Name: Optogenetic de arrastre de las oscilaciones Theta Hippocampal en comportarse ratones (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-06-29T13:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 33 s
Description: Aprende a controlar oscilaciones theta hipocampales en ratones mediante optogenética y registros electrofisiológicos. Este método permite investigar el papel causal de estas oscilaciones en la navegación espacial y comportamientos asociados.

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Nos gustaría agradecer a Maria Gorbati experto ayuda con análisis de datos y Jennifer Kupferman para comentarios sobre el manuscrito. Este trabajo fue financiado por la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG; NeuroCure EXC 257, TK y AP; Programa prioritario 1665, 1799/1-1(2), programa de Heisenberg, 1799/2-1, AP), la Fundación israelo-alemana para la investigación científica y desarrollo (GIF; I-1326-421.13/2015, TK) y el programa de ciencia de frontera humana (HFSP; RGY0076/2012, TK).

Los autores no tienen nada que revelar.

Aquí presentamos una metodología ampliamente accesible para arrastrar y provocar oscilaciones de la theta del hipocampo en el comportamiento animal. Este enfoque puede ser útil para estudios de funciones de ritmo theta en procesamiento de la información y el comportamiento. Aspectos críticos de este método incluyen: (1) elección de la opsina y el señalamiento de ChR2 en axones de MS de las células en el hipocampo, características ópticas y eléctricas (2) robustas de asambleas de matriz implantado hilos de fibra óptica pa...

