Miniscopio che registra i segnali di calcio nell'ippocampo dei topi che navigano in un pennacchio di odori
20 settembre 2024
Questo protocollo studia la relazione cervello-comportamento nel CA1 ippocampale nei topi che navigano in un pennacchio di odore. Forniamo un protocollo passo-passo, che include la chirurgia per accedere all'imaging dell'ippocampo, l'allenamento comportamentale, la registrazione e l'elaborazione del cervello con miniscopio GCaMP6f e i dati comportamentali per decodificare la posizione del mouse dall'attività neurale ROI.
La mia ricerca mira a capire come il cervello elabora le informazioni olfattive e spaziali. E stiamo cercando di capire il ruolo dei neuroni CA1 dell'ippocampo nella navigazione del pennacchio di odore. Attualmente, la tecnologia delle registrazioni in movimento libero dei neuroni con microscopi in miniatura è stata utilizzata per far progredire la ricerca in questo campo.
Abbiamo scoperto che è possibile decodificare la traiettoria del topo che naviga nel pennacchio di odori in base ai neuroni e ai segnali di calcio nel CA1 dorsale. Questa tecnica combina i vantaggi della tecnologia mini scope per la registrazione dei segnali di calcio GCaMP con la ben consolidata riga di navigazione spaziale dell'ippocampo CA1. per capire meglio come i circuiti neurali guidano comportamenti complessi, Indagheremo su come la navigazione del pennacchio di odori sia compromessa in un modello murino di malattia di Alzheimer con funzione anomala dell'ippocampo CA1.
Per iniziare, costruisci una camera con due pareti acriliche, un soffitto in acrilico e un pavimento in cloruro di polivinile espanso. Le altre due pareti uniche nella parte anteriore e posteriore devono facilitare il flusso d'aria. Posiziona quattro serie di fonti di odori abbinate a beccucci di erogazione dell'acqua a 10 centimetri di distanza lungo l'asse X.
Installa una veloce telecamera digitale sopra l'arena per monitorare il comportamento degli animali. Utilizza un codice python personalizzato per gestire l'hardware dell'arena degli odori e il software integra la fotocamera e tutto l'hardware per l'impostazione dell'esperimento. Impostare la fotocamera digitale per esportare un segnale di clock durante la registrazione di fotogrammi video per la sincronizzazione post-hoc con il mini oscilloscopio.
Posiziona un rilevatore di fotoionizzazione miniaturizzato a risposta rapida, o PID, vicino alla fonte dell'odore e posizionane un altro a 10 centimetri di distanza. Portare l'interruttore di guadagno sul pannello frontale del controller PID sulla posizione X five. Quindi portare l'interruttore della pompa sul pannello frontale del controller PID in posizione alta.
Controllare il diodo a emissione luminosa o la spia di stato a LED sul pannello frontale del controller per assicurarsi che l'uscita del sensore mostri zero voltage in assenza di odoranti. Portare l'offset del potenziometro a zero, l'uscita di tensione in assenza di odori e aprire la valvola degli odori nell'arena degli odori. Misurare il ritardo nel rilevamento del pennacchio di odore con il PID in ogni posizione dopo aver aperto la valvola.
Per iniziare, configura la camera, la fotocamera e il rivelatore a fotoionizzazione, o sensori PID, per l'esperimento. Per addestrare il mouse, chiedigli di spostarsi sul retro dell'arena. Dopo che il mouse ha raggiunto la parte posteriore, eroga manualmente l'odore e l'acqua in una corsia casuale e lascia che il mouse individui la fonte e beva l'acqua.
Una volta che il topo impara ad avviare le prove, passa a un software automatizzato per l'erogazione degli odori. Nell'attività di navigazione degli odori a due corsie, selezionare in modo casuale una delle due porte degli odori per fornire l'odore. E premia il mouse con acqua quando raggiunge il beccuccio dell'acqua corretto La testa ripara il mouse e posiziona il mini cannocchiale sopra la piastra di base usando un micro manipolatore.
Serrare la vite di fermo per fissare il mini cannocchiale. Regolare la lente di elettrobagnatura per trovare il piano focale ottimale, garantendo il maggior numero di celle con la massima intensità di fluorescenza. Per ottenere una gamma dinamica ottimale, utilizzare il CA1 dorsale e legare un mouse GCaMP six-F, impostando la potenza del mini cannocchiale a circa il 30% a una velocità di acquisizione di 30 hertz.
Rilascia il mouse all'interno dell'arena degli odori con il mini cannocchiale attaccato alla piastra di base. Avviare l'acquisizione con la scheda di interfaccia per registrare la logica transistor-transistor, o l'uscita TTL della fotocamera digitale, e il mini oscilloscopio per la sincronizzazione. Inizia a registrare il mini endoscopio e i filmati comportamentali e attiva il software automatizzato per l'attività di navigazione degli odori a due beccucci.
Quindi sincronizza i metadati dell'arena degli odori, i fotogrammi registrati della fotocamera digitale e i fotogrammi del mini oscilloscopio utilizzando il codice MATLAB synchronize_files_jove.m. Utilizzando la correzione delle norme, eseguire la correzione del movimento dei fotogrammi sincronizzati del mini oscilloscopio. Identificare le regioni di interesse con segnali di zero delta F per F variabili nel tempo utilizzando l'estratto.
Utilizza l'insieme comportamentale e l'osservatorio della traiettoria neurale per visualizzare il comportamento e le regioni di interesse di ogni studio separato. La risposta PID è aumentata in modo significativo dopo il rilascio del pennacchio di odore, indicando i tempi di erogazione dell'odore. Molteplici transienti di calcio sono stati osservati nel CA1 dorsale del topo durante la navigazione degli odori, correlandosi con gli eventi di ricompensa degli odori e dell'acqua.
