Nous présentons ici un protocole permettant d’effectuer une imagerie calcique à deux photons dans le cerveau antérieur dorsal du poisson-zèbre adulte.
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Article de méthode
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Nous présentons ici un protocole permettant d’effectuer une imagerie calcique à deux photons dans le cerveau antérieur dorsal du poisson-zèbre adulte.
Le poisson-zèbre adulte (Danio rerio) présente un riche répertoire de comportements pour l’étude des fonctions cognitives. Ils ont également un cerveau miniature qui peut être utilisé pour mesurer les activités dans les régions du cerveau grâce à des méthodes d’imagerie optique. Cependant, les rapports sur l’enregistrement de l’activité cérébrale chez les poissons-zèbres adultes ont été rares. La présente étude décrit les procédures permettant d’effectuer une imagerie calcique à deux photons dans le cerveau antérieur dorsal du poisson-zèbre adulte. Nous nous concentrons sur les mesures à prendre pour empêcher les poissons-zèbres adultes de bouger la tête, ce qui offre une stabilité qui permet l’imagerie par balayage laser de l’activité cérébrale. Les animaux dont la tête est attachée peuvent bouger librement les parties de leur corps et respirer sans aide. La procédure vise à raccourcir la durée de la chirurgie d’appuie-tête, à minimiser les mouvements du cerveau et à maximiser le nombre de neurones enregistrés. Une configuration permettant de présenter un environnement visuel immersif pendant l’imagerie calcique est également décrite ici, ce qui peut être utilisé pour étudier les corrélats neuronaux sous-jacents aux comportements déclenchés visuellement.
L’imagerie par fluorescence de calcium avec des indicateurs génétiquement codés ou des colorants synthétiques a été une méthode puissante pour mesurer l’activité neuronale chez les animaux qui se comportent, y compris les primates non humains, les rongeurs, les oiseaux et les insectes1. L’activité de centaines de cellules, jusqu’à environ 800 μm sous la surface du cerveau, peut être mesurée simultanément à l’aide de l’imagerie multiphotonique 2,3. L’activité de types cellulaires spécifiques peut également être mesurée en exprimant des indicateurs calciques dans des populations neuronales génétiquement définies. L’application de la méthode d’imagerie à des modèles de petits vertébrés ouvre de nouvelles possibilités dans le domaine du calcul neuronal à travers les régions du cerveau.
Le poisson-zèbre est un système modèle largement utilisé dans la recherche en neurosciences. Les larves de poisson-zèbre environ 6 jours après la fécondation ont été utilisées pour l’imagerie calcique en raison de leur cerveau miniature et de leur corps transparent4. Les poissons-zèbres juvéniles (âgés de 3 à 4 semaines) sont également utilisés pour étudier les mécanismes neuronaux sous-jacents aux voies sensorimotrices 5,6. Cependant, le niveau de performance maximal pour les comportements complexes, y compris l’apprentissage associatif et les comportements sociaux, est atteint à un âge plus avancé de 7,8 ans. Ainsi, un protocole fiable est nécessaire pour étudier de multiples fonctions cognitives dans le cerveau des poissons-zèbres adultes à l’aide de méthodes d’imagerie. Alors que les larves de poisson-zèbre et les poissons-zèbres juvéniles peuvent être intégrés dans l’agarose pour l’imagerie in vivo, les poissons-zèbres adultes âgés de 2 mois ou plus souffrent d’hypoxie dans de telles conditions et sont physiquement trop forts pour être retenus par l’agarose. Par conséquent, une intervention chirurgicale est nécessaire pour stabiliser le cerveau et permettre à l’animal de respirer librement par les branchies.
Ici, nous décrivons un protocole d’appuie-tête qui implique une nouvelle conception d’une seule barre de tête. Le temps de chirurgie réduit de 25 min est deux fois plus rapide que la méthode précédente9. Nous décrivons également la conception de la chambre d’enregistrement (cuve semi-hexagonale), de la scène principale et d’un mécanisme de verrouillage rapide pour combiner les deux parties9. Enfin, la configuration permettant de présenter un stimulus visuel immersif pour étudier l’activité cérébrale et les comportements déclenchés visuellement est également décrite. Dans l’ensemble, les procédures décrites ici peuvent être utilisées pour effectuer une imagerie calcique à deux photons dans des populations cellulaires génétiquement définies chez un poisson-zèbre adulte à tête retenue, ce qui permet d’étudier les activités cérébrales au cours de divers paradigmes comportementaux.