La actividad neuronal en los mamíferos es coordinada por las oscilaciones de la red, que ayudan a la transferencia de información dentro y entre el cerebro regiones1,2,3,4. Ritmos cerebrales son oscilaciones que van desde muy lento (< 0,8 Hz) hasta ultra rápida (> 200 Hz) frecuencias. Un cuerpo grande de evidencia apoya participación de oscilaciones de la red en las funciones cerebrales diversas, incluyendo la cognición5,6,7,8,9,10 , comportamientos naturales11,12 , así como trastornos neuropsiquiátricos como la enfermedad de Parkinson y epilepsia13,14,15. Selectivos y temporal precisos métodos para la manipulación experimental de las oscilaciones de la red por lo tanto son esenciales para el desarrollo de modelos fisiológicamente plausibles de la sincronización y para establecer relaciones causales con el comportamiento.
Sincronización de red está mediada por procesos, que van desde la identidad molecular de los canales iónicos y su cinética de neuromodulación de la excitabilidad y conectividad de red y diversos substratos biológicos. El diseño biológico de ritmo generadores16 ha sido revelado por muchos aspectos distintos (p. ej., frecuencia, amplitud), ritmos cerebrales son a menudo provocada por la dinámica de redes y tipos de células distintas. Por ejemplo, interneuronas inhibitorias dirigidas a los Somas de las células principales son los jugadores más importantes a través de las bandas de frecuencia y cerebro regiones17,18, incluyendo theta19,20, gamma20 , 21y22 oscilaciones de ondulación (140-200 Hz). A su vez, sincronización de la fase de células distantes es asegurada por robusto feed-forward de señalización de las células piramidales, que restablece la leña de interneuronas. Un parámetro fundamental de oscilaciones, el tamaño de la población neuronal sincronizada, está estrechamente relacionada con la amplitud de la oscilación medida de LFP y, al menos para las oscilaciones rápidas, depende de la unidad excitadora sobre interneuronas2. Por el contrario, las oscilaciones más lentas, como ritmos de la theta y delta son generadas por largo alcance bucles reentrantes, formados por cortico-talámico23,24 y proyecciones septal medial hipocampo25, 26,27, respectivamente. Oscilaciones en dichos circuitos son generadas por interacciones de retardos de propagación de señal, excitables respuestas y sus preferencias de frecuencia en células participantes de28,29,30, 31 , 32. proyecciones inhibitorias de GABAérgico parvalbúmina (PV)-células del septo medial (MS) a interneuronas en el hipocampo25,33, regiones de parahippocampal y entorhinal cortex26 son positivas esencial para la generación de oscilaciones de la theta en el lóbulo temporal medial. Así, los mecanismos fisiológicos de las oscilaciones de la red y sincronización neuronal pueden ser manipulados usando optogenetics con una precisión en tiempo real.
Manipulaciones de células optogenetic tipo-específicas se han aplicado para estudios de oscilaciones corticales y hippocampal en vitro34,35,36,37,38 y en vivo30,39,40,41,42,43,44,45, incluyendo funcional las investigaciones de gamma5,12,36,46,47,48,49,50, 51,52 y ondulación oscilaciones40,53,54 y sueño husos55,56. Recientemente, expresamos un virus dependiente de la Cre ChR2 en la MS, una región clave para la generación del ritmo hippocampal de la theta, de ratones PV-Cre. Con esta preparación, características de las oscilaciones theta hippocampal (frecuencia y estabilidad temporal) fueron controlados por el estímulo optogenetic de proyecciones inhibitorias de la MS en el hipocampo11. Además, estimulación de frecuencia theta optogenetic de proyecciones FCSP-hippocampal inhibitorias evoca ritmo theta durante inmovilidad despierto. La optogenetically arrastrado ritmo theta muestran propiedades de oscilaciones theta espontánea en el ratón en la LFP y los niveles de actividad neuronal.
Características principales de este protocolo son: (1) utilización de una vía inhibitoria que es fisiológicamente importante para oscilaciones theta espontánea evitando efectos inespecíficos en la excitabilidad del hipocampo; (2) axonal, es decir, estímulo específico de proyección para minimizar una influencia directa sobre no hippocampal MS eferentes; (3) local theta rítmica estimulación de luz, asegurando una mínima interferencia directa con theta rítmica dinámica FCSP-hipocampo y un arrastre global bilateral de las oscilaciones theta; (4) paramétrico control de frecuencia de las oscilaciones theta y regularidad; y (5) cuantificación de fidelidad de arrastre con alta resolución temporal con la LFP para permitir análisis de causalidad cuantitativa en comportamiento de animales. Ya que esta preparación esencialmente capitaliza un papel bien conocido de la FCSP-hippocampal desinhibición en theta generación25,30, permite control robusto sobre varios parámetros de las oscilaciones de la theta en comportarse ratones. Estudios donde menos investigados caminos y tipos de la célula de la circuitería de FCSP-hipocampo fueron manipulan38,39,47,49,50,51 , 52 , 53 , 54 , 55 , 56 , 57 , 58 además revelar mecanismos del ritmo theta.

