Okuläre Kinematik gemessen durch In-vitro- Stimulation der Hirnnerven in die Schildkröte
Summary
Dieses Protokoll beschreibt, wie eine in-vitro- isoliert Schildkröte Kopf Vorbereitung zu verwenden, um die Kinematik des ihre Augenbewegungen zu messen. Nach der Entnahme des Gehirns aus dem Schädel können Hirnnerven mit Strömungen, Drehungen des Auges und Veränderungen der Pupille Größen quantifizieren angeregt werden.
Abstract
Nachdem Tiere eingeschläfert werden, beginnen ihre Gewebe zu sterben. Schildkröten bieten einen Vorteil wegen eine längere Überlebenszeit von ihrem Gewebe, vor allem im Vergleich zu warmblütige Wirbeltiere. Aus diesem Grund können in-vitro- Experimente in der Schildkröten für längere Zeit zu untersuchen, die neuronale Signale und Kontrolle ihrer Ziel-Aktionen durchgeführt werden. Mit einem isolierten Leiter Vorbereitung, wir Maßen die Kinematik der Augenbewegungen in Schildkröten und deren Modulation durch elektrische Signale, die von Hirnnerven durchgeführt. Nachdem das Gehirn aus dem Schädel entfernt wurde, war intakt die Hirnnerven, seziert Kopf in eine kardanische Augenbewegungen zu kalibrieren platziert. Glaselektroden wurden angebracht, um Hirnnerven (okulomotorischen, trochlear, und rectus) und stimulierte mit Strömungen, Augenbewegungen zu erwähnen. Wir überwachen Augenbewegungen mit einem Infrarot-Video-tracking-System und quantifizierte Rotationen der Augen. Strom-Impulse mit einer Reihe von Amplituden, Frequenzen, und Zug Dauer wurden verwendet, um die Auswirkungen auf die Reaktionen zu beobachten. Da die Vorbereitung vom Gehirn getrennt ist, kann der ableitenden Weg zu Muskel-Ziele isoliert untersuchen neuronale Signalisierung bei fehlender zentral verarbeitet sensorische Informationen untersucht werden.
Introduction
Begründung für die Verwendung von rot-eared Slider Schildkröten in elektrophysiologischen Experimenten:
Rot-eared Slider Schildkröten (ist Scripta Elegans), gelten als eine der weltweit schlimmsten invasiven Arten1 und können angeben, dass ein Ökosystem in Schwierigkeiten ist. Rot-eared Slider Schildkröten sind deshalb so erfolgreich ist wenig bekannt, aber es kann teilweise durch ihre tolerante Physiologie und des Besitzes von Nervengewebe, die unter hypoxischen Bedingungen2,3,4 überleben können . Verwenden sie für Experimente nicht ihre Zahl gefährdet und mit minimalem Aufwand, elektrophysiologische Vorbereitungen lebensfähig über längere Dauer, so lange wie 18 Stunden5,6 bleiben können. Der Vorteil ist ähnlich wie der Vorteil der Verwendung von wirbellosen Tiere wie Krebse7, die auch geringe Mengen an Sauerstoff8standhalten können.
Techniken zur Messung der Augenbewegungen:
Ansätze zur Messung der Augenbewegungen in Frontal-eyed Tiere mit nicht-menschlichen Primaten sind gut entwickelte9gewesen. Das Auge dreht sich im Orbit um drei Achsen: horizontale, vertikale und Torsionssteifigkeit. Die magnetische Spule Suchmethode gilt allgemein als die zuverlässigste Messung Umdrehungen, aber ist invasiv und erfordert kleine Spulen in den Scleras der Tiere10,11eingefügt werden soll. Video-basierte Systeme können auch Rotationen Messen und haben den Vorteil, nicht-invasiv. Die Entwicklung von besseren Kameras zusammen mit innovativen Bildverarbeitung verbessert ihre Funktionalität, Video-basierte Systeme eine attraktive Alternative zu erwägen,12,13,14.
