Name: Optogenetica trascinamenti di teta Hippocampal oscillazioni nel comportarsi topi (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-06-29T13:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 33 s
Description: Impara l'optogenetica per manipolare le oscillazioni teta ippocampali nei topi comportamentali. Questa tecnica consente il controllo in tempo reale delle frequenze neurali per studiare la navigazione spaziale.

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Vorremmo ringraziare Maria Gorbati per aiuto di esperti con l'analisi dei dati e Jennifer Kupferman per commenti sul manoscritto. Questo lavoro è stato supportato dalla Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG; EXC 257 NeuroCure, TK e AP; Programma prioritario 1665, 1799/1-1(2), programma di Heisenberg, 1799/2-1, AP), la Fondazione di tedesco-israeliano per la ricerca scientifica e lo sviluppo (GIF; Io-1326-421.13/2015, TK) e Human Frontier Science Program (HFSP; RGY0076/2012, TK).

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Qui abbiamo presentato una metodologia ampiamente accessibile per salire sul treno e suscitare le oscillazioni di teta hippocampal nel comportamento degli animali. Questo approccio può essere utile per gli studi di funzioni di teta ritmo nell'elaborazione delle informazioni e nel comportamento. Aspetti critici di questo metodo includono: (1) scelta dell'opsina e targeting di ChR2 di assoni di MS cellule nell'ippocampo, caratteristiche ottiche ed elettriche (2) robuste degli assembly di matrice impiantati cavi fibra ottic...

