Конвекция Расширенная доставка оптогенетической адено-ассоциированной вирусного вектора в кору ресуса макаки под руководством онлайн МРТ изображений
Summary
Здесь мы демонстрируем магнитно-резонансную (MR) конвекцию повышенной доставки (CED) вирусных векторов в кору как эффективный и упрощенный подход для достижения оптогенетической экспрессии в больших корковых областях в мозге макаки.
Abstract
В оптогенетике нечеловеческих приматов (NHP) заражение крупных корковых участков вирусными переносчиками часто является трудной и трудоемкой задачей. Здесь мы демонстрируем использование магнитно-резонансной (MR) конвекции расширенной доставки (CED) оптогенетических вирусных векторов в первичные соматосенсорные (S1) и моторные (M1) кортики макаки для получения эффективного, широко распространенного коркового экспрессии светочувствительных ионных каналов. Адено-ассоциированные вирусные (AAV) векторы, кодирующие красно-сдвинутый опсин C1V1, слитый с желтым флуоресцентным белком (EYFP), были введены в кору резус-макак под MR-управляемым CED. Три месяца после вливания эпифлюоресцентная визуализация подтвердила большие областиоптогенетической экспрессии (130 мм 2) в М1 и С1 в двух макаках. Кроме того, мы смогли зафиксировать надежные световые реакции электрофизиологии из выражающихся областей с помощью микроэлектрокортикографических массивов. Позже гистологический анализ и иммуностоинирование в отношении репортера выявили широко распространенную и плотную оптогенетическую экспрессию в М1 и С1, соответствующую распределению, указанному эпифлуоресцентной визуализацией. Этот метод позволяет нам получить экспрессию на больших участках коры головного мозга в течение более короткого периода времени с минимальным ущербом по сравнению с традиционными методами и может быть оптимальным подходом для оптогенетических вирусных родов у крупных животных, таких как NHPs. Такой подход демонстрирует большой потенциал для сетевого уровня манипуляции нейронных цепей с клеточной типом специфичности в животных моделях эволюционно близко к человеку.
Introduction
Оптогенетика является мощным инструментом, который позволяет манипулировать нервной деятельностью и изучение сетевых связей в головном мозге. Внедрение этой методики в нечеловеческих приматах (NHPs) имеет потенциал для улучшения нашего понимания крупномасштабных нейронных вычислений, познания и поведения в мозге приматов. Хотя оптогенетика была успешно реализована вNHPs в последние годы 1,2,3,4,5,6,7, вызов, который Исследователи сталкиваются достигает высокого уровня экспрессии через большие области мозга у этих животных. Здесь мы обеспечиваем эффективный и упрощенный подход для достижения высокого уровня оптогенетической экспрессии на больших участках коры головного мозга у макак. Этот метод имеет большой потенциал для улучшения текущих оптогенетических исследованийу этих животных в сочетании с современной записи 8,9 и оптической стимуляции10 технологий.
Конвекция расширенные поставки (CED) является установленным методом доставки фармакологических агентов и других крупных молекул, в том числе вирусных векторов, в центральную нервную систему11,12,13. В то время как обычные методы доставки включают в себя несколько небольших вливаний, распределенных по небольшим областям мозга, CED может достичь более широкого и даже распределения агентов с меньшим количеством вливаний. Давление управляемых объемных потока жидкости (конвекция) во время инфузии позволяет более широко и равномерно распределенной трансдукции целевой ткани при доставке вирусных векторов с CED. В недавних исследованиях мы продемонстрировали трансдукцию и последующее оптогенетическое выражение больших участков первичного двигателя (M1) и соматосенсорных (S1) кортиков9 и таламуса14 с помощью магнитно-резонансного (MR) управляемого CED.
Здесь мы планируем использование CED для достижения оптогенетической экспрессии в больших корковых областях только с несколькими инъекциями корковых.
