In Vivo Trådløs optogenetisk kontroll av dyktig motorisk oppførsel
Summary
Den nåværende protokollen beskriver hvordan du bruker trådløs optogenetikk kombinert med høyhastighets videografi i en enkelt pellets rekkevidde-til-grep-oppgave for å karakterisere nevrale kretser som er involvert i ytelsen til dyktig motorisk oppførsel hos fritt bevegelige mus.
Abstract
Finmotoriske ferdigheter er avgjørende i hverdagen og kan bli kompromittert i flere nervesystemforstyrrelser. Oppkjøpet og ytelsen til disse oppgavene krever sensorisk motorisk integrasjon og innebærer presis kontroll av bilaterale hjernekretser. Implementering av enspråklige atferdsparadigmer i dyremodeller vil forbedre forståelsen av bidraget av hjernestrukturer, som striatum, til kompleks motorisk oppførsel, da det tillater manipulering og registrering av nevral aktivitet av spesifikke kjerner i kontrollforhold og sykdom under utførelsen av oppgaven.
Siden opprettelsen har optogenetikk vært et dominerende verktøy for å forhøre hjernen ved å muliggjøre selektiv og målrettet aktivering eller hemming av nevronale populasjoner. Kombinasjonen av optogenetikk med atferdsanalyser kaster lys over de underliggende mekanismene for spesifikke hjernefunksjoner. Trådløse hodemonterte systemer med miniatyriserte lysdioder (lysdioder) tillater ekstern optogenetisk kontroll i et helt frittgående dyr. Dette unngår at begrensningene i et kablet system er mindre restriktive for dyrs oppførsel uten at det går på bekostning av lysutslippseffektiviteten. Den nåværende protokollen kombinerer en trådløs optogenetikk tilnærming med høyhastighets videografi i en enmanuell fingerferdighet oppgave å dissekere bidraget fra spesifikke nevronale populasjoner til fin motorisk oppførsel.
Introduction
Motorisk dyktig oppførsel er til stede under de fleste bevegelser utført av oss, og det er kjent for å bli påvirket i flere hjernesykdommer 1,2,3,4,5,6. Implementering av oppgaver som gjør det mulig å studere utvikling, læring og ytelse av dyktige bevegelser er avgjørende for å forstå motorfunksjonens nevrobiologiske underlag, spesielt i modeller av hjerneskade, nevrodegenerative og nevrodevelopmentale lidelser 2,7,8,9,10,11,12,13 . Å strekke seg etter og hente gjenstander gjøres rutinemessig i hverdagens handlinger, og det er en av de første motoriske ferdighetene som er oppnådd under tidlig utvikling og deretter raffinert gjennom årene 5,6. Den består av en kompleks oppførsel som krever sensoriske motoriske prosesser som oppfatningen av objektets egenskaper, bevegelsesplanlegging, handlingsvalg, bevegelsesutførelse, kroppskoordinering og hastighetsmodulering 7,14,15,16. Dermed krever enspråklige oppgaver med høy fingerferdighet deltakelse av mange hjernestrukturer på begge halvkule 16,17,18,19,20,21,22. Hos mus er den enkle pellets rekkevidde-til-grep-oppgaven preget for flere faser som kan kontrolleres og analyseres separat 7,13,23. Denne funksjonen gjør det mulig å studere bidraget fra spesifikke nevronale subpopulations på ulike stadier av oppkjøp og atferd ytelse og gir en plattform for detaljerte studier av motorsystemer 13,23,24. Bevegelsen skjer om et par sekunder; Dermed bør høyhastighets videografi brukes til kinematisk analyse i forskjellige stadier av den dyktige motorbanen 7,25. Flere parametere kan trekkes ut fra videoene, inkludert kroppsstilling, bane, hastighet og type feil25. Kinematisk analyse kan brukes til å oppdage subtile endringer under trådløs optogenetisk manipulasjon 7,23.
Ved hjelp av miniatyriserte lysdioder (lysdioder) for å levere lys via et trådløst hodemontert system gjør det mulig å ha ekstern optogenetisk kontroll mens dyret utfører oppgaven. Den trådløse optogenetiske kontrolleren godtar enkeltpuls- eller kontinuerlige utløserkommandoer fra en stimulator og sender infrarøde (IR) signaler til en mottaker som er koblet til den miniatyriserte LED23,26. Den nåværende protokollen kombinerer denne trådløse optogenetikk tilnærmingen med høyhastighets videografi av en fingerferdighet oppgave å dissekere rollen som spesifikke nevronale populasjoner under utførelsen av finmotorisk oppførsel23. Siden det er en enspråklig oppgave, tillater det å vurdere deltakelse av strukturer på begge halvkule. Tradisjonelt kontrollerer hjernen kroppsbevegelsen på en svært asymmetrisk måte; Imidlertid krever høye fingerferdighetsoppgaver nøye koordinering og kontroll fra mange hjernestrukturer, inkludert ipsilaterale kjerner og differensialbidrag av nevronale subpopulasjoner innen kjerner 10,20,21,22,23. Denne protokollen viser at subkortiske strukturer fra begge halvkule kontrollerer banen til forbenet23. Dette paradigmet kan være egnet til å studere andre hjerneregioner og modeller av hjernesykdom.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bruken av optogenetisk manipulering av nevronale populasjoner i veldefinerte atferdsparadigmer fremmer vår kunnskap om mekanismene som ligger til grunn for motorstyring 7,23. Trådløse metoder er spesielt egnet for oppgaver som krever tester på flere dyr eller fri bevegelse 34,35. Likevel, som teknikker og enheter er raffinert, bør det være go-to alternativet for enhver atferdsoppgave kombinert med o…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av UNAM-PAPIIT-prosjektet IA203520. Vi takker IFC-dyreavdelingen for deres hjelp med vedlikehold av musekolonier og beregningsenheten for IT-støtte, spesielt 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).
