Aquí, describimos métodos de manipulación optogenética de determinados tipos de neuronas durante la monitorización de los estados de sueño/vigilia en ratones, presentando nuestro trabajo reciente en el núcleo de la estría terminal is como ejemplo.
Se requiere una suscripción a JoVE para ver este contenido. Inicie sesión o comience su prueba gratuita.
Artículo de método
* These authors contributed equally
Aquí, describimos métodos de manipulación optogenética de determinados tipos de neuronas durante la monitorización de los estados de sueño/vigilia en ratones, presentando nuestro trabajo reciente en el núcleo de la estría terminal is como ejemplo.
En los últimos años, la optogenética ha sido ampliamente utilizada en muchos campos de la investigación neurocientífica. En muchos casos, una opsin, como la rodopsina de canal 2 (ChR2), se expresa mediante un vector de virus en un tipo particular de células neuronales en varios ratones Cre-driver. La activación de estas opsins se activa mediante la aplicación de pulsos de luz que se entregan por láser o LED a través de cables ópticos, y el efecto de la activación se observa con una resolución de tiempo muy alta. Los experimentadores son capaces de estimular agudamente las neuronas mientras monitorean el comportamiento u otro resultado fisiológico en ratones. La optogenética puede permitir estrategias útiles para evaluar la función de los circuitos neuronales en la regulación de los estados de sueño/vigilia en ratones. Aquí describimos una técnica para examinar el efecto de la manipulación optogenética de las neuronas con una identidad química específica durante el electroencefalograma (EEG) y la monitorización del electromiograma (EMG) para evaluar la etapa del sueño de los ratones. Como ejemplo, describimos la manipulación de las neuronas GABAérgicas en el núcleo de la cama de la estría terminalis (BNST). La excitación optogenética aguda de estas neuronas desencadena una rápida transición a la vigilia cuando se aplica durante el sueño NREM. La manipulación optogenética junto con la grabación EEG/EMG se puede aplicar para descifrar los circuitos neuronales que regulan los estados de sueño/vigilia.
El sueño es esencial para una función cognitiva óptima. Los hallazgos recientes también sugieren que las alteraciones en el sueño se asocian con una amplia gama de enfermedades1,2,3. Aunque las funciones del sueño están todavía en gran medida sin resolver, recientemente se han hecho progresos sustanciales en la comprensión de los circuitos neuronales y mecanismos que controlan los estados de sueño/vigilia4. En los mamíferos, hay tres estados de vigilancia: vigilia, sueño de movimiento ocular no rápido (NREM) y sueño de movimiento ocular rápido (REM). La vigilia se caracteriza por oscilaciones EEG rápidas (5-12 Hz) de baja amplitud con actividad motora intencionada y sostenida. El sueño NREM se define por oscilaciones lentas (1-4 Hz) de alta amplitud (ondas delta), con falta de conciencia y actividad motora deliberada. El sueño REM se caracteriza por oscilaciones relativamente rápidas (6-12 Hz)de baja amplitud y casi completa atonía muscular bilateral 5.
Borbely propuso una teoría de la regulación de la vigilia del sueño conocida como los dos modelos de proceso6,7. Un proceso homeostático, también conocido como proceso S, representa la presión del sueño que se acumula durante la vigilia y se disipa durante el sueño. Otro proceso, conocido como proceso C, es un proceso circadiano, que explica por qué los niveles de vigilancia fluctúan en el ciclo de 24 h. Además de estos dos procesos, los factores alostáticos también son importantes para la regulación del sueño/vigilia8,9. Los factores allostáticos incluyen estados nutricionales y emociones. El miedo y la ansiedad suelen ir acompañados de un aumento de la excitación junto con las respuestas autonómicas y neuroendocrinas10,11,12. Se cree que el sistema límbico desempeña un papel en la regulación del miedo y la ansiedad, y los mecanismos subyacentes a las respuestas autonómicas y neuroendocrinas se han estudiado extensamente, pero la vía por la cual el sistema límbico influye en los estados de sueño/vigilia no ha sido aún así se han revelado. Un gran número de estudios recientes con opto- y farmacogenética han sugerido que las neuronas y circuitos neuronales que regulan los estados de sueño/vigilia se distribuyen por todo el cerebro, incluyendo los cortices, el antecefálico basal, el tálamo, el hipotálamo, y el tallo cerebral. En particular, los recientes avances en optogenética nos han permitido estimular o inhibir circuitos neuronales específicos in vivo con altas resoluciones espaciales y temporales. Esta técnica permitirá avanzar en nuestra comprensión de los sustratos neuronales del sueño y la vigilia, y cómo los estados de sueño/vigilia están regulados por procesos circadianos, presión de sueño y factores alostáticos, incluyendo la emoción. Este artículo tiene como objetivo introducir cómo utilizar la manipulación optogenética combinada con la grabación de sueño/vigilia, que podría tener el potencial de actualizar nuestra comprensión de los connectomes y mecanismos en el cerebro que juegan un papel en la regulación del sueño NREM, sueño REM, y la vigilia. La comprensión de este mecanismo por el cual el sistema límbico regula los estados de sueño/vigilia es de suma importancia para la salud, porque el insomnio generalmente se asocia con la ansiedad o el miedo a no poder dormir (somnifobia).