Attività neuronale nei mammiferi è coordinato dalle oscillazioni di rete, che assistono il trasferimento di informazioni all'interno e tra le regioni del cervello1,2,3,4. Ritmi del cervello sono oscillazioni che vanno da molto lento (< 0,8 Hz) fino a frequenze di ultraveloce (> 200 Hz). Un grande corpo di prova sostiene il coinvolgimento delle oscillazioni di rete nelle funzioni cerebrali diverse, tra cui cognizione5,6,7,8,9,10 , comportamenti innati11,12 , come pure i disordini neuropsichiatrici quali morbo di Parkinson e l'epilessia13,14,15. Metodi selettivi e temporalmente precisi per manipolazione sperimentale delle oscillazioni di rete sono quindi essenziali per lo sviluppo di modelli fisiologicamente plausibile di sincronizzazione e per stabilire relazioni causali con comportamento.
Sincronizzazione di rete è mediata da diversi substrati biologici e processi, che vanno dalla identità molecolare dei canali ionici e loro cinetica di neuromodulazione dell'eccitabilità e della connettività di rete. Il disegno biologico del ritmo generatori16 è stato rivelato per molti ritmi del cervello, aspetti distinti di cui (ad esempio, frequenza, ampiezza) sono spesso causata da dinamiche di tipi cellulari e reti. Per esempio, interneuroni inibitori targeting il somata delle cellule principali sono i giocatori più importanti attraverso bande di frequenza e cervello regioni17,18, tra cui theta19,20, gamma20 , 21e ripple (140-200 Hz)22 oscillazioni. A sua volta, sincronizzazione di fase delle cellule distanti è assicurata dalla robusta feed-forward segnalazione delle cellule piramidali, che reimposta l'infornamento di interneuroni. Un parametro cruciale delle oscillazioni, la dimensione della popolazione neuronale sincronizzata, è strettamente correlato alla ampiezza di oscillazione di LFP misurato e, almeno per veloce oscillazioni, dipende l'unità eccitatorio sulla interneuroni2. Al contrario, oscillazioni più lente, come delta e theta ritmi, vengono generate dai cicli rientrante a lungo raggio, formate da cortico-thalamic23,24 e proiezioni settale mediale hippocampal25, 26,27, rispettivamente. Oscillazioni in tali circuiti sono provocate da interazioni di ritardi di propagazione del segnale, eccitabile risposte e la loro preferenza di frequenza in cellule partecipanti28,29,30, 31 , 32. inibitorie proiezioni da parvalbumina GABAergici (PV)-positive sono cellule del setto mediale (MS) a interneuroni in ippocampo25,33, parahippocampal regioni e corteccia di entorhinal26 essenziale per la generazione delle oscillazioni di teta nel lobo temporale mediale. Così, i meccanismi fisiologici delle oscillazioni di rete e sincronizzazione neuronale possono essere manipolate usando optogenetica con una precisione in tempo reale.
Cella tipo-specific optogenetica manipolazioni sono state applicate per lo studio delle oscillazioni ippocampali e corticali in vitro34,35,36,37,38 e in vivo30,39,40,41,42,43,44,45, tra cui funzionale le indagini di gamma5,12,36,46,47,48,49,50, 51,52 e ripple oscillazioni40,53,54 e sonno mandrini55,56. Recentemente abbiamo espresso un virus ChR2 Cre-dipendente negli Stati membri, una regione chiave per la generazione del ritmo Teta hippocampal, di PV-Cre topi. Utilizzando questa preparazione, caratteristiche delle oscillazioni Teta hippocampal (frequenza e stabilità temporale) sono stati controllati da optogenetica stimolo inibitorio proiezioni del MS in ippocampo11. Inoltre, lo stimolo optogenetica Teta-frequenza delle proiezioni setto-ippocampale inibitorie evocato ritmo theta durante sveglio immobilità. Il optogenetically trascinato ritmo theta visualizzato proprietà delle oscillazioni spontanee theta nel topo a livello di attività neuronale e LFP.
Caratteristiche principali di questo protocollo includono: (1) utilizzo di una via inibitoria che è fisiologicamente fondamentale per le oscillazioni spontanee Teta, evitando effetti aspecifici sull'eccitabilità hippocampal; (2) assonale, cioè, la stimolazione di proiezione specifiche per ridurre al minimo un'influenza diretta sulla non-ippocampale MS efferenze; (3) locale theta-ritmica stimolazione luminosa, assicurando una minima interferenza diretta con dinamiche septo-hippocampal theta-ritmica e un trascinamento globale bilaterale delle oscillazioni theta; (4) parametrici Teta oscillazioni frequenza e regolarità; e (5) quantificazione della fedeltà di trascinamento con elevata risoluzione temporale utilizzando LFP per consentire un'analisi quantitativa di causalità a comportarsi gli animali. Poiché questa preparazione essenzialmente capitalizza un ruolo ben noto della disinibizione setto-ippocampale in theta generazione25,30, permette la regolazione robusto sopra diversi parametri delle oscillazioni di teta in topi si comporta. Gli studi dove altri meno studiati percorsi e tipi di cellule della circuiteria septo-hippocampal sono stati manipolati38,39,47,49,50,51 , 52 , 53 , 54 , 55 , 56 , 57 , 58 rivelare ulteriori meccanismi del ritmo theta.

