Kombinert in Vivo anatomisk og funksjonell sporing av ventrale tegmental område glutamatterminaler i Hippocampus
Summary
Den nåværende protokollen demonstrerer en enkel metode for sporing av ventral tegmental område (VTA) glutamat projeksjoner til hippocampus. Fototimulering av VTA glutamat nevroner ble kombinert med CA1-opptak for å demonstrere hvordan VTA glutamatterminaler modulerer CA1 putativ pyramidal avfyringshastighet in vivo.
Abstract
Optogenetisk modulering av nevron subpopulasjoner i hjernen har tillatt forskere å dissekere nevrale kretser in vivo og ex vivo. Dette gir et premiss for å bestemme rollen til nevrontyper i en nevral krets, og deres betydning i informasjonskoding i forhold til læring. På samme måte kan metoden brukes til å teste den fysiologiske betydningen av to eller flere tilkoblede hjerneregioner hos våken og bedøvet dyr. Den nåværende studien demonstrerer hvordan VTA glutamat nevroner modulerer avfyringshastigheten til putative pyramidale nevroner i CA1 (hippocampus) av bedøvede mus. Denne protokollen bruker adeno-assosiert virus (AAV)-avhengig merking av VTA glutamat nevroner for sporing av VTA presynaptiske glutamat terminaler i lagene i hippocampus. Uttrykk for lyskontrollert opsin (channelrhodopsin; hChR2) og fluorescensprotein (eYFP) som ligger i AAV-vektoren tillot anterogradsporing av VTA-glutamatterminaler, og fototimulering av VTA glutamat neuroncellelegemer (i VTA). Akutte silisiumelektroder med høy impedans ble plassert i CA1 for å oppdage multienhets- og enkeltenhetsresponser på VTA-fototimulering in vivo. Resultatene av denne studien viser den lagavhengige fordelingen av presynaptiske VTA-glutamatterminaler i hippocampus (CA1, CA3 og DG). Også fototimuleringen av VTA glutamat nevroner økte avfyrings- og bristehastigheten til putative CA1 pyramidale enheter in vivo.
Introduction
I det siste tiåret ble en rekke genetiske verktøy utviklet for å øke spesifisiteten til nevron-type modulasjon, og kartlegging av komplekse nevrale nettverk1. Spesielt har nevrotrope virus med en iboende evne til å infisere og replikere i nevronceller blitt utplassert for å uttrykke eller fyre av spesifikke proteiner i nevronundertyper. Når du har fluorescensproteiner eller genetisk kodede synaptiske aktivitetsindikatorer, transfected AAV vektorer etikett og avgrense nevrale nettverk på tvers avhjerneregioner 2,3. Valget av en promotor i AAV-konstruksjonen styrer uttrykket av vektoren i nevrontyper med et visst nivå av spesifisitet(promotoravhengig uttrykk). Gjennom Cre-lox-rekombinasjon distribueres imidlertid AAV-konstruksjoner med større spesifisitet for neuronmerking4,5,6,7. Vær oppmerksom på at fotoaktiverte mikrobielle opsiner og fluorescensproteiner pakket i AAV-vektorer kan uttrykkes i forskjellige neuron-undertyper8, og er ideelle for avbildning, sporing av nevronkrets og fotomodulering9,10.
AAVer konstruerer stereotaktisk injisert i en hjerneregion (eller kjerne) driver uttrykket av reporterproteinet i soma-, dendrite- og axonsterminalene. Nevralt uttrykk for AAV som skjuler et reportergen (eYFP) letter merkingen av nevroncellelegemer og anatomisk sporing av projeksjoner til og fra andre hjerneregioner11,12,13,14. AAV-eYFP-konstruksjoner som bærer lysstyrt opsin (f.eks. hChR2), kan distribueres som et verktøy for avbildning6,15 og stimuleringsbasert fysiologisk sporing av nevrale projeksjoner for å målrette hjerneområder in vivo16. Avhengig av AAV-serotypen kan retningen av neuronmerking være anterograd eller retrograd11,12. Tidligere studier har fastslått at AAV5 reiser anterogradely i nevroner12. Dermed gir fototimulering av cellelegemer som uttrykker hChR2 presynaptiske effekter andre steder i hjernen (målet)17.