Se cree que el BNST juega un papel esencial en la ansiedad y el miedo. GAD 67-expresando neuronas GABAérgicas son una población importante del BNST12,13. Examinamos el efecto de la manipulación optogenética de estas neuronas (GABABNST) en estados de sueño/vigilia. Uno de los mayores avances en neurociencia en los últimos años han sido los métodos que permiten la manipulación de las neuronas con identidades químicas particulares in vivo, con altas resoluciones espaciales y temporales. La optogenética es muy útil para demostrar vínculos causales entre la actividad neuronal y las respuestas conductuales específicas14. Describimos la optogenética como un método para examinar la conectividad funcional de los circuitos neuronales definidos en la regulación de los estados de sueño/vigilia. Mediante la utilización de esta técnica, se ha logrado un gran progreso en la comprensión de los circuitos neuronales que regulan los estados de sueño/vigilia15,16,17,19,19 . En muchos casos, las opsins se introducen específicamente en neuronas con identidades químicas particulares en regiones cerebrales selectivas mediante una combinación de ratones Cre-driver y transferencia de genes mediada por AAV inducible Cre. Además, la expresión focal de opsins fotosensibles como la cifrodopsina 2 (ChR2)20 o la arqueerhodopsina (ArchT)21 combinada con un sistema Cre-loxP o Flp-FRT nos permite manipular una población neuronal selectiva y específica vía neural22.
Aquí describimos los experimentos sobre neuronas GABAérgicas en el BNST como un ejemplo. Para expresar opsins en una población neuronal designada, se utilizan con mayor frecuencia ratones conductores de Cre apropiados y vectores de virus dependientes de Cre. También son útiles las líneas transgénicas o de impacto en las que las opsins se expresan en determinadas poblaciones neuronales. En los siguientes experimentos, utilizamos ratones knock-in GAD67-Cre 23 en los que sólo las neuronas GABAérgicas expresan la recombinación de Cre con un fondo genético C57BL/6J, y un vector AAV que contiene ChR2 (hChR2 H134R) fusionado con EYFP o EYFP como un vector de control con un interruptor "FLEx (Flip-escision)"24. El procedimiento describe específicamente la excitación optogenética de las neuronas GABAérgicas en el BNST durante el seguimiento de los estados de sueño/vigilia25.
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Todos los experimentos aquí fueron aprobados por el Comité de Experimento y Uso Animal de la Universidad de Tsukuba, cumpliendo con las directrices de NIH.
1. Cirugía animal, inyección de virus, electrodo para EEG/EMG e implantación de fibra óptica
PRECAUCION: Deben seleccionarse técnicas adecuadas de protección y manipulación en función del nivel de bioseguridad del virus que se va a utilizar. AAV se debe utilizar en una sala de inyección aislada con calificación P1A, y el tubo que transporta AAV debe esterilizarse con un autoclave después de que se haya agotado todo el volumen. El sitio quirúrgico y todo el material implantado deben estar limpios y estériles durante el uso.
NOTA: Vea la figura1.
2. Monitoreo de EEG/EMG con fotoexcitación de neuronas dirigidas en estados específicos del sueño
PRECAUCION: Este protocolo incluye el uso de equipos láser de clase 3B o dispositivos LED. Los experimentadores deben estar al tanto de la información de seguridad. Se requieren gafas protectoras.
3. Análisis del tiempo de latencia desde NREM Sleep hasta Wakefulness
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
El presente estudio mostró el efecto de la excitación optogenética de las neuronas GABABNST en la transición del estado del sueño. ChR2-EYFP se expresó focalmente en las neuronas GABA en el BNST. Un estudio histoquímico de hibridación in situ mostró que ChR2-EYFP fue colocalizado en neuronas que expresan señales de MRNA GAD 67, lo que indica que estas son neuronas GABAérgicas. Las muestras de rodajas inmunohistoquímicas confirmaron la posición de la fibra óptica, cuya punta est...
