Descriviamo una procedura sperimentale per la misura di attività neuronale attraverso finestre ottiche dual sopra bilaterale corticies somatosensoriale primaria (S1) in Thy1-GCaMP6s topi transgenici utilizzando 2 fotoni (2P) microscopia in vivo.
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Descriviamo una procedura sperimentale per la misura di attività neuronale attraverso finestre ottiche dual sopra bilaterale corticies somatosensoriale primaria (S1) in Thy1-GCaMP6s topi transgenici utilizzando 2 fotoni (2P) microscopia in vivo.
Il cervello dei mammiferi esibisce simmetria contrassegnato lungo il piano sagittale. Tuttavia, la descrizione dettagliata delle dinamiche neurali nelle regioni simmetriche del cervello negli animali mammiferi adulti rimane evasiva. In questo studio, descriviamo una procedura sperimentale per la misurazione dinamica del calcio attraverso finestre ottiche dual sopra bilaterale corticies somatosensoriale primaria (S1) in Thy1-topi transgenici GCaMP6s usando la microscopia (2P) 2-fotone. Questo metodo consente registrazioni e quantificazioni dell'attività neurale in regioni del cervello del mouse bilaterale uno alla volta nello stesso esperimento per un prolungato periodo in vivo. I principali aspetti di questo metodo, che può essere completato entro un'ora, includono procedure di chirurgia mini-invasiva per la creazione di finestre ottiche dual e l'uso di formazione immagine 2P. Anche se abbiamo solo dimostrare la tecnica in zona S1, il metodo può essere applicato ad altre regioni del cervello vivente facilitando la delucidazione di complessità strutturale e funzionale delle reti neurali del cervello.
Calcio e dal suo regolamento sono essenziali nella mediazione di molteplici processi fisiologici. Dinamica del calcio di monitoraggio è utile per comprendere la funzione normale del cervello come pure stati patologici del cervello disturbi 1,2,3,4,5,6 ,7,8. Formazione immagine di fluorescenza di GCaMP6s è un potente strumento per quantificare i numeri di spike, tempismo, e frequenza, come pure i livelli di sinaptica in ingresso sia in vitro che in vivo 9,10,11.
Il cervello dei mammiferi esibisce simmetria contrassegnato lungo il piano sagittale. Anche se recenti ricerche neurologiche ha fatto luce sul rimodellamento corticale e attività neuronale innescati traumatica del cervello o del midollo spinale lesioni 6,7, i ruoli che il tessuto intatto di simmetricamente regioni corrispondenti giocare nel recupero sono ancora oscuri.
In questo studio, descriviamo le procedure sperimentali per la creazione di finestre ottiche simmetriche bilaterali per l'imaging in vivo . Utilizzando queste finestre ottiche, descriviamo la misurazione della dinamica del calcio da corteccia somatosensoriale primaria (S1) in topi transgenici GCaMP6s usando la microscopia 2P. Nella sezione risultati, vi mostriamo anche in vivo morfologia dentritica in diversi momenti della regione S1 nei topi transgenici EGFP usando la formazione immagine 2P. Il metodo di osservazione per quanto riguarda le dinamiche di rete nelle aree S1 bilaterale è ma un esempio iniziale di windows cranica aperta come dual aiuterà neuroscienziati per sondare elaborazione nel cervello dei mammiferi adulto in normale dell'informazione locale e simmetriche condizioni o nella malattia di diversa modelli in vivo.
Tutte le procedure di gestione degli animali e chirurgica sono state effettuate come approvato sotto la guida per la cura e uso di animali da laboratorio (Consiglio nazionale delle ricerche) e gli orientamenti della Indiana University School di medicina istituzionali cura degli animali e dell'uso Comitato. Illustrazione schematica del setup imaging 2-fotone è illustrato nella Figura 1.
