本方案详细描述了在清醒小鼠上丘(SC)中成像钙反应的实验流程,包括在野生型小鼠中利用双光子显微镜对单个神经元活动进行成像,同时保持皮层完整;以及在部分皮层缺失的突变型小鼠中利用宽场显微镜对整个上丘进行成像。
本方案详细描述了在清醒小鼠上丘(SC)中成像钙反应的实验流程,包括在野生型小鼠中利用双光子显微镜对单个神经元活动进行成像,同时保持皮层完整;以及在部分皮层缺失的突变型小鼠中利用宽场显微镜对整个上丘进行成像。
上丘(SC)是所有脊椎动物中进化上保守的中脑结构,是在大脑皮层出现之前最复杂的视觉中枢。它直接接收来自约30种视网膜神经节细胞(RGCs)的输入,每种细胞编码特定的视觉特征。目前尚不清楚上丘仅仅是继承了视网膜的特征,还是在上丘中发生了额外的、甚至是从头开始的信息处理。为了揭示上丘中视觉信息的神经编码机制,本文提供了一种在清醒小鼠中使用两种互补方法进行光学记录视觉反应的详细方案。其中一种方法采用双光子显微镜,在不剥离覆盖皮层的情况下以单细胞分辨率成像钙活动;另一种方法则利用宽场显微镜对皮层大部分未发育的突变小鼠的整个上丘进行成像。本方案详细描述了这两种方法,包括动物准备、病毒注射、头固定板植入、插件植入、数据采集和数据分析。代表性结果表明,双光子钙成像可在单细胞分辨率下揭示视觉诱发的神经元反应,而宽场钙成像则可揭示 整个上丘范围内的神经活动。通过结合这两种方法,可以在不同空间尺度上揭示上丘中的神经编码,这种联合策略也可应用于其他脑区的研究。
上丘(SC)是所有脊椎动物中一个重要的视觉中枢。在哺乳动物中,它直接接收来自视网膜和视觉皮层的输入1。尽管光学记录技术已广泛应用于大脑皮层2,3,4,5,但由于光学通路受限,该技术在上丘中的应用受到阻碍6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19。本实验方案旨在详细介绍两种互补的方法,用于在上丘中进行神经活动的光学记录。
上丘(SC)位于皮层和横窦下方,这限制了对丘脑神经元的光学通路。克服这一限制的一种方法是吸除覆盖的皮层,暴露前外侧上丘7,9,10,13,14,19。然而,由于上丘接收来自皮层的输入,此类操作可能会影响上丘神经元对视觉刺激的反应。为了克服这一限制,本文详细描述了一种替代方案,即使用硅塞对后内侧上丘的浅层进行成像,同时保持皮层完整8,11。具体而言,为实现单细胞分辨率,我们采用双光子显微镜对野生型小鼠后内侧上丘中的钙反应进行成像。此外,为实现大范围覆盖,我们采用宽场显微镜对一只后侧皮层未发育的突变小鼠的整个上丘进行成像20。
本方案中描述的两种方法相互补充。无需消融皮层的双光子钙成像适用于记录神经元活动 在保持皮层输入完整的前提下实现单细胞分辨率。宽场钙成像适用于记录整个上丘(SC)的神经活动,但会牺牲空间分辨率。
所有实验操作均遵循动物福利指南,并经北京中国脑科学研究院动物实验伦理委员会批准。
注意:本方案的时间安排如下:1)制备吸盘;2)注射病毒;3)植入头板;4)3周后,植入塞子;5)在跑步机上经过约3天的恢复和适应后,进行双光子/宽场成像。
1. 吸盘的制备(图1A)
2. 制备胶块(图1B)
3. 动物准备及病毒载体注射
4. 头部固定板的植入
5. 植入栓塞(图2)
6. 双光子成像(图3)
7. 双光子成像测量的钙反应分析


8. 宽场成像与数据分析(图4)
图1A、B 分别展示了如何制作吸盘和插头。图2 展示了成功植入插头的方法。植入插头后,后内侧上丘(SC)被暴露,如图2D所示。图3 展示了使用双光子显微镜成像的一个野生型小鼠上丘神经元的钙反应。三角棱镜在显微镜下易于识别,可用于定位成像位置(图3B)。视觉反应以单细胞分辨率显示(图3C、D 及 视频1)。图4 展示了使用宽场显微镜成像的一个部分皮层突变型小鼠上丘神经元的钙反应。所获取的图像首先被下采样至原始尺寸的四分之一(图4B)。视觉诱发的钙反应显示于上丘两侧(图4C 及 视频2)。图5 展示了在注射位点和成像位点上丘中 GCaMP6m 的表达情况;注射位点的神经元数量较少。

