La preparazione sopra descritta consente l'osservazione di tutto il cervello al microscopio per l'imaging 3D su larga scala come i classici 2 fotoni o la microscopia confocale, ma anche tecniche più veloci come la schedaluminosa 31 e altre tecniche di microscopia ad illuminazione strutturata (riviste in32),o microscopia a campoluminoso 28.
L'accesso a tutto il cervello osservando il comportamento e mantenendo gli organi sensoriali funzionali consente di rispondere a diverse domande.
In primo luogo, qual è l'attività cerebrale complessiva quando la mosca è a riposo, durante il comportamento e quando risponde agli stimoli? Ad esempio, includiamo i dati ottenuti con un microscopio a campo luminoso che mostra l'attivazione cerebrale durante le risposte agli stimoli e al comportamento. Ad esempio, in Video 2, una sonda di calcio è stata espressa in tutti i neuroni (nsyb-GAL4 e UAS-syt-GCaMP6s (a sinistra) o UAS-GCaMP6M (a destra)) ed è stato presentato uno sbuffo di odore. Si noti come la preparazione consente di ottenere una panoramica dell'attività cerebrale durante la risposta allo stimolo. I potenti strumenti genetici in Drosophila possono essere usati per limitare l'espressione di questi sensori a specifici sottotipi neuronali. In Video 3, abbiamo limitato l'espressione di un sensore di calcio ai neuroni dopaminergici e serotoninergici (TH-GAL4, DDC-GAL4 e UAS-GCaMP6M). Si noti la forte attività sincrona sul cervello strettamente correlata con la mosca che cammina, consentita osservando l'intero cervello durante il comportamento. Oltre all'attività del calcio, è possibile visualizzare altri segnali fisici o chimici (utilizzando ad esempio sensoriper tensione 28,33,prodotti delmetabolismo 34,35 o neuromodulatori specifici36).
Per comprendere il ruolo dell'attività cerebrale in modo più specifico, possiamo chiederci quali regioni sono coinvolte in quale comportamento, risposta a stimoli o modelli spontanei di attività. I dati possono infatti essere utilizzati come schermo imparziale per estrarre regioni funzionali utilizzando tecniche come l'analisi dei componenti principali e l'analisi indipendente dei componenti. La figura 9A mostra diverse regioni funzionali in colori diversi. La forma e la localizzazione delle regioni funzionali consentono di mapparle a modelli anatomici per identificare le regioni cerebrali e in alcuni casi il tipo di neurone. Inoltre, una volta allineati al modello anatomico, i valori di fluorescenza possono essere medi nelle regioni anatomiche del cervello per l'analisi quantitativa (vedi figura 9B). Ad esempio, un modello gaussiano gerarchico applicato ai dati nella figura 9B mostra che le regioni sono più attive durante la camminata (con una mediana ΔF/F di 0,029, 95% intervallo credibile=[0,017 0,041]) ma non durante lo sposo (mediana ΔF/F = -0,0049 con intervallo credibile al 95%=[-0,016 0,0059]).
Aggiungendo alla profondità di comprensione, le registrazioni simultanee delle diverse regioni funzionali consentite dalla preparazione possono essere utilizzate per studiare le proprietà dinamiche della rete funzionale. Questo è importante perché le regioni cerebrali in tutti i cervelli studiati finora sono altamente interconnesse in modo ricorrente e sempre più studi dimostrano che anche le aree sensoriali rispondono allo stato comportamentale dell'animale. Diversi aspetti possono essere esaminati come le proprietà del grafico funzionale (ad esempio, i moduli) e i modelli spazio-temporali che possono essere adatti ai sistemi dinamici (vedi8 per esempi).