1. preparare l'animale per l'Imaging
2. cronica cranica finestra preparazione
3. due-fotone imaging
4. elaborazione dei dati
Utilizzando la finestra ottica bilaterale, abbiamo ottenuto risultati da 2 esperimenti separati. Il primo esperimento impiegato topi che esprimono EGFP per varicosità dendritiche immagine. Figura 4 1-3 Mostra alcuni esempi di immagini acquisite in diversi momenti dopo l'impianto finestra ottica. Si noti che il numero e la posizione dei rami dentritici e spine sono notevolmente stabili tra le 2 visite (Figura 4, E, z-proiezione).
Il secondo esperimento impiegato Thy1 -GCaMP6s di topi transgenici per misurare il calcio intracellulare transitorio, illustrando così come la fisiologia del calcio può essere misurata all'interno di un singolo neurone in vivo (Figura 6). Questa tecnica può essere utilizzata per registrare e quantificare l'attività spontanea in popolazioni di neuroni piramidali strato V situati a come profondo come > 500 µm di sotto della pia. Risposte medie spontanee nel corso del tempo (calcolato come la media risposte in ogni momento) possono essere calcolate in numerosi studi clinici. La tecnica di 2P ha il vantaggio di rilevare attività simultaneamente in popolazioni neuronali grande o disperse su un periodo esteso con piccola dispersione meccanica al cervello rispetto alle registrazioni multielettrodo.
Per generare una misura media accettabile, 5 – 10 prove sono raccomandate. Il numero di prove sarà dipendono le risposte spontanee o variabilità intrinseca delle risposte ad uno stimolo particolare. Se tutti i passaggi sono seguiti rigorosamente, come descritto in precedenza, un ricercatore addestrato in sia tecnica finestra cranica assottigliato-cranio e in vivo imaging calcio 2 P dovrebbe essere in grado di ottenere registrazioni di 100 – 200 neuroni su entrambi i lati da 1 – 2 animali al giorno.
Dopo l'analisi di picco, una raccolta di risultati quali la posizione reale di picco, l'ampiezza reale, l'area e la larghezza a metà altezza (FWHM) per ogni picco può essere ottenuta.

Figura 1 : Illustrazione schematica dei componenti di una finestra ottica cranica per l'imaging di 2 fotoni (2P). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2 : Disegno schematico Mostra passaggi chiave per la preparazione di una finestra cranica. (A) sotto un microscopio per dissezione, togliere la pelle sopra l'area chirurgica utilizzando un paio di forbici chirurgiche. (B) utilizzare un microdrill ad alta velocità per produrre una scanalatura circolare (diametro 3 mm) sul cranio sopra la zona S1 fino all'osso della falda all'interno della scanalatura si è staccata dall'osso circostante. (C) rimuovere lentamente il lembo osseo per esporre il sottostante dura. (D) montare la finestra ottica con vetrini con 2 diversi diametri. Il coprioggetto superiore ha un diametro maggiore (5 mm) e i vetrini inferiore (di solito 1-3) hanno un diametro più piccolo (3 mm). Lo spessore dei vetrini per essere installato sarà dipendono lo spessore del cranio. (E) posto il coprioggetto sull'apertura circolare del cranio per creare una finestra ottica. La porzione inferiore dei vetrini dovrebbe rientrare nell'apertura cranica. Fondo i vetrini delicatamente dovrebbe contattare la dura madre. (F) sigillo finestra bordi al cranio con colla del cianoacrilato. (G) quando si asciuga il cianoacrilato, applicare cemento dentale nera laterale alla parete di colla. (H) riempire la finestra cranica con ddH2O e utilizzare obiettivi di immersione in acqua per l'imaging. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3 . Creazione di finestre bilaterali sul cranio. (A), A immagine fotografica spettacoli 2 cranica ottici finestre su ogni lato del cranio che ricopre la zona S1. (B) ad alto ingrandimento della regione "in box" dell'immagine (A) mostrare finestre ottici bilaterale esponendo il sottostante dura e vasi sanguigni. Barra della scala = 680 µm. (C) esposte del cranio. (D) creazione di una scanalatura circolare all'interno del quale si vede una falda dell'osso centrale. Barra della scala = 900 µm. (E) dopo la rimozione del lembo osseo, l'apertura cranica è stato riempito con liquido cerebrospinale artificiale (ACSF). Barra della scala = 720 µm. (F) installazione della finestra ottica sopra l'apertura cranica e il bordo della finestra con colla super di tenuta. La dura e vasi sanguigni sono visibili attraverso la finestra ottica. Barra della scala = 600 µm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4 : Calcio e dendritiche imaging. (A1) Identificare le aree di interesse utilizzando vasi sanguigni (BV) come punti di riferimento in Thy1-GCaMP6s topi. (A2) Identificare le stesse celle con etichettate (frecce rosse) nel tempo utilizzando gli stessi punti di riferimento e record. (B) rappresentante Z-proiezione di segnali di calcio nei neuroni (frecce rosse) della corteccia somatosensoriale primaria (S1). Barra della scala = 10 µm. (C1-3) visualizzazione dei dendriti (verde) e un vaso sanguigno (rosso) in B6. CG-Tg (Thy1- YFP) HJrs/J a diverse profondità nel livello II della regione S1 a 1 giorno dopo l'installazione di finestra ottica. (D) Z-proiezione di immagini multiple alla stessa regione a 1 giorno. (E) Z-proiezione di immagini multiple alla stessa regione a 7 giorni dopo l'installazione di finestra ottica. Notare la notevole stabilità del numero e posizione delle spine adulti e rami dentritici tra 1 giorno e 7 giorni dopo l'installazione di finestra ottica. Barra della scala = C-E 5 µm (C-E). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5 : L'analisi del segnale calcio. (A, B) Esempi di filmati importati t-serie con ImageJ per analisi di dati di 2 neuroni (neurone 1 e 2, rispettivamente). Foglio di calcolo (C), A Mostra i dati sull'intensità di illuminazione dalla regione di interesse (ROI; all'interno del neurone e 2 distinte regioni vicine come misure di sottofondo). (D) calcolo del picco: ΔF/F = (F-FB) / FB, FB = (FB1 + FB2) / 2 (lo sfondo di fluorescenza media [FB] e le modifiche di fluorescenza del soma [F] espresso come ΔF/F). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 6 . Immagini rappresentative del calcio. (A-D) Vasi sanguigni (rossi) a diversi tempi in secondi in un mouse a 7 giorni dopo l'installazione di finestra ottica e calcio transienti (verde). Freccia gialla: un neurone relativamente meno attivo. Freccia bianca: un neurone chiodando. (E, F) Z-proiezione di un periodo di registrazione di 3 min per il verde (calcio) canali (E) e rosso (vasi sanguigni) e il solo canale verde (F). (G) selezionati sono contrassegnati i neuroni e le loro aree di sfondo adiacente. Barra della scala = 10 µm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Due-fotone imaging consente la misura simultanea dell'attività di molte cellule ad una risoluzione ragionevole alle fino a circa 800 µm sotto la superficie del cervello. Abbiamo integrato 2P e una tecnica di doppia finestra ottica con codificato geneticamente GCaMP6s per osservare la dinamica del calcio nelle popolazioni di somata neuronali strato V trova > 500 µm di sotto della pia. Con la finestra ottica aperta su ogni lato del cranio, il metodo consente registrazioni di attività neurale tra le regioni del cervello dei mammiferi simmetrica per prolungata e stabile del calcio imaging in vivo. Le prestazioni di chirurgia mini-invasiva per creare finestre ottiche dual cranio aperto e imaging 2P dell'attività neuronale in simmetriche S1 regioni sono aspetti fondamentali di questo metodo.
