منظار صغير يسجل إشارات الكالسيوم في الحصين للفئران التي تتنقل في عمود الرائحة
سبتمبر 20, 2024
يبحث هذا البروتوكول في العلاقة بين الدماغ والسلوك في الحصين CA1 في الفئران التي تتنقل في عمود الرائحة. نحن نقدم بروتوكولا خطوة بخطوة ، بما في ذلك الجراحة للوصول إلى تصوير الحصين ، والتدريب السلوكي ، وتسجيل المنظار المصغر GCaMP6f ومعالجة الدماغ ، والبيانات السلوكية لفك تشفير موضع الماوس من النشاط العصبي لعائد الاستثمار.
يهدف بحثي إلى فهم كيفية معالجة الدماغ للمعلومات الشمية والمكانية. ونحن نحاول فهم دور الخلايا العصبية CA1 في الحصين في الملاحة ذات أعمدة الرائحة. حاليا ، تم استخدام تقنية التسجيلات المتحركة بحرية للخلايا العصبية باستخدام المجاهر المصغرة لتعزيز البحث في هذا المجال.
وجدنا أنه من الممكن فك تشفير مسار الفأر الذي يتنقل في عمود الرائحة بناء على الخلايا العصبية وإشارات الكالسيوم في CA1 الظهري. تجمع هذه التقنية بين مزايا تقنية المنظار المصغر لتسجيل إشارات الكالسيوم GCaMP مع الصف الراسخ للملاحة المكانية للحصين CA1. لفهم كيفية دفع الدوائر العصبية للسلوكيات المعقدة بشكل أفضل ، سوف نحقق في كيفية ضعف التنقل بين عمود الرائحة في نموذج الفأر لمرض الزهايمر مع وظيفة الحصين CA1 غير الطبيعية.
للبدء ، قم ببناء غرفة بجدارين من الأكريليك ، وسقف أكريليك ، وأرضية من البولي فينيل كلوريد واسعة الموسعة. يجب أن يسهل الجداران الفريدان الآخران في الأمام والخلف تدفق الهواء. ضع أربع مجموعات من مصادر الرائحة المقترنة بفوهات توصيل المياه على بعد 10 سم على طول المحور X.
قم بتركيب كاميرا رقمية سريعة فوق الساحة لمراقبة سلوك. استخدم كود python مخصص لإدارة أجهزة ساحة الرائحة، ويقوم البرنامج بدمج الكاميرا وجميع الأجهزة لإعداد التجربة. قم بإعداد الكاميرا الرقمية لتصدير إشارة الساعة عند تسجيل إطارات الفيديو للمزامنة اللاحقة مع المنظار المصغر.
ضع كاشف التأين الضوئي المصغر سريع الاستجابة ، أو PID ، بالقرب من مصدر الرائحة ، وضع كاشف آخر على بعد 10 سنتيمترات. قم بتغيير مفتاح الكسب على اللوحة الأمامية لوحدة التحكم PID إلى موضع X خمسة. ثم قم بتغيير مفتاح المضخة على اللوحة الأمامية لوحدة التحكم PID إلى الموضع العالي.
تحقق من الصمام الثنائي الباعث للضوء أو مصباح حالة LED على اللوحة الأمامية لوحدة التحكم للتأكد من أن خرج المستشعر يظهر جهدا صفريا في حالة عدم وجود الروائح. قم بتبديل إزاحة مقياس الجهد إلى الصفر ، وخرج الجهد في حالة عدم وجود روائح ، وقم بتشغيل صمام الرائحة في ساحة الرائحة. قم بقياس التأخير في اكتشاف عمود الرائحة باستخدام PID في كل موقع بعد فتح الصمام.
للبدء ، قم بإعداد الغرفة والكاميرا وكاشف التأين الضوئي أو مستشعرات PID للتجربة. لتدريب الماوس ، ادفعه بالانتقال إلى الجزء الخلفي من الساحة. بعد وصول الماوس إلى الخلف ، قم بتوصيل الرائحة والماء يدويا في حارة عشوائية ، ودع الماوس يحدد المصدر ويشرب الماء.