Figura 1: Preparazione del conduttore (fase 1). A) Design del supporto (vista dall'alto). B)Preparazione delle fessure del collo. superiore: design del nastro, in basso: lame parallele utilizzate per tagliare la fessura del collo. C) Vista del conduttore dal basso. D) Vista inferiore che indica dove aggiungere il nastro dello slot per il collo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Ulteriori preparativi (fase 1). A) Aggiungere grasso nella fessura del collo per evitare che la colla copra la parte posteriore della testa e per evitare perdite saline. Barre di scala, 1 mm B) Superiore: forma del pezzo di nastro che verrà utilizzato per spingere il corpo verso il basso. In basso: assicurarsi che il nastro si adatti al supporto. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Posizionamento di un nastro a forma di V per aiutare la centramento. (A)Vista in basso. (B)Vista dall'alto. Barra di scala, 2 mm.

Figura 4: Posizionare la mosca (passaggio 2). A sinistra, utilizzare due forcep opache per posizionare il corpo in modo che il collo si trova nella fessura del collo. Al centro, allinea la testa. Gli occhi giacciono su entrambi i lati sui bordi della fessura. La testa della mosca è dritta. Bene, infila la mosca con un fazzoletto coperto di ghiaccio per impedirle di muoversi. Barra di scala, 1 mm.

Figura 5: Fissare la testa (passaggio 3). A) Angolo ideale della testa. B)Aggiungere colla UV intorno alla testa, evitando aree sensoriali di interesse. Barra di scala, 1 mm.

Figura 6: La punta della proboscide e le antenne possono essere tenute libere dalla colla (fase 3). Il cerchio bianco indica l'area in cui è stata applicata la colla UV. La freccia mostra quali parti sono lasciate libere dalla colla per esperimenti olfattivi e gustativi. Si noti il nastro opzionale che impedisce alle gambe di toccare l'area della colla. Barra di scala, 200 μm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 7: Posizionare il nastro posteriore (passaggio 4.2). Il nastro creato nel passaggio 1 (vedere figura 2, a sinistra) viene utilizzato per posizionare il corpo e coprire il grande foro nel supporto. Barra di scala, 1 mm.

Figura 8: Fasi di dissezione (passaggio 6). A-B) Tagliare su ciascun lato alla base del triangolo scuro (croci) e rimuovere questa parte della cuticola C). D)ed E) rimuovere il muscolo 16. Quindi rimuovere delicatamente il resto della cuticola F), i sacchi d'aria G) e i muscoli. H)Testa sezionata. Barra di scala, 200 μm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 9: Risultati rappresentativi. A) Regioni funzionali (estratte utilizzando PCA e ICA come in28) per una mosca che esprime GCaMP6 immagine pan-neuronale con un microscopio a campo luminoso (25x, NA=0,95 con un array di micro lenti f/12 corrispondente). Barra di scala, 100 μm. B) Attività media del calcio in grandi regioni cerebrali durante le risposte a stimoli e comportamenti (riprodottida 28). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Video 1: Muscoli 16 movimenti (fase 6.3). La GFP è stata espressa nei muscoli. Si noti il movimento di pompaggio che proviene dal foro appena sopra la trachea. Clicca qui per scaricare questo video.
Video 2: Attività del calcio pan-neuronale durante la risposta all'odore per due diversi preparati. L'aceto balsamico era soffiato al volo. L'attività del calcio pan-neuronale (driver nsyb-GAL4, UAS-syt-GCaMP6s a sinistra e UAS-GCaMP6M a destra) è stata imageizzata con un microscopio a campo luminoso (25x, NA=0,95 con un array di microlenti f/12 corrispondente). Le immagini del campo luminoso sono state poi ricostruite come descritto nell'arbitro28,37. Clicca qui per scaricare questo video.
Video 3: Attività del calcio in un sottoinsieme di tipo neuronale durante il comportamento. GCaMP6 è stato espresso in neuroni dopaminergici e serotoninergici (con TH-GAL4 e DDC-GAL4). In combinazione con gli strumenti genetici della mosca, la preparazione consente di osservare un forte aumento dell'attività in molte regioni durante la passeggiata. Clicca qui per scaricare questo video.
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