我们提出了一种专门针对成人 德罗索菲拉 在行为和刺激过程中的整个大脑进行成像的方法。头部被定位为允许光学访问整个大脑,而苍蝇可以移动其腿和天线,前体尖端,眼睛可以接收感官刺激。
我们介绍了一种专门为在行走等持续行为中对整个 德罗索菲拉 大脑进行成像的方法。优化头部固定和解剖,以尽量减少它们对行为的影响。这是首先通过使用将运动障碍降至最低的支架实现的。苍蝇的后脑勺粘在这个支架上的角度,允许光学访问整个大脑,同时保持苍蝇的行走,新郎,嗅觉,味道和看到的能力。对后脑勺进行解剖,以去除光学路径中的组织和负责头部运动人工制品的肌肉。飞脑随后可以被成像来记录大脑活动,例如使用钙或电压指示器,在特定的行为,如行走或梳妆,并响应不同的刺激。一旦具有挑战性的解剖,这需要大量的实践,已经掌握,这项技术允许记录丰富的数据集有关整个大脑活动的行为和刺激反应。
使用各种技术成像大脑活动加深了对大脑功能的理解。在人类中,大脑成像技术有重要的局限性:虽然功能性磁共振成像(fMRI)提供的时空分辨率远远低于单个神经元分辨率,但快速技术,如脑电图(EEG),只允许间接和部分进入大脑1。在足够大的动物模型,如啮齿动物,记录荧光活动传感器(如,GCaMP)使用头戴显微镜允许观察大脑活动,而动物在其环境中移动2。然而,这些技术目前只允许进入大脑的一小部分。头固定动物可以更全面地成像,但覆盖范围仍然是部分的(例如皮层表面3)。只有在小动物,如斑马鱼幼虫,C.elegans和德罗索菲拉,整个大脑可以图像与时间和空间分辨率的水平或接近单一神经元4。
D.梅拉诺加斯特是特别有希望的,因为它长期以来一直被用作遗传模型生物体5和强大的遗传工具已经开发6。辅之以由电子显微镜7衍生而成的新型大规模解剖网络,苍蝇可以为研究大型网络8产生的复杂大脑动力学提供独特的机会。虽然地层不透明,因此必须去除以成像大脑,但自2002年9月首次研究以来,体内功能成像已变得越来越普遍,并且已经发布了一些协议。但是, 这些方法包括要么将苍蝇头与身体10分离,严重限制苍蝇的运动和/或对刺激11、12、13、14、15的反应,要么只允许一小部分 大脑的图像9,16,25,26,27,17,18,19,20,21,22,23,24。为了补充这些强大的方法,我们最近开发了一个准备图像整个大脑的行为和反应的各种刺激28。
在这里,我们以这项研究为基础,提出一种专门为整个大脑成像而开发的方法,而苍蝇则执行半自然行为(即行走和梳妆),并响应感官刺激。这是通过使用一个观察支架实现的,该观察支架设计用于从后部进入整个大脑,同时保持天线和前臂完好无损,并允许苍蝇移动其腿部行走(例如,在气垫球上)。剖析后脑勺的步骤经过了改进,以加快速度、可重复性,并最大限度地减少它们对苍蝇生存能力和移动性的影响。
嗜血杆菌 是罕见的成年动物之一,在复杂的行为中可以成像整个大脑。在这里,我们提出了一种方法,准备苍蝇,并暴露其整个大脑图像正在进行的整个大脑活动。应注意若干要点。
解剖像 德拉诺加斯特 这样的小动物是具有挑战性的。因此,这种方法需要大量的实践和耐心来掌握它。但是,培训后,该过程需要不到 30 分钟,并产生可重复的结果。
我们介绍的方法有额外的限制。首先,将苍蝇头从其自然位置倾斜会导致伸展颈部,从而可能损害结缔组织、神经或肌肉。第二,虽然心室食道区(SEZ)是光学可访问的,但它低于半透明食道,这降低了这一区域的强度和分辨率。最后,虽然持有人在大多数方向是遥不可及的,苍蝇有时仍然意识到它的存在,并推动它试图逃脱。
尽管有这些限制,但从整个大脑成像过程中获得的全面数据以及对刺激的反应将使动物与复杂自然环境相互作用和导航时,能够破译整个网络水平的大脑功能。
The authors have nothing to disclose.
我们感谢海蒂·米勒-莫默斯坎普的技术帮助和伊夫斯·梅丽莎·瓜蒂邦扎·阿雷瓦洛对手稿的有益评论。该协议的最初版本是在拉尔夫·格林斯潘的实验室里开发的。这项工作得到了德国研究基金会(DFG)的支持,特别是通过向IGK提供2705(TP3)赠款,以及由SA接收的西蒙斯基金会(Aimon – 414701)和卡夫利大脑与思维研究所(赠款编号#2017-954)支持。
#5 forceps | FST by DUMONT | 11252-30 | straight tip 0.05 x 0.02 mm, Dumoxel, 11 cm long |
#55 forceps | FST by DUMONT | 11255-20 | straight tip 0.05 x 0.02 mm, Inox, 11 cm long |
30x oculars | yegren | WF30-9-30-H | WF30X/9 High Eye-point Eyepiece Wide Field View Ocular Optical Lens for Stereo Microscope or Biological Microscope 30X, 30mm without Reticle |
AHOME/UV flashlight | Shenzhen Yijiawan Technology Co., Ltd | B07V2W9543 (ASIN) | 365 nm |
Fotoplast Gel/UV Glue | Dreve Otoplastik GmbH | 44791 | GHS07, GHS08 |
Gloss Finish Transparent Tape | 3M Scotch | ||
KIMTECH Science/Precision wipes | Kimberly-Clark Professional | 7552 | 11 x 21 cm |
KL 1500 LCD/Microscope light | Schott | ||
Leica MS5 Microscope | Leica | WF30X/9 | |
Nail Lacqueur | Opi Products Inc., N. Hollywood | 6306585338 | black |
Saline: Hepes NaH2PO4 NaHCO3 MgCl2 CaCl2 NaCl KCl sucrose threalose | Sigma Aldrich | ||
Scalpel | Werner Dorsch GmbH | 78 621; B07SXCXWFS (ASIN) | soft handle |
Vacuum grease | Dow corning | 0020080 /100 gr | Moly Kote 111 Compound Grease Grease Valve Stamp 100 g |