Monocular visuell deprivasjon og okulær dominans plasticity måling i musen primære visuelle cortex
Summary
Her presenterer vi detaljerte protokoller for monokulær synsberøvelse og okulær dominansplastisitetsanalyse, som er viktige metoder for å studere nevrale mekanismer for visuell plastisitet i den kritiske perioden og effekten av spesifikke gener på visuell utvikling.
Abstract
Monokulær visuell deprivasjon er et utmerket eksperimentelt paradigme for å indusere primær visuell kortikal responsplastisitet. Generelt er responsen av cortex til det kontralaterale øyet til en stimulans mye sterkere enn responsen fra det ipsilaterale øyet i det kikkertsegmentet av musens primære visuelle cortex (V1). I løpet av den pattedyrkritiske perioden vil suturering av det kontralaterale øyet føre til et raskt tap av respons av V1-celler til kontralateral øyestimulering. Med den kontinuerlige utviklingen av transgene teknologier bruker flere og flere studier transgene mus som eksperimentelle modeller for å undersøke effekten av spesifikke gener på okulær dominans (OD) plastisitet. I denne studien introduserer vi detaljerte protokoller for monokulær visuell deprivasjon og beregner endringen i OD-plastisitet i mus V1. Etter monokulær deprivasjon (MD) i 4 dager i den kritiske perioden måles orienteringsjusteringskurvene til hvert nevron, og justeringskurvene til lag fire nevroner i V1 sammenlignes mellom stimulering av ipsilaterale og kontralaterale øyne. Den kontralaterale biasindeksen (CBI) kan beregnes ved hjelp av hver celles okulære OD-poengsum for å indikere graden av OD-plastisitet. Denne eksperimentelle teknikken er viktig for å studere nevrale mekanismer for OD plastisitet i den kritiske perioden og for å kartlegge rollene til spesifikke gener i neural utvikling. Den store begrensningen er at den akutte studien ikke kan undersøke endringen i nevrale plastisitet av samme mus på et annet tidspunkt.
Introduction
Monokulær visuell deprivasjon er et utmerket eksperimentelt paradigme for å undersøke V1 plastisitet. For å studere viktigheten av visuell erfaring i nevrale utvikling, David Hubel og Torsten Wiesel1,2 fratatt kattunger av normal visjon i ett øye på ulike tidspunkter og i varierende tidsperioder. De observerte deretter endringene i responsintensitet i V1 for de fratatte og ikke-fratatte øynene. Resultatene viste et unormalt lavt antall nevroner som reagerte på øyet som hadde blitt suturert stengt i de første tre månedene. Svarene fra nevronene i kattungene forble imidlertid identiske i alle henseender til de av en normal voksen kattøye som ble sutured stengt i et år, og kattungene ble ikke gjenopprettet. MD hos voksne katter kan ikke indusere OD plastisitet. Derfor er virkningen av visuell erfaring på V1-ledninger sterk i en kort, veldefinert utviklingsfase, før og etter som de samme stimuli har mindre innflytelse. En slik fase av økt mottakelighet for visuell input er kjent som den kritiske perioden i visuell cortex.
Selv om musen er et nattlig dyr, har individuelle nevroner i mus V1 lignende egenskaper som nevroner funnet hos katter3,4,5. I de senere årene, med den raske utviklingen av transgen teknologi, har et økende antall studier i visuell nevrovitenskap brukt mus som en eksperimentell modell6,7,8. I musevisuelle studier bruker nevrologer mutanter og knockout-muselinjer, som tillater kontroll over musenes genetiske sammensetning. Selv om mus V1 mangler OD-kolonner, viser enkeltnevroner i V1 kikkertsonen betydelige OD-egenskaper. For eksempel reagerer de fleste celler sterkere på kontralateral stimulering enn til ipsilateral stimulering. Midlertidig lukking av ett øye i den kritiske perioden induserer et betydelig skifte i OD-indeksfordelingen9,10,11. Derfor kan MD brukes til å etablere en OD plastisitetsmodell for å undersøke hvordan gener involvert i nevrale utviklingsforstyrrelser påvirker kortikal plastisitet in vivo.