Techniken entwickelt, die zur Messung der Augenbewegungen in Nonmammals wurden viel weniger bedeutend. Maßnahmen sind entweder niedrige Auflösung oder beschreiben nur einige Umdrehungen15,16,17,18. Der Mangel an Entwicklung kann teilweise auf die Schwierigkeiten bei der Ausbildung Nonmammals, visuellen Ziele Folgen verantwortlich gemacht werden. Obwohl Augenbewegungen auch in rot-eared Slider Schildkröten19,20,21,22,23,24,25 untersucht wurden ,26,27,28,29,30, wegen der Herausforderung in Ausbildung Tiere verfolgen Ziele, die präzise Kinematik des ihre Augenbewegungen ist schlecht verstanden.
Rot-eared Slider Schildkröten gelten in der Regel Lateral-eyed Wirbeltiere, sondern weil sie ihre Köpfe in ihre Schale31vollständig zurückziehen können, erhebliche Okklusion der seitlichen Gesichtsfeld durch die Panzer tritt32. Das Ergebnis ist, dass ihre visuelle Sichtverbindung nach vorne, so dass sie eher wie Frontal-eyed Säugetiere Verhalten gezwungen ist. Ihre Verwendung als Modell für die Entwicklung von Ansätzen zur Messung der Augenbewegungen bietet daher auch eine einzigartige evolutionäre Perspektive.
In dieser Arbeit beschriebene Protokoll verwendet eine in-vitro- isoliert Kopf Vorbereitung um die Kinematik der Augenbewegungen in rot-eared Slider Schildkröten zu identifizieren. Gehirne sind aus den Schädeln der Hirnnerven intakt seziert. Köpfe sind in eine kardanische kalibrieren Augenbewegungen und evozieren Reaktionen durch elektrische Stimulation der Hirnnerven innervieren die Augenmuskeln gelegt. Maßnahmen der Rotationen von den Augen erfolgt durch ein Video-basiertes System mit Software-Algorithmen, die die dunkle Pupille und die Markierungen der Iris zu verfolgen. Die Vorbereitung bietet die Möglichkeit, die Kinematik der beiden extraokulären (d.h., horizontale, vertikale und Torsionssteifigkeit Rotationen) messen32 und intraokularen (d.h. Schüler Änderungen)33 Bewegungen.
Modellsystem zur Analyse der ableitenden Nervenbahnen:
Im Allgemeinen bietet der Ansatz Ermittler die Möglichkeit zu studieren wie ableitenden neuralen Signale generieren Augenbewegungen, wenn Muskeln aus ihren entspannten Zuständen und in Ermangelung von integrierten Sinnesinformationen verarbeitet das Gehirn32beginnen, 33. Daher kann die Auge Kinematik im Modellsystem untersucht werden, in denen sie ausschließlich durch den ableitenden neuronale Weg verlassen das Gehirn und an den muskelsegmenten synapsing verarbeitet werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Wichtige Schritte:
Die entscheidenden Schritte innerhalb dieses Protokolls sind die folgenden: 1) die Zerlegung und die Sorgfalt, die zur Aufrechterhaltung der Lebensfähigkeit der durchtrennten Nerven; (2) die passenden Größen von saugelektroden, Hirnnerven, konsistente Antworten bereitzustellen; und 3) die Platzierung des Kopfes in den Gimbal, adäquate Kalibrierung der Umdrehungen des Auges zu bieten.
