En stor lateral kraniotomiprocedure for mesoscale bredfelt optisk billeddannelse af hjerneaktivitet
Summary
Denne protokol udgør en metode til at skabe en stor ensidig kraniotomi over tidsmæssige og parietale områder af mus hjernebarken. Dette er specielt nyttigt for sandtidafbildning over et ekspansiv område af en hjernehalvdel.
Abstract
Kraniotomi er en almindeligvis udføres procedure for at blotlægge hjernen til in vivo eksperimenter. I muse forskning, de fleste laboratorier anvender en lille kraniotomi, typisk 3 mm x 3 mm. Denne protokol indfører en metode til at skabe en væsentlig større 7 mm x 6 mm kraniel vindue udsætter det meste af en cerebral hemisfære over muse tidsmæssige og parietale cortex (f.eks bregma 2,5-4,5 mm, lateral 0 – 6 mm). For at udføre denne operation, skal hovedet vippes ca. 30 ° og meget af Tindingmusklen skal trækkes tilbage. På grund af den store mængde af knoglefjernelse er denne procedure kun beregnet til akutte forsøg med dyret bedøvet under hele operationen og eksperiment.
Den største fordel ved denne innovative store laterale kraniel vindue er at give samtidig adgang til både mediale og laterale områder af cortex. Denne store ensidige kraniel vindue kan anvendes til at studere de neurale dynamik mellem celler,samt mellem forskellige kortikale områder ved at kombinere flere elektrodeholdere elektrofysiologiske optagelser, billeddannelse af neuronal aktivitet (fx indre eller ydre billeddannelse), og optogenetic stimulation. Desuden er denne store kraniotomi også udsætter et stort område af kortikale blodkar, der giver mulighed for direkte manipulation af den laterale kortikale vaskulatur.
Introduction
Kraniotomi er en standardprocedure, som neurovidenskaberne bruger til at afsløre en del af hjernen. Siden starten af elektrofysiologi har kraniotomi muliggjort usædvanlige gennembrud inden for neurovidenskab. Tæt kortlægning af cerebral cortex med elektroder har ført til forsøg, der tester hypoteser og teorier baseret på disse kort. Vi er for nylig kommet ind i en ny æra, hvor kraniotomi anvendes til in vivo billeddannelse af cortical blodgennemstrømning 1 , 2 , 3 og neurovaskulær arkitektur 4 , der muliggør real-time visualisering af kortikal aktivitet inden for de udsatte områder 5 , 6 , 7 . Selvom mange studier bruger craniotomier kombineret med in vivo optiske billedteknikker til at studere strukturen og funktionen af kortikale neuroner, glia og cortiske vaskulatur 8, 9 er yderligere undersøgelser begrænset af små områder af blotlagt cortex (men se 10).
Formålet med denne protokol er at tilvejebringe en fremgangsmåde til at skabe en stor lateral kraniotomi, udsætter hjernebarken fra midterlinjen til squamosal knogle, og strækker sig ud over bregma og lambda. Denne store kraniotomi muliggør samtidig modtagelse af foreningen cortex (retrospenialis, cingulate, og parietale), primær og sekundær motor, somatosensoriske, visuelle og auditive cortex. Denne fremgangsmåde er tidligere blevet kombineret med spænding følsomt farvestof imaging (VSDI) for at undersøge, hvordan flere kortikale områder interagerer med hinanden under spontan og stimulus-induceret cortical aktivitet 5, 11, 12. De mest udfordrende aspekter af denne procedure omfatter placering af hovedetaf dyret, fastsættelse hovedpladen, og undgå blødning mens adskillelse Tindingmusklen fra parietalknoglen. Det må desuden tages i de bore- og kraniet fjernelsesprocesser som skallen kurver i en skrå vinkel.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne innovative protokol for et stort kranie vindue muliggør samtidig billedbehandling over tidsmæssige og parietale områder af hjernebarken. Kombineret med optisk afbildning, kan det hjælpe at afsløre neurale dynamik inden kortikale områder under spontan og stimulus-induceret aktivitet. Denne ekspansive kraniotomi udsætter også en stor udvidelse af den korticale vaskulatur netværket, herunder den proximale ende af den midterste cerebrale arterie (MCA), muliggør in vivo-billeddannelse af blodstrømme…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af en naturvidenskab og teknik Forskningsråd of Canada (NSERC) Discovery Grant # 40.352, Campus Alberta for innovation Stol, Alberta Alzheimer Research Program til at MHM, og NSERC CREATE i BIF ph.d. fællesskab og AIHS postgraduate fællesskab til MK. Vi takker Pu Min Wang for udviklingen af denne protokol og til kirurgisk træning, og Behroo Mirza Agha og Di Shao for dyrehold.