Esaminando l'attività di rete in regioni bilaterali S1 è che un esempio di come dual windows cranica potrebbe essere usato per sondare elaborazione nel cervello adulto in vivodell'informazione locale e simmetriche. Questo metodo può essere utilizzato anche per studiare l'attività neuronale (ad es. utilizzando Thy1 -GCaMP6s topi) e la plasticità corticale B6. CG-Tg (Thy1- YFP) HJrs/J da tessuto intatto delle corrispondenti regioni simmetriche in recupero dopo deafferentazione a causa di un infortunio di CNS unilaterale. Il metodo è utilizzabile anche per esaminare l'attività corticale in risposta alle strategie di stimolo periferico come optogenetica, stimolazioni elettriche o chimiche. Anche se abbiamo solo dimostrare la tecnica in zona S1, questo approccio potrebbe essere impiegato per indagare sulle attività in altre zone simmetriche del cervello vivente come i neuroni di strato V della corteccia motoria primaria (M1). Osservazioni sulla riorganizzazione delle regioni del cervello possono fornire un substrato neurale per comportamento adattivo di un motore, che svolge un ruolo critico nella postinjury recupero della funzione. Permette anche di misurazione cronica dell'attività simmetrica delle cellule geneticamente identificate durante il comportamento nei topi di testa-fisso.
Tecnicamente, gli investigatori devono prestare particolare attenzione alla qualità e alla consistenza di dual windows cranica. Assottigliato-cranio cranio finestra tecnica 12 è altamente consigliato per i principianti alla pratica. Le spine sono compartimenti di calcio a causa della loro morfologia e meccanismi locali di afflusso ed estrusione. In questo studio, abbiamo usato B6. Topi di HJrs/J CG-Tg (Thy1- YFP) come un esempio per dimostrare spine dendritiche dynamics in vivo (Figura 4). Un'installazione di finestra aperta-teschio di vetro può causare spina dorsale alto fatturato e risposte gliali reattive dopo chirurgia 12. Al contrario, con la tecnica del cranio assottigliato finestra spine e dendriti possono essere ben conservati.
Scelte di dimensioni e spessori di finestre ottiche sarà dipendono il campo di vista desiderata, la curvatura del teschio, cranio spessore e il tipo di formazione immagine 13. Insufficiente pressione dei vetrini ottico su dura può causare ispessimento del dura, ricrescita del cranio e aumentato il movimento del cervello. Al contrario, una pressione eccessiva dei vetrini ottico può ostacolare il flusso sanguigno corticale.
Per il montaggio di finestra ottica, colla e curare ulteriori strati di vetrini uno alla volta con adesivo ottico e luce UV di lunghezza d'onda. Per contribuire a rafforzare il legame adesivo, calda finestra fabbricata (50 ° C per 12 h) in un'incubatrice. Conservare il coprioggetto finestra ottica in etanolo al 70% (vol/vol) e, prima della chirurgia, sciacquarlo con soluzione salina sterile. La finestra ottica deve essere esaminato per imperfezioni (ad esempio, un importo non corretto di allineamento ottico di adesivo o imprecisa) sotto uno stereoscopio prima dell'uso per evitare il fallimento. Se l'adesivo ottico è troppo sottile, gli spazi d'aria può essere piegati, che può causare aberrazioni ottiche o distacco di vetro di copertura presso l'impianto. Al contrario, troppo adesivo ottico può causare overflow oltre i bordi della finestra cranica.
In breve, qui descriviamo una procedura sperimentale per la misurazione dinamica del calcio o morfologia dentritica attraverso windows cranica dalle regioni corticali somatosensoriali primarie simmetriche 2 in Thy1-GCaMP6s e Thy1topi transgenici - YFP, rispettivamente, usando la microscopia 2P. Questa tecnica può facilitare notevolmente il complesso rapporto strutturale e funzionale delle reti neurali di dissezione.
