Erfolgreiche In-vivo-Calcium-Bildgebung mit einem kopfmontierten Miniaturmikroskop in der Amygdala der frei verhaltenden Maus
Summary
In vivo mikroendoskopische Kalzium-Bildgebung ist ein unschätzbares Werkzeug, das Echtzeit-Überwachung von neuronalen Aktivitäten bei frei verhaltenden Tieren ermöglicht. Jedoch, Anwendung dieser Technik auf die Amygdala war schwierig. Dieses Protokoll soll eine nützliche Leitlinie für die erfolgreiche Ausrichtung auf Amygdala-Zellen mit einem miniaturisierten Mikroskop bei Mäusen bieten.
Abstract
In vivo Echtzeit-Überwachung von neuronalen Aktivitäten bei frei beweglichen Tieren ist einer der wichtigsten Ansätze, um neuronale Aktivität mit Verhalten zu verknüpfen. Zu diesem Zweck wurde eine in vivo-Bildgebungstechnik entwickelt, die Kalziumtransienten in Neuronen mithilfe genetisch kodierter Calciumindikatoren (GECIs), eines miniaturisierten Fluoreszenzmikroskops und einer Gradienten-Refraktiven-Index-Linse (GRIN) erkennt und erfolgreich auf viele Gehirnstrukturen1,2,3,4,5,6angewendet. Diese bildgebende Technik ist besonders leistungsfähig, da sie eine chronische simultane Bildgebung genetisch definierter Zellpopulationen über einen längeren Zeitraum bis zu mehreren Wochen ermöglicht. Obwohl nützlich, diese bildgebende Technik wurde nicht leicht auf Gehirnstrukturen angewendet, die tief im Gehirn wie Amygdala, eine wesentliche Gehirnstruktur für emotionale Verarbeitung und assoziative Angst Gedächtnis7lokalisieren. Es gibt mehrere Faktoren, die es schwierig machen, die bildgebende Technik auf die Amygdala anzuwenden. Zum Beispiel treten Bewegungsartefakte in der Regel häufiger während der Bildgebung in den tieferen Hirnregionen auf, weil ein tief in das Gehirn implantiertes Kopf-Mount-Mikroskop relativ instabil ist. Ein weiteres Problem ist, dass der seitliche Ventrikel in der Nähe der implantierten GRIN-Linse positioniert ist und seine Bewegung während der Atmung zu hochunregelmäßigen Bewegungsartefakten führen kann, die nicht leicht korrigiert werden können, was es schwierig macht, eine stabile bildgebende Ansicht zu bilden. Da die Zellen in der Amygdala in der Regel in einem ruhenden oder anästhesierten Zustand ruhig sind, ist es schwierig, die Zielzellen, die GECI in der Amygdala exzieren, während des Baseplating-Verfahrens für eine spätere Bildgebung zu finden und zu fokussieren. Dieses Protokoll bietet eine hilfreiche Anleitung, wie zellen, die GECI in der Amygdala exemiten, effizient mit einem miniaturisierten Mikroskop mit Kopfmontage für eine erfolgreiche In-vivo-Calcium-Bildgebung in einer so tieferen Hirnregion gezielt werden können. Es wird darauf hingewiesen, dass dieses Protokoll auf einem bestimmten System (z. B. Inscopix) basiert, aber nicht darauf beschränkt ist.
Introduction
Kalzium ist ein allgegenwärtiger zweiter Botenstoff, der eine entscheidende Rolle in fast allen Zellfunktionen spielt8. In Neuronen führen Aktionspotentialabschuss und synaptische Sendeleistung zu einer schnellen Veränderung der intrazellulären freien [Ca2+]9,10. Daher bietet die Verfolgung von Kalziumtransienten die Möglichkeit, die neuronale Aktivität zu überwachen. GECIs sind leistungsstarke Werkzeuge, die die Überwachung [Ca2+] in definierten Zellpopulationen und intrazellulären Kompartimenten11,12ermöglichen. Unter vielen verschiedenen Arten von proteinbasiertem Kalziumindikator ist GCaMP, eine Ca2+-Sonde, die auf einem einzigen GFP-Molekül13basiert, die am meisten optimierte und daher am weitesten verbreitete GECI. Durch mehrere Runden des Engineerings wurde eine Reihe von Varianten von GCaMP entwickelt12,14,15,16. Wir verwenden einen der kürzlich entwickelten GCaMPs, GCaMP7b, in diesem Protokoll16. GCaMP-Sensoren haben wesentlich zur Untersuchung der Funktionen des neuronalen Schaltkreises in einer Reihe von Modellorganismen beigetragen, wie z. B. der Abbildung von Ca2+ Transienten während der Entwicklung17, in vivo Bildgebung in einer spezifischen kortikalen Schicht18, Messung der Schaltungsdynamik im Motoraufgabenlernen19 und Bildgebung der Zellensembleaktivität im Zusammenhang mit assoziativem Angstgedächtnis im Hippocampus und Amygdala20,21.