<table><tbody><tr><td>Topi PV-Cre,</td><td>The Jackson Laboratory</td><td>, B6; 129P2-Pvalbtm1(cre)Arbr/J</td><td></td></tr><tr><td>Name</td><td>Company</td><td>Catalog Number</td><td>Comments</strong</td></tr><tr><td>>Surgery</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Stereotaxis</td><td>David Kopf Instruments, Tujunga, CA, USA</td><td>Modello 963</td><td>Strumento stereotassico ultra preciso per piccoli animali</td></tr><tr><td>Punte da trapano, 0,8 mm</td><td>Bijoutil, Allschwil, Svizzera</td><td>49080HM</td><td></td></tr><tr><td>Siringa da 0,01-1 ml</td><td>Braun, Melsungen, Germania</td><td>9161406V</td><td></td></tr><tr><td>Cannule Sterican</td><td>Braun</td><td>26 G, 0,45x25 mm BL/LB</td><td></td></tr><tr><td>Forbici fini e affilate</td><td>Fine Science Tools Inc., Vancouver, Canada</td><td>14060-09</td><td></td></tr><tr><td>Forceps</td><td>Fine Science Tools Inc.</td><td>11210-10</td><td>Dumont AA -</td></tr><tr><td>Forbici smussate in acciaio inox</td> con rivestimento epossidico <td>Fine Science Tools Inc.</td><td>14018-14</td><td></td></tr><tr><td>Stazione di saldatura</td><td>Weller Tools GmbH, Besigheim, Germania</td><td>WSD 81</td><td></td></tr><tr><td>Eritromicina</td><td>Rotexmedica GmbH, Trittau, Germania</td><td>PZN: 10823932</td><td>1 g di polvere per soluzione per infusione</td></tr><tr><td><forte>Nome</forte></td><td><forte>Azienda</forte></td><td><forte>Numero di catalogo</forte></td><td><forte>Commenti</forte></td></tr><tr><td>Pompa Optogenetics</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Hamilton</td><td>PHD Ultra, Harvard Apparatus, Holliston, MA, USA</td><td>modello 703008</td><td>PHD Ultra Pompa a siringa con meccanismo push/pull</td></tr><tr><td>Hamilton 5 &; L Siringa, calibro 26</td><td>PHD Ultra, Harvard Apparatus</td><td>Model 75 RN SYR</td><td></td></tr><tr><td>Hamilton 5 & micro; L Stantuffo</td><td>PHD Ultra, Harvard Apparatus</td><td>Modello 75 RN SYR</td><td></td></tr><tr><td>Tubing</td><td>Fisher Scientific, Pittsburgh, USA</td><td>PE 20</td><td>Diametro interno 0,38 mm (.015"), Diametro esterno 1,09 mm (.043")</td></tr><tr><td>Cannule Sterican</td><td>Braun, Melsungen, Germania</td><td>27 G, 25x0,40 mm, smussato</td><td></td></tr><tr><td>Trapani/smerigliatrice di precisione</td><td>Proxxon, Wecker, Luxemburg</td><td>fbs 240/e</td><td></td></tr><tr><td>Taglio dischi</td><td>Proxxon</td><td>NO 28812</td><td></td></tr><tr><td>Cre dipendente canalerodopsina</td><td>Penn Vector Core, Philadelphia, PA, USA</td><td>AV-1-18917P</td><td>Nome del costrutto: AAV2/1.CAGGS.flex.ChR2.tdTomato, titolo: 1.42x1013 vg/ml</td></tr><tr><td>Cam chinasi dipendente halorhodopsin</td><td>Penn Vector Core</td><td>AV-1-26971P</td><td>Nome costrutto: eNpHR3.0, AAV2/1.CamKIIa.eNpHR3.0-EYFP.WPRE.hGH, titolo: 2.08_1012 vg/ml</td></tr><tr><td>Fibra ottica multimodale</td><td>ThorLabs, Dachau, Germania</td><td>FG105LCA</td><td>0,22 NA, Low-OH, &Oslash; 105 & micro; m Core, 400 - 2400 nm</td></tr><tr><td>Ghiera in ceramica</td> Precision <td>Fiber Products, Milpitas, CA, USA</td><td>CFLC126</td><td>Ceramica LC MM Ghiera, ID 126um</td></tr><tr><td>Carta per lucidatura</td><td>Thorlabs</td><td>LF3D</td><td>6 "x 6" Diamante