In vivo Trådlös optogenetisk kontroll av skickligt motoriskt beteende
Summary
Det nuvarande protokollet beskriver hur man använder trådlös optogenetik i kombination med höghastighetsvideoografi i en enda pellets nå-till-grepp-uppgift för att karakterisera de neurala kretsarna som är involverade i utförandet av skickligt motoriskt beteende hos fritt rörliga möss.
Abstract
Finmotorik är viktigt i vardagen och kan äventyras vid flera nervsystemet. Förvärvet och utförandet av dessa uppgifter kräver sensorisk-motorisk integration och involverar exakt kontroll av bilaterala hjärnkretsar. Implementering av unimanuella beteendeparadigmer i djurmodeller kommer att förbättra förståelsen för bidraget från hjärnstrukturer, som striatum, till komplext motoriskt beteende eftersom det möjliggör manipulation och registrering av neural aktivitet hos specifika kärnor under kontrollförhållanden och sjukdom under utförandet av uppgiften.
Sedan dess skapande har optogenetik varit ett dominerande verktyg för att förhöra hjärnan genom att möjliggöra selektiv och riktad aktivering eller hämning av neuronala populationer. Kombinationen av optogenetik med beteendeanalyser belyser de underliggande mekanismerna för specifika hjärnfunktioner. Trådlösa huvudmonterade system med miniatyriserade lysdioder (LED) möjliggör fjärroptogenetisk kontroll i ett helt fritt rörligt djur. Detta undviker att begränsningarna i ett trådbundet system är mindre restriktiva för djurens beteende utan att kompromissa med ljusutsläppseffektiviteten. Det nuvarande protokollet kombinerar ett trådlöst optogenetiskt tillvägagångssätt med höghastighets videografi i en enmanuell fingerfärdighetsuppgift för att dissekera bidraget från specifika neuronala populationer till finmotoriskt beteende.
Introduction
Motoriskt skickligt beteende är närvarande under de flesta rörelser som utförs av oss, och det är känt att det påverkas i flera hjärnsjukdomar 1,2,3,4,5,6. Att implementera uppgifter som gör det möjligt att studera utveckling, inlärning och prestanda av skickliga rörelser är avgörande för att förstå motorfunktionens neurobiologiska underlag, särskilt i modeller av hjärnskada, neurodegenerativa och neurodevelopmental störningar 2,7,8,9,10,11,12,13 . Att nå och hämta föremål görs rutinmässigt i vardagliga handlingar, och det är en av de första motoriska färdigheterna som förvärvats under tidig utveckling och sedan förfinats genom åren 5,6. Det består av ett komplext beteende som kräver sensoriska motoriska processer såsom uppfattningen av objektets funktioner, rörelseplanering, åtgärdsval, rörelseutförande, kroppskoordination och hastighetsmodulering 7,14,15,16. Således kräver unimanuella uppgifter med hög fingerfärdighet deltagande av många hjärnstrukturer i båda halvklotet 16,17,18,19,20,21,22. Hos möss karakteriseras den enda pellets nå-till-grepp-uppgiften för flera faser som kan styras och analyseras separat 7,13,23. Denna funktion gör det möjligt att studera bidraget från specifika neuronala delpopulationer vid olika stadier av förvärv och beteendeprestanda och ger en plattform för detaljerade studier av motorsystem 13,23,24. Rörelsen sker på några sekunder; således bör höghastighetsvideo användas för kinematisk analys i distinkta steg i den skickliga motorbanan 7,25. Flera parametrar kan extraheras från videorna, inklusive kroppshållning, bana, hastighet och typ av fel25. Kinematisk analys kan användas för att detektera subtila förändringar under trådlös optogenetisk manipulation 7,23.
