | TELER-1-P |
Referencias
- Balbinot, G., et al. Post-stroke kinematic analysis in rats reveals similar reaching abnormalities as humans. Scientific Report. 8 (1), 8738 (2018).
- Klein, A., Sacrey, L. A., Whishaw, I. Q., Dunnett, S. B. The use of rodent skilled reaching as a translational model for investigating brain damage and disease. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 36 (3), 1030-1042 (2012).
- MacLellan, C. L., Gyawali, S., Colbourne, F. Skilled reaching impairments follow intrastriatal hemorrhagic stroke in rats. Behavioural Brain Research. 175 (1), 82-89 (2006).
- Evenden, J. L., Robbins, T. W. Effects of unilateral 6-hydroxydopamine lesions of the caudate-putamen on skilled forepaw use in the rat. Behavioural Brain Research. 14 (1), 61-68 (1984).
- Rodgers, R. A., Travers, B. G., Mason, A. H. Bimanual reach to grasp movements in youth with and without autism spectrum disorder. Frontiers in Psychology. 9, 2720 (2019).
- Sacrey, L. A. -. O., Zwaigenbaum, L., Bryson, S., Brian, J., Smith, I. M. The reach-to-grasp movement in infants later diagnosed with autism spectrum disorder: a high-risk sibling cohort study. Journal of Neurodevelopmental Disorders. 10 (1), 41 (2018).
- Azim, E., Jiang, J., Alstermark, B., Jessell, T. M. Skilled reaching relies on a V2a propriospinal internal copy circuit. Nature. 508 (7496), 357-363 (2014).
- Marques, J. M., Olsson, I. A. Performance of juvenile mice in a reach-to-grasp task. Journal of Neuroscience Methods. 193 (1), 82-85 (2010).
- Miklyaeva, E. I., Castaneda, E., Whishaw, I. Q. Skilled reaching deficits in unilateral dopamine-depleted rats: Impairments in movement and posture and compensatory adjustments. The Journal of Neuroscience. 14 (11), 7148-7158 (1994).
- Vaidya, M., Kording, K., Saleh, M., Takahashi, K., Hatsopoulos, N. G. Neural coordination during reach-to-grasp. Journal of Neurophysiology. 114 (3), 1827-1836 (2015).
- Wang, X., et al. Deconstruction of corticospinal circuits for goal-directed motor skills. Cell. 171 (2), 440-455 (2017).
- Xu, T., et al. Rapid formation and selective stabilization of synapses for enduring motor memories. Nature. 462 (7275), 915-919 (2009).
- Ian, Q. W., Sergio, M. P. The structure of skilled forelimb reaching in the rat: A proximally driven movement with a single distal rotatory component. Behavioural Brain Research. 41 (1), 49-59 (1990).
- Proske, U., Gandevia, S. C. The proprioceptive senses: their roles in signaling body shape, body position and movement, and muscle force. Physiological Reviews. 92 (4), 1651-1697 (2012).
- Yttri, E. A., Dudman, J. T. Opponent and bidirectional control of movement velocity in the basal ganglia. Nature. 533 (7603), 402-406 (2016).
- Donchin, O., Gribova, A., Steinberg, O., Bergman, H., Vaadia, E. Primary motor cortex is involved in bimanual coordination. Nature. 395 (6699), 274-278 (1998).
- Brus-Ramer, M., Carmel, J. B., Martin, J. H. Motor cortex bilateral motor representation depends on subcortical and interhemispheric interactions. The Journal of Neuroscience. 29 (19), 6196-6206 (2009).
- d’Avella, A., Saltiel, P., Bizzi, E. Combinations of muscle synergies in the construction of a natural motor behavior. Nature Neuroscience. 6 (3), 300-308 (2003).
- Fattori, P., et al. Hand orientation during reach-to-grasp movements modulates neuronal activity in the medial posterior parietal area V6A. The Journal of Neuroscience. 29 (6), 1928-1936 (2009).
- vanden Berg, F. E., Swinnen, S. P., Wenderoth, N. Excitability of the motor cortex ipsilateral to the moving body side depends on spatio-temporal task complexity and hemispheric specialization. PLoS One. 6 (3), 17742 (2011).
- vanden Berg, F. E., Swinnen, S. P., Wenderoth, N. Involvement of the primary motor cortex in controlling movements executed with the ipsilateral hand differs between left- and right-handers. Journal of Cognitive Neuroscience. 23 (11), 3456-3469 (2011).
- Verstynen, T., Diedrichsen, J., Albert, N., Aparicio, P., Ivry, R. B. Ipsilateral motor cortex activity during unimanual hand movements relates to task complexity. Journal of Neurophysiology. 93 (3), 1209-1222 (2005).
- Lopez-Huerta, V. G., et al. Striatal bilateral control of skilled forelimb movement. Cell Reports. 34 (3), 108651 (2021).
- Lopez-Huerta, V. G., et al. The neostriatum: two entities, one structure. Brain Structure and Function. 221 (3), 1737-1749 (2016).
- Becker, M. I., Calame, D. J., Wrobel, J., Person, A. L. Online control of reach accuracy in mice. Journal of Neurophysiology. 124 (6), 1637-1655 (2020).
- Jaidar, O., et al. Synchronized activation of striatal direct and indirect pathways underlies the behavior in unilateral dopamine-depleted mice. European Journal of Neuroscience. 49 (11), 1512-1528 (2019).
- Gong, S., et al. Targeting Cre recombinase to specific neuron populations with bacterial artificial chromosome constructs. The Journal of Neuroscience. 27 (37), 9817-9823 (2007).
- Rowland, N. E. Food or fluid restriction in common laboratory animals: balancing welfare considerations with scientific inquiry. Comparative Medicine. 57 (2), 149-160 (2007).
- Ullman-Culleré, M. H., Foltz, C. J. Body condition scoring: a rapid and accurate method for assessing health status in mice. Laboratory Animal Science. 49 (3), 319-323 (1999).
- Chen, C. C., Gilmore, A., Zuo, Y. Study motor skill learning by single-pellet reaching tasks in mice. Journal of Visualized Experiments. (85), e51238 (2014).
- Fink, A. J., et al. Presynaptic inhibition of spinal sensory feedback ensures smooth movement. Nature. 509 (7498), 43-48 (2014).
- Li, Q., et al. Refinement of learned skilled movement representation in motor cortex deep output layer. Nature Communication. 8, 15834 (2017).
- Overduin, S. A., d’Avella, A., Carmena, J. M., Bizzi, E. Microstimulation activates a handful of muscle synergies. Neuron. 76 (6), 1071-1077 (2012).
- Miyazaki, T., et al. Large Timescale interrogation of neuronal function by fiberless optogenetics using lanthanide micro-particles. Cell Reports. 26 (4), 1033-1043 (2019).
- Yang, Y., et al. Wireless multilateral devices for optogenetic studies of individual and social behaviors. Nature Neuroscience. 24 (7), 1035-1045 (2021).
- Kampasi, K., et al. Fiberless multicolor neural optoelectrode for in vivo circuit analysis. Scientific Reports. 6, 30961 (2016).
- Allen, B. D., Singer, A. C., Boyden, E. S. Principles of designing interpretable optogenetic behavior experiments. Learning & Memory. 22 (4), 232-238 (2015).
- Packer, A. M., et al. . Nature Methods. 9, 1202-1205 (2012).