Materials
| Heating Pad | FHC | 40-90-2 | |
| Fine Scissors | Fine Science Tools | 14058-09 | |
| Forceps | Fine Science Tools | 11251-35 | 2 or more pairs are recommended |
| Spring scissors | Fine Science Tools | 15000-00, 15000-10 | 1 pair should be designated for dura removal |
| Jet tooth shade powder | LANG Dental | Jet Tooth Shade Powder | to be mixed with the Jet Liquid |
| Jet tooth shade liquid | LANG Dental | Jet Tooth Shade Liquid | to be mixed wihth the Jet Powder |
| Drill Heads – Carbide Burs FG 1/4 389 | Midwest Dental | 385201 | |
| Agarose Powder | Sigma-Aldrich | A9793 | |
| Gelfoam | Sinclair Dental Canada | Pfizer Gelfoam | |
| Isoflurane | Western Drug Distribution Centre Ltd | 124125 | |
| Lidocaine 2% Epinephrine | Western Drug Distribution Centre Ltd | 125299 | |
| Dexamethazone 5 mg/mL | Western Drug Distribution Centre Ltd | 125231 | |
| Butyl cyanoacrylate glue (VetBond) | Western Drug Distribution Centre Ltd | 12612 |
Referências
- Sigler, A., Mohajerani, M. H., Murphy, T. H. Imaging rapid redistribution of sensory-evoked depolarization through existing cortical pathways after targeted stroke in mice. Proc Natl Acad Sci U S A. 106 (28), 11759-11764 (2009).
- Shih, A. Y., et al. Two-photon microscopy as a tool to study blood flow and neurovascular coupling in the rodent brain. J Cereb Blood Flow Metab. 32 (7), 1277-1309 (2012).
- Grinvald, A., Hildesheim, R. VSDI: a new era in functional imaging of cortical dynamics. Nat Rev Neurosci. 5 (11), 874-885 (2004).
- Blinder, P., Shih, A. Y., Rafie, C., Kleinfeld, D. Topological basis for the robust distribution of blood to rodent neocortex. Proc Natl Acad Sci U S A. 107 (28), 12670-12675 (2010).
- Mohajerani, M. H., et al. Spontaneous cortical activity alternates between motifs defined by regional axonal projections. Nat Neurosci. 16 (10), 1426-1435 (2013).
- Mohajerani, M. H., McVea, D. A., Fingas, M., Murphy, T. H. Mirrored bilateral slow-wave cortical activity within local circuits revealed by fast bihemispheric voltage-sensitive dye imaging in anesthetized and awake mice. J Neurosci. 30 (10), 3745-3751 (2010).
- Lippert, M. T., Takagaki, K., Xu, W., Huang, X., Wu, J. Y. Methods for voltage-sensitive dye imaging of rat cortical activity with high signal-to-noise ratio. J Neurophysiol. 98 (1), 502-512 (2007).
- Misgeld, T., Kerschensteiner, M. In vivo imaging of the diseased nervous system. Nat Rev Neurosci. 7 (6), 449-463 (2006).
- Kerr, J. N., Denk, W. Imaging in vivo: watching the brain in action. Nat Rev Neurosci. 9 (3), 195-205 (2008).
- Aronoff, R., et al. Long-range connectivity of mouse primary somatosensory barrel cortex. Eur J Neurosci. 31 (12), 2221-2233 (2010).
- McVea, D. A., Mohajerani, M. H., Murphy, T. H. Voltage-sensitive dye imaging reveals dynamic spatiotemporal properties of cortical activity after spontaneous muscle twitches in the newborn rat. J Neurosci. 32 (32), 10982-10994 (2012).
- Sweetnam, D., et al. Diabetes impairs cortical plasticity and functional recovery following ischemic stroke. J Neurosci. 32 (15), 5132-5143 (2012).
- Yin, Y. Q., et al. In vivo field recordings effectively monitor the mouse cortex and hippocampus under isoflurane anesthesia. Neural Regeneration Research. 11 (12), 1951-1955 (2016).
- Sharp, P. S., et al. Comparison of stimulus-evoked cerebral hemodynamics in the awake mouse and under a novel anesthetic regime. Scientific Reports. 5, 12621 (2015).
- Kyweriga, M., Mohajerani, M. H., Kianianmomeni, A. Optogenetics: Methods and Protocols. Methods in Molecular Biology. 1408, 251-265 (2016).
- Grutzendler, J., Gan, W. B. . Imaging in neuroscience and development : a laboratory manual. , (2005).
- Vanni, M. P., Murphy, T. H. Mesoscale transcranial spontaneous activity mapping in GCaMP3 transgenic mice reveals extensive reciprocal connections between areas of somatomotor cortex. J Neurosci. 34 (48), 15931-15946 (2014).
- Xie, Y., et al. Resolution of High-Frequency Mesoscale Intracortical Maps Using the Genetically Encoded Glutamate Sensor iGluSnFR. J Neurosci. 36 (4), 1261-1272 (2016).
- Chan, A. W., Mohajerani, M. H., LeDue, J. M., Wang, Y. T., Murphy, T. H. Mesoscale infraslow spontaneous membrane potential fluctuations recapitulate high-frequency activity cortical motifs. Nat Commun. 6, 7738 (2015).
- Lim, D. H., et al. In vivo Large-Scale Cortical Mapping Using Channelrhodopsin-2 Stimulation in Transgenic Mice Reveals Asymmetric and Reciprocal Relationships between Cortical Areas. Front Neural Circuits. 6, (2012).
- Ferezou, I., et al. Spatiotemporal dynamics of cortical sensorimotor integration in behaving mice. Neuron. 56 (5), 907-923 (2007).
- Mohajerani, M. H., Aminoltejari, K., Murphy, T. H. Targeted mini-strokes produce changes in interhemispheric sensory signal processing that are indicative of disinhibition within minutes. Proc Natl Acad Sci U S A. 108 (22), E183-E191 (2011).
- Madisen, L., et al. Transgenic mice for intersectional targeting of neural sensors and effectors with high specificity and performance. Neuron. 85 (5), 942-958 (2015).
