La preparación descrita anteriormente permite la observación de todo el cerebro bajo un microscopio para imágenes 3D a gran escala como fotones clásicos o microscopía confocal, pero también técnicas más rápidas como la hoja de luz31 y otras técnicas de microscopía de iluminación estructurada (revisadas en32),o microscopía de campo ligero28.
El acceso a todo el cerebro mientras se observa el comportamiento y el mantenimiento de órganos sensoriales funcionales permite responder a varias preguntas.
En primer lugar, ¿cuál es la actividad cerebral general cuando la mosca está en reposo, durante el comportamiento y cuándo responde a los estímulos? Como ejemplo, incluimos datos obtenidos con un microscopio de campo de luz que muestra la activación cerebral durante las respuestas a estímulos y comportamiento. Por ejemplo, en video 2, se expresó una sonda de calcio en todas las neuronas (nsyb-GAL4 y UAS-syt-GCaMP6s (izquierda) o UAS-GCaMP6M (derecha)) y se presentó un soplo de olor. Observe cómo la preparación permite obtener una visión general de la actividad cerebral durante la respuesta al estímulo. Las potentes herramientas genéticas de Drosophila se pueden utilizar para restringir la expresión de estos sensores a subtipos neuronales específicos. En video 3,restringimos la expresión de un sensor de calcio a las neuronas dopaminérgicas y serotoninérgicas (TH-GAL4, DDC-GAL4 y UAS-GCaMP6M). Observe la fuerte actividad sincrónica sobre el cerebro estrechamente correlacionada con la mosca caminando, permitida por la observación de todo el cerebro durante el comportamiento. Además de la actividad del calcio, se pueden tomar imágenes de otras señales físicas o químicas (utilizando, porejemplo,sensores para voltaje28,33,productos del metabolismo34,35 o neuromoduladores específicos36).
Para entender el papel de la actividad cerebral más específicamente, podemos preguntar qué regiones están involucradas en qué comportamiento, respuesta a estímulos o patrones espontáneos de actividad. De hecho, los datos se pueden utilizar como una pantalla imparcial para extraer regiones funcionales utilizando técnicas como el análisis de componentes principales y el análisis independiente de componentes. La Figura 9A muestra diferentes regiones funcionales en diferentes colores. La forma y localización de las regiones funcionales permiten mapearlas a plantillas anatómicas para identificar regiones cerebrales y en algunos casos tipo de neuronas. Además, una vez alineados con la plantilla anatómica, los valores de fluorescencia se pueden promediar en regiones cerebrales anatómicas para análisis cuantitativo (ver Figura 9B). Por ejemplo, un modelo gaussiano jerárquico aplicado a los datos de la Figura 9B muestra que las regiones son más activas durante el paseo (con una mediana ΔF/F de 0,029, 95% intervalo creíble=[0.017 0.041]) pero no durante el novio (mediana ΔF/F = -0.0049 con un intervalo creíble del 95%=[-0.016 0.0059]).
Además de la profundidad de comprensión, las grabaciones simultáneas de las diferentes regiones funcionales permitidas por la preparación se pueden utilizar para estudiar las propiedades dinámicas de la red funcional. Esto es importante porque las regiones cerebrales en todos los cerebros estudiados hasta ahora están altamente interconectadas recurrentemente y cada vez más estudios muestran que incluso las áreas sensoriales responden al estado conductual del animal. Se pueden examinar varios aspectos, como las propiedades funcionales del gráfico (por ejemplo, los módulos) y los patrones espacio-temporales que pueden ajustarse a los sistemas dinámicos (véase8 para ver ejemplos).

Figura 1: Preparación del soporte (paso 1). A) Diseño del soporte (vista desde la parte superior). B) Preparación de la ranura del cuello. superior: diseño de cinta, parte inferior: cuchillas paralelas utilizadas para cortar la ranura del cuello. C) Vista del soporte desde abajo. D) Vista inferior que indica dónde añadir la cinta de ranura del cuello. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: Otros preparativos (paso 1). A) Añadir grasa en la ranura del cuello para evitar el pegamento para cubrir la parte posterior de la cabeza y evitar fugas salinas. Barras de escala, 1 mm. B) Superior: forma de la pieza de cinta que se utilizará para empujar el cuerpo hacia abajo. Inferior: asegúrese de que la cinta se ajuste al soporte. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: Colocación de un trozo de cinta en forma de V para ayudar a centrar. (A) Vista inferior. (B) Vista superior. Barra de escala, 2 mm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4: Coloque la mosca (paso 2). Izquierda, usa dos fórceps opacos para colocar el cuerpo para que el cuello esté en la ranura del cuello. En el medio, alinee la cabeza. Los ojos se encuentran a ambos lados en los bordes de la ranura. La cabeza de la mosca es recta. Bien, arropa la mosca con un tejido cubierto de hielo para evitar que se mueva. Barra de escala, 1 mm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5: Fijar la cabeza (paso 3). A) Ángulo ideal de la cabeza. B) Añadir pegamento UV alrededor de la cabeza, evitando áreas sensoriales de interés. Barra de escala, 1 mm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6: La punta del proboscis y las antenas se pueden mantener libres de pegamento (paso 3). El círculo blanco indica el área donde se ha aplicado el pegamento UV. La flecha muestra qué partes se dejan libres de pegamento para experimentos olfativos y gustativos. Tenga en cuenta la cinta opcional que impide que las piernas toquen el área del pegamento. Barra de escala, 200 μm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 7: Coloque la cinta posterior (paso 4.2). La cinta creada en el paso 1 (véase la Figura 2, izquierda) se utiliza para colocar el cuerpo y cubrir el agujero grande en el soporte. Barra de escala, 1 mm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 8: Pasos de disección (paso 6). A-B) Corte a cada lado en la base del triángulo oscuro (cruces) y retire esta parte de la cutícula C). D) y E) extirpar el músculo 16. A continuación, retire suavemente el resto de la cutícula F),los sacos de aire G) y los músculos. H) Cabeza diseccionada. Barra de escala, 200 μm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 9: Resultados representativos. A) Regiones funcionales (extraídas usando PCA e ICA como en28)para una mosca que expresa GCaMP6 pan-neuronally con un microscopio de campo de luz (25x, NA =0.95 con una matriz de micro lentes f/12 a juego). Barra de escala, 100 μm. B) Actividad media de calcio en grandes regiones cerebrales durante las respuestas a estímulos y comportamiento (reproducido a partir de28). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Vídeo 1: Músculo 16 movimientos (paso 6.3). GFP se expresó en los músculos. Observe el movimiento de bombeo que viene del agujero justo encima de la tráquea. Por favor, haga clic aquí para descargar este video.
Video 2: Actividad de calcio pan neuronal durante la respuesta al olor para dos preparaciones diferentes. El vinagre balsámico estaba hinchado sobre la marcha. La actividad del calcio pan neuronal (conductor nsyb-GAL4, UAS-syt-GCaMP6s izquierda y UAS-GCaMP6M a la derecha) fue imagenda con un microscopio de campo ligero (25x, NA=0.95 con una matriz de microlens f/12 a juego). Las imágenes de campo de luz fueron reconstruidas como se describe en la referencia28,37. Por favor, haga clic aquí para descargar este video.
Video 3: Actividad de calcio en un subconjunto de tipo neurona durante el comportamiento. GCaMP6 se expresó en neuronas dopaminérgicas y serotoninérgicas (con TH-GAL4 y DDC-GAL4). En combinación con las herramientas genéticas fly, la preparación permite observar un fuerte aumento de la actividad en muchas regiones durante el paseo. Por favor, haga clic aquí para descargar este video.
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