Att använda miniatyriserade lysdioder (LED) för att leverera ljus via ett trådlöst huvudmonterat system gör det möjligt att ha fjärroptoneisk kontroll medan djuret utför uppgiften. Den trådlösa optogenetiska styrenheten accepterar kommandon med enkel puls eller kontinuerlig avtryckare från en stimulator och skickar infraröda (IR) signaler till en mottagare ansluten till den miniatyriseradeLED 23,26. Det nuvarande protokollet kombinerar detta trådlösa optogenetiska tillvägagångssätt med höghastighets videografi av en fingerfärdighetsuppgift för att dissekera rollen hos specifika neuronala populationer under utförandet av finmotoriskt beteende23. Eftersom det är en enmanuell uppgift möjliggör det att bedöma deltagandet av strukturer i båda halvklotet. Traditionellt styr hjärnan kroppsrörelsen på ett mycket asymmetriskt sätt; emellertid kräver uppgifter med hög fingerfärdighet noggrann samordning och kontroll från många hjärnstrukturer, inklusive ipsilaterala kärnor och differentiellt bidrag från neuronala subpopulationer inom kärnor 10,20,21,22,23. Detta protokoll visar att subkortiska strukturer från båda halvklotet styr banan för frambenet23. Detta paradigm kan vara lämpligt för att studera andra hjärnregioner och modeller av hjärnsjukdomar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Användningen av optogenetisk manipulation av neuronala populationer i väldefinierade beteendeparadigmer främjar vår kunskap om mekanismerna bakom motorstyrning 7,23. Trådlösa metoder är särskilt lämpliga för uppgifter som kräver tester på flera djur eller fri rörlighet34,35. Men när tekniker och enheter förfinas bör det vara det bästa alternativet för alla beteendeuppgifter i kombination…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av UNAM-PAPIIT-projektet IA203520. Vi tackar IFC:s djuranläggning för deras hjälp med underhåll av muskolonier och beräkningsenheten för IT-support, särskilt till Francisco Perez-Eugenio.
Materials
| Anaesthesia machine | RWD | R583S | Isoflurane vaporizer |
| Anesket | PiSA | Ketamine | |
| Breadboard | Thorlabs | MB3090/M | Solid aluminum optical breadboard |
| Camera lense | Canon | 50mmf/ 1.4 manual focus lenses (c-mount) | |
| Camera system | BrainVision | MiCAM02 | Camera controller and synchronizer |
| Cotton swabs | |||
| CS solution | PiSA | Sodium chloride solution 9% | |
| Customized training chamber | In house | ||
| Drill bit #105 | Dremel | 2 615 010 5AE | Engraving cutter |
| Dustless precission chocolate pellets | Bio-Serv | F05301 | |
| Ethyl Alcohol | J.T. Baker | 9000-02 | Ethanol |
| Eyespears | Ultracell | 40400-8 | Eyespears of absorbent PVA material |
| Fluriso | VetOne | V1 502017-250 | Isoflurane |
| Glass capillaries | Drumond Scientific | 3-000-203-G/X | Pipettes for NanoJect II |
| Hidrogen peroxide | Farmacom | Antiseptic | |
| High-speed camera | BrainVision | MiCAM02-CMOS | Monochrome high-speed cameras |
| Infrared emmiter | Teleopto | ||
| Insulin syringe | |||
| LED cannula | Teleopto | TelC-c-l-d | LED cannula 250um 487nm light |
| Micropipette 10 uL | Eppendorf | Z740436 | |
| Micro-pipette puller | Sutter | P-87 | Horizontal puller |
| Microscope LSM780 | Zeiss | Confocal microscope | |
| Microtome | |||
| Mock receiver | Teleopto | ||
| NanoJect II | Drumond Scientific | 3-000-204 | Micro injector |
| Oxygen tank | Infra | na | |
| pAAV-EF1a-double.floxed-hChR2(H134R)-mCherry-WPRE- HGHpA | Addgene | 20297 | Viral vector for ChR-2 expression |
| Parafilm | |||
| Paraformaldehyde | Sigma | P-6148 | |
| Phosphate saline buffer | Sigma | P-4417 | Phosphate saline buffer tablets |
| Pipette tips 10 uL | ThermoFisher | AM12635 | 0.5-10 uL volume |
| Pisabental | PiSA | Sodium pentobarbital | |
| Plexiglass | commercial | Acrylic sheet | |
| Povidone iodine | Farmacom | Antiseptic | |
| Procin | PiSA | Xylacine | |
| Puralube | Perrigo pharma | 1228112 | Eye lubricant 15% mineral oil/85% petrolatum |
| Rotary tool | Kmoon | Mini grinder | Standard |
| Scalpel | |||
| Scalpel blade | |||
| Stereotaxic apparatus | Stoelting | 51730D | Digital apparatus |
| Super-Bond C&B | Sun Medical | Dental cement | |
| Surgical dispossable cap | |||
| Teleopto remote controller | Teleopto | ||
| Tg Drd1-Cre mouse line | Gensat | 036916-UCD | Transgene insertion FK150Gsat |
| Tissue adhesive | 3M Vetbond | 1469SB | |
| TPI Vibratome 1000 plus | Peico | Microtome | |
| Vectashield mounting media with DAPI | Vector laboratories | H-1200 | Mounting media |
| Wireless receiver | Teleopto | TELER-1-P |
References
- Balbinot, G., et al. Post-stroke kinematic analysis in rats reveals similar reaching abnormalities as humans. Scientific Report. 8 (1), 8738 (2018).