Her ble AAV (serotype 5) med en CaMKIIα-promotor brukt til å uttrykke eYFP (reporter) og hChR2 (opsin) i VTA glutamat nevroner og axonale projeksjoner. Resultater fra denne studien viser den lagavhengige distribusjonen av VTA-glutamat presynaptiske terminaler i CA1-, CA3- og DG-hippocampal-regionene. Også fototimulering av VTA glutamat nevroner økte CA1 multi-enhet og single-unit avfyringshastigheter in vivo sammenlignet med baseline verdier. Denne protokollen benytter rimelige verktøy og kommersielt tilgjengelig programvare som kan øke kvaliteten på data hentet fra nevrale kretssporingseksperimenter.
Protocol
Representative Results
Discussion
I løpet av det siste tiåret har utformingen av AAV-konstruksjoner utviklet seg betydelig. Som sådan har mer nevronspesifikke promotorer blitt innlemmet i en rekke AAV-serotyper for forbedret transfeksjonsspesifikkitet14. Ved å kombinere gener for fluorescensproteiner, transportører, reseptorer og ionkanaler, eksisterer det nå biblioteker av AAV for avbildning, nevromodulering og synaptisk aktivitetsdeteksjon. I kommersielt tilgjengelige AAV-konstruksjoner gir en kombinasjon av en genetisk ko…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet er finansiert av CBS Bridging Grant tildelt OOM. OOM, PAA og AS designet studien og utførte eksperimentene. AS og PAA analyserte resultatene. OOM og PAA utarbeidet manuskriptet. Vi takker Dr. Karl Disseroth (Stanford University) for å gjøre AAV tilgjengelig for vår bruk.
Materials
| 3% Hydrogen peroxide | Fisher chemical | H312 | |
| AAV-CaMKIIα-ChR2-eGYP | Addgene | Plasmid #26969 | |
| BNC cable | Amazon | ||
| BNC Splitter | Amazon | ||
| Ceramic Split Mating Sleeve for Ø1.25mm Ferrules. | Thorlabs | ADAL1-5 | |
| Drill | Dremel | LR 39098 | |
| Gelatin coated slides | Fisher scientific | OBSLD01CS | |
| Hamilton's syringe (Neuros) | WPI Inc. | 06H | |
| Head stage adapter | Neuronexus | Adpt-Q4-OM32 | |
| High impedance silicon probe | Neuronexus | Q1x1-tet-5mm-121-CQ4 | |
| INTAN 512ch Recording Controller | INTAN | RHD2000 | |
| Iodine solution | Dynarex | 1425 | |
| Isoflurane | Piramal | NDC 66794-017-25 | |
| Ketamine | Spectrum | K1068 | |
| LED Driver | Thorlabs | LEDD1B | |
| LED light source (470 nm)-blue light | Thorlabs | M470F3 | |
| Micromanipulator | Narishige | M0-203 | |
| Optic fiber | Thorlabs | CFMLC14L05 | |
| Pan head philips screw (M0.6 X 2mm) | Amazon | M0.6 X 2mm | |
| Pre-amplifier headstage (32 Channel) | INTAN | C3314 | |
| Stereotaxic frame | Kopf | 1530 | |
| TTL pulser | Prizmatix | 4031 | |
| Urethane | Sigma | U2500 | |
| Xylazine | Alfa Aesar | J61430 | |
| Software | Company | Version | |
| Graphpad Prism | |||
| Intan Recording Controller | |||
| Neuroexplorer | |||
| Plexon Offline Spike Sorter | |||
| ACSF Composition: | |||
| oxygenated ACSF with 95% Oxygen/5%CO2 constantly being bubbled through the ACSF (ACSF; in mM 125 NaCl, 25 NaHCO3, 3 KCl, 1.25 NaH2PO4, 1 MgCl2, 2 CaCl2 and 25 Glucose). |
References
- Lo, L., Anderson, D. J. A Cre-dependent, anterograde transsynaptic viral tracer for mapping output pathways of genetically marked neurons. Neuron. 72 (6), 938-950 (2011).
