Se describe un procedimiento experimental para medir la actividad neuronal a través de dos ventanas ópticas arriba bilateral corticies somatosensorial primaria (S1) en Thy1-GCaMP6s de ratones transgénicos usando fotones 2 (2P) microscopia en vivo.
Artículo de método
Se describe un procedimiento experimental para medir la actividad neuronal a través de dos ventanas ópticas arriba bilateral corticies somatosensorial primaria (S1) en Thy1-GCaMP6s de ratones transgénicos usando fotones 2 (2P) microscopia en vivo.
El cerebro mamífero exhibe marcada simetría en el plano sagital. Sin embargo, la descripción detallada de la dinámica neuronal en regiones cerebrales simétricos en mamíferos adultos sigue siendo elusiva. En este estudio, se describe un procedimiento experimental para medir la dinámica del calcio a través de dos ventanas ópticas arriba bilateral corticies somatosensorial primaria (S1) en Thy1-GCaMP6s de ratones transgénicos usando microscopia de 2 fotones (2 P). Este método permite grabaciones y cuantificaciones de actividad neuronal en regiones cerebrales de ratón bilateral uno a la vez en el mismo experimento en un prolongado período en vivo. Aspectos clave de este método, que puede completarse en menos de una hora, incluyen procedimientos de cirugía mínimamente invasiva para la creación de ventanas ópticas duales y el uso de proyección de imagen de 2P. Aunque sólo nos demuestran la técnica en el área de S1, el método puede aplicarse a otras regiones del cerebro de vida facilita la aclaración de complejidad estructural y funcional de redes neuronales del cerebro.
Calcio y su regulación son esenciales en la mediación de múltiples procesos fisiológicos. Supervisión dinámica de calcio es útil para la comprensión de la función normal del cerebro así como las condiciones patológicas del cerebro trastornos 1,2,3,4,5,6 ,7,8. GCaMP6s fluorescencia de imagen es una poderosa herramienta para la cuantificación de números de punto, tiempo, y frecuencia, así como niveles de synaptic de entrada tanto in vitro e in vivo 9,10,11.
El cerebro mamífero exhibe marcada simetría en el plano sagital. Aunque recientes investigaciones neurológicas ha arrojado luz sobre la remodelación cortical y la actividad neuronal provocada por traumática cerebral o la médula espinal lesiones 6,7, las funciones de ese tejido intacto de simétricamente correspondientes regiones jugar en la recuperación son todavía desconocidos.
En este estudio, describimos los procedimientos experimentales para la creación de ventanas ópticas simétricas bilaterales para la proyección de imagen en vivo . Utilizando estas ventanas ópticas, describimos la medición de la dinámica del calcio de las cortezas somatosensoriales primarias (S1) en GCaMP6s de ratones transgénicos usando microscopia 2P. En la sección de resultados, también mostramos en vivo la morfología dendrítica en momentos diferentes en la región de S1 en los ratones transgénicos de EGFP usando proyección de imagen de 2 P. El método de observación con respecto a la dinámica de la red en las áreas S1 bilaterales es pero un ejemplo inicial de cómo dos ventanas craneales abiertas ayudará neurocientíficos para sondear información local y simétrica en el cerebro mamífero adulto en condiciones normales condiciones o en la enfermedad de diferentes modelos en vivo.
Se realizaron todos los procedimientos de manejo quirúrgico y animal aprobado bajo la guía para el cuidado y uso de animales de laboratorio (National Research Council) y las directrices de la Indiana University School de medicina institucional Animal Care y el uso Comité. Ilustración esquemática de la configuración de imagen de 2 fotones se muestra en la figura 1.
1. preparar el Animal para la proyección de imagen
2. crónica ventana craneal preparación
3. dos fotones de
4. procesamiento de datos
Través de la ventana óptica bilateral, se obtuvieron resultados de 2 experimentos separados. El primer experimento emplearon ratones expresaban EGFP para várices dendríticas imagen. Figura 4 1-3 muestra ejemplos de imágenes captadas en diferentes momentos después de la implantación de la ventana óptica. Tenga en cuenta que el número y la ubicación de las ramas dendríticos y espinas son notablemente estables entre las 2 vistas (figura 4, E, z-proyección).
El segundo experimento empleó Thy1 -GCaMP6s ratones transgénicos para medir el calcio intracelular transitorio, así ilustrando cómo la fisiología del calcio puede medirse dentro de una sola neurona en vivo (figura 6). Esta técnica puede utilizarse para registrar y cuantificar la actividad espontánea en las poblaciones de neuronas piramidales de la capa V ubicadas en tan profundo como > 500 μm a continuación de la pia. Media respuestas espontáneas en el tiempo (calculado como el promedio respuestas en cada momento) pueden calcularse a través de numerosos ensayos. La técnica P 2 tiene la ventaja de detectar actividad simultáneamente en grandes y dispersas poblaciones neuronales durante un período prolongado con poco disturbio mecánico al cerebro en comparación con el micropozo-microcanal grabaciones.
