Online MRG görüntüleri rehberlik altında Rhesus Macaque korteks için optogenetik Adeno-ilişkili Viral vektör konveksiyon geliştirilmiş teslim
Summary
Burada, biz manyetik rezonans göstermektedir (Mr)-güdümlü konveksiyon gelişmiş teslim (Ced) viral vektörler içinde korteks içine etkili ve basitleştirilmiş bir yaklaşım olarak makak beynin büyük kortikal alanlarda arasında optogenetik ifade elde etmek.
Abstract
İnsan dışı primat (NHP) optogenetik olarak, viral vektörler ile büyük kortikal alanları enfekte genellikle zor ve zaman alıcı bir iştir. Burada, optogenetik viral vektörler için manyetik rezonans (MR) destekli konveksiyon gelişmiş teslimat (CED) ‘ nin primer somatoduyusal (S1) ve motor (M1) korüslerinin etkili, yaygın kortikal ifadesi elde etmek için kullanılması gösterilmektedir. ışık duyarlı iyon kanalları. Adeno-ilişkili viral (AAV) vektörler, Sarı floresan protein (EYFP) için kırmızı-kaydırılmış opsin C1V1 erimiş kodlama Bay güdümlü Ced altında Rhesus Makaklar korteks içine enjekte edildi. Üç ay sonrası infüzyon, epifloresan görüntüleme iki Macaques M1 ve S1 optogenetik ifade (> 130 mm2) büyük bölgeler doğruladı. Ayrıca, mikro-electrocorticographic dizileri kullanarak ifade alanlarından güvenilir ışık uyarılmış Elektrofizyoloji yanıtlarını kayıt edebildik. Daha sonra histolojik analiz ve gazeteciye karşı immünostan, M1 ve S1 ‘de epifloresan görüntüleme ile gösterilen dağılıma karşılık gelen yaygın ve yoğun optogenetik ifade gösterdi. Bu teknik, geleneksel tekniklere kıyasla minimal hasar ile daha kısa bir süre içinde korteks büyük alanlarda ifade elde etmek için bize sağlar ve NHPs gibi büyük hayvanların optogenetik viral teslim için optimum bir yaklaşım olabilir. Bu yaklaşım, insan evrime yakın hayvan modellerinde hücre tipi özgüllüğü ile sinir devrelerinin ağ düzeyinde manipülasyon için büyük bir potansiyel göstermektedir.
Introduction
Optogenetiği nöral aktivite manipülasyon ve beyindeki ağ bağlantılarının çalışması için izin veren güçlü bir araçtır. İnsan dışı primatlar (NHPs) Bu tekniğin uygulanması büyük ölçekli nöral hesaplama, biliş ve primat beynin davranış anlayışımızı geliştirmek için potansiyele sahiptir. Optogenetiği son yıllarda nhps ‘de başarıyla uygulanmasına rağmen1,2,3,4,5,6,7, Araştırmacılar yüz bu hayvanların büyük beyin alanları arasında ifade yüksek düzeylerde elde etmektir. Burada, macakların korteksinin büyük alanlarında yüksek düzeyde optogenetik ifade elde etmek için verimli ve basitleştirilmiş bir yaklaşım sağlıyoruz. Bu tekniğin, bu hayvanların son teknoloji kayıt8,9 ve optik stimülasyon10 teknolojileri ile birlikte mevcut optogenetik çalışmalarını iyileştirmek için büyük bir potansiyeli vardır.
Konveksiyon gelişmiş teslimat (Ced) farmakolojik ajanlar ve diğer büyük moleküllerin, viral vektörler de dahil olmak üzere, merkezi sinir sistemi11,12,13için kurulan bir yöntemdir. Geleneksel Teslimat yöntemleri beyin küçük bölgeler arasında dağıtılan birden düşük hacimli infüzyon içerir ise, CED daha az infüzyon ile daha geniş ve daha bile Ajan dağıtımı elde edebilirsiniz. İnfüzyon sırasında basınç odaklı toplu sıvı akışı (Konveksiyon) CED ile viral vektörler teslim ederken hedef doku daha yaygın ve eşit şekilde dağıtılmış dönüştürücü sağlar. Son çalışmalar, biz temel motor (M1) ve somatoduyusal (S1) korteks9 ve talamus14 manyetik rezonans (Mr) destekli Ced kullanarak büyük alanların transksiyon ve sonraki optogenetik ifade göstermiştir.