Fehlerbehebung:
Die Dissektion kann ei…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken Frau Paulette McKenna und Lisa Pezzino in dieser Studie für Sekretariat und Herr Phil Auerbach für den technischen Support. Die Autoren danken auch DRS. Michael Ariel und Michael S. Jones (Saint Louis University School of Medicine) für die Einführung von uns, die in-vitro- isoliert Kopf Vorbereitung. Unterstützung dieser Zusammenarbeit wurde von der Fakultät für Biologie (Robert S. Chase Fund), Academic Research Committee und die Neurowissenschaften Programm am Lafayette College finanziert. Schließlich ist diese Arbeit Herr Phil Auerbach, gewidmet der 28. September 2016 verstorben; er ein Rasterelektronenmikroskop stillgelegt und erkannte den Nutzen seiner 5-Achs-Bühne für den Einsatz in diesem Protokoll. Seine Freundschaft und Einfallsreichtum werden sehr vermisst werden.
Materials
| Red-eared slider turtles | Kons Scientific | Trachemys scripta elegans | Large size (carapace length 15-20 cm) |
| Sodium chloride | Sigma-Aldrich Co. LLC. | S5886 | |
| Potassium chloride | Sigma-Aldrich Co. LLC. | P5405 | |
| Magnesium choride | Sigma-Aldrich Co. LLC. | M7304 | |
| Sodium bicarbonate | Sigma-Aldrich Co. LLC. | S5761 | |
| Dextrose | Sigma-Aldrich Co. LLC. | C5767 | |
| Concentrated hydrochloric acid | Sigma-Aldrich Co. LLC. | H7020 | |
| Calcium chloride | Sigma-Aldrich Co. LLC. | C7902 | |
| pH meter | Oakton | pH 6+ | |
| Suction stimulation electrode | A-M Systems | 573000 | Bipolar suction electrode. Note that 573000 has been replaced with 573050. |
| Capillary glass | A-M systems | 626000 | Single-barrel borosilicate capillary glass without microfilament, length 10 cm, outside diameter 1.0 mm, inner diameter 0.50 mm |
| Alternative suction stimulation electrode | A-M Systems | 573050 | Bipolar suction electrode. Requires larger diameter capillary glass: 627000, outside diameter 1.2 mm, inner diameter 0.68 mm |
| Stereoscope | Lieca | GZ7 | Magnification range, 10x – 70x |
| Fiber optic light source | Amscope | HL250-A | 150W Fiber optical microscope illuminator light box |
| Rongeurs | Carolina Biological Supply Company | 625654 | stainless steel, straight spring, 5.25" |
| Blunt dissection probe | Carolina Biological Supply Company | 627405 | Huber mall probe, double-ended probe and seeker, 6" |
| Microscissors | Carolina Biological Supply Company | 623555 | Iris microdissecting scissors, stainless steel, 0.5" blades, 4.75" long |
| Fine forceps | Sigma-Aldrich Co. LLC. | F6521 | Jewelers forceps, dumont No. 5, inox alloy, 4.25" |
| Curved forceps | Sigma-Aldrich Co. LLC. | Z168696 | Medium tip, curved forceps, stainless steel, 4" |
| Scalpel handle | Sigma-Aldrich Co. LLC. | S2896 | Scalpel handles, No. 3, stainless steel |
| Scalpel blade | Sigma-Aldrich Co. LLC. | S2771 | Scalpel blades, No. 11, steel |
| Guillotine | Harvard Apparatus | 73-1918 | Kleine guillotine type 7575 |
| Spatula | Sigma | Z648299 | Micro spoon and spatula weighing set. Use small spatula: 5.9” long x 0.07” diameter handle with square end: 0.17” x 1.3” long, other end round: 0.17” x 1.27” long |
| Hook | Autozone | 98069 | SureBilt hook and pick set. Use grinder to dull sharp points of hook to prevent injury to animals mouth. |
| 95/5% O2/CO2 | Airgas, Inc. | X02OX95C2003102 | 5% Carbon dioxide balance oxygen certified standard gas mixture, size 200 Cylinder, CGA-296 |
| Regulator | Airgas, Inc. | Y11244D296-AG | Single stage brass 0-100 psi analytical cylinder regulator CGA-296 with needle outlet. Use brass adjustable airline pipe valve to go from 3/8", inner diameter, vinyl airline tubing connected to regulator to a 3/16", inner diameter, airline connection going to airstone or glass pasteur pipette. |