<table><tbody><tr><td>Ratones PV-Cre</td><td>El Laboratorio Jackson</td><td>B6; 129P2-Pvalbtm1(cre)Arbr/J</td><td></td></tr><tr><td>Nombre</td><td>Compañía</td><td>Número de catálogo</td><td>Comments</td></tr><tr><td>Surgery</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Stereotaxis</td><td>David Kopf Instruments, Tujunga, CA, EE. UU</td>. <td>Modelo 963</td><td>Instrumento estereotáxico ultrapreciso para animales pequeños</td></tr><tr><td>Brocas, 0,8 mm</td><td>Bijoutil, Allschwil, Suiza</td><td>49080HM</td><td></td></tr><tr><td>Jeringa de 0,01-1 ml</td><td>Braun, Melsungen, Alemania</td><td>9161406V</td><td></td></tr><tr><td>Cánulas estériles</td><td>Braun</td><td>26 G, 0,45x25 mm BL/LB</td><td></td></tr><tr><td>Tijeras finas y afiladas</td><td>Fine Science Tools Inc., Vancouver, Canadá</td><td>14060-09</td><td></td></tr><tr><td>Pinzas</td><td>Fine Science Tools Inc.</td><td>11210-10</td><td>Dumont AA - Pinzas recubiertas de epoxi</td></tr><tr><td>Tijeras romas de acero inoxidable</td><td>Fine Science Tools Inc.</td><td>14018-14</td><td></td></tr><tr><td>Estación de soldadura</td><td>Weller Tools GmbH, Besigheim, Alemania</td><td>WSD 81</td><td></td></tr><tr><td>Eritromicina</td><td>Rotexmedica GmbH, Trittau, Alemania</td><td>PZN: 10823932</td><td>1g Polvo para solución para infusión</td></tr><tr><td>Name</td><td>Company</td><td>Número de catálogo</td><td>Comments</td></tr><tr><td>Optogenetics</td>Bomba Hamilton PHD Ultra, Harvard Apparatus, Holliston, MA, EE. UU. modelo 703008 Bomba de jeringa PHD Ultra con mecanismo de <td></td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td>empuje/tracción</td></tr><tr><td>Hamilton 5 &micro; Jeringa L, calibre 26</td><td>PHD Ultra, Aparato Harvard Modelo</td><td>75 RN SYR</td><td></td></tr><tr><td>Hamilton 5 &micro; L Émbolo</td><td>PHD Ultra, Harvard Apparatus</td><td>Model 75 RN SYR</td><td></td></tr><tr><td>Tubing</td><td>Fisher Scientific, Pittsburgh, USA</td><td>PE 20</td><td>Diámetro interior 0,38 mm (.015"), Diámetro exterior 1,09 mm (.043")</td></tr><tr><td>Cánulas estériles</td><td>Braun, Melsungen, Alemania</td><td>27 G, 25x0,40 mm, romo</td><td></td></tr><tr><td>Taladro/amoladora de precisión</td><td>Proxxon, Wecker, Luxemburgo</td><td>FBS 240/E</td><td></td></tr><tr><td>Corte discos</td><td>Proxxon</td><td>NO 28812</td><td></td></tr><tr><td>Cre dependiente de canalrodopsina</td><td>Penn Vector Core, Filadelfia, PA, EE. UU</td>. <td>AV-1-18917P Nombre del</td><td>artículo: AAV2/1.CAGGS.flex.ChR2.tdTomate, título: 1.42x1013 vg/ml</td></tr><tr><td>Cam quinasa dependiente de halorrodopsina</td><td>Penn Vector Core</td><td>AV-1-26971P Nombre del</td><td>constructo: eNpHR3.0, AAV2/1.CamKIIa.eNpHR3.0-EYFP.WPRE.hGH, título: 2.08_1012 vg/ml</td></tr><tr><td>Fibra óptica multimodo</td><td>ThorLabs, Dachau, Alemania</td><td>FG105LCA</td><td>0.22 NA, low-OH, &Oslash; 105 y micro; m Core, 400 - 2400 nm</td></tr><tr><td>Férula de varilla de cerámica</td><td>Productos de fibra de precisión, Milpitas, CA, EE. UU</td><td>. CFLC126</td><td>Cerámica LC MM Férula, ID 126um</td></tr><tr><td>Papel de pulido</td><td>Thorlabs</td><td>LF3D</td><td>6" x 6" Hoja de lapeado de diamante (pulido) Medidor</td></tr><tr>de<td>potencia</td><td>Thorlabs</td><td>PM100D</td><td>Consola