Para generar una medida promedio aceptable, se recomiendan ensayos de 5 – 10. El número de ensayos será dependiente de las respuestas espontáneas o variabilidad inherente de las respuestas a un estímulo particular. Si se siguen todos los pasos estrictamente, como se describió anteriormente, un investigador entrenado en tanto técnica de ventana craneal cráneo adelgazado y en vivo 2 P calcio la proyección de imagen debe ser capaz de obtener grabaciones de 100 – 200 neuronas en ambos lados de 1 a 2 animales por día.
Tras el análisis de pico, se puede obtener una colección de resultados tales como la ubicación real de la Cumbre, la amplitud real, la zona y la anchura total a mitad de máximo (FWHM) para cada pico.

Figura 1 : Ilustración esquemática de los componentes de una ventana óptica craneal para la proyección de imagen de 2 fotones (2P). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2 : Dibujo esquemático muestra pasos claves para preparar una ventana craneal. (A) con un microscopio de disección, quitar la piel sobre la región quirúrgica usando un par de tijeras quirúrgicas. (B) uso una microperforadora alta velocidad para producir un surco circular (3 mm de diámetro) en el cráneo sobre el área S1 hasta el hueso de la aleta en el surco se desprende del hueso circundante. (C) lentamente retire la aleta de hueso para exponer la duramadre subyacente. (D) Ensamble la ventana óptica con coverglasses con 2 diámetros diferentes. El cubre-objetos superior tiene un diámetro más grande (5 mm) y el coverglasses inferiores (generalmente 1-3) tienen un diámetro más pequeño (3 mm). El espesor de la coverglasses a instalar dependerá del grosor del cráneo. (E) lugar el cubreobjetos en la abertura circular del cráneo para crear una ventana óptica. La parte inferior de la coverglasses debe encajar dentro de la abertura craneal. La parte inferior de la coverglasses debe suavemente póngase en contacto con la duramadre. Sello (F) la ventana de los bordes en el cráneo con pegamento de cianocrilato. (G) cuando el cianocrilato se seca, aplicar cemento dental negro lateral a la pared de pegamento. (H) Llene la ventana craneal con ddH2O y objetivos de inmersión en agua de uso para la proyección de imagen. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3 . Creación de ventanas bilaterales en el cráneo. (A) A imagen fotográfica muestra 2 craneales ventanas ópticas de cada lado del cráneo que cubría el área S1. (B) aumento elevado de la región en caja de imagen (A) mostrando ventanas ópticas bilaterales exponiendo la dura subyacente y vasos sanguíneos. Barra de escala = 680 μm. (C) el cráneo expuesto. (D) creación de una ranura circular en el que se ve una aleta de hueso central. Barra de escala = 900 μm. (E) después del retiro de la aleta de hueso, la abertura craneal se llenó de líquido cefalorraquídeo artificial (ACSF). Barra de escala = 720 μm. (F) instalación de la ventana óptica sobre la abertura craneal y el borde de la ventana con super pegamento de sellado. La dura y los vasos sanguíneos son visibles a través de la ventana óptica. Barra de escala = 600 μm. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4 : Calcio y la proyección de imagen dendrítica. (A1) Identificar las regiones de interés utilizando los vasos sanguíneos (BV) como puntos de referencia en Thy1-ratones GCaMP6s. (A2) Identificar las células etiquetadas mismo (flechas rojas) con el tiempo usando los mismos puntos de referencia y registro. (B) representante Z-proyección de las señales de calcio en las neuronas (flechas rojas) de la corteza somatosensorial primaria (S1). Barra de escala = 10 μm. (C1-3) visualización de dendritas (verde) y un vaso sanguíneo (rojo) en B6. CG-Tg (Thy1- YFP) HJrs/J a diferentes profundidades en la capa II de la región S1 a 1 día después de la instalación de la ventana óptica. (D) Z-proyección de imágenes múltiples en la misma región en 1 día. (E) Z-proyección de imágenes múltiples en la misma región en 7 días después de la instalación de la ventana óptica. Tenga en cuenta la notable estabilidad del número y localización de adultos espinas y ramas dendríticas entre 1 día y 7 días después de la instalación de la ventana óptica. Barra de escala = C-E 5 μm (C-E). