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Neuroscience

생체 내 숙련 된 운동 행동의 무선 광유전학 제어

Published: November 22, 2021
doi:
10.3791/63082
, , , , ,
1Institute of Cellular Physiology,National University of Mexico, 2Department of Neurosurgery,Stanford University, 3Facultad de Psicologia,National University of Mexico, 4Brain Mechanisms for Behaviour Unit,Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University

Summary

본 프로토콜은 자유롭게 움직이는 마우스에서 숙련 된 운동 거동의 성능에 관여하는 신경 회로를 특성화하기 위해 단일 펠릿 도달 – 투 – 파악 작업에서 고속 비디오 그래피와 결합 된 무선 광유전학을 사용하는 방법을 설명합니다.

Abstract

미세 운동 기술은 일상 생활에서 필수적이며 여러 신경계 장애에서 손상 될 수 있습니다. 이러한 작업의 획득 및 수행에는 감각 – 모터 통합이 필요하며 양측 뇌 회로의 정확한 제어가 필요합니다. 동물 모델에서 단수동 행동 패러다임을 구현하면 작업 수행 중에 제어 조건 및 질병에서 특정 핵의 신경 활동을 조작하고 기록 할 수 있으므로 복잡한 운동 행동에 선조체와 같은 뇌 구조의 기여에 대한 이해가 향상됩니다.

그것의 창조 이래로, 광유전학은 신경 세포의 선택적이고 표적화 된 활성화 또는 억제를 가능하게함으로써 뇌를 심문하는 지배적 인 도구였습니다. 광유전학과 행동 분석의 결합은 특정 뇌 기능의 기본 메커니즘에 대해 밝힙니다. 소형화된 발광 다이오드(LED)를 갖춘 무선 헤드 마운트 시스템은 완전히 자유롭게 움직이는 동물에서 원격 광유전학적 제어를 가능하게 합니다. 이것은 유선 시스템이 발광 효율을 손상시키지 않으면서 동물의 행동에 덜 제한적이라는 한계를 피할 수 있습니다. 현재의 프로토콜은 무선 광유전학 접근법과 고속 비디오 그래피를 단일 수동 손재주 작업으로 결합하여 특정 신경 세포 집단이 미세한 운동 행동에 기여하는 것을 해부합니다.

Introduction

운동 숙련 된 행동은 우리가 수행하는 대부분의 움직임 중에 존재하며, 여러 뇌 장애 1,2,3,4,5,6에서 영향을받는 것으로 알려져 있습니다. 숙련 된 운동의 발달, 학습 및 성능을 연구 할 수있는 작업을 구현하는 것은 특히 뇌 손상, 신경 퇴행성 및 신경 발달 장애 모델 2,7,8,9,10,11,12,13에서 운동 기능의 신경 생물학적 토대를 이해하는 데 중요합니다. . 물체에 도달하고 검색하는 것은 일상 생활에서 일상적으로 이루어지며, 초기 개발 과정에서 습득 한 최초의 운동 기술 중 하나이며 5,6 년 동안 세련되었습니다. 그것은 물체의 특징에 대한 인식, 운동 계획, 행동 선택, 운동 실행, 신체 조정 및 속도 변조 7,14,15,16과 같은 감각 – 운동 과정을 필요로하는 복잡한 행동을 포함한다. 따라서, 일수동적인 높은 손재주 작업은 양쪽 반구 16,17,18,19,20,21,22의 많은 뇌 구조의 참여를 필요로 한다. 마우스에서, 단일 펠릿 도달-대-파악 과제는 개별적으로 제어되고 분석될 수 있는 여러 단계를 특징으로 한다(7,13,23). 이 특징은 획득 및 행동 성능의 상이한 단계에서 특정 뉴런 서브 집단의 기여를 연구 할 수있게하고 모터 시스템13,23,24에 대한 상세한 연구를위한 플랫폼을 제공한다. 움직임은 몇 초 안에 발생합니다. 따라서, 고속 비디오 그래피는 숙련된 운동 궤적(7,25)의 뚜렷한 단계에서 운동학적 분석에 사용되어야 한다. 비디오로부터 신체 자세, 궤적, 속도 및 에러 유형(25)을 포함하는 몇몇 파라미터들이 추출될 수 있다. 운동학적 분석은 무선 광유전학적 조작(7,23) 동안 미묘한 변화를 검출하는데 사용될 수 있다.

무선 헤드 마운트 시스템을 통해 빛을 전달하기 위해 소형 발광 다이오드(LED)를 사용하면 동물이 작업을 수행하는 동안 원격 광유전학 제어를 할 수 있습니다. 무선 광유전학 제어기는 자극기로부터 단일 펄스 또는 연속 트리거 명령을 수용하고, 적외선(IR) 신호를 소형화된 LED(23,26)에 연결된 수신기로 전송한다. 현재의 프로토콜은 이러한 무선 광유전학 접근법을 손재주 태스크의 고속 비디오 그래피와 결합하여 미세 운동 거동(23)의 수행 동안 특정 뉴런 집단의 역할을 해부한다. 단일 수동 작업이기 때문에 두 반구에서 구조물의 참여를 평가할 수 있습니다. 전통적으로 뇌는 매우 비대칭적인 방식으로 신체 움직임을 제어합니다. 그러나 손재주가 높은 작업에는 동측성 핵과 핵10,20,21,22,23 내의 신경 하위 집단의 차별적 기여를 포함하여 많은 뇌 구조로부터의 신중한 조정과 제어가 필요합니다. 이 프로토콜은 양쪽 반구로부터의 피질하 구조가 앞다리(23)의 궤적을 조절한다는 것을 보여준다. 이 패러다임은 뇌 질환의 다른 뇌 영역과 모델을 연구하는 데 적합 할 수 있습니다.

