In vivo Trådløs optogenetisk styring af dygtig motorisk adfærd
Summary
Den nuværende protokol beskriver, hvordan man bruger trådløs optogenetik kombineret med højhastigheds videografi i en enkelt pellet reach-to-grasp opgave til at karakterisere de neurale kredsløb, der er involveret i udførelsen af dygtig motorisk adfærd i frit bevægelige mus.
Abstract
Finmotorik er afgørende i hverdagen og kan kompromitteres i flere nervesystemforstyrrelser. Erhvervelsen og udførelsen af disse opgaver kræver sensorisk-motorisk integration og involverer præcis styring af bilaterale hjernekredsløb. Implementering af unimanuelle adfærdsmæssige paradigmer i dyremodeller vil forbedre forståelsen af hjernestrukturernes bidrag, som striatum, til kompleks motorisk adfærd, da det tillader manipulation og registrering af neural aktivitet af specifikke kerner i kontrolforhold og sygdom under udførelsen af opgaven.
Siden oprettelsen har optogenetik været et dominerende redskab til at forhøre hjernen ved at muliggøre selektiv og målrettet aktivering eller hæmning af neuronale populationer. Kombinationen af optogenetik med adfærdsmæssige assays kaster lys over de underliggende mekanismer for specifikke hjernefunktioner. Trådløse hovedmonterede systemer med miniaturiserede lysdioder (LED’er) muliggør fjernbetjent optogenetisk kontrol i et helt frit bevægeligt dyr. Dette undgår begrænsningerne i et kablet system, der er mindre restriktivt for dyrs adfærd uden at gå på kompromis med lysemissionseffektiviteten. Den nuværende protokol kombinerer en trådløs optogenetik tilgang med højhastigheds videografi i en unimanuel fingerfærdighedsopgave for at dissekere bidraget fra specifikke neuronale populationer til finmotorisk adfærd.
Introduction
Motorisk dygtig adfærd er til stede under de fleste bevægelser udført af os, og det vides at være påvirket i flere hjernesygdomme 1,2,3,4,5,6. Implementering af opgaver, der gør det muligt at studere udviklingen, læringen og udførelsen af dygtige bevægelser, er afgørende for at forstå motorfunktionens neurobiologiske grundlag, især i modeller af hjerneskade, neurodegenerative og neuroudviklingsforstyrrelser 2,7,8,9,10,11,12,13 . At række ud efter og hente genstande sker rutinemæssigt i hverdagens handlinger, og det er en af de første motoriske færdigheder, der er erhvervet under tidlig udvikling og derefter raffineret gennem årene 5,6. Det omfatter en kompleks adfærd, der kræver sensorisk-motoriske processer såsom opfattelsen af objektets funktioner, bevægelsesplanlægning, handlingsvalg, bevægelsesudførelse, kropskoordinering og hastighedsmodulering 7,14,15,16. Således kræver unimanuelle opgaver med høj fingerfærdighed deltagelse af mange hjernestrukturer på begge halvkugler 16,17,18,19,20,21,22. Hos mus er den enkelte pellet reach-to-grasp-opgave karakteriseret i flere faser, der kan styres og analyseres separat 7,13,23. Denne funktion gør det muligt at studere bidraget fra specifikke neuronale subpopulationer på forskellige stadier af erhvervelse og adfærd ydeevne og giver en platform for detaljerede undersøgelser af motorsystemer 13,23,24. Bevægelsen sker om et par sekunder; højhastighedsvideografisk bør således anvendes til kinematisk analyse i forskellige faser af den faglærte motorbane 7,25. Flere parametre kan udtrækkes fra videoerne, herunder kropsholdning, bane, hastighed og type fejl25. Kinematisk analyse kan bruges til at detektere subtile ændringer under trådløs optogenetisk manipulation 7,23.
Brug af miniaturiserede lysdioder (LED’er) til at levere lys via et trådløst hovedmonteret system gør det muligt at have fjernoptogenetisk kontrol, mens dyret udfører opgaven. Den trådløse optogenetiske controller accepterer enkeltpuls- eller kontinuerlige udløserkommandoer fra en stimulator og sender infrarøde (IR) signaler til en modtager, der er tilsluttet den miniaturiserede LED23,26. Den nuværende protokol kombinerer denne trådløse optogenetik-tilgang med højhastighedsvideoografi af en fingerfærdighedsopgave for at dissekere specifikke neuronale populationers rolle under udførelsen af finmotorisk adfærd23. Da det er en unimanuel opgave, giver det mulighed for at vurdere deltagelsen af strukturer i begge halvkugler. Traditionelt styrer hjernen kroppens bevægelse på en meget asymmetrisk måde; Opgaver med høj fingerfærdighed kræver imidlertid omhyggelig koordinering og kontrol fra mange hjernestrukturer, herunder ipsilaterale kerner og differentielt bidrag fra neuronale subpopulationer inden for kerner 10,20,21,22,23. Denne protokol viser, at subkortikale strukturer fra begge halvkugler styrer forbenets bane23. Dette paradigme kan være egnet til at studere andre hjerneområder og modeller af hjernesygdom.
Protocol
Representative Results
Discussion
Brugen af optogenetisk manipulation af neuronale populationer i veldefinerede adfærdsmæssige paradigmer fremmer vores viden om de mekanismer, der ligger til grund for motorisk kontrol 7,23. Trådløse metoder er særligt velegnede til opgaver, der kræver forsøg på flere dyr eller fri bevægelighed34,35. Ikke desto mindre, da teknikker og enheder raffineres, bør det være go-to-muligheden for enhver …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af UNAM-PAPIIT-projektet IA203520. Vi takker IFC’s dyreanlæg for deres hjælp med vedligeholdelse af musekolonier og beregningsenheden til IT-support, især til 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).