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Toutes les procédures relatives aux animaux ont été approuvées et effectuées conformément aux directives du Comité institutionnel de protection et d’utilisation des animaux de l’Academia Sinica. Les détails des outils de recherche se trouvent dans le tableau des matériaux.
1. Préparation de la chambre d’enregistrement

Figure 1 : Instruments requis pour la chirurgie de l’appuie-tête. (A) Le mécanisme de verrouillage rapide entre la plaque circulaire de la platine de tête et la plaque de base à l’intérieur du réservoir semi-hexagonal. Les fichiers de conception assistée par ordinateur (CAO) des pièces sur mesure se trouvent dans les fichiers supplémentaires 1 à 4. (B) Barre de tête en forme de Ω pour l’appuie-tête. (C) Le micromanipulateur à trois axes utilisé pour positionner la barre de tête sur le site de fixation. Médaillon : orientation de la barre de tête dans l’argile. (D) Canon pour tenir le poisson pendant l’opération. En médaillon : orientation du poisson à l’intérieur du canon. (E) Le module de chargement du poisson et le micromanipulateur utilisé pour charger le poisson sur la scène de tête. Encart : orientation des poissons à l’intérieur du module. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
2. Chirurgie de l’appuie-tête

Figure 2 : Étapes clés de la chirurgie de l’appuie-tête. (A) Composition de la capsule à l’intérieur du canon. (B) Sites d’attache sur le crâne (rouge). Les flèches rouges précisent l’emplacement des vaisseaux sanguins. (C) En haut : barre de tête attachée au crâne du poisson. En bas : poissons chargés sur la tête de la scène. (D) Coupures nécessaires pour enlever la peau au-dessus du cerveau antérieur. Les chiffres indiquent la séquence de coupe. Éviter l’enlèvement de la peau à l’endroit marqué (pointe de flèche) pour éviter le saignement de l’animal. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
3. Imagerie à deux photons

Figure 3 : Configuration permettant d’effectuer l’imagerie calcique, l’enregistrement du comportement et l’affichage des stimuli visuels. (A) Trois projecteurs présentent un stimulus visuel sur les parois du réservoir semi-hexagonal. Des lumières infrarouges sur le côté sont utilisées pour éclairer le corps du poisson-zèbre. (B) Positionnement de la lentille de l’objectif. À gauche : vue de face. À droite : vue de côté. La distance entre l’objectif 16x et la région cérébrale ciblée est d’environ 2,5 mm. (C) Exemple d’image à deux photons. À gauche : projection maximale de l’ensemble du cerveau antérieur dorsal en Tg[neuroD :GCaMP6f]. À droite : image agrandie pour révéler les neurones de plusieurs régions du cerveau. Médaillon : un grossissement plus élevé provenant d’une région cérébrale différente. Les images sont des moyennes de 10 s de données enregistrées à 5 Hz. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
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Le protocole se compose de deux parties : la chirurgie d’appuie-tête et l’imagerie calcique à deux photons des activités neuronales dans le cerveau antérieur. Le succès d’une intervention chirurgicale est défini par la survie de l’animal et la stabilité de l’appuie-tête. Le taux de survie peut être grandement amélioré par une perfusion fréquente de solution de SMT à 0,01 % par voie buccale pendant la chirurgie. Les poissons doivent se remettre de l’anesthésie et respirer activement dans les 1 à 2 minutes suivant leur imm...
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Ici, nous décrivons un protocole détaillé pour retenir la tête du poisson-zèbre adulte pour l’imagerie calcique à deux photons. Il y a deux étapes essentielles pour obtenir un appuie-tête suffisamment stable pour l’imagerie par balayage laser. Tout d’abord, la barre de tête doit être collée aux sites de fixation spécifiques des crânes. D’autres parties du crâne sont souvent trop minces pour assurer une stabilité mécanique et peuvent même être fracturées lors de mouvements corporels importants. Deuxièmement, la peau au-de...
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Les auteurs déclarent qu’ils n’ont pas d’intérêts financiers concurrents.