- Klein, A., Sacrey, L. A., Whishaw, I. Q., Dunnett, S. B. The use of rodent skilled reaching as a translational model for investigating brain damage and disease. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 36 (3), 1030-1042 (2012).
- MacLellan, C. L., Gyawali, S., Colbourne, F. Skilled reaching impairments follow intrastriatal hemorrhagic stroke in rats. Behavioural Brain Research. 175 (1), 82-89 (2006).
- Evenden, J. L., Robbins, T. W. Effects of unilateral 6-hydroxydopamine lesions of the caudate-putamen on skilled forepaw use in the rat. Behavioural Brain Research. 14 (1), 61-68 (1984).
- Rodgers, R. A., Travers, B. G., Mason, A. H. Bimanual reach to grasp movements in youth with and without autism spectrum disorder. Frontiers in Psychology. 9, 2720 (2019).
- Sacrey, L. A. -. O., Zwaigenbaum, L., Bryson, S., Brian, J., Smith, I. M. The reach-to-grasp movement in infants later diagnosed with autism spectrum disorder: a high-risk sibling cohort study. Journal of Neurodevelopmental Disorders. 10 (1), 41 (2018).
- Azim, E., Jiang, J., Alstermark, B., Jessell, T. M. Skilled reaching relies on a V2a propriospinal internal copy circuit. Nature. 508 (7496), 357-363 (2014).
- Marques, J. M., Olsson, I. A. Performance of juvenile mice in a reach-to-grasp task. Journal of Neuroscience Methods. 193 (1), 82-85 (2010).
- Miklyaeva, E. I., Castaneda, E., Whishaw, I. Q. Skilled reaching deficits in unilateral dopamine-depleted rats: Impairments in movement and posture and compensatory adjustments. The Journal of Neuroscience. 14 (11), 7148-7158 (1994).
- Vaidya, M., Kording, K., Saleh, M., Takahashi, K., Hatsopoulos, N. G. Neural coordination during reach-to-grasp. Journal of Neurophysiology. 114 (3), 1827-1836 (2015).
- Wang, X., et al. Deconstruction of corticospinal circuits for goal-directed motor skills. Cell. 171 (2), 440-455 (2017).
- Xu, T., et al. Rapid formation and selective stabilization of synapses for enduring motor memories. Nature. 462 (7275), 915-919 (2009).
- Ian, Q. W., Sergio, M. P. The structure of skilled forelimb reaching in the rat: A proximally driven movement with a single distal rotatory component. Behavioural Brain Research. 41 (1), 49-59 (1990).
- Proske, U., Gandevia, S. C. The proprioceptive senses: their roles in signaling body shape, body position and movement, and muscle force. Physiological Reviews. 92 (4), 1651-1697 (2012).
- Yttri, E. A., Dudman, J. T. Opponent and bidirectional control of movement velocity in the basal ganglia. Nature. 533 (7603), 402-406 (2016).
- Donchin, O., Gribova, A., Steinberg, O., Bergman, H., Vaadia, E. Primary motor cortex is involved in bimanual coordination. Nature. 395 (6699), 274-278 (1998).
