Un protocollo per costruire un illuminatore penetrante di tessuto per fornire luce attraverso grandi volumi con diametro minimo è presentato.
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Articolo metodologico
Un protocollo per costruire un illuminatore penetrante di tessuto per fornire luce attraverso grandi volumi con diametro minimo è presentato.
Questo protocollo descrive un illuminatore di grande volume, che è stato sviluppato per le manipolazioni di optogenetica nel cervello primate non umano. L'illuminatore è una fibra ottica di plastica modificata con punta acidato, tale che la superficie di uscita della luce è > 100 volte quella di una fibra convenzionale. Oltre a descrivere la costruzione dell'illuminatore a grandi volumi, questo protocollo dettaglia la taratura del controllo di qualità utilizzata per garantire la distribuzione uniforme della luce. Inoltre, questo protocollo descrive le tecniche per inserimento e rimozione dell'illuminatore di grande volume. Strutture superficiali e profonde possono essere illuminate. Questo illuminatore di grande volume non ha bisogno di essere fisicamente accoppiato ad un elettrodo, e perché l'illuminatore è fatta di plastica, non di vetro, esso semplicemente si piegherà a circostanze quando fibre ottiche tradizionali avrebbe distrutto. Perché questo illuminatore trasporta la luce sopra volumi rilevanti relativamente al comportamento del tessuto (≈ 10 mm3) con nessun danno una maggiore penetrazione di una fibra ottica convenzionale, esso facilita studi comportamentali utilizzando optogenetica in primati non umani.
Strumenti di optogenetica, che consentono un controllo preciso al millisecondo, luce-driven neuronale sono ampiamente utilizzati per lo studio funzionale fisiologia e comportamento nei roditori e invertebrati. Tuttavia, le sfide tecniche hanno limitato l'uso di optogenetica nel cervello primate non umano, che ha un volume ~ 100 volte più grandi del cervello del roditore 1.
Per facilitare gli studi optogenetica in primati non umani, un illuminatore è stato progettato per affrontare due obiettivi contrastanti: illuminazione di grande volume e penetrazione minima danni. Precedenti tentativi di affrontare uno di questi problemi sono venuti presso il costoso di altro. Fasci di fibre per illuminare grandi volumi, ma con diametro maggiorato e, quindi, danno2,3. Fibre di vetro conico riducono danni di penetrazione, ma stretto fuoco luce alla luce che emettono superfici < 100 µm2 4,5. Illuminazione esterna del cervello attraverso una finestra nella dura elude la sfida di danni di penetrazione e può consentire per l'illuminazione di grande volume, ma può essere utilizzato solo per qualche superficiale cervello zone6.
Per creare un illuminatore di grandi volumi, di piccolo diametro (Figura 1a), la punta di plastica ottico della fibra è calore affusolato e il nucleo e il rivestimento sono incisi (Figura 1bc). A differenza di altre fibre conici che focalizzare la luce in un punto stretto, l'acquaforte permette alla luce di sfuggire uniformemente fuori i lati della punta, così, distribuendo in linea di massima luce su una vasta area (Figura 1 de). Perché danno di penetrazione è proporzionale al diametro di penetrazione, questo illuminatore non ha nessun più danni di penetrazione di una fibra convenzionale, eppure ha > 100 x la luce che emettono luce superficie area e trasporta più largamente con 1/100th il potere della luce densità in un cervello fantasma (1,75% agarosio) (Figura 1e). Un modello Montecarlo (Figura 1f) viene illustrata la differenza nella diffusione della luce tra una fibra convenzionale e l'illuminatore di grande volume hanno densità uguale potenza luce come loro superfici di uscita della luce. Ogni illuminatore è calibrato individualmente utilizzando una sfera integratrice (Figura 2a, b) per garantire una distribuzione uniforme della luce lungo la punta (Figura 2C).
Questo illuminatore di grande volume è stato convalidato con optogenetica manipolazione di comportamento e di firing neuronale in primati non umani. Lunghezza della punta della fibra può essere personalizzata a qualsiasi area del cervello e alla mappa del campo recettivo individuali di ogni animale. L'illuminatore può essere accoppiato con un elettrodo penetrante per le registrazioni di un neurone che si estendono la durata di illuminazione. Inoltre, poiché la fibra può trasportare qualsiasi colore della luce visibile, può essere accoppiato con qualsiasi delle molecole optogenetica disponibile disponibile.
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Nota: tutte le procedure di animali erano in conformità con le linee guida NIH e sono state approvate dal Massachusetts Institute di tecnologia Comitato sulla cura degli animali.
1. Illuminatore fabbricazione
2. Illuminatore di calibrazione e controllo di qualità
Nota: questi metodi per la taratura valutare per emissione di luce non-linearità a distanze diverse dalla punta della fibra. Distribuzione irregolare della luce provoca tipicamente da un “ accidentata ” o “ ondulato ” cono.
3. illuminazione in Vivo
Nota: qui, questi metodi vengono visualizzati utilizzando un modello di plastica piuttosto che un primate non umano.
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L'illuminazione di volumi di grandi dimensioni del cervello in primati non umani consente per la manipolazione di optogenetica comportamentale pertinenti. Acker et al. (2016) utilizzato questo illuminatore di grande volume con il Halorhodopsin rosso-spostato, Jaws 7 per studiare il contributo temporale del campo frontale dell'occhio (FEF) da saccadi memoria-Guida in due scimmie rhesus. In particolare, FEF neuroni sono stati iniettati con un vettore virale contenente Jaws e poi illuminati ...