Lappatura (lucidatura) Misuratore di</td></tr><tr><td>potenza</td><td>Thorlabs</td><td>PM100D</td><td>Compact Power and Energy Meter Console, Digital 4" LCD</td></tr><tr><td>Multimode accoppiatore in fibra ottica</td><td>Thorlabs</td><td>FCMM50-50A-FC</td><td>Accoppiatore 1x2 mm, rapporto di divisione 50:50, 50&; m GI Fibers, FC/PC</td></tr><tr><td>Cavo patch in fibra ottica</td><td>Thorlabs</td><td>FG105LCA CUSTOM-MUC</td><td>su misura, lungo 3 m, con tubo protettivo, Tubo: FT030, Connettore 1: FC/PC, Connettore 2: 1,25 mm (LC) Manicotto per ghiera in ceramica</td></tr><tr><td></td><td>Prodotti in fibra di precisione, Milpitas, CA, USA</td><td>ADAL1</td><td>Manicotto di accoppiamento diviso in ceramica per &Oslash; Ghiere da 1,25 mm (LC/PC)</td></tr><tr><td>Laser DPSS da 473 nm</td><td>Laserglow Technologies, Toronto, ON, Canada</td><td>R471005FX</td><td>Serie LRS-0473</td></tr><tr><td>Laser DPSS da 593 nm</td><td>Laserglow Technologies</td><td>R591005FX</td> Sistemi multicanale <td>serie LRS-0594</td></tr><tr><td>MC_Stimulus II</td><td>, Reutlingen, Germania</td> Modulo di condizionamento dell'impedenza <td>STG 4004</td><td></td></tr><tr><td></td><td>MicroTargeting neurale in tutto il mondo, Bowdoin, USA</td><td>ICM</td><td></td></tr><tr><td>Name</td><td>Azienda</td><td>Numero di catalogo</td><td>Comments</td></tr><tr><td>Electrophysiology</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Fili di tungsteno</td><td>California Fine Wire Company, Grover Beach, CA, USA</td><td>CFW0010954</td><td>40 &; m, 99,95%</td></tr><tr><td>Tubo capillare</td><td>Optronics</td><td>1068150020</td><td>ID: 100,4 &; m</td></tr><tr><td>Omnetics nanoconnettore</td><td>Omnetics Connector Corporation, Minneapolis, USA</td><td>A79038-001</td><td></td></tr><tr><td>Viti</td><td>Bilaney, D&uuml; sseldorf, Germania</td><td>00-96x1/16</td><td>sonda in silicone in acciaio inossidabile</td></tr><tr><td></td><td>NeuroNexus Technologies, Ann Arbor, MI, USA</td><td>B32</td><td></td></tr><tr><td>Headstage</td><td>Neuralynx, Bozeman, Montana USA</td><td>HS-8</td><td>preamplificatori miniaturizzati a guadagno unitario per headstage</td></tr><tr><td>Vernice conduttiva d'argento</td><td>Conrad electronics, Germania</td><td>530042</td><td></td></tr><tr><td>Flusso liquido</td><td>Felder GMBH L&ouml; ttechnik, Oberhausen, Germania</td><td>L&ouml; t&ouml; l ST</td><td>DIN EN 29454.1, 3.2.2.A (F-SW 11)LED</td></tr> <tr><td></td><td>Neuralynx</td><td>HS-LED-Red-omni-10V</td><td></td></tr><tr><td>Nome</strong</td><td>>Azienda</td><td>Numero catalogo</td><td>Comments</td></tr><tr><td>Software</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>Mathworks, Natick, MA, USA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Software MC_Stimulus</td><td>Multicanale, Sistemi</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Neurophysiological Data Manager</td><td></td><td></td><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 di registrazione</td><td>Neuralynx</td><td>Cheetah</td><td>https://neuralynx.com/software/cheetah</td></tr><tr><td>Software di analisi dati multicanale</td><td>Cambridge Electronic Design Limited, Cambridge, GB</td><td>Spike2</td><td></td></tr></tbody></table>