Protocol
Representative Results
Discussion
Здесь мы намечаем осуществимую и эффективную технику для достижения крупномасштабной оптогенетической экспрессии в первичной соматосенсорной и моторной коре NHP с помощью MR-управляемого CED. Использование MR-управляемого CED представляет значительные преимущества по сравнению с традици…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Американской ассоциации сердца постдокторской стипендий (AY), обороны Расширенные исследовательские проекты агентства (DARPA) Реорганизация и пластичность для ускорения восстановления травматизма (REPAIR; N66001-10-C-2010), R01. NS073940, и UCSF неврологии Imaging центр. Эта работа была также поддержана Национальным институтом здоровья детей и человеческого потенциала Национальных институтов здравоохранения имени Эунис Кеннеди-Шивер по премии K12HD073945, Вашингтонским национальным исследовательским центром приматов (WaNPCR, P51 OD010425) и Центр нейротехнологий (CNT, Научно-исследовательский центр Инженерного исследовательского центра Национального научного фонда при Гранте EEC-1028725). Мы благодарим Камило Диас-Ботия, Тима Хэнсона, Виктора Харазия, Даниэля Сильверсмита, Карен Маклеод, Джулиану Милани и Блейкли Эндрюса за помощь в проведении экспериментов и Нан Тянь, Цзивэй Хэ, Питера Ледоховича, Мишеля Махарбиза и Тони Хауна за техническую помощь.
Materials
| 0.2 mL High Pressure IV Tubing | Smiths Medical Inc., Dublin, OH, USA | 533640 | |
| 0.32 mm ID, 0.43 mm OD Silica Tubing | Polymicro Technologies | 1068150027 | |
| 0.45 mm ID, 0.76 mm OD Silica Tubing | Polymicro Technologies | 1068150625 | |
| AAV2.5-CamKII-C1V1-EYFP | Penn Vector Core, University of Pennsylvania | ||
| ABS plastic | Stratasys, MN, USA | ABSplus-P430 | |
| Antimicrobial incise drape | 3M | 6650EZ | Ioban Drape |
| Dental Acrylic | Henry Schein, Inc. | 1013117 | Acrylic Bonding Agent |
| Elevators | VWR International, LLC. | 10196-564 | Langenbeck Elevator, Wide Tip |
| Fine suture | McKesson Medical-Surgical Inc. | 1034505 | |
| Gadoteridol | Prohance, Bracco Diagnostics, Princeton, NJ | 0270-1111-04 | |
| Laser for light stimulation | Omicron-Laserage, Germany | PhoxX 488-60 | |
| MR compatible 3cc syringe | Harvard apparatus, Holliston, MA, USA | 59-8377 | |
| MR Imaging Software | Pixmeo | OsiriX MD 10.0 | |
| MR-Compatible Pump | Harvard apparatus, Holliston, MA, USA | Harvard PHD 2000 | |
| MR-compatible stereotaxic frame | KOPF | 1430M MRI | |
| Perifix Clamp Style Catheter Connector | B-Braun, Bethlehem, PA, USA | N/A | |
| Plastic Screws | Plastics 1 | 0-80 x 1/8N | Nylon screws |
| Titanium screws | Crist Instrument Co., Inc. | 6-YCX-0312 | Self-tapping bone screws |
| Trephine | GerMedUSA Inc, | SKU:GV70-42 | |
| uPrinter SE 3D printer | Stratasys, MN, USA | N/A | |
| Vitamin E Capsule | Pure Encapsulations, LLC. | DE1 | |
| Wet sterile absorbable gelatin | Pfizer Inc. | AZL0009034201 | Gelfoam |
Riferimenti
- Ruiz, O., et al. Optogenetics through windows on the brain in the nonhuman primate. Journal of Neurophysiology. 110 (6), 1455-1467 (2013).
- Diester, I., et al. An optogenetic toolbox designed for primates. Nature Neuroscience. 14 (3), 387-397 (2011).
- Ohayon, S., Grimaldi, P., Schweers, N., Tsao, D. Y. Saccade modulation by optical and electrical stimulation in the macaque frontal eye field. Journal of Neuroscience. 33 (42), 16684-16697 (2013).