Optische Bildgebung von GECIs hat mehrere Vorteile22. Die genetische Codierung ermöglicht es, GECIs für einen längeren Zeitraum stabil in einer bestimmten Teilmenge von Zellen zu exprimieren, die durch genetisches Profil oder spezifische Muster anatomischer Konnektivität definiert sind. Optische Bildgebung ermöglicht in vivo chronische simultane Überwachung von Hunderten bis Tausenden von Neuronen bei lebenden Tieren. Einige optische Bildgebungssysteme wurden für die In-vivo-Bildgebung und Analyse von GECIs im Gehirn frei verhaltender Mäuse mit miniaturisierten Fluoreszenzmikroskopen21,23,24,25entwickelt. Obwohl die optische Bildgebungstechnik in vivo, die auf GECIs, GRIN-Objektiv und einem Head-Mount-Miniaturmikroskop basiert, ein leistungsfähiges Werkzeug ist, um den Zusammenhang zwischen neuronaler Schaltkreisaktivität und Verhalten zu untersuchen, war die Anwendung dieser Technologie auf die Amygdala aufgrund mehrerer technischer Probleme im Zusammenhang mit der Ausrichtung der GRIN-Linse auf Zellen, die GECIs in der Amygdala exzieren, ohne Bewegungsartefakte zu verursachen, die die Qualität der Bildaufnahme stark reduzieren und Zellen finden, die GECIs exdrücken. Dieses Protokoll soll eine hilfreiche Richtlinie für chirurgische Verfahren der Baseplate-Anhaftung und GRIN-Linsenimplantation bieten, die entscheidende Schritte für eine erfolgreiche optische Kalzium-Bildgebung in vivo in der Amygdala sind. Obwohl dieses Protokoll auf die Amygdala abzielt, sind die meisten hier beschriebenen Verfahren allgemein auf andere tiefere Hirnregionen anwendbar. Obwohl dieses Protokoll auf einem bestimmten System (z. B. Inscopix) basiert, kann derselbe Zweck leicht mit anderen alternativen Systemen erreicht werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Geschickte Operationstechniken sind unerlässlich, um eine erfolgreiche optische Kalzium-Bildgebung in vivo mit Kopf-Mount-Miniaturmikroskopie in tieferen Hirnregionen wie der Amygdala zu erreichen, wie wir sie hier beschrieben haben. Obwohl dieses Protokoll eine Richtlinie für optimierte chirurgische Prozesse der Grundplattenbefestigung und der GRIN-Linsenimplantation bietet, können zusätzliche Optimierungsprozesse für kritische Schritte erforderlich sein. Wie im Protokollabschnitt erwähnt, müssen Amygdala-Koordin…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde durch Stipendien der Samsung Science and Technology Foundation (Projektnummer SSTF-BA1801-10) unterstützt.
Materials
| 26G needle | BD | 302002 | Surgery |
| AAV1-Syn-GCaMP7b-WPRE | Addgene | 104493-AAV1 | Surgery |
| AAV2/1-CaMKiiα-GFP | custom made | Surgery | |
| Acrylic-Dental cement (Ortho-jet Acrylic Pink) | Lang | 1334-pink | Surgery & Baseplate Attachment |
| Air flow manipulator | Neurotar | NTR000253-04 | Baseplate Attachment |
| Amoxicillin | SIGMA | A8523-5G | Surgery |
| Baseplate | INSCOPIX | 1050-002192 | Baseplate Attachment |
| Baseplate cover | INSCOPIX | 1050-002193 | Baseplate Attachment |
| Behavioral apparatus (chamber) | Coulbourn Instrument | Testcage | Behavior test |
| Behavioral apparatus (software) | Coulbourn Instrument | Freeze Frame | Behavior test |
| Carbon cage | Neurotar | 180mm x 70mm | Baseplate Attachment |
| Carprofen | SIGMA | PHR1452-1G | Surgery |
| Data processing software | INSCOPIX | INSCOPIX Data Processing Software | Baseplate Attachment & Behavior test |
| Dexamethasone | SIGMA | D1756-500MG | Surgery |
| Drill | Seyang | marathon-4 | Surgery |
| Drill bur | ELA | US1/2, Shank104 | Surgery |
| Glass needle | WPI | PG10165-4 | Surgery |
| GRIN lens (INSCOPIX Proview Lens Probe) | INSCOPIX | 1050-002208 | Surgery |
| Hamilton Syringe | Hamilton | 84875 | Surgery |
| Head plate | Neurotar | Model 5 | Surgery |
| Hex-key | INSCOPIX | 1050-004195 | Baseplate Attachment |
| Laptop computer | Samsung | NT950XBV | Surgery & Baseplate Attachment |
| Lens holder, Stereotaxic rod (INSCOPIX proview implant kit) | INSCOPIX | 1050-004223 | Surgery |
| Microscope gripper | INSCOPIX | 1050-002199 | Baseplate Attachment |
| Microscope, DAQ software, hardware | INSCOPIX | nVista 3.0 | Baseplate Attachment & Behavior test |
| Mobile homecage | Neurotar | MHC V5 | Baseplate Attachment |
| Moterized arm | Neurostar | Customized | Surgery |
| Moterized arm software | Neurostar | Customized | Surgery |
| NI board | National instrument | Behavior test | |
| Removable epoxy bond | WPI | Kwik-Cast | Surgery |
| Resin cement (Super-bond) | Sun medical | Super bond C&B | Surgery |
| Skull screw | Stoelting | 51457 | Surgery |
| Stereotaxic electrode holder | ASI | EH-600 | Surgery |
| Stereotaxic frame | Stoelting | 51600 | Surgery |
| Stereotaxic manipulator | Stoelting | 51600 | Baseplate Attachment |
Referências
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