compacta de medidor de potencia y energía, LCD digital de 4"</td></tr><tr><td>Acoplador de fibra óptica multimodo</td><td>Thorlabs</td><td>FCMM50-50A-FC</td><td>Acoplador 1x2 MM, relación de división 50:50, 50 y micro; m Fibras GI, FC/PC</td></tr><tr><td>Cordón de conexión de fibra óptica</td><td>Thorlabs FG105LCA</td><td>CUSTOM-MUC</td><td>hecho a medida, 3 m de largo, con tubo protector, Tubo: FT030, Conector 1: FC/PC, Conector 2: 1,25 mm (LC) Manguito de férula cerámica</td></tr><tr><td></td><td>Productos de fibra de precisión, Milpitas, CA, EE. UU</td>. Manguito de acoplamiento dividido de cerámica <td>ADAL1</td><td>para &Oslash; Casquillo de 1,25 mm (LC/PC)</td></tr><tr><td>Láser DPSS de 473 nm</td><td>Laserglow Technologies, Toronto, ON, Canadá</td><td>R471005FX</td><td>Serie LRS-0473</td></tr><tr><td>Láser DPSS de 593 nm</td><td>Laserglow Technologies</td><td>R591005FX</td><td>LRS-0594 Serie</td></tr><tr><td>MC_Stimulus II</td><td>Sistemas multicanal, Reutlingen, Alemania</td><td>STG 4004</td><td></td></tr><tr><td>Módulo de acondicionamiento de impedancia</td><td>MicroTargeting neuronal en todo el mundo, Bowdoin, EE. UU.</td><td>ICM</td><td></td></tr><tr><td>Nombre</td><td>Company</td><td>Número de catálogo</td><td>Comentarios</td></tr><tr><td>Electrofisiología</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Alambres de tungsteno</td><td>California Fine Wire Company, Grover Beach, CA, EE. UU</td><td>. CFW0010954</td><td>40 y micro; m, 99.95%</td></tr><tr><td>Tubo capilar</td><td>Optronics</td><td>1068150020</td><td>ID: 100.4 y micro; m</td></tr><tr><td>Omnetics nanoconector</td><td>Omnetics Connector Corporation, Minneapolis, EE. UU.</td><td>A79038-001</td><td></td></tr><tr><td>Tornillos</td><td>Bilaney, D&uuml; sseldorf, Alemania</td><td>00-96x1/16</td> acero <td>inoxidable</td></tr><tr><td>Sonda de silicona</td><td>NeuroNexus Technologies, Ann Arbor, MI, EE. UU</td>. <td>B32</td><td></td></tr><tr><td>Headstage</td><td>Neuralynx, Bozeman, Montana EE. UU</td>. <td>HS-8</td><td>preamplificadores de ganancia unitaria de headstage en miniatura</td></tr><tr><td>Pintura conductora de plata</td><td>Conrad electronics, Alemania</td><td>530042</td><td></td></tr><tr><td>Flujo líquido</td><td>Felder GMBH L&ouml; ttechnik, Oberhausen, Alemania</td><td>L&ouml; T&ouml; l ST</td><td>DIN EN 29454.1, 3.2.2.A (F-SW 11)</td></tr><tr><td>LED</td><td>Neuralynx</td><td>HS-LED-Red-omni-10V</td><td></td></tr><tr><td>Name</td><td>Company</td><td>Número de catálogo</td><td>Comments</td></tr><tr><td>Software</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>Mathworks, Natick, MA, EE. UU</td><td>.</td><td></td></tr><tr><td>MC_Stimulus software</td><td>Multicanal, Sistemas</td> Neurofisiológicos <td></td><td></td></tr><tr><td>Gestor</td><td></td><td></td> de Datos <td>NDManager, http://neurosuite.sourceforge.net</td></tr><tr><td>Klusters</td><td></td><td></td><td>http://neurosuite.sourceforge.net, Hazan et al., 2006</td></tr><tr><td>Software del sistema de grabación</td><td>Neuralynx</td><td>Cheetah</td><td>https://neuralynx.com/software/cheetah</td></tr><tr><td>Software de análisis de datos multicanal</td><td>Cambridge Electronic Design Limited, Cambridge, GB</td><td>Spike2</td><td></td></tr></tbody></table>

