هذا البروتوكول تفاصيل كيفيه تنفيذ وأداء التسجيلات الضوئية متعددة ألياف ، وكيفيه تصحيح للتحف المستقلة الكالسيوم ، والاعتبارات الهامه للتصوير الضوئي ثنائي اللون.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
مقالة منهجية
هذا البروتوكول تفاصيل كيفيه تنفيذ وأداء التسجيلات الضوئية متعددة ألياف ، وكيفيه تصحيح للتحف المستقلة الكالسيوم ، والاعتبارات الهامه للتصوير الضوئي ثنائي اللون.
تسجيل نشاط مجموعه من الخلايا العصبية في الحيوانية تتحرك بحريه هو مهمة صعبه. وعلاوة علي ذلك ، كما يتم تشريح الدماغ في المجموعات الفرعية الوظيفية أصغر وأصغر ، يصبح من الاهميه بمكان لتسجيل من الإسقاطات و/أو السكان الفرعيين المحددة وراثيا من الخلايا العصبية. ألياف الضوئية القياس هو نهج يمكن الوصول اليها وقويه التي يمكن التغلب علي هذه التحديات. من خلال الجمع بين المنهجيات البصرية والجينية ، يمكن قياس النشاط العصبي في هياكل الدماغ العميق عن طريق التعبير عن مؤشرات الكالسيوم المشفرة وراثيا ، والتي تترجم النشاط العصبي إلى اشاره بصريه يمكن قياسها بسهوله. ويفصل البروتوكول الحالي مكونات نظام القياس الضوئي متعدد ألياف ، وكيفيه الوصول إلى هياكل الدماغ العميقة لتقديم وجمع الضوء ، وطريقه لحساب القطع الاثريه الحركية ، وكيفيه معالجه وتحليل إشارات الفلورسنت. ويفصل البروتوكول الاعتبارات التجريبية عند اجراء التصوير بألوان الاحاديه أو المزدوجة ، سواء من ألياف بصريه مزروعة واحده أو متعددة.
القدرة علي ربط الاستجابات العصبية مع جوانب محدده من سلوك الحيوانية أمر بالغ الاهميه لفهم دور مجموعه معينه من الخلايا العصبية يلعب في توجيه أو الاستجابة لعمل أو التحفيز. نظرا لتعقيد السلوك الحيواني ، مع عدد لا يحصي من الدول الداخلية والمحفزات الخارجية التي يمكن ان تؤثر حتى ابسط الإجراءات ، وتسجيل اشاره مع قرار واحد المحاكمة يزود الباحثين مع الاداات اللازمة للتغلب علي هذه القيود.
أصبحت ألياف الضوئية تقنيه الاختيار للعديد من الباحثين في مجال علم الأعصاب نظم بسبب بساطتها النسبية مقارنه بغيرها من تقنيات التسجيل المجرية ، وارتفاع نسبه الاشاره إلى الضوضاء ، والقدرة علي تسجيل في مجموعه متنوعة من النماذج السلوكية1،2،3،4،5،6،7،8. وخلافا للأساليب الكهربائية الكهربية التقليدية ، فان القياس الضوئي هو النهج البصري الأكثر استخداما بالاقتران مع مؤشرات الكالسيوم المرمزة وراثيا (جيكسيس ، سلسله GCaMP)9. وتقوم اليتالق بتغيير قدرتها علي الاعتماد علي ما إذا كانت مرتبطة بالكالسيوم ام لا. لان التركيز الداخلي للكالسيوم في الخلايا العصبية هو منظم باحكام وقناات الكالسيوم الجهد بوابات مفتوحة عندما حرائق الخلايا العصبية المحتملة العمل ، وزيادات عابره في تركيز الكالسيوم الداخلي ، مما يؤدي إلى زيادات عابره في يمكن للقدرة علي الفلورية إلى مضان ، يمكن ان يكون وكيلا جيدا لإطلاق النار العصبية9.