بمجرد أن يتعلم الماوس بدء التجارب ، قم بالتبديل إلى البرنامج الآلي لتوصيل الرائحة. في مهمة التنقل في الرائحة ذات المسارين ، حدد بشكل عشوائي أحد منفذي الرائحة لتوصيل الرائحة. وكافئ الماوس بالماء عندما يصل إلى صنبور الماء الصحيح ، وقم بإصلاح الماوس وضع المنظار المصغر أعلى لوحة القاعدة باستخدام مناور صغير.
شد برغي الضبط لتأمين المنظار المصغر. اضبط عدسة التبول الكهربائي للعثور على المستوى البؤري الأمثل ، مما يضمن أكبر عدد من الخلايا بأعلى كثافة مضان للحصول على النطاق الديناميكي الأمثل ، استخدم CA1 الظهري واربط فأرة واحدة من طراز GCaMP ستة درجات F ، واضبط طاقة المنظار المصغر على حوالي 30٪ بمعدل اكتساب 30 هرتز.
حرر الماوس داخل ساحة الرائحة مع توصيل المنظار المصغر بلوحة القاعدة. ابدأ الاستحواذ باستخدام لوحة الواجهة لتسجيل منطق الترانزستور والترانزستور ، أو إخراج TTL للكاميرا الرقمية ، والنطاق المصغر للمزامنة. ابدأ في تسجيل النطاق المصغر والأفلام السلوكية ، وقم بتشغيل البرنامج الآلي لمهمة التنقل في الرائحة ذات الفوهة الثنائية.
ثم قم بمزامنة البيانات الوصفية لساحة الرائحة وإطارات الكاميرا الرقمية المسجلة وإطارات النطاق المصغر باستخدام كود MATLAB synchronize_files_jove.m. باستخدام تصحيح المعيار ، قم بإجراء تصحيح الحركة لإطارات النطاق المصغر المتزامنة. حدد مناطق الاهتمام بإشارات دلتا F × F المتغيرة بمرور الوقت باستخدام المستخلص.
استخدم مجموعة السلوك ومرصد المسار العصبي لتصور السلوك والمناطق ذات الأهمية لكل تجربة منفصلة. زادت استجابة PID بشكل ملحوظ عند إطلاق عمود الرائحة ، مما يشير إلى توقيت توصيل الرائحة. لوحظت العديد من العابرين من الكالسيوم في ظهرية الفأر CA1 أثناء التنقل في الرائحة ، مما يرتبط بأحداث الرائحة ومكافأة الماء.
ارتبطت استجابات الكالسيوم بمراحل مختلفة من مهمة الملاحة ، بما في ذلك بدء التجربة واتخاذ القرار والعودة. تم فك تشفير المسار المكاني للفأر من إشارات الكالسيوم ، مما يكشف عن دور CA1 الظهري في رسم خرائط الرائحة والمعلومات المكانية.
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في العلاقة بين الدماغ والسلوك في منطقة CA1 من الحُصين في الفئران أثناء تنقلها عبر عمود الرائحة. باستخدام مزيج من التدريب السلوكي وتسجيلات GCaMP6f بالميكروسكوب الصغير، تهدف الدراسة إلى فك شفرة كيفية معالجة الخلايا العصبية في الحُصين للمعلومات الشمية والمكانية، خاصة فيما يتعلق بمرض الزهايمر.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- علم الأعصاب
- علم الأعصاب السلوكي
- تقنيات التصوير
الخلفية
- فهم كيفية تسهيل الدوائر العصبية للسلوكيات المعقدة.
- دور الخلايا العصبية CA1 في الحُصين في التنقل المكاني والمعالجة الشمية.
- تأثير مرض الزهايمر على وظائف الحُصين.
- استخدام تقنية الميكروسكوب الصغير للتسجيلات العصبية في الجسم الحي.
غرض الدراسة
- التحقيق في كيفية مساهمة الخلايا العصبية CA1 في الحُصين في سلوكيات التنقل عبر الرائحة.
- دراسة كيفية تغير هذه السلوكيات في نموذج الفأر لمرض الزهايمر.
- استخدام تقنيات التصوير المتقدمة لربط النشاط العصبي بالسلوك.