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5 : Seguimiento de la señal de calcio. (A, B) Ejemplos de películas de serie t importado con ImageJ para análisis de datos de 2 neuronas (neurona 1 y la neurona 2, respectivamente). (C) A hoja de cálculo muestra los datos de intensidad de iluminación de la región de interés (ROI; dentro de la neurona y 2 independientes las regiones cercanas como fondo medidas). (D) cálculo del pico: ΔF/F = (F-FB) / FB, FB = (FB1 + FB2) / 2 (el fondo de la media de la fluorescencia [FB] y los cambios de la fluorescencia del soma [F] expresado como ΔF/F). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6 . Imágenes de calcio representante. (A-D) Transitorio de calcio (verde) y los vasos sanguíneos (rojos) en diferentes puntos temporales en segundos en un ratón a 7 días después de la instalación de la ventana óptica. Flecha amarilla: una neurona relativamente menos activa. Flecha blanca: una neurona spiking. (E, F) Z-proyección de un período de grabación de 3 minutos para el rojo (vasos sanguíneos) y verde (calcio) canales (E) y canal verde (F). Seleccionado (G) las neuronas y sus áreas adyacentes de fondo están marcadas. Barra de escala = 10 μm. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Proyección de imagen de dos fotones permite la medida simultánea de la actividad de muchas células con una resolución razonable en hasta aproximadamente 800 μm por debajo de la superficie del cerebro. Integramos 2P y una técnica de doble ventana óptica con GCaMP6s genéticamente codificados para observar la dinámica del calcio en las poblaciones de Somas neuronales capa V encuentra > 500 μm a continuación de la pia. Con una ventana óptica abierta a cada lado del cráneo, el método permite grabaciones de actividad neuronal en todas las regiones del cerebro mamífero simétrico prolongado y estable de calcio en vivola proyección de imagen. Aspectos clave de este método incluyen la realización de cirugía mínimamente invasiva para crear ventanas ópticas doble cráneo abierto y 2P proyección de imagen de la actividad neuronal en regiones simétricas de S1.
Examinar la actividad de red en regiones bilaterales de S1 es que un ejemplo de cómo dos ventanas craneales podría ser utilizado para información local y simétrica en el cerebro adulto vivo enla punta de prueba. Este método también puede utilizarse para estudiar la actividad neuronal (por ejemplo utilizando Thy1 -ratones GCaMP6s) y la plasticidad cortical B6. CG-Tg (Thy1- YFP) J HJrs de tejido intacto de las regiones simétricas correspondientes de recuperación después del deafferentation debido a una lesión unilateral del CNS. El método también puede utilizarse para examinar la actividad cortical en respuesta a estrategias de estimulación periférica como la optogenetic, estímulos eléctricos o químicos. Aunque sólo nos demuestran la técnica en el área de S1, este enfoque podría emplearse para investigar actividades en otras áreas simétricas en el cerebro de la vida como las neuronas de la capa V de la corteza motora primaria (M1). Observaciones sobre reorganización de las regiones del cerebro pueden proporcionar un sustrato neural para el comportamiento adaptativo del motor, que juega un papel fundamental en la recuperación de la función de postinjury. También permite la medida crónica de la actividad simétrica de células genéticamente identificadas durante comportamiento en ratones de cabeza fija.
Técnicamente, los investigadores deben prestar especial atención a la calidad y consistencia de duales windows craneales. Técnica de ventana craneal cráneo adelgazado 12 es muy recomendable para los principiantes a la práctica. Espinas son compartimentos de calcio debido a su morfología y mecanismos locales de afluencia y de la protuberancia. En este estudio, utilizamos B6. Ratones HJrs/J CG-Tg (Thy1- YFP) como ejemplo para demostrar de la espina dorsal dendrítica dinámica en vivo (figura 4). Una instalación de ventana de cristal del cráneo abierto puede provocar espina dorsal alta facturación y respuestas gliales reactivas después de la cirugía 12. En cambio, con la técnica ventana de cráneo adelgazado, espinas y las dendritas pueden ser bien conservadas.
Opciones de dimensiones y espesores de ventanas ópticas serán dependientes en el campo de visión deseado, la curvatura del cráneo, cráneo grueso y el tipo de imagen 13. Presión insuficiente de la óptica coverglasses en la dura puede causar engrosamiento de la duramadre, crecimiento del cráneo y mayor movimiento del cerebro. Por el contrario, una presión excesiva de la coverglasses óptica puede impedir el flujo sanguíneo cortical.