مع ألياف الضوئية ، يتم توجيه ضوء الاثاره أسفل رقيقه ، وألياف البصرية مولتيمود في الدماغ ، ويتم جمع اشاره الانبعاثات النسخ الاحتياطي من خلال نفس ألياف. لان هذه ألياف البصرية خفيفه الوزن وانحناء ، يمكن للحيوان ان يتحرك إلى حد كبير دون عوائق ، مما يجعل هذه التقنية متوافقة مع مجموعه واسعه من الاختبارات والظروف السلوكية. بعض الظروف ، مثل الحركات السريعة أو الانحناء من ألياف البصرية الحبل التصحيح خارج دائره نصف قطرها التي يمكن ان تحافظ علي الانعكاس الداخلي الكلي ، يمكن إدخال التحف اشاره. لغموض عن اشاره من الضجيج ، يمكننا استغلال ممتلكات GCaMP المعروفة باسم "نقطه isosbestic." بإيجاز, مع [غكمب], بما ان الطول موجي من الاثاره ضوء يكون غيرت إلى اليسار, انبعاثاته في ال [كلسيوم-فيف] دوله تناقصات والاذاعه في الدولة [كلسيوم-اونبد] زيادات هامشيا. والنقطة التي تكون فيها الكثافة النسبية لهذين النوعين من الانبعاثات متساوية تسمي النقطة الايزوبيتيك. عندما يكون GCaMP متحمسا في هذه المرحلة ، فان انبعاثاته لا تتاثر بالتغيرات في تركيزات الكالسيوم الداخلية ، وغالبا ما يكون التباين في الاشاره بسبب توهين الاشاره من الانحناء الزائد لحبل التصحيح بألياف البصرية أو حركه الانسجه العصبية بالنسبة للألياف المزروعة.
وحده واحده من فسيولوجيا الكهربائية لا يزال معيار الذهب للتحرك بحريه في التسجيلات المجرية بسبب الخلية واحده والقرار مستوي واحد سبايك. ومع ذلك ، قد يكون من الصعب تحديد الهوية الجزيئية للخلايا التي يتم تسجيلها ، ويمكن ان يكون التحليل اللاحق لذلك شاقا للغاية. بينما ألياف الضوئية ليس لديها دقه خليه واحده ، فانه يسمح للباحثين لطرح الاسئله من المستحيل معالجه مع التقنيات التقليدية. الجمع بين الاستراتيجيات الفيروسية مع الكائنات المحورة وراثيا ، يمكن توجيه التعبير عن جيكليس إلى أنواع الخلايا العصبية المحددة وراثيا لتسجيل النشاط العصبي المحدد للسكان أو الإسقاط ، والذي يمكن تنفيذه عن طريق مراقبه اشاره الكالسيوم مباشره في محور عصبي انتهائيه10,11. وعلاوة علي ذلك ، من خلال زرع العديد من ألياف البصرية ، فمن الممكن لمراقبه النشاط العصبي في وقت واحد من عده مناطق الدماغ ومسارات في نفس الحيوانية12،13.
في هذه المخطوطة ، نقوم بوصف تقنيه لقياس الضوء الأحادي ومتعدد ألياف ، وكيفيه تصحيح القطع الاثريه المستقلة عن الكالسيوم ، وتفاصيل كيفيه اجراء تسجيلات أحاديه اللون ومزدوجة ألوان. كما نقدم أمثله علي أنواع الاسئله التي تمكن المرء من طرحها ومستوياتها المتزايدة من التعقيد (انظر الشكل 1). ويمكن بناء الاعداد الضوئي ألياف للتسجيلات متعددة ألياف مفصله في هذا البروتوكول باستخدام قائمه من المواد الموجودة في https://sites.google.com/view/multifp/hardware (الشكل 2).
فمن الضروري ان تكون مجهزه للنظام لكل من 410 nm و 470 nm الاثاره الموجات للانبعاثات الكالسيوم مستقله والكالسيوم المعتمدة من GCaMP6 أو المتغيرات لها. للاجهزه التي بنيت خصيصا أو إذا كان هناك اي برنامج متاح لتشغيل النظام ، ويمكن استخدام البرنامج المفتوح المصدر الحرة بونساي (http://www.open-ephys.org/bonsai/). بدلا من ذلك ، يمكن تشغيل ألياف الضوئية من خلال MATLAB (علي سبيل المثال ، https://github.com/deisseroth-lab/multifiber)12 أو غيرها من لغة البرمجة14. وينبغي ان البرمجيات والاجهزه من النظام تسمح التلاعب في كل من 410 nm و 470 nm المصابيح والكاميرا ، واستخراج الصور (الشكل 2) ، وحساب كثافة الفلورسنت يعني في مناطق الاهتمام (rois) رسمها حول ألياف علي الصور. يجب ان يكون الإخراج جدول قيم كثافة متوسط سجلت مع 470 nm و 410 nm المصابيح من كل ألياف في الحبل التصحيح. عند اجراء التجارب متعددة ألياف ، 400 μm ألياف المجمعة قد تحد من حركه الفئران. في مثل هذه الحالات ، نوصي باستخدام الحبال التصحيح 200 μm ، والتي توفر المزيد من المرونة. قد يكون من الممكن أيضا استخدام أصغر الكابلات وهميه اثناء تدريب الفئران.