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Mentre optogenetica strumenti sono ampiamente utilizzati per studiare la malattia e della fisiologia nei roditori, la sfida tecnica di volumi di grandi dimensioni del cervello illuminante ha limitato l'uso di optogenetica in primati non umani. Studi nelle scimmie pionieristici utilizzato densità di grande potenza della luce (~ 100 mW/mm2 a 20 W/mm2) per illuminare piccoli volumi, forse < 1 mm3e segnalati effetti comportamentali modesti con opsine eccitatorie in corteccia
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LCA riconosce finanziamenti da una compagnia NDSEG, il GRFP NSF e gli amici dell'Istituto McGovern. EP riconosce finanziamenti l'Harry ed Eunice Nohara UROP Fund, la classe del MIT del 1995 UROP fondo e sul fondo di UROP MIT. ESB riconosce finanziamenti dal NIH 2R44NS070453-03A1, il premio di Harvey di IET e il Premio Fondazione-Robertson della cellula formativa di New York. RD riconosce finanziamenti dal NIH EY017292. Michael Williams ha aiutato il team a organizzare e raccogliere le forniture prima delle riprese.
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| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Fibra ottica in plastica | Fibra ottica industriale | SK-10 | 250 micron di diametro, linea Super Eska |
| Spelafili | Klein Tools | 11047 | 22 calibro |
| Morsetto morsa | Wilton | 11104 | Morsetto per morsa generico per montaggio su tavolo |
| Pistola termica a doppia temperatura | Milwaukee | 8975-6 | 570 / 1.000 ° F |
| Marcatore da laboratorio | VWR | 52877 | |
| Microscopio da dissezione | VistaVision | 82027-156 | Stereomicroscopio con doppia luce a incandescenza, ingrandimento 2X/4X, disponibile da VWR |
| Nastro da laboratorio | VWR | 89097-972 | Confezione da 4 di colore viola; tuttavia, il colore del nastro non ha importanza |
| Foglio di lappatura in carburo di silicio | ThorLabs | LF5P | grana 5 micron, confezione da 10 |
| Foglio di lappatura in ossido di alluminio | ThorLabs | LF3P | grana 3 micron, confezione da 10 |
| Foglio di lappatura in ossido di alluminio | ThorLabs | LF1P | grana 1 micron, confezione da 10 |
| Foglio di lappatura in allumina calcinata | ThorLabs | LF03P | grana 0,3 micron, confezione da 10 |
| Coltello a caldo | Fibra ottica industriale | IF370012 | 60 Watt, portata |
| di ispezione | delle fibre per impieghi gravosiThorLabs | FS201 | |
| ghiera opzionale in acciaio inossidabile | Fibra ottica di precisione | MM-FER2003SS-265 | 265 micron |
| diametro interno 1 mL siringa | BD | 14-823-30 | La punta Luer-lok è preferibile per ridurre il rischio di perdite, ma non è strettamente necessaria |
| Fibra ottica industriale | epossidica | 40 0005 | |
| ago smussato calibro 18 BD | 305180 | Salvietta senza lanugine da 1,5 pollici | |
| di lunghezza (KimWipe) | ThorLabs | KW32 | disponibile da molti fornitori |
| Foglio assorbente della luce | ThorLabs | BKF12 | |
| Nastro isolante | 3M | Temflex 1700 | Opzionale, può sostituire altre marche / modelli |
| Ago affilato calibro 26 | BD | 305111 | 0,5 pollici di lunghezza |
| Micromanipolatore | Siskiyou | 70750000E | può sostituire altre marche/modelli |
| Steretactic arm | Kopf | 1460 | può sostituire altre marche/modelli |
| Occhiali di sicurezza laser | KenTeK | KCM-6012 | devono essere selezionati in base al colore del laser utilizzato, esempio fornito qui |
| Laser o altra sorgente luminosa | vortran | Stradus 473-50 | esempio di laser blu |
| Sfera di integrazione | ThorLabs | S142C | Misuratore di potenza collegato, disponibile anche da ThorLabs, articolo #PM100D |
| camera di registrazione Ultem | Crist instrument company | 6-ICO-J0 | Personalizzato con tacca di allineamento |
| Microdrive a torre con morsetti | NAN | DRTBL-CMS | |
| Tubo guida | personalizzato | N/A | Realizzato con ago spinale (BD) calibro 25 o tubo smussato |
| Sistema di driver NAN | NAN | NANDrive | |
| Design della griglia personalizzato | personalizzati | personalizzati disponibili su richiesta | |
| Pinze smussate | FischerScientific | 08-875-8A | pinze smussate generiche in acciaio inossidabile |
| Calibri digitali | Neiko | 01407A | Disponibile su amazon.com. È possibile selezionare un calibro a risoluzione più fine per misurazioni più precise. |
| Cavo patch | ThorLabs | FG200LCC-custom | Questo è un esempio dei tanti possibili cavi patch. Finché il diametro della fibra è inferiore o uguale al diametro della fibra dell'illuminatore di grande volume e finché i connettori si interfacciano, qualsiasi cavo patch (vetro o plastica, acquistato dal fornitore o prodotto in laboratorio) va bene per questa applicazione. |
| Cappucci antipolvere in plastica trasparente | ThorLabs | CAPF | Confezione da 25 |
| manicotti di accoppiamento divisi in ceramica | Precision Fiber Products, Inc. | SM-CS1140S |
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