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Siamo molto grati a Wenbiao Gan (Skirball Institute, dipartimento di fisiologia e neuroscienze, New York University School of Medicine, USA) per indicazioni tecniche eccellenti e Patti Raley, Medical Editor (dipartimento di neurochirurgia, Indiana University School of Medicine), per il manoscritto di editing. Ringraziamo il Dr. Jinhui Chen (Istituto di ricerca neuroscienze Stark, Indiana University School of Medicine, USA) per la fornitura di B6. Topi di HJrs/J CG-Tg (Thy1- YFP). Questo lavoro è stato supportato in parte dalla Fondazione del direttore dell'ospedale generale di Jinan regione militare di Chines PLA 2016ZD03 (XJL) e NIH NS059622, NS073636, DOD CDMRP W81XWH-12-1-0562, merito recensione premio I01 BX002356 dal dipartimento dei veterani degli Stati Uniti Affari, Craig H Neilsen Foundation 296749, Indiana del midollo spinale e cervello lesioni Research Foundation, Mari Hulman George fondi di dotazione (XMX).
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| C57BL/6J-Tg(Thy1-GCaMP6s)GP4.3Dkim/J | Jackson | 24275 | Può essere qualsiasi ceppo prodotto dall'indicatore neuronale geneticamente codificato e dall'effettore che esprime l'indicatore di calcio fluorescente verde, GCaMP, in sottogruppi di neuroni eccitatori nella corteccia. |
| B6. Cg-Tg(Thy1-EGFP)OJrs/GfngJ. | Jackson | 7919 | Può essere qualsiasi ceppo che esprime EGFP in sottogruppi di neuroni all'interno di specifiche popolazioni nella corteccia, fornendo una colorazione luminosa e vitale simile a quella del Golgi. |
| Dumont n. 5 pinze, standard, Dumoxel | Fine Science Tools | 11251-30 | Può essere di qualsiasi marca di scelta. |
| Dumont n. 5SF pinze | Fine Science Tools | 11252-00 | Può essere di qualsiasi marca di scelta. |
| Micro Sterilizzatore di perline | Southern Labware | B1201 | Può essere di qualsiasi marca di scelta. |
| Harishige' s SG-4N Adattatore per il supporto della testa | Tritech Research | SG-4N | Può essere di qualsiasi marca a scelta. |
| Kit completo Ideal Micro-Drill | Harvard Apparatus | 72-6065 | Può essere di qualsiasi marca a scelta. |
| Frese per Micro Drill | Fine Science Tools | 19007-05 | Può essere di qualsiasi marca di scelta. |
| Vetro di copertura rotondo, 3 mm | Harvard Biosciences | W4 64-0720 | Può essere di qualsiasi marca a scelta. |
| Vetro di copertura rotondo, 5 mm | Harvard Biosciences | W4 64-0700 | Può essere di qualsiasi marca a scelta. |
| Norland adesivo ottico | Norland Products | 7106 | Può essere qualsiasi marca di scelta. |
| Loctite super colla liquida | WB Mason | LOC1647358 | Può essere qualsiasi marca di scelta. |
| Kit di cemento antiscivolo, polvere e solvente | Dentsply | 675570 | Può essere di qualsiasi marca a scelta. Mescola 5 parti di polvere di cemento dentale bianco (Grip Cement) con una parte di vernice in polvere di tempera nera (per proteggere dalla luce; alcuni utenti preferiscono un rapporto 10:1). |
| Schiuma gel | Moore Medical | 2928 | Può essere qualsiasi marca di scelta. |
| Forbici per micro dissezione | Roboz | RS-5841 | Può essere di qualsiasi marca a scelta. |
| Liquido cerebrospinale artificiale (ASF) | - | L'ACSF contiene 125 mM di NaCl, 4,5 mM di KCl, 26 mM di NaHCO3, 1,25 mM di NaH2PO4, 2 mM di CaCl2, 1 mM di MgCl2 e 20 mM di glucosio. Bollare l'ACSF con ossigeno (95% di ossigeno, 5% di anidride carbonica) e regolare il pH a 7,4. Preparare una soluzione ACSF fresca prima di ogni esperimento. |
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