Her introduserer vi en eksperimentell metode for MD og foreslår en vanlig metode (elektrofysiologisk opptak) for å analysere endringen i OD-plastisitet under monokulær visuell deprivasjon. Metoden har vært mye brukt i mange laboratorier i mer enn 20 år12,13,14,15,16. Det finnes andre metoder som brukes til å måle OD-plastisiteten også, for eksempel kronisk visuelt fremkalt potensial (VEP) opptak17,og iboende optisk bildebehandling (IOI)18. Den betydelige fordelen med denne akutte metoden er at det er lett å følge, og resultatene er bemerkelsesverdig pålitelige.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi presenterer en detaljert protokoll for MD og måling av OD-plastisitet ved enkeltenhetsopptak. Denne protokollen er mye brukt i visuell nevrovitenskap. Selv om MD-protokollen ikke er komplisert, er det noen kritiske kirurgiske prosedyrer som må følges nøye. For det første er det to viktige detaljer som sikrer kvaliteten på sømmen. Suturen er tilstrekkelig stabil hvis stingene er konsentrert i den mediale delen av øyelokket. Videre påføres 3 μL lim på knutens hode for å øke stabiliteten til knuten for å f…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne studien ble støttet av National Natural Science Foundation of China (81571770, 81771925, 81861128001).
Materials
| 502 glue | M&G Chenguang Stationery Co., Ltd. | AWG97028 | |
| Acquizition card | National Instument | PCI-6250 | |
| Agarose | Biowest | G-10 | |
| Amplifier | A-M system | Model 1800 | |
| Atropine | Aladdin Bio-Chem Technology Co., Ltd | A135946-5 | |
| Brain Stereotaxic Apparatus | RWD Life Science Co.,Ltd | 68001 | |
| Cohan-Vannas spring scissors | Fine Science Tools | 15000-02 | |
| Contact Lenses Solutions | Beijing Dr. Lun Eye Care Products Co., Ltd. | GM17064 | |
| Cotton swabs | Henan Guangderun Medical Instruments Co.,Ltd | ||
| Fine needle holder | SuZhou Stronger Medical Instruments Co.,Ltd | CZQ1370 | |
| Forcep | 66 Vision Tech Co., Ltd. | 53320A | |
| Forcep | 66 Vision Tech Co., Ltd. | 53072 | |
| Forcep | 66 Vision Tech Co., Ltd. | #5 | |
| Heating pad | Stryker | TP 700 T | |
| Illuminator | Motic China Group Co., Ltd. | MLC-150C | |
| Isoflurane | RWD Life Science Co.,Ltd | R510-22 | |
| LCD monitor | Philips (China) Investment Co., Ltd. | 39PHF3251/T3 | |
| Microscope | SOPTOP | SZMT1 | |
| Noninvasive Vital Signs Monitor | Mouseox | ||
| Oil hydraulic micromanipulator | NARISHIGE International Ltd. | PC-5N06022 | |
| Petrolatum Eye Gel | Dezhou Yile Disinfection Technology Co., Ltd. | 17C801 | |
| Spike2 | Cambridge Electronic Design, Cambridge, UK | Spike2 Version 9 | |
| Surgical scissors | 66 Vision Tech Co., Ltd. | 54010 | |
| Surgical scissors | 66 Vision Tech Co., Ltd. | 54002 | |
| Suture Needle | Ningbo Medical Co.,Ltd | 3/8 arc 2.5*8 | |
| Tungsten Electrode | FHC, Inc | L504-01B | |
| Xylocaine | Huaqing |
References
- Hubel, D. H., Wiesel, T. N. Effects of monocular deprivation in kittens. Naunyn-Schmiedebergs Archiv für experimentelle Pathologie und Pharmakologie. 248 (6), 492-497 (1964).
- Daw, N. W., Fox, K., Sato, H., Czepita, D. Critical period for monocular deprivation in the cat visual cortex. Journal of Neurophysiology. 67 (1), 197-202 (1992).