Protocol

동물 사용과 관련된 절차는 지역 및 국가 지침에 따라 수행되었으며 해당 기관 동물 관리 및 사용위원회 (세포 생리학 연구소 IACUC 프로토콜 VLH151-19)의 승인을 받았습니다. Drd1-Cre 형질전환 수컷 마우스는C57BL/6 배경으로 출생 후 27, 35-40일째에 현재의 프로토콜에 사용되었다. 마우스는 다음의 조건 하에서 유지되었다: 온도 22±1°C; 습도 55%; 가벼운 일정 12/12 시간 오후 7시에 불을 ?…

Representative Results

도달 – 투 – 파악 과제는 다양한 실험 조작 하에서 미세 기술 운동의 형성, 학습, 성능 및 운동학을 연구하는 데 널리 사용되는 패러다임입니다. 마우스는 며칠 안에 작업을 수행하고 5 일간의 훈련 후에 고원에 도달하는 55 % 이상의 정확도를 달성하는 법을 배웁니다 (그림 2A, B). 이전에 보고된 것과 유사하게, 동물의 백분율은 작업을 적절하게 수행하지 않으며(29….

Discussion

잘 정의 된 행동 패러다임에서 신경 집단의 광유전 적 조작의 사용은 운동 제어 7,23의 기초가되는 메커니즘에 대한 우리의 지식을 발전시키고 있습니다. 무선 방법은 여러 동물 또는 자유 이동34,35에 대한 테스트가 필요한 작업에 특히 적합합니다. 그럼에도 불구하고, 기술과 장치가 세련됨에 따라, 그것은 광…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

이 작업은 UNAM-PAPIIT 프로젝트 IA203520에서 지원했습니다. IFC 동물 시설에서 마우스 식민지 유지 보수에 도움을 준 것과 IT 지원을 위한 전산 장치, 특히 Francisco Perez-Eugenio에 감사드립니다.

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
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References

  1. Balbinot, G., et al. Post-stroke kinematic analysis in rats reveals similar reaching abnormalities as humans. Scientific Report. 8 (1), 8738 (2018).
  2. 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).
  3. MacLellan, C. L., Gyawali, S., Colbourne, F. Skilled reaching impairments follow intrastriatal hemorrhagic stroke in rats. Behavioural Brain Research. 175 (1), 82-89 (2006).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Wang, X., et al. Deconstruction of corticospinal circuits for goal-directed motor skills. Cell. 171 (2), 440-455 (2017).
  12. Xu, T., et al. Rapid formation and selective stabilization of synapses for enduring motor memories. Nature. 462 (7275), 915-919 (2009).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Yttri, E. A., Dudman, J. T. Opponent and bidirectional control of movement velocity in the basal ganglia. Nature. 533 (7603), 402-406 (2016).
  16. Donchin, O., Gribova, A., Steinberg, O., Bergman, H., Vaadia, E. Primary motor cortex is involved in bimanual coordination. Nature. 395 (6699), 274-278 (1998).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Lopez-Huerta, V. G., et al. Striatal bilateral control of skilled forelimb movement. Cell Reports. 34 (3), 108651 (2021).
  24. Lopez-Huerta, V. G., et al. The neostriatum: two entities, one structure. Brain Structure and Function. 221 (3), 1737-1749 (2016).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Rowland, N. E. Food or fluid restriction in common laboratory animals: balancing welfare considerations with scientific inquiry. Comparative Medicine. 57 (2), 149-160 (2007).
  29. 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).
  30. 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).
  31. Fink, A. J., et al. Presynaptic inhibition of spinal sensory feedback ensures smooth movement. Nature. 509 (7498), 43-48 (2014).
  32. Li, Q., et al. Refinement of learned skilled movement representation in motor cortex deep output layer. Nature Communication. 8, 15834 (2017).
  33. Overduin, S. A., d’Avella, A., Carmena, J. M., Bizzi, E. Microstimulation activates a handful of muscle synergies. Neuron. 76 (6), 1071-1077 (2012).
  34. Miyazaki, T., et al. Large Timescale interrogation of neuronal function by fiberless optogenetics using lanthanide micro-particles. Cell Reports. 26 (4), 1033-1043 (2019).
  35. Yang, Y., et al. Wireless multilateral devices for optogenetic studies of individual and social behaviors. Nature Neuroscience. 24 (7), 1035-1045 (2021).
  36. Kampasi, K., et al. Fiberless multicolor neural optoelectrode for in vivo circuit analysis. Scientific Reports. 6, 30961 (2016).
  37. Allen, B. D., Singer, A. C., Boyden, E. S. Principles of designing interpretable optogenetic behavior experiments. Learning & Memory. 22 (4), 232-238 (2015).
  38. Packer, A. M., et al. . Nature Methods. 9, 1202-1205 (2012).

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Rodriguez-Munoz, D. L., Jaidar, O., Palomero-Rivero, M., Arias-Garcia, M. A., Arbuthnott, G. W., Lopez-Huerta, V. G. In Vivo Wireless Optogenetic Control of Skilled Motor Behavior. J. Vis. Exp. (177), e63082, doi:10.3791/63082 (2021).
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