- Brus-Ramer, M., Carmel, J. B., Martin, J. H. Motor cortex bilateral motor representation depends on subcortical and interhemispheric interactions. The Journal of Neuroscience. 29 (19), 6196-6206 (2009).
- d’Avella, A., Saltiel, P., Bizzi, E. Combinations of muscle synergies in the construction of a natural motor behavior. Nature Neuroscience. 6 (3), 300-308 (2003).
- Fattori, P., et al. Hand orientation during reach-to-grasp movements modulates neuronal activity in the medial posterior parietal area V6A. The Journal of Neuroscience. 29 (6), 1928-1936 (2009).
- vanden Berg, F. E., Swinnen, S. P., Wenderoth, N. Excitability of the motor cortex ipsilateral to the moving body side depends on spatio-temporal task complexity and hemispheric specialization. PLoS One. 6 (3), 17742 (2011).
- vanden Berg, F. E., Swinnen, S. P., Wenderoth, N. Involvement of the primary motor cortex in controlling movements executed with the ipsilateral hand differs between left- and right-handers. Journal of Cognitive Neuroscience. 23 (11), 3456-3469 (2011).
- Verstynen, T., Diedrichsen, J., Albert, N., Aparicio, P., Ivry, R. B. Ipsilateral motor cortex activity during unimanual hand movements relates to task complexity. Journal of Neurophysiology. 93 (3), 1209-1222 (2005).
- Lopez-Huerta, V. G., et al. Striatal bilateral control of skilled forelimb movement. Cell Reports. 34 (3), 108651 (2021).
- Lopez-Huerta, V. G., et al. The neostriatum: two entities, one structure. Brain Structure and Function. 221 (3), 1737-1749 (2016).
- Becker, M. I., Calame, D. J., Wrobel, J., Person, A. L. Online control of reach accuracy in mice. Journal of Neurophysiology. 124 (6), 1637-1655 (2020).
- Jaidar, O., et al. Synchronized activation of striatal direct and indirect pathways underlies the behavior in unilateral dopamine-depleted mice. European Journal of Neuroscience. 49 (11), 1512-1528 (2019).
- Gong, S., et al. Targeting Cre recombinase to specific neuron populations with bacterial artificial chromosome constructs. The Journal of Neuroscience. 27 (37), 9817-9823 (2007).
- Rowland, N. E. Food or fluid restriction in common laboratory animals: balancing welfare considerations with scientific inquiry. Comparative Medicine. 57 (2), 149-160 (2007).
- Ullman-Culleré, M. H., Foltz, C. J. Body condition scoring: a rapid and accurate method for assessing health status in mice. Laboratory Animal Science. 49 (3), 319-323 (1999).
- Chen, C. C., Gilmore, A., Zuo, Y. Study motor skill learning by single-pellet reaching tasks in mice. Journal of Visualized Experiments. (85), e51238 (2014).
- Fink, A. J., et al. Presynaptic inhibition of spinal sensory feedback ensures smooth movement. Nature. 509 (7498), 43-48 (2014).
- Li, Q., et al. Refinement of learned skilled movement representation in motor cortex deep output layer. Nature Communication. 8, 15834 (2017).
- Overduin, S. A., d’Avella, A., Carmena, J. M., Bizzi, E. Microstimulation activates a handful of muscle synergies. Neuron. 76 (6), 1071-1077 (2012).
- Miyazaki, T., et al. Large Timescale interrogation of neuronal function by fiberless optogenetics using lanthanide micro-particles. Cell Reports. 26 (4), 1033-1043 (2019).
- Yang, Y., et al. Wireless multilateral devices for optogenetic studies of individual and social behaviors. Nature Neuroscience. 24 (7), 1035-1045 (2021).
- Kampasi, K., et al. Fiberless multicolor neural optoelectrode for in vivo circuit analysis. Scientific Reports. 6, 30961 (2016).
- Allen, B. D., Singer, A. C., Boyden, E. S. Principles of designing interpretable optogenetic behavior experiments. Learning & Memory. 22 (4), 232-238 (2015).
- Packer, A. M., et al. . Nature Methods. 9, 1202-1205 (2012).