Ce travail a été soutenu par l’Institut de biologie moléculaire, l’Academia Sinica et le Conseil national de la science et de la technologie de Taïwan. L’atelier d’usinage de l’Institut de physique de l’Academia Sinica a contribué à la fabrication de pièces conçues sur mesure. Nous tenons également à remercier P. Argast (Institut Friedrich Miescher pour la recherche biomédicale, Bâle, Suisse) pour la conception du mécanisme de verrouillage rapide de la scène de tête.
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| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Carte d’acquisition | MBF Biosciences | Vidrio vDAQ | Microscope |
| Film à rétroprojection | Kimoto | Écran Diland - GSK | Stimulus visuel actuel |
| Filtre passe-bande (510/80 nm) | Chroma | ET510/80m | Microscope |
| Plaque de base pour le réservoir semi-hexagonal | Sur mesure | voir les fichiers complémentaires | Chambre d’enregistrement |
| Filtre de caméra (< 875 nm) | Optique d’Edmund | #86-106 | Enregistrement du comportement |
| Filtre caméra (>700 nm) | Optique d’Edmund | #43-949 | Enregistrement du comportement |
| Objectif de l’appareil photo | Thorlabs | MVL50M23 | Enregistrement du comportement |
| Vision Caméléon-S | Cohérent | Vision-S | Laser |
| Plaque circulaire pour l’étage de tête | Sur mesure | voir les fichiers complémentaires | Chambre d’enregistrement |
| Contrôleur pour actionneur piézoélectrique | Instrument Physik & nbsp ; | E-665. CR | Microscope |
| Amplificateur de courant | Thorlabs | TIA60 | Microscope |
| Elitedent Q-6 | Rolence Enterprise | Q-6 | Chirurgie : lampe UV |
| Filtre d’émission 510/80 nm | Chroma | ET510/80m | Microscope |
| Barre-tête | Sur mesure | voir les fichiers complémentaires | Chambre d’enregistrement |
| Lumière infrarouge | Thorlabs | M810L3 | Enregistrement du comportement |
| Projecteur LED | AAXA | Projecteur P2B LED Pico | Stimulus visuel actuel |
| Papier mouchoir humide (Kimwipe) | Kimtech Science | 34155 | Chirurgie : papier mouchoir humide |
| Étage d’échantillonnage XY motorisé | Zaber | X-LRM050 | Microscope |
| Filtres à densité neutre (transmission à 50 %) | Thorlabs | NE203B | Stimulus visuel actuel |
| & Oslash ; Porte-poteau 1/2" | ThorLabs | PH1,5V | Chirurgie : tube creux pour canon |
| & Oslash ; Poteau optique en acier inoxydable de 1/2" | ThorLabs | TR150/M | Chirurgie : module de chargement des poissons |
| Objectif 16x, 0,8NA | Nikon | CF175 | Microscope |
| Pâte à modeler à base d’huile | Ly Hsin Clay | C4086 | Chirurgie : support de barre de tête |
| Adhésif optique | Produits Norland | NOA68 | Chirurgie : colle curable UV |
| Tube photomultiplicateur | Hamamatsu | H11706P-40 | Microscope |
| Actionneur piézoélectrique | Instrument Physik & nbsp ; | P-725.4CA PIFOC | Microscope |
| Pockels Cell | Conoptiques | M350-80-LA-BK-02 | Microscope |
| Filtre Red Wratten (> 600 nm) | Optique d’Edmund | #53-699 | Stimulus visuel actuel |
| Système de balayage résonant-galvo | INSS | RGE-02 | Microscope |
| Pince à angle droit pour ø ; Poteau de 1/2" | ThorLabs | RA90/M | Chirurgie : module de chargement des poissons |
| Pince rotative pour ø ; Poteau de 1/2" | ThorLabs | SWC/M | Chirurgie : module de chargement des poissons |
| ScanImage | MBF Biosciences | Version de base | Microscope |
| Réservoir semi-hexagonal | Sur mesure | voir les fichiers complémentaires | Chambre d’enregistrement |
| Super-Bond C & ; Maillot B | Sun Medical Co. | Super-Bond C & ; B | Chirurgie : ciment dentaire |
| Tricaïne méthanessulfonate | Sigma Aldrich | E10521 | Chirurgie : anesthésie |
| Caméra USB | FLIR | BFS-U3-13Y3M-C | Enregistrement du comportement |
| Vetbond | 3M | 1469SB | Chirurgie : colle tissulaire |
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