Burada, sadece birkaç kortikal enjeksiyon ile büyük kortikal alanlarda optogenetik ifade elde etmek için CED kullanımını özetlemektedir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada, Bay güdümlü CED tarafından NHP primer somatoduyusal ve motor korteks büyük ölçekli optogenetik ifade elde etmek için uygulanabilir ve verimli bir tekniği özetlemektedir. MR-güdümlü CED kullanımı NHP beynin geleneksel viral infüzyon yöntemleri üzerinde önemli avantajlar sunar. Böyle bir avantaj, daha az gerekli infüzyon ile büyük alanlarda ifade elde etme yeteneğidir. Örneğin, geleneksel yöntemlerle, 2-3 mm çap bölge1,2,<…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Amerikan Kalp Derneği doktora sonrası Bursu (AY), Savunma Gelişmiş Araştırma Projeleri Ajansı (DARPA) yeniden yapılanma ve plastisite yaralanma kurtarma hızlandırmak için (onarım; N66001-10-C-2010), R01. NS073940, ve UCSF Nörobilim görüntüleme Merkezi tarafından. Bu çalışma da Eunice Kennedy Shiver Ulusal Enstitüsü Çocuk Sağlığı & ınsan gelişimi Sağlık Ulusal Enstitüleri ödül numarası K12HD073945, Washington Ulusal Primate Araştırma Merkezi (WaNPCR, P51 OD010425) altında tarafından desteklenmektedir ve Neuroteknoloji Merkezi (CNT, Grant EEC altında bir Ulusal Bilim Vakfı Mühendisliği Araştırma Merkezi-1028725). Biz, deneme ve Nan Tian, Jiwei he, Peter Ledochowitsch, Michel Maharbiz ve Toni haun teknik yardım için onların yardım için Camilo Diaz-Botia, Tim Hanson, Viktor Kharazia, Daniel Silversmith, Karen J. MacLeod, Juliana Milani ve Blakely Andrews teşekkür ederiz.
Materials
| 0.2 mL High Pressure IV Tubing | Smiths Medical Inc., Dublin, OH, USA | 533640 | |
| 0.32 mm ID, 0.43 mm OD Silica Tubing | Polymicro Technologies | 1068150027 | |
| 0.45 mm ID, 0.76 mm OD Silica Tubing | Polymicro Technologies | 1068150625 | |
| AAV2.5-CamKII-C1V1-EYFP | Penn Vector Core, University of Pennsylvania | ||
| ABS plastic | Stratasys, MN, USA | ABSplus-P430 | |
| Antimicrobial incise drape | 3M | 6650EZ | Ioban Drape |
| Dental Acrylic | Henry Schein, Inc. | 1013117 | Acrylic Bonding Agent |
| Elevators | VWR International, LLC. | 10196-564 | Langenbeck Elevator, Wide Tip |
| Fine suture | McKesson Medical-Surgical Inc. | 1034505 | |
| Gadoteridol | Prohance, Bracco Diagnostics, Princeton, NJ | 0270-1111-04 | |
| Laser for light stimulation | Omicron-Laserage, Germany | PhoxX 488-60 | |
| MR compatible 3cc syringe | Harvard apparatus, Holliston, MA, USA | 59-8377 | |
| MR Imaging Software | Pixmeo | OsiriX MD 10.0 | |
| MR-Compatible Pump | Harvard apparatus, Holliston, MA, USA | Harvard PHD 2000 | |
| MR-compatible stereotaxic frame | KOPF | 1430M MRI | |
| Perifix Clamp Style Catheter Connector | B-Braun, Bethlehem, PA, USA | N/A | |
| Plastic Screws | Plastics 1 | 0-80 x 1/8N | Nylon screws |
| Titanium screws | Crist Instrument Co., Inc. | 6-YCX-0312 | Self-tapping bone screws |
| Trephine | GerMedUSA Inc, | SKU:GV70-42 | |
| uPrinter SE 3D printer | Stratasys, MN, USA | N/A | |
| Vitamin E Capsule | Pure Encapsulations, LLC. | DE1 | |
| Wet sterile absorbable gelatin | Pfizer Inc. | AZL0009034201 | Gelfoam |
References
- Ruiz, O., et al. Optogenetics through windows on the brain in the nonhuman primate. Journal of Neurophysiology. 110 (6), 1455-1467 (2013).