ومن الاهميه بمكان ان تكون قادره علي استخراج النقاط الزمنيه للاحداث المثيرة للاهتمام اثناء اكتساب ألياف الضوئية. إذا لم يوفر النظام بسهوله نظام مدمج لدمج TTLs لاحداث محدده ، فان الاستراتيجية البديلة هي تعيين طابع زمني للنقاط الزمنيه الفردية المسجلة لتتماشي مع الأوقات والاحداث المحددة اثناء التجربة. ويمكن القيام به ختم الوقت باستخدام ساعة الكمبيوتر.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
وقد أجريت جميع التجارب وفقا للجان المؤسسية للعناية بالماشية واستخدامها التابعة لجامعه كاليفورنيا وسان دييغو والدليل الكندي لرعاية واستخدام المختبرات وتمت الموافقة عليها من قبل جامعه لافال لحماية الماشية اللجنه.
1. محاذاة المسار البصري بين CMOS (التكميلية أكسيد المعدن أشباه الموصلات) الكاميرا والفردية أو المتفرعة الحبل التصحيح
2. اعداد ROIs حول ألياف لقياس كثافة الفلورسنت يعني
3. الاعداد لتسجيل الساحة
4. في الجسم التسجيلات
ملاحظه: اجراء زرع ألياف البصرية كانولا للتجارب ألياف الضوئية مطابق للاجراء لoptogenetics كما هو موضح في سبارتا وآخرون15. نوصي باستخدام الاسمنت الأسنان (انظر جدول المواد) ، والذي يوفر ترسيخ قوي من الراس إلى عظم الجمجمة. سيكون الاسمنت السني مفيدا بشكل خاص في الحالات التي لا يمكن فيها استخدام مسامير التثبيت.
5. تحليل البيانات الضوئية ألياف
ملاحظه: هذا هو أسلوب تحليل البيانات الذي يعمل بشكل جيد لمعظم التسجيلات. غير انه يمكن تنفيذ نهج بديله. مثال التعليمه البرمجية لتحليل البيانات يمكن العثور عليها هنا: https://github.com/katemartian/Photometry_data_processing.

6. التسجيلات ذات ألوان المزدوجة في وقت واحد
7. تحليل البيانات المزدوجة اللون
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
الارتباطات العصبية من الاستجابات السلوكية يمكن ان تختلف تبعا لمجموعه متنوعة من العوامل. في هذا المثال ، استخدمنا في الجسم ألياف الضوئية الفوتومتري لقياس نشاط محطات محور عصبي من منطقه طائي الجانبية (lha) التي تنتهي في عنان وحشي الجانبية (lha). تم حقن الفئران نوع البرية مع فيروس المرتبطة adeno (AAV) ترميز GCaMP6s (AAV-hSyn-GCaMP6s) في LHA وتم زرع ألياف البصرية مع غيض مباشره فوق Lha (الشكل 4ا). تم العثور علي التعبير GCaMP6s في الهيئات الخلوية لل LHA ومحطاتها محور عصبي إسقاط لل ...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
ألياف الضوئية القياس هو نهج يمكن الوصول اليها التي تسمح للباحثين لتسجيل ديناميات الكالسيوم السائبة من السكان الخلايا العصبية المحددة في الحيوانية تتحرك بحريه. ويمكن الجمع بين هذه الطريقة مع مجموعه واسعه من الاختبارات السلوكية, بما في ذلك "حركه ثقيله" المهام مثل اختبارات السباحة القسري2, الخوف-تكييف18, التفاعلات الاجتماعية1,4, وغيرها7, 8و
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
سيج ارونسون هو الرئيس التنفيذي ومؤسس نيوروفوتوميتريكس المحدودة ، التي تبيع أنظمه القياس الضوئي متعددة ألياف.