optogenetic de arrastre de las oscilaciones theta hippocampal en comportarse ratones

Optogenetic Entrainment of Hippocampal Theta Oscillations in Behaving Mice

Datos extensos sobre las relaciones de las oscilaciones de la red de los nervios al comportamiento y organización de descarga neuronal en regiones cerebrales convocatoria de nuevas herramientas manipular selectivamente ritmos cerebrales. Aquí se describe un enfoque que combina proyección específica optogenetics con electrofisiología extracelular para alta fidelidad control de oscilaciones de hippocampal de la theta (5-10 Hz) en ratones comportarse. La especificidad de la optogenetic de arrastre se logra apuntando channelrhodopsin-2 (ChR2) a la población de GABAérgico de células septales mediales, crucialmente implicadas en la generación de oscilaciones de la theta del hipocampo, y un local sincronizado activación de un subconjunto de los aferentes septales inhibitorios en el hipocampo. La eficacia del control de ritmo optogenetic es verificada por un seguimiento simultáneo del local campo potencial (LFP) a través de la lámina de la zona CA1 y de la descarga neuronal. Utilizando esta preparación fácilmente implementable muestran eficacia de diferentes protocolos de estimulación optogenetic para la inducción de las oscilaciones de la theta y la manipulación de la frecuencia y regularidad. Por último, una combinación del control de ritmo theta con la inhibición específica de proyección aborda la lectura de determinados aspectos de la sincronización hipocampo regiones eferentes.

Orientación de ChR2 células GABAérgicas en el MS como se describe en la sección 1 se ilustra en la figura 2A. Optogenetic estimulación de los axones de células GABAérgicas MS en el hipocampo dorsal a través de una fibra óptica que se implanta encima de la zona CA1 arrastra las oscilaciones de la theta en la frecuencia del estímulo en el ipsilateral (figura 2B) y contralateral Hemisferio (figura 2). O...

Describimos el uso de optogenetics y grabaciones electrofisiológicas para la manipulación selectiva de oscilaciones de hippocampal de la theta (5-10 Hz) en ratones de comportarse. La eficacia del arrastre de ritmo se controla usando el potencial de campo local. Una combinación de opto - e inhibición farmacogenética aborda la lectura eferente del hipocampo sincronización.

Optogenetic de arrastre de las oscilaciones Theta Hippocampal en comportarse ratones

Extensive data on relationships of neural network oscillations to behavior and organization of neuronal discharge across brain regions call for new tools ...

Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la neurofisiología, como el papel causal de la oscilación theta en la navegación especial y los comportamientos asociados. La principal ventaja de esta técnica es que permite un control en tiempo real sobre la frecuencia y regularidad de las oscilaciones theta del hipocampo en ratones que se comportan. La Dra. Franziska Bender, una ex estudiante de posgrado en mi laboratorio, demostrará el procedimiento.Comience con el ratón completamente anestesiado asegurado en el marco estereotáxico. Perfora un orificio por encima del tabique medial. Sumerja la punta de la aguja de inyección en una gota de virus sobre un trozo de película de parafina y extraiga cuidadosamente el virus a unos 500 nanolitros por minuto mientras observa el nivel del líquido.Para evitar que el aire entre en la aguja de inyección, detenga la extracción antes de que el virus se haya absorbido por completo. Limpie la aguja con un pañuelo de papel. Compruebe que el virus y el aceite estén separados por una burbuja de aire y marque el nivel del virus en el tubo.Coloque la aguja por encima de la craneotomía e insértela lentamente en el cerebro en el prime

optogenetic-entrainment-hippocampal-theta-oscillations-behaving

Research

Investigación

JoVE Journal

Neuroscience

Neurociencia

Fuente: Kodani, S., et.al. Manipulación optogenética de circuitos neuronales durante el monitoreo de estados de sueño / vigilia en ratones. J. Vis. Exp. (2019)Este video demuestra la manipulación optogenética de los circuitos neuronales involucrados en la transición del sueño a la vigilia en ratones. El procedimiento consiste en implantar quirúrgicamente una fibra óptica y electrodos en el cerebro y los músculos para permitir la estimulación de la luz y el registro electrofisiológico. Al...