图 1:制备过程。(A)制作吸盘的三个步骤(步骤 1.1–1.3);未显示针头内的 PBS。(B)制作塞子的三个步骤(步骤 2.1–2.3)。(C)适用于野生型小鼠的两种直径为 8 mm 的头板;适用于部分皮层突变型小鼠的两种直径为 7 mm 的头板。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:栓塞物的植入(步骤 5.2–5.5)。(A)骨组织已被磨薄,周围为树脂水泥。(B)去除骨组织和硬脑膜,以暴露下丘和小脑。(C)将栓塞物下放,推动横窦前移,从而暴露中脑后内侧区。绿色虚线圆圈标记盖玻片位置,蓝色虚线三角形标记栓塞物,红色虚线圆圈标记吸杯。(D)使用丁基氰基丙烯酸酯和树脂水泥固定栓塞物。图像曝光过度,以便清晰显示中脑后内侧区。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:双光子钙成像。(A)植入塞子后的小鼠脑部解剖示意图。深色虚线标示上丘(SC)的轮廓。黄色三角形指示三角棱镜的位置。绿色表示GCaMP的表达区域。(B)扫描前在显微镜下观察到的硅制三角棱镜图像。(C)通过双光子显微镜从一只野生型小鼠记录到的SC神经元GCaMP荧光图像。(D)荧光信号在多帧图像中的标准差投影(见视频1)。请点击此处查看该图的高清版本。

图 4:大视野钙成像。 (A)大视野成像装置的照片。(B)原始图像示例及降采样后的图像。黄色虚线标出了上丘(SC)的轮廓。(C)单帧图像以及来自一只部分皮层小鼠的上丘神经元钙反应的标准差投影图像(见视频 2),通过大视野显微镜测量获得。请点击此处查看该图的放大版本。

图 5:小鼠脑冠状切片在距注射部位不同距离处的图像。 底部一行为顶部标记方框区域的高倍放大图像。黄色虚线矩形标记注射部位,该区域神经元数量少于其右侧区域。请点击此处查看该图的放大版本。
视频 1:通过双光子显微镜记录的上丘神经元对视频 3 中视觉刺激的钙反应原始视频及运动校正后视频。 图像采集速率为 4.8 Hz,播放速率为 20 Hz。请点击此处下载该视频。
视频 2:通过宽场显微镜记录的上丘神经元对视频 3 中视觉刺激的钙反应原始视频及运动校正后视频。 图像以 10 Hz 采集,以 20 Hz 播放。请点击此处下载该视频。
视频 3:一个黑色的全屏条(宽 5°)以 12 个不同方向漂移(50°/s)。 请点击此处下载该视频。
实验方案中的关键步骤
最关键的步骤是第5.2和5.3步中的开颅操作。首先,位于人字缝后方0.5 mm处的颅骨较厚,且内部含有血管,在钻孔过程中容易引起出血,因此应充分准备明胶海绵以止血。其次,在横窦上方去除骨片时,极易发生血管破裂。针对该问题,一种替代方法是先将椭圆形区域内的骨质磨薄,再分片移除;另一种技巧是在抬起骨片前用液体浸润骨质,以更轻松地使硬脑膜与颅骨分离,从而避免出血。
另一个关键步骤是第5.4步中的插头植入,整个过程应持续1-2分钟。若出现问题,可首先使用显微操作器将插头移动至ACSF中的合适位置,并确定插头的最终位置。然后,加入硅胶粘合剂,并以适当速度将插头移至最终位置。
意义
本方案具有两个优点。首先,它提供了在皮层完整的野生型小鼠中以单细胞分辨率成像后内侧上丘(SC)的详细步骤,而以往的报道中需吸除覆盖的皮层以暴露前外侧上丘。其次,该方案详细描述了如何利用宽场钙成像技术对部分皮层缺失突变小鼠的整个上丘进行成像。这两种方法可应用于在不同尺度上对行为动物的其他脑区进行成像。