الطرق المستخدمة
- تسجيل الميكروسكوب الصغير للخلايا العصبية CA1 الظهرية أثناء مهام التنقل عبر الرائحة.
- نموذج الفأر لمرض الزهايمر لتدريب السلوك واختباره.
- تضمن الإعداد غرفة مصممة لتنقل عمود الرائحة.
- برنامج آلي لتسليم الرائحة ومراقبة السلوك.
- مزامنة الفيديو والتسجيلات العصبية لتحليل البيانات.
النتائج الرئيسية
- النشاط العصبي المترابط مع الأحداث السلوكية أثناء التنقل عبر الرائحة.
- ترانزيتات الكالسيوم التي لوحظت في CA1 الظهرية كانت مرتبطة بمراحل مختلفة من مهمة التنقل.
- القدرة على فك شفرة المسار المكاني للفئران بناءً على إشارات الكالسيوم في CA1.
- كشفت الدراسة عن رؤى مهمة حول الآليات العصبية الكامنة في المعالجة الشمية والمكانية.
الاستنتاجات
- تعزز هذه الدراسة فهم وظائف الحُصين في التنقل ومعالجة الرائحة.
- تساهم النتائج في فهم الإعاقة لهذه الوظائف في نماذج مرض الزهايمر.
- تسلط الضوء على فائدة تقنية الميكروسكوب الصغير في استكشاف الوظائف العصبية المتعلقة بالسلوك المعقد.
الأسئلة المتداولة
Executive Industry Relevance
Decoding hippocampal neural activity during complex odor-guided navigation provides a translational model for understanding spatial and sensory integration in neurodegenerative disease research. This workflow enables quantitative mapping of neural ensemble dynamics to behavioral outputs, supporting predictive confidence in target validation for CNS drug discovery. The approach strengthens early-stage portfolio decisions by linking circuit-level function to disease-relevant phenotypes.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of hippocampal circuit function in disease-relevant behavioral contexts.
- Supports mechanistic de-risking by correlating neural ensemble activity with navigation performance.
- Facilitates functional target validation for CNS pathways implicated in spatial and olfactory processing.
Screening & Assay Development
- Provides a validated behavioral and imaging platform for quantitative assessment of neural activity.
- Standardizes data acquisition and synchronization across behavioral and neural modalities.
- Enables reproducible measurement of calcium transients as quantitative assay outputs.
Translational & Preclinical Research
- Aligns neural activity patterns with disease-relevant behavioral phenotypes for translational biomarker development.
- Supports continuity from discovery through preclinical validation in neurodegeneration models.
- Enables risk-adjusted advancement decisions based on functional circuit readouts.
Pipeline & Workflow Integration
This miniscope-based workflow integrates from early discovery through preclinical model validation in CNS research pipelines.
- Discovery Biology: Quantifies neural circuit responses to behavioral challenges, supporting hypothesis testing and pathway clarification.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative calcium imaging outputs for assay development.
- Analytics: Provides synchronized behavioral and neural datasets for robust statistical comparison of experimental conditions.
- Translational Research: Links neural ensemble activity to disease-relevant navigation deficits, informing biomarker strategies.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for evaluating neural circuit function across diverse CNS models.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in CNS target validation and mechanistic de-risking.
- Operational Value: Standardizes behavioral and imaging protocols for reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions by linking neural activity to functional outcomes.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of CNS targets and models.
Implementation Considerations
- Requires expertise in in vivo imaging, behavioral neuroscience, and data synchronization.
- Demands specialized instrumentation including miniscopes, GRIN lenses, and synchronized video acquisition systems.
- Necessitates cross-team standardization of behavioral protocols and data processing pipelines.
- Adaptation across disease models may require protocol optimization for specific neural circuits or behaviors.
- Motion correction and ROI identification steps are critical for reliable quantitative outputs.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:00
Introduction
1:11
Setting up the Odor Arena and Photoionization Detector Sensors for Mouse Odor Plume Navigation Studies
3:04
Behavioral Training and Epifluorescence Recording of a Freely Moving Mouse in the Odor Arena for Monitoring CA1 Neuronal Activity to Decode Spatial Navigation