- Guire, E. S., Lickey, M. E., Gordon, B. Critical period for the monocular deprivation effect in rats: assessment with sweep visually evoked potentials. Journal of Neurophysiology. 81 (1), 121-128 (1999).
- Wang, L., Sarnaik, R., Rangarajan, K. V., Liu, X., Cang, J. Visual receptive field properties of neurons in the superficial superior colliculus of the mouse. Journal of Neuroscience. 30 (49), 16573-16584 (2010).
- Niell, C. M. Cell Types, circuits, and receptive fields in the mouse visual cortex. Annual Review of Neuroscience. 38 (1), 413-431 (2015).
- Lee, S. H., et al. Activation of specific interneurons improves V1 feature selectivity and visual perception. Nature. 488 (8), 379-383 (2012).
- Cossell, L., et al. Functional organization of excitatory synaptic strength in primary visual cortex. Nature. 518 (2), 399-403 (2015).
- Lacaruso, M. F., Gasler, L. T., Hofer, S. B. Synaptic organization of visual space in primary visual cortex. Nature. 547 (7), 449-452 (2017).
- Metin, C., Godement, P., Imbert, M. The primary visual cortex in the mouse: Receptive field properties and functional organization. Experimental Brain Research. 69 (3), 594-612 (1988).
- Marshel, J. H., Garrett, M. E., Nauhaus, I., Callaway, E. M. Functional specialization of seven mouse visual cortical areas. Neuron. 72 (6), 1040-1054 (2011).
- Gordon, J. A., Stryker, M. P. Experience-dependent plasticity of binocular responses in the primary visual cortex of the mouse. The Journal of Neuroscience. 16 (10), 3274-3286 (1996).
- McGee, A. W., Yang, Y., Fischer, Q. S., Daw, N. W., Strittmatter, S. M. Experience-driven plasticity of visual cortex limited by myelin and Nogo receptor. Science. 309 (5744), 2222-2226 (2005).
- Sawtell, N. B., et al. NMDA receptor-dependent ocular dominance plasticity in adult visual cortex. Neuron. 38 (6), 977-985 (2003).
- Hofer, S. B., Mrsic-Flogel, T. D., Bonhoeffer, T., Hubener, M. Prior experience enhances plasticity in adult visual cortex. Nature Neuroscience. 9 (12), 127-132 (2006).
- Crozier, R. A., Wang, Y., Liu, C., Bear, M. F. Deprivation-induced synaptic depression by distinct mechanisms in different layers of mouse visual cortex. Proceedings of the National Academy of Sciences. 104 (4), 1383-1388 (2007).
- Tagawa, Y., Kanold, P. O., Majdan, M., Shatz, C. J. Multiple periods of functional ocular dominance plasticity in mouse visual cortex. Nature Neuroscience. 8 (3), 380-388 (2005).
- Lickey, M. E., Pham, T. A., Gordon, B. Swept contrast visual evoked potentials and their plasticity following monocular deprivation in mice. Vision Research. 44, 3381-3387 (2004).
- Cang, J., Kalatsky, V. A., Lowel, S., Stryker, M. P. Optical imaging of the intrinsic signal as a measure of cortical plasticity in the mouse. Vision Neuroscience. 22 (5), 685-691 (2005).
- Khan, I. U., et al. Evaluation of different suturing techniques for cystotomy closure in canines. Journal of Animal & Plant Sciences. 23 (4), 981-985 (2013).
- Weisman, D. L., Smeak, D. D., Birchard, S. J., Zweigart, S. L. Comparison of a continuous suture pattern with a simple interrupted pattern for enteric closure in dogs and cats: 83 cases (1991-1997). Journal of the American Veterinary Medical Association. 214 (10), 1507-1510 (1999).
- Heneghan, C. P. H., Thornton, C., Navaratnarajah, M., Jones, J. G. Effect of isoflurane on the auditory evoked response in man. BJA: British Journal of Anaesthesia. 59 (3), 277-282 (1987).
- Mitzdorf, U. Current source-density method and application in cat cerebral cortex: investigation of evoked potentials and EEG phenomenal. Physiological Reviews. 65 (1), 37-100 (1985).