optogenetica trascinamenti di teta hippocampal oscillazioni nel comportarsi topi

Optogenetic Entrainment of Hippocampal Theta Oscillations in Behaving Mice

Numerosi dati sulle relazioni delle oscillazioni di rete neurale per comportamento e organizzazione di scarica neuronale in tutte le regioni del cervello chiamano di nuovi strumenti per manipolare in modo selettivo ritmi del cervello. Qui descriviamo un approccio che unisce optogenetica proiezione specifici con extracellulare elettrofisiologia per alta fedeltà controllo delle oscillazioni di teta hippocampal (5-10 Hz) in topi si comporta. La specificità di trascinamento optogenetica è ottenuta prendendo di mira channelrhodopsin-2 (ChR2) alla popolazione delle cellule del setto mediale, fondamentalmente coinvolte nella generazione di oscillazioni di teta hippocampal, GABAergici e un locale sincronizzato l'attivazione di un sottoinsieme delle afferenze inibitorie del setto nell'ippocampo. L'efficacia del controllo ritmo optogenetica è verificata da un monitoraggio simultaneo di local field potential (LFP) da altra parte della lamina dell'area CA1 e/o di scarica neuronale. Utilizzando questa preparazione facilmente implementabile mostriamo l'efficacia di vari protocolli di stimolazione optogenetica per induzione delle oscillazioni di teta e per la manipolazione della loro frequenza e regolarità. Infine, una combinazione del controllo ritmo theta con inibizione proiezione specifica indirizzi la lettura degli aspetti particolari della sincronizzazione hippocampal di regioni efferente.

Targeting di ChR2 alle cellule di GABAergic in MS come descritto nella sezione 1 è illustrato nella Figura 2A. Optogenetica stimolazione degli assoni delle cellule MS GABAergici nell'ippocampo dorsale tramite una fibra ottica che viene impiantata sopra l'area CA1 entrains oscillazioni di teta alla frequenza dello stimolo a ipsilateral (Figura 2B) così come controlaterale emisfero (Figura 2). Oscillaz...

Descriviamo l'uso di optogenetica e registrazioni elettrofisiologiche per manipolazioni selettive delle oscillazioni di teta hippocampal (5-10 Hz) in topi si comporta. L'efficacia di trascinamento ritmo è controllata mediante potenziali di campo locale. Una combinazione di opto - e farmacogenetica inibizione indirizzi la lettura efferente di sincronizzazione hippocampal.

Optogenetica trascinamenti di teta Hippocampal oscillazioni nel comportarsi topi

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

Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo della neurofisiologia, come il ruolo causale dell'oscillazione theta nella navigazione speciale e nei comportamenti associati. Il vantaggio principale di questa tecnica è che consente un controllo in tempo reale sulla frequenza e la regolarità delle oscillazioni theta dell'ippocampo nei topi che si comportano. A dimostrare la procedura sarà la dottoressa Franziska Bender, ex studentessa laureata nel mio laboratorio.Inizia con il topo completamente anestetizzato fissato nel telaio stereotassico. Praticare un foro sopra il setto mediale. Immergere la punta dell'ago per iniezione in una gocciolina di virus su un pezzo di pellicola di paraffina e aspirare con cura il virus a circa 500 nanolitri al minuto osservando il livello del fluido.Per evitare che l'aria entri nell'ago per iniezione, interrompere l'astinenza prima che il virus sia completamente assorbito. Pulisci l'ago con un fazzoletto di carta. Controllare che il virus e l'olio siano separati da una bolla d'aria e segnare il livello del virus sulla provetta.Posizionare l'ago sopra la craniotomia e inserirlo lentamente nel cervello al primo punto di iniezione. Inie

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Neuroscienze

Fonte: Kodani, S., et.al. Manipolazione optogenetica dei circuiti neurali durante il monitoraggio degli stati di sonno/veglia nei topi. J. Vis. Exp. (2019)Questo video dimostra la manipolazione optogenetica dei circuiti neurali coinvolti nella transizione dal sonno alla veglia nei topi. La procedura prevede l'impianto chirurgico di una fibra ottica ed elettrodi nel cervello e nei muscoli per consentire la stimolazione luminosa e la registrazione elettrofisiologica. Fornendo luce per attivare i...

Manipolazione optogenetica dei circuiti neurali per la transizione dal sonno alla veglia nei topi

Questo video dimostra un protocollo per modulare le oscillazioni theta in un modello murino geneticamente modificato con canali ionici sensibili alla luce nei suoi neuroni del setto mediale GABAergico. Fornendo impulsi luminosi all'ippocampo, il protocollo mira a sincronizzare l'attività neuronale e generare oscillazioni theta, che vengono registrate come potenziali di campo locale.