- Diester, I., et al. An optogenetic toolbox designed for primates. Nature Neuroscience. 14 (3), 387-397 (2011).
- Ohayon, S., Grimaldi, P., Schweers, N., Tsao, D. Y. Saccade modulation by optical and electrical stimulation in the macaque frontal eye field. Journal of Neuroscience. 33 (42), 16684-16697 (2013).
- Gerits, A., et al. Optogenetically induced behavioral and functional network changes in primates. Current Biology. 22 (18), 1722-1726 (2012).
- Jazayeri, M., Lindbloom-Brown, Z., Horwitz, G. D. Saccadic eye movements evoked by optogenetic activation of primate V1. Nature Neuroscience. 15 (10), 1368-1370 (2012).
- Dai, J., Brooks, D. I., Sheinberg, D. L. Optogenetic and electrical microstimulation systematically bias visuospatial choice in primates. Current Biology. 24 (1), 63-69 (2014).
- Afraz, A., Boyden, E. S., DiCarlo, J. J. Optogenetic and pharmacological suppression of spatial clusters of face neurons reveal their causal role in face gender discrimination. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (21), 6730-6735 (2015).
- Ledochowitsch, P., et al. Strategies for optical control and simultaneous electrical readout of extended cortical circuits. Journal of Neuroscience Methods. 256, 220-231 (2015).
- Yazdan-Shahmorad, A., et al. A Large-Scale Interface for Optogenetic Stimulation and Recording in Nonhuman Primates. Neuron. 89 (5), 927-939 (2016).
- Ju, N., Jiang, R., Macknik, S. L., Martinez-Conde, S., Tang, S. Long-term all-optical interrogation of cortical neurons in awake-behaving nonhuman primates. PLoS Biology. 16 (8), e2005839 (2018).
- Bankiewicz, K. S., et al. Convection-enhanced delivery of AAV vector in parkinsonian monkeys; in vivo detection of gene expression and restoration of dopaminergic function using pro-drug approach. Experimental Neurology. 164 (1), 2-14 (2000).
- Kells, A. P., et al. Efficient gene therapy-based method for the delivery of therapeutics to primate cortex. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 (7), 2407-2411 (2009).
- Krauze, M. T., et al. Reflux-free cannula for convection-enhanced high-speed delivery of therapeutic agents. Journal of Neurosurgery. 103 (5), 923-929 (2005).
- Yazdan-Shahmorad, A., et al. Widespread optogenetic expression in macaque cortex obtained with MR-guided, convection enhanced delivery (CED) of AAV vector to the thalamus. Journal of Neuroscience Methods. 293, 347-358 (2018).
- Yazdan-Shahmorad, A., Silversmith, D. B., Kharazia, V., Sabes, P. N. Targeted cortical reorganization using optogenetics in non-human primates. Elife. 7, (2018).
- Yazdan-Shahmorad, A., et al. Demonstration of a setup for chronic optogenetic stimulation and recording across cortical areas in non-human primates. SPIE BiOS. , (2015).
- Lerchner, W., Corgiat, B., Der Minassian, V., Saunders, R. C., Richmond, B. J. Injection parameters and virus dependent choice of promoters to improve neuron targeting in the nonhuman primate brain. Gene Therapy. 21 (3), 233-241 (2014).
- Acker, L., Pino, E. N., Boyden, E. S., Desimone, R. FEF inactivation with improved optogenetic methods. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (46), (2016).
- Bobo, R. H., et al. Convection-enhanced delivery of macromolecules in the brain. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 91 (6), 2076-2080 (1994).
- Lieberman, D. M., Laske, D. W., Morrison, P. F., Bankiewicz, K. S., Oldfield, E. H. Convection-enhanced distribution of large molecules in gray matter during interstitial drug infusion. Journal of Neurosurgery. 82 (6), 1021-1029 (1995).
- Lonser, R. R., Gogate, N., Morrison, P. F., Wood, J. D., Oldfield, E. H. Direct convective delivery of macromolecules to the spinal cord. Journal of Neurosurgery. 89 (4), 616-622 (1998).
- Szerlip, N. J., et al. Real-time imaging of convection-enhanced delivery of viruses and virus-sized particles. Journal of Neurosurgery. 107 (3), 560-567 (2007).