已有两种替代方法被报道用于成像后内侧上丘(SC),而无需抽吸覆盖的皮层15,16。Schröder 等人采用直径为 4 mm 的圆形颅骨开窗,并使用一端带垫圈、另一端带玻璃盖玻片的不锈钢套管暴露上丘16。与我们所用方法相比,这种更大的颅骨开窗和更刚性的材料在植入过程中更容易引起出血。此外,由于不锈钢不具备生物相容性,因此在长期成像中更易引发感染。类似地,Savier 等人使用的玻璃盖玻片也较为刚性且缺乏生物相容性,更易导致出血和感染15。与这两种方法的另一不同之处在于,我们的病毒注射位点位于成像窗口之外,因此成像质量受注射位点潜在损伤的影响较小(图 5)。
实验方案的局限性
本方案详细介绍了在上丘浅层进行钙信号成像的方法,但未涵盖使用棱镜等工具对更深层结构进行成像的技术26。双光子钙成像技术适用于记录上丘后内侧区域的神经活动,但不适用于前外侧上丘7,13。全上丘钙成像结合宽场显微镜技术已应用于部分皮层缺失的突变小鼠。若需对野生型小鼠的整个上丘进行成像,则需要吸除覆盖其上的皮层组织。另一种无需病毒注射即可实现全上丘成像的方法是内在信号成像技术;然而,该方法的信噪比较低6,8。
作者无任何利益冲突需要披露。
本研究受到国家自然科学基金(32271060)的支持。Y.-t.L. 设计了研究方案,进行了实验,分析了数据,并撰写了稿件。Z.L. 和 R.W. 参与了实验工作。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 16倍物镜 | 尼康 | ||
| 50 mm镜头 | Computar | M5018-MP2 | |
| 5 mm 盖玻片 | 沃纳仪器 | CS-5R | |
| 带通滤光片 | Chroma Technology | HQ575/250 m-2p | |
| 氰基丙烯酸丁酯 | Vetbond,世界精密仪器公司 | ||
| 用于监测瞳孔的相机 | FLIR | BFS-U3-04S2M-CS | |
| 用于宽场成像的相机 | 巴斯勒 | acA2000-165µm | |
| 电晕处理机 | Electro-Technic Products | BD-20AC | |
| 二向色镜 | Chroma Technology | T600/200dcrb | |
| 检流计 | 剑桥科技 | ||
| 玻璃珠灭菌器 | 真实世界数据 | RS1502 | |
| 微型钻孔器 | 真实世界数据 | 78001 | |
| 显微操作仪 | Sutter Instruments | 四极杆 | |
| 光电倍增管 | 滨松 | R3896 | |
| 旋转编码器 | USdigital | MA3-A10-125-N | |
| 自固化牙科粘接树脂水门汀 | SuperBond C&B,Sun Medical Co, Ltd.,日本守山 | ||
| 恒温加热垫 | RWD | 69020 | |
| 钛宝石激光器 | Spectra-Physics | Mai Tai HP DeepSee | |
| 半透明硅酮粘合剂 | Kwik-Sil,World Precision Instruments | ||
| 跑步机 | Xinglin Biology | ||
| <强>病毒株 | |||
| rAAV2/9-hsyn-Gcamp6m | 中国北京脑科学研究院病毒载体中心 | ||
| <强>动物 | |||
| C57BL/6J野生型 | 北京脑科学研究院中国实验室动物资源中心 | ||
| Emx1-Cre | 杰克逊实验室 | 5628 | |
| Pals1flox/wt | Christopher A. Walsh 实验室 | ||
| <强>软件 | |||
| ImageJ | NIH Image | ||
| Labview | 国家仪器公司 | ||
| MATLAB | Mathworks |