| Adjustable airline pipe valve | Doctors Foster and Smith | CD-12061 | Brass valve |
| Rigid table | Unknown | Unknown | Auto-clave door laid on top of a sturdy table. Nine 5" diameter tennis balls isolate vibrations from the top surface of the table. |
| 5" tennis ball | Petco Animal Supplies, Inc. | 712868 | Petco Jumbo Pet Tennis Ball: balls are unsliced and held within an integrated frame on the underside part of the autoclave door. |
| Alternative vibration isolation table | Newport Corporation | INT1-36-6-N | Rigid vibration control system, integrity 1: Surface dimensions, 3' x 6' |
| Gimbal | ISI, International Scientific Instruments, Inc. | Stage from SUPER III-A Scanning EM | 5-axis eucentric stage: X, Y, and Z linear movements, ±20 mm, 0.1 mm precision; Rotations, vertical, ±10°, and horizontal, ±12.5°, with 1.25° precision. Note: from decommission instrument. |
| Chuck for gimbal | Unknown | Unknown | Chuck from an old microtome of unknown manufacture was machined to fit the shaft of the specimen holder of the Scanning EM stage |
| Alternative gimbal | ThorLabs, Inc. | GN2/M with MBT602/M | Dual-axis goniometer (GN2/M) mounted on 3-axis microblock stage with thumbscrew adjusters (MBT602/M): design a chuck to hold turtle head with eye at 12.7 mm above top surface of goniometer (distance to point of rotation) |
| Video-based eye tracking system | Arrington Research, Inc. | ViewPoint EyeTracker, PC-60 | Tracking method: Infrared video by dark pupil; Black and white camera (Item BC02): 30 Hz, 640 x 480; System requirements: Windows 2000, XP, 7, 8, 8.1, 10; Visual range: Horizontal +/- 44°; vertical +/- 20°; Accuracy ~0.5°; Spatial resolution ~0.15°; Pupil size resolution ~0.03 mm; Eye data: X, Y position of gaze, pupil height and width, torsion, delta time, total time, and regions of interest (ROI); Real-time communication (Item 0022): 4-Channel AnalogOut with eight TTL input channels to mark codes into the data file |
| Multi-position magnetic base | Harbor Freight Tools | Pittsburg, item #5645 | Magnetic holder reaches up to 12" and produces 45 lbs. of magnetic pull. Use to position camera. Machine thread holes onto the end of the rod to mount cameras. |
| Micromanipulator | Kopf | 900 | 5 axis manipulation for mount of suction electrode: X, Y, Z linear travel, 2 axis of rotation |
| Dissection scope on boom | Lieca | GZ6 | Magnification range, 6.7x – 40x |
| Nerve/muscle stimulator | Astro-Med Grass Telefactor | Grass S88 | Dual pulse voltage stimulator: two output channels that can be operated independently or synchronized to generate non-isolated constant voltage pulses (10 mv to 150 V). Pulses can be single (10 μsec to 10 sec), repetitive (0.01 Hz to 1 KHz), and trains (1 ms to 10 s) and synchronized with TTL inputs and output. Send TTL outputs via the output channels of a DB25 connector to the TTL input channels of the ViewPoint EyeTracker. Note: Astro-Med Grass Telefactor is no longer in business. |
| Current isolation device | Astro-Med Grass Telefactor | PSIU6 | Current stimulus isolation unit: enables safe delivery of constant currents by the S88 to the preparation. The PSIU6 connects by a BNC cable to one of the output channels of the S88. Multiplier switches on the PSIU6 allow the S88 to generate a wide array of current amplitudes ranging from 0.1 µA to 15 mA. |
| Alternative nerve/muscle stimulator with isolation | A-M Systems | 2100 | Isolated Pulse Stimulator: Unit has built-in isolator to produce constant currents. |
Referências
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