微型显微镜记录在气味羽流中导航的小鼠海马体的钙信号
September 20th, 2024
该协议研究了在气味羽流中导航的小鼠海马 CA1 的大脑行为关系。我们提供分步方案，包括获取海马体成像的手术、行为训练、微型镜 GCaMP6f 记录和大脑处理，以及从 ROI 神经活动解码鼠标位置的行为数据。
我的研究旨在了解大脑如何处理嗅觉和空间信息。我们正在努力了解海马 CA1 神经元在气味羽流导航中的作用。目前，使用微型显微镜自由移动记录神经元的技术已被用于推进该领域的研究。
我们发现，可以根据背侧 CA1 中的神经元和钙信号解码小鼠导航气味羽流的轨迹。该技术结合了用于记录 GCaMP 钙信号的微型示波器技术的优势与成熟的 CA1 海马体空间导航行的优势。为了更好地了解神经回路如何驱动复杂的行为，我们将研究 CA1 海马功能异常的阿尔茨海默病小鼠模型中气味-羽流导航如何受损。
首先，建造一个具有两面亚克力墙、亚克力天花板和宽大聚氯乙烯地板的房间。前后的另外两面独特的墙必须促进气流。将四组气味源与沿 X 轴相距 10 厘米的输水口配对放置。
在场馆上方安装快速数码相机以监控动物的行为。使用自定义 python 代码来管理 odor arena 硬件，软件集成了相机和所有硬件以设置实验。设置数码相机以在录制视频帧时导出时钟信号，以便与微型示波器进行事后同步。
将快速响应微型光离子化检测器 （PID） 放置在靠近气味源的位置，并将另一个检测器放置在 10 厘米远的地方。将 PID 控制器前面板上的增益开关更改为 X 5 位置。然后将 PID 控制器前面板上的泵开关切换到高位。
检查控制器前面板上的发光二极管或 LED 状态灯，以确保传感器输出在没有气味的情况下显示零电压。将电位计偏移切换到零，在没有加臭剂的情况下输出电压，并在气味领域打开气味阀。使用打开阀门后每个位置的 PID 测量检测气味羽流的延迟。
首先，为实验设置腔室、相机和光电离检测器或 PID 传感器。要训练鼠标，请提示它移动到竞技场的后面。老鼠到达后方后，手动将臭和水随机输送到车道上，让老鼠找到源头喝水。
一旦鼠标学会了开始试验，就切换到自动软件进行气味传递。在双车道气味导航任务中，从两个气味端口中随机选择一个来传递气味。当鼠标到达正确的喷水口时，用水奖励鼠标 头部固定鼠标，并使用微型机械手将迷你瞄准镜放在底板顶部。
拧紧固定螺钉以固定迷你瞄准镜。调整电润湿透镜以找到最佳焦平面，确保具有最高荧光强度的最大细胞数量。为了获得最佳动态范围，使用背侧 CA1 并系上一只 GCaMP 6-F 小鼠，以 30 赫兹的采集速率将迷你示波器功率设置为约 30%。
将鼠标释放到气味竞技场内，并将迷你瞄准镜连接到底板上。从接口板开始采集，以记录数码相机的晶体管-晶体管逻辑或 TTL 输出，以及用于同步的微型示波器。开始录制迷你瞄准镜和行为电影，并打开用于双喷嘴气味导航任务的自动化软件。
然后使用 MATLAB 代码 synchronize_files_jove.m. 同步气味竞技场元数据、录制的数码相机帧和迷你瞄准镜帧。使用范数校正，对同步的迷你示波器帧执行运动校正。使用提取物识别具有时变 delta F x F 零信号的感兴趣区域。
使用行为集成和神经轨迹观察站来可视化每个单独试验的行为和感兴趣区域。释放气味羽流后，PID 响应显着增加，表明气味传递的时间。在气味导航过程中，在小鼠的背侧 CA1 中观察到多个钙瞬变，与气味和水奖励事件相关。
钙反应与导航任务的不同阶段相关，包括试验开始、决策和返回。从钙信号解码小鼠的空间轨迹，揭示了背侧 CA1 在绘制气味和空间信息中的作用。
概览
本研究调查了小鼠在穿越气味流时，海马CA1区域中的脑-行为关系。通过结合行为训练和微型镜GCaMP6f记录，研究旨在解码海马神经元如何处理嗅觉和空间信息，特别是与阿尔茨海默病的关系。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 行为神经科学
- 成像技术
背景
- 了解神经回路如何促进复杂行为。
- 海马CA1神经元在空间导航和嗅觉处理中的作用。
- 阿尔茨海默病对海马功能的影响。
- 使用微型镜技术进行体内神经元记录。
研究目的
- 探讨CA1海马神经元如何贡献于气味导航行为。
- 检查这些行为在阿尔茨海默病小鼠模型中如何改变。
- 利用先进的成像技术将神经活动与行为相关联。
使用的方法
- 在气味导航任务期间对背侧CA1神经元进行微型镜记录。
- 阿尔茨海默病小鼠模型用于行为训练和测试。
- 设置包括一个专为气味流导航设计的腔室。
- 用于气味递送和行为监测的自动化软件。
- 视频和神经记录同步以进行数据分析。
主要结果
- 神经活动与气味导航期间的行为事件相关联。
- 观察到的背侧CA1钙瞬变与导航任务的各个阶段相关联。
- 基于CA1钙信号解码小鼠空间轨迹的能力。
- 研究揭示了嗅觉和空间处理的神经机制的重要见解。
结论
- 这项研究增强了对海马在导航和气味处理中功能的理解。
- 结果为阿尔茨海默病模型中这些功能受损的见解做出贡献。
- 突出了微型镜技术在探索与复杂行为相关的神经元功能中的实用性。
常见问题
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