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Aquí presentamos un método para evaluar el efecto de la estimulación optogenética de las neuronas con identidades químicas particulares en las transiciones de estado de sueño / vigilia y dio un ejemplo de manipulación de las neuronas GABABNST. Nuestros datos mostraron que la excitación optogenética de las neuronas GABABNST resulta en la transición inmediata del sueño NREM a la vigilia.
Varios diseños experimentales están disponibles debido al desarrollo de numerosos tipos...
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Este proyecto fue apoyado financieramente por Merck & Co.
Este estudio fue apoyado por el Programa de Estudios de Investigadores de Merck (#54843), una Subvención en Ayuda para La Investigación Científica de KAKENHI sobre áreas innovadoras, "WillDynamics" (16H06401) (T.S.) y una Subvención en Ayuda de KAKENHI para Investigación Exploratoria en Áreas Innovadoras (T.S.) (18H02595).
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| 1x1 Juntas rotativas de fibra óptica | Doric | FRJ 1x1 FC-FC | para optogenética |
| Cabezal de 6 pines | KEL corporation | DSP02-006-431G | |
| Zócalo de 6 pines | Hirose | 21602X3GSE | |
| Convertidor A/D | NIPPON KODEN | N/A | A Convertidor analógico a digital |
| AAV10-EF1a-DIO-ChR2-EYFP | 3.70 veces; 1013(copias genómicas/ml) | ||
| AAV10-EF1a-DIO-EYFP | 5.82&veces; 1013(copias genómicas/ml) | ||
| Ampicilina | Película Fuji | 014-23302 | |
| Amplificador | Nippon koden | N/A | para registro de EEG/EMG |
| Vaporizador anestésico | Muromachi | MK-AT-210D | |
| Inyector automático | KD scientific | 780311 | |
| Cortador de carburo | Minitor | B1055 | φ 0,7 mm. Recomendado como taladro dental, utilizado con micromotor rotativo de alta velocidad |
| Adhesión de cianoacrilato (Aron alfa A) y aceleración | Konishi | #30533 | |
| Lámpara de polimerización dental | 3M | Elipar S10 | |
| Adhesivo epoxi | Konishi | #04888 | alrededor de la soldadura de 6 pines y cable blindado |
| Cable de conexión de fibra óptica (ramificación) | Doric | BFP(#)_50/125/900-0.22 | |
| Gad67-Cre | ratones proporcionados por el Dr. Kenji Sakimura | El gen de la recombinasa Cre se encuentra en el alelo Gad67 | |
| Jeringa Hamilton | Hamilton | 65461-01 | |
| Kit de micromotor rotativo de alta velocidad | FOREDOM | K.1070 | Se utiliza con el cortador de carburo |
| Manguito de interconexión | Thorlab | ADAF1 | φ 2,5 mm Cerámica |
| Isoflurano | Pfizer | 871119 | |
| Láser | Rapp OptoElectronic | N/A | Longitud de onda de 473 nm |
| Comprobador de intensidad láser | COHERENTE | 1098293 | |
| Estimulador láser | centro de investigación | STO2 | referenciado como generador de pulsos en texto |
| Fibra óptica con férula | Thorlab | FP200URT-CANNULA-SP-JP | |
| pAAV2-rh10 | proporcionado por PennVector Core | ||
| pAAV-EF1a-DIO-EYFP-WPRE-HGHpA | Addgene | plasimid # 20296 | |
| pAAV-EF1a-DIO-hChR2(H134R)-EYFP-WPRE-HGHpA | proporcionado por el Dr. Karl Deisseroth | ||
| Cordón de parche | Doric | D202-9089-0.4 | 0.4m de longitud, conductor láser entre láser y junta rotativa |
| pHelper | Stratagene | ||
| Cemento dental fotocurable | 3M | 56846 | |
| Pinza Serafin | Stoelting | 52120-43P | |
| Cable blindado | mogami | W2780 | Soldadura a zócalo de 6 polos para registro de EEG/EMG |
| Cámara de registro del sueño | N/A | N/A | Fabricado en cubo (21 cm; 29 cm y 19 cm) con soporte para depósito de |
| agua Software de señalización del sueño | KISSEI COMTEC | N/A | para análisis de EEG/EMG |
| Anillo colector | neuroscience,inc | N/A | para análisis de EEG/EMG |
| Tornillo de acero inoxidable | Yamazaki | N/A | φ 1.0 x 2.0 |
| Alambre inoxidable | Alambre Cooner | AS633 | 0.0130 pulgadas de diámetro |
| Marco estereotáxico con consola digital | Koph | N/A | Modelo 940 |
| Aguja de jeringa | Hamilton | 7803-05 | |
| Software de grabación vital | KISSEI COMTEC | N/A | para registro de EEG/EMG |
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.