Kalzium-Bildgebung beim Colliculus superior der Maus
April 21st, 2023
Dieses Protokoll beschreibt das Verfahren zur Bildgebung von Kalziumantworten im Colliculus superior (SC) von wachen Mäusen, einschließlich der Abbildung der Aktivität einzelner Neuronen mit Zwei-Photonen-Mikroskopie, während der Kortex bei Wildtyp-Mäusen intakt bleibt, und der Abbildung des gesamten SC mit Weitfeldmikroskopie bei Mäusen mit Teilkortex-Mutante.
Meine Forschung konzentriert sich auf neuronale Kodierung und Mechanismen der visuellen Verarbeitung. Wir versuchen zu beantworten, wie verschiedene Informationen im Gehirn kodiert werden, insbesondere im Colliculus superior unter den zugrundeliegenden Neuromechanismen. Um die visuelle Verarbeitung zu verstehen, kombinieren Wissenschaftler verschiedene Ansätze, darunter neuronale Morphologie, antegrade und retrograde Tracing, IL-Sequenzierung, Neuromodellierung und maschinelles Lernen.
Die Herausforderung besteht darin, den Schädel über der SSA zu entfernen, zu schneiden und in einem größeren Stück im Knochen zu belassen, was wahrscheinlich fehlschlägt, da der Knochen an der Dura befestigt ist. Durch die Kombination von zwei Fotos auf einem Weitfeld-Kalziumbild enthüllte unsere jüngste Arbeit die Funktionsarchitektur der Bewegungsrichtung im SC der Maus sowohl bei Einzelzellauflösung als auch auf globaler Skala. Wir fanden heraus, dass Neuronen mit ähnlicher Präferenz Pflaster bilden, die bis zu 500 Mikrometer unter der globalen nach oben gerichteten Nasenbewegung liegen.
Mit unserem Protokoll adressieren wir zwei Forschungslücken. Erstens können Forscher eine Langzeit-Gipsbildgebung bei Mäuse-SC mit einer Einzelzellauflösung durchführen, ohne den Kortex zu unterbrechen. Zweitens können die Forscher die Neuroaktivität über das gesamte SC hinweg mit Hilfe der Weitfeldmikroskopie erfassen.
Unser Protokoll bietet ein Maß zur Abbildung des posterioren medialen SC mit Einzelzellauflösung und intaktem Kortex in Mäusen. Außerdem verwenden wir einen biokompatiblen Pfropfen, um den SC freizulegen, was die Infektion für die chronische Bildgebung reduziert. Unsere Ergebnisse bieten eine Möglichkeit, die neuronale Kodierung visueller Informationen über ein großes Gesichtsfeld hinweg zu untersuchen.
In Kombination mit der Optogenetik kann man halbe Inputs aus verschiedenen Hirnregionen untersuchen, die die Neuroaktivität bei SC modulieren.
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Überblick
Diese Studie bietet ein Protokoll für die Bildgebung von Calcium-Reaktionen im Colliculus superior (SC) von wachen Mäusen, wobei die Zweiphotonen-Mikroskopie genutzt wird, um die Aktivität einzelner Neuronen zu erfassen, während der Cortex bei Wildtyp-Mäusen erhalten bleibt, und die Weitfeldmikroskopie für den gesamten SC bei Mutanten mit teilweisem Cortex eingesetzt wird.
Wichtige Studienkomponenten
Wissenschaftsbereich
- Neurowissenschaften
- Bildgebungstechniken
- Visuelle Verarbeitung
Hintergrund
- Der Colliculus superior spielt eine entscheidende Rolle bei der Verarbeitung visueller Informationen.
- Das Verständnis der neuronalen Kodierung im SC ist wesentlich für die Aufklärung der Mechanismen der visuellen Verarbeitung.
- Frühere Bildgebungsmethoden können die Integrität des Cortex stören und langfristige Aufzeichnungsstudien erschweren.
- Dieses Protokoll zielt darauf ab, diese Herausforderungen durch einen minimal-invasiven Ansatz zur Bildgebung anzugehen.
Zweck der Studie
- Eine zuverlässige Methode für die langfristige Calcium-Bildgebung im SC der Maus zu etablieren.
- Die Aufzeichnung der Neuroaktivität im gesamten SC zu erleichtern, ohne den Cortex zu stören.
- Das Verständnis darüber zu verbessern, wie visuelle Informationen neuronal im SC repräsentiert werden.
Verwendete Methoden
- Die Studie verwendet Zweiphotonen- und Weitfeld-Mikroskopie-Techniken.
- Es werden Wildtyp- und Mutanten-Mausmodelle verwendet, wobei ein adenoassoziiertes Virus zur Expression von GCaMP6m für die Calcium-Bildgebung eingesetzt wird.
- Wichtige Methoden umfassen die Implantation einer Kopfplatte, chirurgische Ansätze zur Exposition des SC und die Verwendung einer Saugglocke für die chronische Bildgebung.