- Gerits, A., et al. Optogenetically induced behavioral and functional network changes in primates. Current Biology. 22 (18), 1722-1726 (2012).
- Jazayeri, M., Lindbloom-Brown, Z., Horwitz, G. D. Saccadic eye movements evoked by optogenetic activation of primate V1. Nature Neuroscience. 15 (10), 1368-1370 (2012).
- Dai, J., Brooks, D. I., Sheinberg, D. L. Optogenetic and electrical microstimulation systematically bias visuospatial choice in primates. Current Biology. 24 (1), 63-69 (2014).
- Afraz, A., Boyden, E. S., DiCarlo, J. J. Optogenetic and pharmacological suppression of spatial clusters of face neurons reveal their causal role in face gender discrimination. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (21), 6730-6735 (2015).
- Ledochowitsch, P., et al. Strategies for optical control and simultaneous electrical readout of extended cortical circuits. Journal of Neuroscience Methods. 256, 220-231 (2015).
- Yazdan-Shahmorad, A., et al. A Large-Scale Interface for Optogenetic Stimulation and Recording in Nonhuman Primates. Neuron. 89 (5), 927-939 (2016).
- Ju, N., Jiang, R., Macknik, S. L., Martinez-Conde, S., Tang, S. Long-term all-optical interrogation of cortical neurons in awake-behaving nonhuman primates. PLoS Biology. 16 (8), e2005839 (2018).
- Bankiewicz, K. S., et al. Convection-enhanced delivery of AAV vector in parkinsonian monkeys; in vivo detection of gene expression and restoration of dopaminergic function using pro-drug approach. Experimental Neurology. 164 (1), 2-14 (2000).
- Kells, A. P., et al. Efficient gene therapy-based method for the delivery of therapeutics to primate cortex. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 (7), 2407-2411 (2009).
- Krauze, M. T., et al. Reflux-free cannula for convection-enhanced high-speed delivery of therapeutic agents. Journal of Neurosurgery. 103 (5), 923-929 (2005).
- Yazdan-Shahmorad, A., et al. Widespread optogenetic expression in macaque cortex obtained with MR-guided, convection enhanced delivery (CED) of AAV vector to the thalamus. Journal of Neuroscience Methods. 293, 347-358 (2018).
- Yazdan-Shahmorad, A., Silversmith, D. B., Kharazia, V., Sabes, P. N. Targeted cortical reorganization using optogenetics in non-human primates. Elife. 7, (2018).
- Yazdan-Shahmorad, A., et al. Demonstration of a setup for chronic optogenetic stimulation and recording across cortical areas in non-human primates. SPIE BiOS. , (2015).
- Lerchner, W., Corgiat, B., Der Minassian, V., Saunders, R. C., Richmond, B. J. Injection parameters and virus dependent choice of promoters to improve neuron targeting in the nonhuman primate brain. Gene Therapy. 21 (3), 233-241 (2014).
- Acker, L., Pino, E. N., Boyden, E. S., Desimone, R. FEF inactivation with improved optogenetic methods. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (46), (2016).
- Bobo, R. H., et al. Convection-enhanced delivery of macromolecules in the brain. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 91 (6), 2076-2080 (1994).
- Lieberman, D. M., Laske, D. W., Morrison, P. F., Bankiewicz, K. S., Oldfield, E. H. Convection-enhanced distribution of large molecules in gray matter during interstitial drug infusion. Journal of Neurosurgery. 82 (6), 1021-1029 (1995).
- Lonser, R. R., Gogate, N., Morrison, P. F., Wood, J. D., Oldfield, E. H. Direct convective delivery of macromolecules to the spinal cord. Journal of Neurosurgery. 89 (4), 616-622 (1998).
- Szerlip, N. J., et al. Real-time imaging of convection-enhanced delivery of viruses and virus-sized particles. Journal of Neurosurgery. 107 (3), 560-567 (2007).