Le risposte al calcio sono state associate a diverse fasi del compito di navigazione, tra cui l'inizio della prova, il processo decisionale e il ritorno. La traiettoria spaziale del topo è stata decodificata dai segnali del calcio, rivelando il ruolo del CA1 dorsale nella mappatura dell'odore e delle informazioni spaziali.
Panoramica
Questo studio indaga la relazione cervello-comportamento nella regione CA1 dell'ippocampo dei topi mentre navigano una colonna di odore. Utilizzando una combinazione di addestramento comportamentale e registrazioni miniscope GCaMP6f, la ricerca mira a decodificare come i neuroni ippocampali elaborano informazioni olfattive e spaziali, in particolare in relazione alla malattia di Alzheimer.
Componenti principali dello studio
Area di scienza
- Neuroscienze
- Neuroscienze comportamentali
- Tecniche di imaging
Sfondo
- Comprendere come i circuiti neurali facilitano comportamenti complessi.
- Il ruolo dei neuroni CA1 dell'ippocampo nella navigazione spaziale e nell'elaborazione olfattiva.
- L'impatto della malattia di Alzheimer sulla funzionalità dell'ippocampo.
- L'uso della tecnologia mini scope per registrazioni neuronali in vivo.
Obiettivo dello studio
- Indagare come i neuroni CA1 dell'ippocampo contribuiscano ai comportamenti di navigazione in base all'odore.
- Esaminare come questi comportamenti siano alterati in un modello murino di malattia di Alzheimer.
- Utilizzare tecniche di imaging avanzate per correlare l'attività neurale con il comportamento.
Metodi utilizzati
- Registrazione mini scope dei neuroni CA1 dorsali durante i compiti di navigazione in base all'odore.
- Modello murino di malattia di Alzheimer per addestramento comportamentale e test.
- Il setup includeva una camera progettata per la navigazione della colonna di odore.
- Software automatizzato per la consegna degli odori e il monitoraggio comportamentale.
- Sincronizzazione di video e registrazioni neurali per l'analisi dei dati.
Risultati principali
- L'attività neurale correlata con eventi comportamentali durante la navigazione in base all'odore.
- Le transitorie di calcio osservate nel CA1 dorsale erano legate a varie fasi del compito di navigazione.
- Capacità di decodificare la traiettoria spaziale dei topi basata sui segnali di calcio CA1.
- Lo studio ha rivelato importanti intuizioni sui meccanismi neurali alla base dell'elaborazione olfattiva e spaziale.
Conclusioni
- Questa ricerca migliora la comprensione delle funzioni ippocampali nella navigazione e nell'elaborazione degli odori.
- I risultati contribuiscono a intuizioni sull'alterazione di queste funzioni nei modelli di malattia di Alzheimer.
- Evidenziano l'utilità della tecnologia mini scope nell'esplorare le funzioni neuronali legate a comportamenti complessi.
Domande frequenti
Executive Industry Relevance
Decoding hippocampal neural activity during complex odor-guided navigation provides a translational model for understanding spatial and sensory integration in neurodegenerative disease research. This workflow enables quantitative mapping of neural ensemble dynamics to behavioral outputs, supporting predictive confidence in target validation for CNS drug discovery. The approach strengthens early-stage portfolio decisions by linking circuit-level function to disease-relevant phenotypes.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of hippocampal circuit function in disease-relevant behavioral contexts.
- Supports mechanistic de-risking by correlating neural ensemble activity with navigation performance.
- Facilitates functional target validation for CNS pathways implicated in spatial and olfactory processing.
Screening & Assay Development
- Provides a validated behavioral and imaging platform for quantitative assessment of neural activity.
- Standardizes data acquisition and synchronization across behavioral and neural modalities.
- Enables reproducible measurement of calcium transients as quantitative assay outputs.
Translational & Preclinical Research
- Aligns neural activity patterns with disease-relevant behavioral phenotypes for translational biomarker development.
- Supports continuity from discovery through preclinical validation in neurodegeneration models.
- Enables risk-adjusted advancement decisions based on functional circuit readouts.
Pipeline & Workflow Integration
This miniscope-based workflow integrates from early discovery through preclinical model validation in CNS research pipelines.
- Discovery Biology: Quantifies neural circuit responses to behavioral challenges, supporting hypothesis testing and pathway clarification.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative calcium imaging outputs for assay development.
- Analytics: Provides synchronized behavioral and neural datasets for robust statistical comparison of experimental conditions.
- Translational Research: Links neural ensemble activity to disease-relevant navigation deficits, informing biomarker strategies.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for evaluating neural circuit function across diverse CNS models.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in CNS target validation and mechanistic de-risking.
- Operational Value: Standardizes behavioral and imaging protocols for reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions by linking neural activity to functional outcomes.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of CNS targets and models.
Implementation Considerations
- Requires expertise in in vivo imaging, behavioral neuroscience, and data synchronization.
- Demands specialized instrumentation including miniscopes, GRIN lenses, and synchronized video acquisition systems.
- Necessitates cross-team standardization of behavioral protocols and data processing pipelines.
- Adaptation across disease models may require protocol optimization for specific neural circuits or behaviors.
- Motion correction and ROI identification steps are critical for reliable quantitative outputs.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:00
Introduction
1:11
Setting up the Odor Arena and Photoionization Detector Sensors for Mouse Odor Plume Navigation Studies
3:04
Behavioral Training and Epifluorescence Recording of a Freely Moving Mouse in the Odor Arena for Monitoring CA1 Neuronal Activity to Decode Spatial Navigation