Manipulación optogenética de circuitos neuronales para la transición del sueño a la vigilia en ratones

Este video muestra un protocolo para modular las oscilaciones theta en un modelo de ratón modificado genéticamente con canales iónicos sensibles a la luz en sus neuronas del tabique medial GABAérgico. Al entregar pulsos de luz al hipocampo, el protocolo tiene como objetivo sincronizar la actividad neuronal y generar oscilaciones theta, que se registran como potenciales de campo local.

Manipulación selectiva de oscilaciones theta en un modelo de ratón

Este video muestra la implantación estereotáctica de una guía de electrodos de alambre y una fibra óptica en el hipocampo de un modelo de ratón.

Implantación de una guía de electrodos y fibra óptica en el hipocampo del ratón

Este video muestra el registro de la actividad rítmica de la red neuronal, también conocida como oscilaciones theta, en un hipocampo aislado. Los electrodos se insertan en varias capas y posiciones espaciales para detectar y analizar las oscilaciones theta. Esto muestra las composiciones neuronales únicas y la conectividad de la red neuronal a través de diferentes capas del hipocampo.

Registro in vitro de oscilaciones theta en el hipocampo del ratón

Este video demuestra el método para usar la optogenética para modular la dinámica de la red del hipocampo mediante la activación de interneuronas sensibles a la luz modificadas genéticamente en un corte de cerebro de ratón, mejorando la sincronización de la oscilación theta y estudiando el comportamiento de los circuitos neuronales.

Control optogenético de la dinámica de la red del hipocampo

Las oscilaciones son propiedades fundamentales de la red y son modulados por la enfermedad y las drogas. El estudio de las oscilaciones cerebrales rebanada permite la caracterización de las redes aisladas en condiciones controladas. Los protocolos se proporcionan para la preparación de cortes de cerebro agudos para evocar oscilaciones γ CA1.

Generación de oscilaciones γ CA1 locales por tetánica Estimulación

La actividad Theta en el hipocampo está relacionada con etapas cognitivas y conductuales específicas. Aquí, describimos un método analítico para detectar oscilaciones theta altamente organizadas dentro del hipocampo utilizando un enfoque basado en el tiempo-frecuencia (es decir, análisis de ondículas).

Detección automática de muy organizada oscilaciones theta en el EEG murino

Aquí, presentamos un protocolo para la grabación de la red neuronal rítmica teta y oscilaciones gamma de una preparación de hipocampo aislado todo. Describimos los pasos experimentales desde la extracción del hipocampo hasta los detalles de las grabaciones de parches de campo, unitarios y de células enteras, así como la estimulación optogenética del ritmo teta.

Tuning en la banda Theta Hippocampal<em&gt; In Vitro</em&gt;: Metodologías para la grabación del circuito septohippocampal de roedores aislados

Este protocolo describe la grabación de potenciales de campo local con caña múltiples sondas de silicona lineal. La conversión de las señales mediante análisis de densidad de fuente actual permite la reconstrucción de la actividad eléctrica local en el hipocampo del ratón. Con esta técnica, se pueden estudiar las oscilaciones del cerebro espacialmente restringida libremente mover ratones.

Grabación espacial restringido a oscilaciones en el hipocampo de ratones de comportarse

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.

Manipulación optogenética de circuitos neuronales durante la supervisión de los estados de sueño/vigilia en ratones

Este artículo demuestra la preparación de una ventana de encargo de la proyección de imagen complementada con la cánula de la infusión y su implantación sobre la región CA1 del hipocampo en ratones.

Procedimiento De Craneotomía Para La Visualización De Las Actividades Neuronales En El Hipocampo De Comportarse Ratones

Aprende a controlar oscilaciones theta hipocampales en ratones mediante optogenética y registros electrofisiológicos. Este método permite investigar el papel causal de estas oscilaciones en la navegación espacial y comportamientos asociados.

Optogenetic de arrastre de las oscilaciones Theta Hippocampal en comportarse ratones

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