Para el montaje de la ventana óptica, pegamento y curar capas adicionales de coverglasses uno a la vez con pegamento óptico y luz UV de onda larga. Para contribuir al fortalecimiento de la vinculación adhesiva, caliente la ventana fabricada (50 ° C por 12 h) en una incubadora. Almacenar el cubreobjetos ventana óptica en etanol al 70% (vol/vol) y, antes de la cirugía, aclararlo con solución salina estéril. La ventana óptica necesita examinarse para las imperfecciones (como una cantidad incorrecta de alineación óptica adhesivo o inexacta) bajo un estereoscopio antes de su uso para evitar la falla. Si el pegamento óptico es demasiado fino, espacios de aire puede ser arrugadas, que pueden causar aberraciones ópticas o desprendimiento de la cubierta de vidrio en implantación. Por el contrario, demasiado pegamento óptico puede causar rebose más allá de los bordes de la ventana craneal.
En Resumen, aquí se describe un procedimiento experimental para medir la dinámica del calcio o morfología dendrítica a través de ventanas craneales de regiones corticales somatosensoriales primarias simétricas 2 en Thy1-GCaMP6s y Thy1ratones transgénicos - YFP, respectivamente, utilizando microscopía de 2P. Esta técnica puede facilitar enormemente la compleja relación estructural y funcional de redes neuronales de disección.
Autores no tienen nada que revelar.
Estamos muy agradecidos a Wenbiao Gan (Skirball Institute, Departamento de fisiología y neurociencia, New York University Facultad de medicina, EEUU) para la dirección técnica excelente y Patti Raley, Editor médico (Departamento de cirugía neurológica, Indiana Universidad Escuela de medicina), para editar el manuscrito. Agradecemos a Dr. Jinhui Chen (Instituto de investigación de Neurociencias de Stark, Indiana University School of Medicine, USA) para proporcionar B6. Ratones HJrs/J CG-Tg (Thy1- YFP). Este trabajo fue financiado en parte por la Fundación del Director del Hospital General de 2016ZD03 de la región militar del PLA chino de Jinan (XJL) y NIH NS059622, NS073636, DOD CDMRP W81XWH-12-1-0562, mérito de premio I01 BX002356 desde el Departamento de veteranos de Estados Unidos Asuntos, Craig H Neilsen Foundation 296749, Indiana de la médula espinal y cerebro lesiones Research Foundation, Mari Hulman George fondos de dotación (XMX).
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| C57BL/6J-Tg(Thy1-GCaMP6s)GP4.3Dkim/J | Jackson | 24275 | Puede ser cualquier cepa producida por el indicador y efector neuronal genéticamente codificado que expresa el indicador de calcio fluorescente verde, GCaMP, en subconjuntos de neuronas excitadoras en la corteza. |
| B6. Cg-Tg(Thy1-EGFP)OJrs/GfngJ. | Jackson | 7919 | Puede ser cualquier cepa que exprese EGFP en subconjuntos de neuronas dentro de poblaciones específicas en la corteza, proporcionando una tinción brillante y vital similar a la de Golgi. |
| Pinzas Dumont n.º 5, estándar, Dumoxel | Fine Science Tools | 11251-30 | Puede ser de cualquier marca de elección. |
| Pinza Dumont n.º 5SF | Fine Science Tools | 11252-00 | Puede ser cualquier marca de elección. |
| Micro Bead Sterilizer | Southern Labware | B1201 | Puede ser cualquier marca de elección. |
| Harishige' s SG-4N Adaptador de sujeción de cabeza | Tritech Research | SG-4N | Puede ser cualquier marca de elección. |
| Kit completo de microtaladro ideal | Apparatus | 72-6065 | Puede ser de cualquier marca de elección. |
| Fresas para herramientas | de ciencia fina | 19007-05 | Puede ser cualquier marca de elección. |
| Cubreobjetos redondos, 3 mm | Harvard Biosciences | W4 64-0720 | Puede ser de cualquier marca de elección. |
| Cubreobjetos redondos, 5 mm | Harvard Biosciences | W4 64-0700 | Puede ser de cualquier marca a elección. |
| Adhesivo óptico Norland | Norland Products | 7106 | Puede ser cualquier marca de elección. |
| Loctite superpegamento líquido | WB Mason | LOC1647358 | Puede ser cualquier marca de elección. |
| Kit de cemento de agarre, polvo y disolvente | Dentsply | 675570 | Puede ser de cualquier marca de elección. Mezcle 5 partes de cemento dental blanco en polvo (Grip Cement) con una parte de pintura en polvo negra Tempera (para protegerse de la luz; algunos usuarios prefieren una proporción de 10:1). |
| Espuma de gel | Moore Medical | 2928 | Puede ser cualquier marca de elección. |
| Micro tijeras de disección | Roboz | RS-5841 | Puede ser de cualquier marca de elección. |
| Líquido cefalorraquídeo artificial (PPA) | ><< 1.25 mM de NaCl<>/sub> sub>444 2 mM de NaH de NaH< sub4/sub> de CaCl2, 1 mM de MgCl2 |
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