Manipolazione selettiva delle oscillazioni theta in un modello murino

Questo video dimostra l'impianto stereotassico di un array di elettrodi a filo e di una fibra ottica nell'ippocampo di un modello murino.

Impianto di un array di elettrodi e di una fibra ottica nell'ippocampo del topo

Questo video dimostra la registrazione dell'attività ritmica della rete neuronale, nota anche come oscillazioni theta, in un ippocampo isolato. Gli elettrodi vengono inseriti in vari strati e posizioni spaziali per rilevare e analizzare le oscillazioni theta. Questo mostra le composizioni neuronali uniche e la connettività della rete neuronale attraverso diversi strati dell'ippocampo.

Registrazione in vitro delle oscillazioni theta nell'ippocampo del topo

Questo video dimostra il metodo per utilizzare l'optogenetica per modulare la dinamica della rete ippocampale attivando interneuroni sensibili alla luce geneticamente modificati in una fetta di cervello di topo, migliorando la sincronizzazione dell'oscillazione theta e studiando il comportamento dei circuiti neurali.

Controllo optogenetico della dinamica della rete ippocampale

Oscillazioni sono proprietà di rete fondamentali e sono modulati dalla malattia e la droga. Studiare le oscillazioni cerebrali slice permette la caratterizzazione di reti isolate in condizioni controllate. I protocolli sono forniti per la preparazione di fettine di cervello acuto per evocare CA1 oscillazioni γ.

Generazione di locali oscillazioni CA1 γ di Tetanic Stimolazione

L'attività Theta nell'ippocampo è correlata a specifici stadi cognitivi e comportamentali. Qui, descriviamo un metodo analitico per rilevare oscillazioni theta altamente organizzate all'interno dell'ippocampo utilizzando un approccio basato sul tempo-frequenza (cioè l'analisi wavelet).

Rilevamento automatico di altamente organizzati Theta oscillazioni del Murine EEG

Qui presentiamo un protocollo per registrare la teoria ritmica della rete neuronale e le oscillazioni gamma da una preparazione interamente isolata di ippocampo. Descriviamo le fasi sperimentali dall'estrazione dell'ippocampo ai dettagli del campo, delle registrazioni a blocchi di patch patch unitari e intere cellule, nonché della stimolazione ottogenetica del ritmo theta.

Tuning nella Banda Theta Ippocampale<em&gt; In vitro</em&gt;: Metodologie per la registrazione dal circuito isolante di roditore Septohippocampal

Questo protocollo descrive la registrazione dei potenziali di campo locale con Multi-Tibia punte in silicio lineare. Conversione dei segnali mediante analisi di densità di corrente sorgente consente la ricostruzione dell'attività elettrica locale nell'ippocampo del mouse. Con questa tecnica, le oscillazioni nello spazio limitato del cervello possono essere studiate in topi liberi di muoversi.

Registrazione spazialmente limitate oscillazioni nell'ippocampo dei topi di comportarsi

Qui, descriviamo i metodi di manipolazione optogenetica di particolari tipi di neuroni durante il monitoraggio degli stati di sonno/veglia nei topi, presentando il nostro recente lavoro sul nucleo del letto della stria terminale come esempio.

Manipolazione optogenetica dei circuiti neurali durante il monitoraggio degli stati di sonno/veglia nei topi

Questo articolo dimostra la preparazione di una finestra di imaging su misura integrata con cannula per infusione e il suo impianto sulla regione CA1 dell'ippocampo nei topi.

Procedura craniotomia per la visualizzazione delle attività neuronali nell'ippocampo dei topi che si comportano

Impara l'optogenetica per manipolare le oscillazioni teta ippocampali nei topi comportamentali. Questa tecnica consente il controllo in tempo reale delle frequenze neurali per studiare la navigazione spaziale.

Optogenetica trascinamenti di teta Hippocampal oscillazioni nel comportarsi topi

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