- Nach der viralen Injektion wird eine Erholungsphase von drei Wochen eingehalten, bevor mit der Bildgebung begonnen wird.
- Detaillierte chirurgische Schritte sorgen für minimale Schäden an den umliegenden Geweben.
Hauptergebnisse
- Das Protokoll ermöglicht eine detaillierte Untersuchung der Neuronenaktivität, die mit Bewegungsrichtungspräferenzen innerhalb des SC assoziiert ist.
- Die Ergebnisse zeigen, dass Neuronen mit ähnlichen Präferenzen sich clustern können, was die visuelle Signalverarbeitung über große Bereiche beeinflusst.
- Chronische Bildgebung ist möglich, während die Integrität des Cortex erhalten bleibt, was fortlaufende Studien der neuronalen Dynamik erleichtert.
- Die Kombination von Bilddaten mit Optogenetik ermöglicht die Untersuchung modulatorischer Eingaben aus anderen Hirnregionen.
Schlussfolgerungen
- Diese Studie etabliert eine robuste Methode zur Analyse der Calcium-Signalgebung im SC, die wesentlich zum Verständnis der visuellen Verarbeitungsmechanismen beiträgt.
- Die beschriebenen Bildgebungstechniken versprechen Fortschritte in Längsschnittstudien der neuronalen Aktivität bei wachen Tieren.
- Solche Methoden werden die Untersuchung neuronaler Mechanismen und ihrer Auswirkungen auf visuelles Verhalten und Störungen verbessern.
Häufig gestellte Fragen
Executive Industry Relevance
High-resolution calcium imaging in the mouse superior colliculus (SC) enables direct interrogation of neural coding underlying visual processing, supporting mechanistic de-risking at the target validation stage. The ability to capture both single-cell and whole-structure activity in awake animals provides predictive confidence for translational neuroscience and neuropharma portfolios. This dual-scale approach strengthens early discovery decisions and informs downstream assay development for visual system targets.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables functional mapping of visual processing circuits at cellular and network levels.
- Supports mechanistic de-risking by distinguishing inherited versus de novo neural coding in the SC.
- Provides quantitative neural activity data to inform target selection and validation.
- Facilitates hypothesis-driven interrogation of visual feature encoding in disease-relevant systems.
Screening & Assay Development
- Establishes validated imaging platforms for reproducible measurement of neuronal responses.
- Delivers quantitative, scalable readouts suitable for compound screening in visual pathway models.
- Enables standardization of assay conditions for cross-study and cross-team comparability.
- Supports development of robust phenotypic screening assays for neuroactive compounds.
Translational & Preclinical Research
- Aligns neural activity measurements with translational biomarkers of visual function.
- Provides continuity from discovery-stage neural coding to preclinical validation of visual system interventions.
- Enables risk-adjusted advancement of visual pathway targets based on in vivo functional data.
- Supports mechanistic studies of circuit modulation using optogenetic integration.
Pipeline & Workflow Integration
This imaging protocol bridges early discovery and preclinical research by enabling hypothesis testing, pathway clarification, and quantitative analytics in the SC. It is positioned for integration from target validation through lead identification and translational studies.
- Discovery Biology: Facilitates direct measurement of neural coding and pathway function in the SC.
- Screening: Provides reproducible, quantitative imaging outputs for assay development and compound evaluation.
- Analytics: Delivers high-content data on neuronal activity, supporting statistical comparison of experimental conditions.
- Translational Research: Connects in vivo neural activity to potential biomarkers for visual system disorders.
- Enterprise Reuse: Offers a reusable imaging platform adaptable to other brain regions and research questions.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation and reduces mechanistic ambiguity in visual processing research.
- Operational Value: Standardizes imaging workflows for reproducibility and scalability across studies.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision-making and capital efficiency by providing robust functional data early in the pipeline.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of visual system targets and supports advancement decisions with quantitative evidence.
Implementation Considerations
- Requires expertise in in vivo imaging, surgical preparation, and data analysis.
- Demands access to two-photon and wide-field microscopy platforms and supporting infrastructure.
- Necessitates cross-team standardization of animal handling, viral delivery, and imaging protocols.
- Adaptable to other brain regions with protocol modifications as supported by the source.
- Long-term imaging stability and precise targeting are practical considerations for chronic studies.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:00
Introduction
2:41
Preparation of a Suction Cup and Plugs for Calcium Imaging in Mouse
4:30
Viral Construct (AAV) Injection in Mouse Superior Colliculus for Calcium Imaging
5:48
Implantation of the Headplate in Mouse for Calcium Imaging
6:40
Implanting the Plug in the Mouse for Calcium Imaging
8:06
Two‐Photon Calcium Imaging of Mouse Superior Colliculus Neurons
9:37
Wide‐Field Calcium Imaging of Mouse Superior Colliculus Neurons