وكان هذا العمل مدعوما بمنحه من مجلس العلوم الطبيعية والبحوث الهندسية في كندا (NSERC: RGPIN-2017-06131) إلى C.P. c. P. هو FRSQ Chercheur-Boursier. كما نشكر الhttps://www.neurophotonics.ca/fr/pom التي استخدمت في هذه الدراسة لإنتاج النواقل الفيروسية المستخدمة فيها.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| 1/4 "-20 برغي غطاء من الفولاذ المقاوم للصدأ ، 1" SH25S100 | Thorlabs | ||
| 1/4 "-20 برغي غطاء من الفولاذ المقاوم للصدأ ، 1/2" | Thorlabs | طويل SH25S050 | |
| 1/4 "-20 برغي غطاء من الفولاذ المقاوم للصدأ ، 3/8" | Thorlabs | طويل SH25S038 | |
| 1000 ومايكرو ؛ م ، 0.50 NA ، SMA-SMA كابل تصحيح الألياف | Thorlabs | M59L01 | |
| 12.7 مم عمود بصري | Thorlabs | TR30 / M | |
| 12.7 مم حامل عمود الركيزة | Thorlabs | PH20EM | |
| 15 فولت ، 2.4 أمبير وحدة إمداد الطاقة مع موصل مقبس 3.5 مم ل T-Cube | Thorlabs | KPS101 | |
| 20x الموضوعي | Thorlabs | RMS20X | # 10 في الشكل 2 ، # 11 في الشكل 5 |
| قفص 30 مم مع حامل مرشح ثنائي اللون | Thorlabs | CM1-DCH / M | # 8-9 في الشكل 2 ، # 8-10 في الشكل 5 |
| 405 نانومتر عدسات LED | دوريك | CLED_405 | # 2 في الشكل 2 |
| مرشح ممر النطاق الترددي 410 نانومتر | Thorlabs | FB410-10 | # 5 في الشكل 2 ؛ # 7 في الشكل 5 |
| 465 نانومتر. | عدسات LED دوريك | CLED_465 | # 1 في الشكل 2 |
| ممر النطاق الترددي 470 نانومتر | Thorlabs | FB470-10 | # 4 في الشكل 2 ؛ # 6 في الشكل 5 |
| ممر النطاق الترددي 560 نانومتر | Semrock | FF01-560 / 14-25 | # 5 في الشكل 5 |
| 560 نانومتر | عدسات LED دوريك | CLED_560 | # 1 في الشكل 3 |
| محاور حركية جبل | Thorlabs | K5X1 | # 11 في الشكل 2 ، # 12 في الشكل 5 |
| محول مزدوج | Thorlabs | AC254-035-A-ML | # 7 في الشكل 2 |
| محول ل 405 موازي | Thorlabs | AD11F | # 3 في الشكل 2 ؛ # 4 في الشكل 5 |
| محول للموازية القابلة للتعديل | Thorlabs | AD127-F | # 3 في الشكل 2 ؛ # 4 في الشكل 5 |
| الألومنيوم اللوح | Thorlabs | MB1824 | |
| شوكة لقط | Thorlabs | CF125 | |
| موصل مكعب | Thorlabs | CM1-CC | |
| مزدوج 493/574 ثنائي اللون | Semrock | FF493 / 574-Di01-25x36 | # 10 في الشكل 5 |
| مرشح انبعاث ل GCaMP6 | Semrock | FF01-535 / 22-25 | # 6 في الشكل 2 |
| الضميمة مع ألواح الألواح الصلبة | السوداء Thorlabs | XE25C9 | |
| SM1 غطاء نهاية الخيوط لتصنيع | Thorlabs | SM1CP2M | |
| مرشح أنبوب عدسة SM1 سريع التغيير | Thorlabs | SM1QP | # 4-6 في الشكل 2 ، # 5-7 في الشكل 5 |
| الموازاة الثابتة لضوء 405 نانومتر | Thorlabs | F671SMA-405 | # 3 في الشكل 2 ؛ # 4 في الشكل 5 |
| موازاة ثابتة لضوء 470 و 560 نانومتر | Thorlabs | F240SMA-532 | # 3 في الشكل 2 ؛ # 4 في الشكل 5 |
| مرشح الانبعاث الأخضر | Semrock | FF01-520 / 35-25 | في مقسم شعاع الضوء |
| عالية الدقة USB 3.0 CMOS Camera | Thorlabs | DCC3260M | # 13 في الشكل 2 ، # 15 في الشكل 5 |
| فاصل شعاع الضوء | القياسات العصبية | الضوئية SPLIT | # 14 في الشكل 5 |
| مرآة Longpass ثنائية اللون ، 425 نانومتر Cutoff | Thorlabs | DMLP425R | # 8 في الشكل 2 ، # 9 في الشكل 5 |
| مرآة Longpass ثنائية اللون ، 495 نانومتر Cutoff | Semrock | FF495-Di03 | # 9 في الشكل 2 ، # 8 في الشكل 5 |
| أسمنت الأسنان Metabond | C & B | ||
| M8 - M8 كابل | دوريك عدسات | Cable_M8-M8 | |
| قنيات الألياف البصرية | عدسات | دوريك تحتاج إلى تحديد أنه سيتم استخدامها في تجارب القياس الضوئي التي تتطلب منخفض التألق | |
| الذاتي الألياف البصرية | عدسات | دوريك تحتاج إلى تحديد أنه سيتم استخدامها في تجارب القياس الضوئي التي تتطلب مرشح انبعاث أحمر منخفض التألق | |
| Semrock | FF01-600 / 37-25 | في شعاع الضوء | |
| مقسم T7 | LabJack LabJack | ||
| T-cube LED سائق | Thorlabs | LEDD1B | |
| USB 3.0 كابل إدخال / إخراج ، Hirose 25 ، ل DCC3240 | Thorlabs | CAB-DCU-T3 |
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.