في فيفو التحكم البصري الوراثي اللاسلكي للسلوك الحركي الماهر
Summary
يصف البروتوكول الحالي كيفية استخدام علم البصريات اللاسلكي جنبا إلى جنب مع تصوير الفيديو عالي السرعة في مهمة واحدة للوصول إلى الإمساك لتوصيف الدوائر العصبية المشاركة في أداء السلوك الحركي الماهر في الفئران التي تتحرك بحرية.
Abstract
المهارات الحركية الدقيقة ضرورية في الحياة اليومية ويمكن أن تتعرض للخطر في العديد من اضطرابات الجهاز العصبي. يتطلب اكتساب هذه المهام وأدائها تكاملا حسيا حركيا وينطوي على تحكم دقيق في دوائر الدماغ الثنائية. سيؤدي تنفيذ النماذج السلوكية أحادية اليد في النماذج الحيوانية إلى تحسين فهم مساهمة هياكل الدماغ ، مثل المخطط ، في السلوك الحركي المعقد لأنه يسمح بالتلاعب وتسجيل النشاط العصبي لنوى معينة في ظروف التحكم والمرض أثناء أداء المهمة.
منذ إنشائه ، كان علم البصريات الوراثي أداة مهيمنة لاستجواب الدماغ من خلال تمكين التنشيط أو تثبيط الانتقائية والمستهدفة للسكان العصبيين. إن الجمع بين علم البصريات الوراثي والاختبارات السلوكية يلقي الضوء على الآليات الأساسية لوظائف الدماغ المحددة. تسمح الأنظمة اللاسلكية المثبتة على الرأس مع الثنائيات المصغرة الباعثة للضوء (LEDs) بالتحكم البصري الوراثي عن بعد في يتحرك بحرية تماما. هذا يتجنب قيود النظام السلكي كونه أقل تقييدا لسلوك الحيوانات دون المساس بكفاءة انبعاثات الضوء. يجمع البروتوكول الحالي بين نهج علم البصريات اللاسلكي وتصوير الفيديو عالي السرعة في مهمة براعة أحادية يدوية لتشريح مساهمة مجموعات عصبية محددة في السلوك الحركي الدقيق.
Introduction
السلوك الحركي الماهر موجود خلال معظم الحركات التي نقوم بها ، ومن المعروف أنه يتأثر في العديد من اضطرابات الدماغ1،2،3،4،5،6. يعد تنفيذ المهام التي تسمح بدراسة تطوير الحركات الماهرة وتعلمها وأدائها أمرا بالغ الأهمية لفهم الأسس العصبية البيولوجية للوظيفة الحركية ، خاصة في نماذج إصابات الدماغ والاضطرابات العصبية التنكسية والنمو العصبي 2,7,8,9,10,11,12,13 . يتم الوصول إلى الأشياء واسترجاعها بشكل روتيني في إجراءات الحياة اليومية ، وهي واحدة من أوائل المهارات الحركية المكتسبة خلال التطوير المبكر ثم يتم صقلها عبر السنين 5,6. وهو يتألف من سلوك معقد يتطلب عمليات حسية حركية مثل إدراك ميزات الجسم ، وتخطيط الحركة ، واختيار الحركة ، وتنفيذ الحركة ، وتنسيق الجسم ، وتعديل السرعة7،14،15،16. وبالتالي ، تتطلب مهام البراعة العالية أحادية اليد مشاركة العديد من هياكل الدماغ في نصفي الكرة الأرضية16،17،18،19،20،21،22. في الفئران ، تتميز مهمة الوصول إلى الإمساك بالكريات المفردة لعدة مراحل يمكن التحكم فيها وتحليلها بشكل منفصل7،13،23. تسمح هذه الميزة بدراسة مساهمة مجموعات فرعية عصبية محددة في مراحل مختلفة من اكتساب وأداء السلوك وتوفر منصة للدراسات التفصيلية للأنظمة الحركية13،23،24. تحدث الحركة في بضع ثوان. وبالتالي ، ينبغي استخدام تصوير الفيديو عالي السرعة للتحليل الحركي في مراحل متميزة من المسار الحركي الماهر 7,25. يمكن استخراج العديد من المعلمات من مقاطع الفيديو ، بما في ذلك وضع الجسم والمسار والسرعة ونوع الأخطاء25. يمكن استخدام التحليل الحركي للكشف عن التغيرات الطفيفة أثناء التلاعب البصري الوراثي اللاسلكي 7,23.
إن استخدام الثنائيات المصغرة الباعثة للضوء (LEDs) لتوصيل الضوء عبر نظام لاسلكي مثبت على الرأس يجعل من الممكن التحكم البصري الوراثي عن بعد أثناء أداء الحيوان للمهمة. تقبل وحدة التحكم البصرية الجينية اللاسلكية أوامر الزناد أحادية النبضة أو المستمرة من محفز وترسل إشارات الأشعة تحت الحمراء (IR) إلى جهاز استقبال متصل ب LED المصغر23,26. يجمع البروتوكول الحالي بين هذا النهج اللاسلكي البصري الوراثي مع تصوير الفيديو عالي السرعة لمهمة براعة لتشريح دور مجموعات عصبية محددة أثناء أداء السلوك الحركي الدقيق23. نظرا لأنها مهمة أحادية اليد ، فإنها تسمح بتقييم مشاركة الهياكل في نصفي الكرة الأرضية. تقليديا ، يتحكم الدماغ في حركة الجسم بطريقة غير متماثلة للغاية. ومع ذلك ، تتطلب المهام عالية البراعة تنسيقا دقيقا وتحكما من العديد من هياكل الدماغ ، بما في ذلك النوى الجانبية والمساهمة التفاضلية للسكان الفرعيين العصبيين داخل النوى10،20،21،22،23. يوضح هذا البروتوكول أن الهياكل تحت القشرية من نصفي الكرة الأرضية تتحكم في مسار الطرف الأمامي23. يمكن أن يكون هذا النموذج مناسبا لدراسة مناطق الدماغ الأخرى ونماذج أمراض الدماغ.
Protocol
Representative Results
Discussion
إن استخدام التلاعب البصري الوراثي للسكان العصبيين في النماذج السلوكية المحددة جيدا يعزز معرفتنا حول الآليات الكامنة وراء التحكم الحركي 7,23. الطرق اللاسلكية مناسبة بشكل خاص للمهام التي تتطلب اختبارات على متعددة أو حرية الحركة34,35<sup class="xref…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم دعم هذا العمل من قبل مشروع IA203520 التابع لبعثة الأمم المتحدة في أفغانستان. نشكر منشأة الحيوانات التابعة لمؤسسة التمويل الدولية على مساعدتها في صيانة مستعمرات الفئران والوحدة الحسابية لدعم تكنولوجيا المعلومات ، وخاصة فرانسيسكو بيريز أوجينيو.
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).