- Li, J., Liu, T., Dong, Y., Kondoh, K., Lu, Z. Trans-synaptic Neural Circuit-Tracing with Neurotropic Viruses. Neuroscience bulletin. , 1-12 (2019).
- Kuypers, H., Ugolini, G. Viruses as transneuronal tracers. Trends in neurosciences. 13 (2), 71-75 (1990).
- Atasoy, D., Aponte, Y., Su, H. H., Sternson, S. M. A FLEX switch targets Channelrhodopsin-2 to multiple cell types for imaging and long-range circuit mapping. Journal of Neuroscience. 28 (28), 7025-7030 (2008).
- Dragatsis, I., Zeitlin, S. A method for the generation of conditional gene repair mutations in mice. Nucleic acids research. 29 (3), 10 (2001).
- Gradinaru, V., et al. Molecular and cellular approaches for diversifying and extending optogenetics. Cell. 141 (1), 154-165 (2010).
- Bernstein, J. G., Boyden, E. S. Optogenetic tools for analyzing the neural circuits of behavior. Trends in cognitive sciences. 15 (12), 592-600 (2011).
- Tye, K. M., Deisseroth, K. Optogenetic investigation of neural circuits underlying brain disease in animal models. Nature Reviews Neuroscience. 13 (4), 251 (2012).
- Mei, Y., Zhang, F. Molecular tools and approaches for optogenetics. Biological Psychiatry. 71 (12), 1033-1038 (2012).
- Kohara, K., et al. Cell type-specific genetic and optogenetic tools reveal hippocampal CA2 circuits. Nature Neuroscience. 17 (2), 269 (2014).
- Gombash, S. E. Adeno-Associated Viral Vector Delivery to the Enteric Nervous System: A Review. Postdoc Journal. 3 (8), 1-12 (2015).
- Haggerty, D. L., Grecco, G. G., Reeves, K. C., Atwood, B. Adeno-Associated Viral Vectors in Neuroscience Research. Molecular Therapy-Methods & Clinical Development. 17, 69-82 (2020).
- Montardy, Q., et al. Characterization of glutamatergic VTA neural population responses to aversive and rewarding conditioning in freely-moving mice. Science Bulletin. 64 (16), 1167-1178 (2019).
- Yizhar, O., Fenno, L. E., Davidson, T. J., Mogri, M., Deisseroth, K. Optogenetics in neural systems. Neuron. 71 (1), 9-34 (2011).
- Chamberlin, N. L., Du, B., de Lacalle, S., Saper, C. B. Recombinant adeno-associated virus vector: use for transgene expression and anterograde tract tracing in the CNS. Brain Research. 793 (1-2), 169-175 (1998).
- Zingg, B., et al. AAV-mediated anterograde transsynaptic tagging: mapping corticocollicular input-defined neural pathways for defense behaviors. Neuron. 93 (1), 33-47 (2017).
- Wang, C., Wang, C., Clark, K., Sferra, T. Recombinant AAV serotype 1 transduction efficiency and tropism in the murine brain. Gene therapy. 10 (17), 1528 (2003).
- Ahlgrim, N. S., Manns, J. R. Optogenetic Stimulation of the Basolateral Amygdala Increased Theta-Modulated Gamma Oscillations in the Hippocampus. Frontiers in Behavioral Neuroscience. 13, 87 (2019).
- Buzsaki, G., et al. Tools for probing local circuits: high-density silicon probes combined with optogenetics. Neuron. 86 (1), 92-105 (2015).
- Benardo, L. S., Prince, D. A. Dopamine action on hippocampal pyramidal cells. Journal of Neuroscience. 2 (4), 415-423 (1982).
- Davidow, J. Y., Foerde, K., Galvan, A., Shohamy, D. An Upside to Reward Sensitivity: The Hippocampus Supports Enhanced Reinforcement Learning in Adolescence. Neuron. 92 (1), 93-99 (2016).
- Hu, H. Reward and Aversion. Annual Review of Neuroscience. 39, 297-324 (2016).
- Kahn, I., Shohamy, D. Intrinsic connectivity between the hippocampus, nucleus accumbens, and ventral tegmental area in humans. Hippocampus. 23 (3), 187-192 (2013).
- Lisman, J. E. Relating hippocampal circuitry to function: recall of memory sequences by reciprocal dentate-CA3 interactions. Neuron. 22 (2), 233-242 (1999).
- Lisman, J. E., Grace, A. A. The hippocampal-VTA loop: controlling the entry of information into long-term memory. Neuron. 46 (5), 703-713 (2005).
- Broussard, J. I., et al. Dopamine Regulates Aversive Contextual Learning and Associated In Vivo Synaptic Plasticity in the Hippocampus. Cell Reports. 14 (8), 1930-1939 (2016).
- Hansen, N., Manahan-Vaughan, D. Dopamine D1/D5 receptors mediate informational saliency that promotes persistent hippocampal long-term plasticity. Cerebral Cortex. 24 (4), 845-858 (2014).
- Salvetti, B., Morris, R. G., Wang, S. H. The role of rewarding and novel events in facilitating memory persistence in a separate spatial memory task. Learning & Memory. 21 (2), 61-72 (2014).
- Ntamati, N. R., Luscher, C. VTA Projection Neurons Releasing GABA and Glutamate in the Dentate Gyrus. eNeuro. 3 (4), (2016).
- Yoo, J. H., et al. Ventral tegmental area glutamate neurons co-release GABA and promote positive reinforcement. Nature Communications. 7, 13697 (2016).
- Funahashi, S. Working Memory in the Prefrontal Cortex. Brain Sciences. 7 (5), (2017).
- Luo, A. H., Tahsili-Fahadan, P., Wise, R. A., Lupica, C. R., Aston-Jones, G. Linking context with reward: a functional circuit from hippocampal CA3 to ventral tegmental area. Science. 333 (6040), 353-357 (2011).
- McNamara, C. G., Dupret, D. Two sources of dopamine for the hippocampus. Trends in Neurosciences. 40 (7), 383-384 (2017).
- McNamara, C. G., Tejero-Cantero, A., Trouche, S., Campo-Urriza, N., Dupret, D. Dopaminergic neurons promote hippocampal reactivation and spatial memory persistence. Nature Neuroscience. 17 (12), 1658-1660 (2014).
- Cardin, J. A., et al. Targeted optogenetic stimulation and recording of neurons in vivo using cell-type-specific expression of Channelrhodopsin-2. Nature Protocols. 5 (2), 247-254 (2010).
- Mei, Y., Zhang, F. Molecular tools and approaches for optogenetics. Biological Psychiatry. 71 (12), 1033-1038 (2012).
- Zingg, B., et al. AAV-Mediated Anterograde Transsynaptic Tagging: Mapping Corticocollicular Input-Defined Neural Pathways for Defense Behaviors. Neuron. 93 (1), 33-47 (2017).
- Zhang, F., et al. The microbial opsin family of optogenetic tools. Cell. 147 (7), 1446-1457 (2011).
- Aravanis, A. M., et al. An optical neural interface: in vivo control of rodent motor cortex with integrated fiberoptic and optogenetic technology. Journal of Neural Engineering. 4 (3), 143-156 (2007).
- Oron, D., Papagiakoumou, E., Anselmi, F., Emiliani, V. Two-photon optogenetics. Progress in Brain Research. 196, 119-143 (2012).
