Name: 行動するマウスにおける海馬シータ振動の光同調 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-06-29T13:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 33 s
Description: 学ぶ光遺伝学と電気生理学を用いた海馬シータ振動の操作法。行動中のマウスで神経活動をリアルタイムに制御し、空間ナビゲーションにおける振動の因果的役割を解明する。

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原稿のデータ分析による専門家の助けのためのマリア ・ Gorbati とコメントのジェニファー Kupferman に感謝したいと思います。この作品は、ドイツ研究振興協会 (DFG; によって支えられました。Exc 257 NeuroCure、TK と AP;優先順位プログラム 1665、1799/1-1(2)、ハイゼンベルグ プログラム、AP 1799/2-1)、ドイツ ・ イスラエル科学研究開発 (GIF; 財団私-1326-421.13/2015 年、TK) と人類のフロンティア ・ サイエンス ・ プログラム (HFSP;RGY0076/2012、TK)。

著者が明らかに何もありません。

ここで私たちは同調行動中の動物の海馬シータを引き出す方法論が広くアクセスを発表しました。このアプローチは、情報処理や動作の θ の関数の研究に役立ちます。このメソッドの重要な側面が含まれます: (1) オプシンの選択と MS の軸索に chr2 ターゲット細胞海馬、継続的な刺激と LFP ように注入された光ファイバー線配列アセンブリの (2) 堅牢な光・電子機能マウス、シータ周波数で光の最適な量の (3) の適用、引き込み再現 (4)ホックを投稿定量化と optoelectrical アーティファクトの (5) のコントロールの動作の記録。
最初の点の主な注意点は、内側にある静脈叢を温存するセキュリティで保護されたウイルス注入です。このステップの最適な施術は、注射の成功率を低減でき、結果の取得が遅れる可能性があります。オプシンの動力学を考慮する、ChR2 (アクティブ化の時間: 2 ms、殺菌時間: 9 ms65)。2 番目の点は、光透過率の再現性の制御と注入電極のインピー ダンスを要求し、追加インプラントのタイムリ...

哺乳類の神経細胞の活動は、内および脳領域1,2,3,4間の情報伝達を支援するネットワークの振動によって調整されます。脳のリズムには、非常に遅い (< 0.8 Hz) 超高速 (> 200 Hz) 周波数まで至る振動が含まれます。証拠の大きいボディは、認知5,6,7,8,9,10 を含む多様な脳機能でネットワーク振動の関与をサポートしています、パーキンソン病やてんかんの13,14,15などの神経疾患と同様に、生得的な行動11,12 。同期の生理学的にもっともらしいモデルの開発と動作の因果関係を確立するため、ネットワークの振動の実験的操作メソッドが選択的な一時的は欠かせないため。
ネットワーク同期は多様な生物学的基質とイオン チャネルの分子の id、その動力学から興奮性とネットワーク接続性の神経に至るまでのプロセスを介する。発電機16が明らかにされている多くの脳のリズムが (例えば周波数、振幅) の異なる面が多いリズムの生物学的デザインは、明確な細胞のタイプとネットワークのダイナミクスによってもたらされます。例えば、主細胞の突起をターゲットと抑制性介在ニューロンは、周波数帯、脳領域17,18, シータ19、20、ガンマ20を含む最も重要な選手をします。,21日とリップル (140-200 Hz)22振動。ターンでは、離れた場所の細胞の位相同期は、堅牢なフィード フォワード信号錐体細胞の介在神経の発火をリセットによって保証されます。振動、同期ニューロン集団のサイズの重要なパラメーター測定 LFP 振動の振幅は密接な関係し、少なくとも高速振動2介在ニューロンに興奮性ドライブに依存します。対照的に、シータ、デルタなどの遅い振動は皮質視床23,24と海馬-内側中隔予測25,によって形成される長距離のリエントラント ループによって生成される26,27、それぞれ。このような回路の振動が信号伝搬遅延、興奮性の応答と周波数嗜好参加細胞28,29,30,の相互作用によってもたらされる31,32gaba 作動性パルブアルブミン (太陽光発電) から抑制性の投射-海馬25,33、海馬傍地域内嗅皮質26で介在する内側中隔 (MS) の細胞が陽性。内側側頭葉シータ振動の生成に不可欠。したがって、光遺伝学を用いたリアルタイム高精度ネットワーク振動・同期の神経の生理学的メカニズムを操作できます。
34,35,36,37,38 培養海馬と大脳皮質の振動やの研究のセル型固有の光遺伝学的操作を適用されています。生体内で30,39,40,41,42,43,44,45, 機能を含むガンマ5,12,36,46,47,48,49,50,の調査51,52とリップル振動40,53,54と睡眠のスピンドル、55,56。最近 PV Cre マウスの MS、海馬 θ リズムの生成のための重要な地域で Cre 依存 ChR2 ウイルスを表明しました。この準備を使用して、海馬シータ振動 (周波数と時間的安定性) の特徴は、海馬11MS の抑制性投射の光刺激によって制御されました。さらに、海馬海馬の抑制性投射のシータ振動への光刺激は目がさめている不動の中にシータを誘発しました。生じる気流 LFP および神経細胞の活動レベルでマウスで自発的なシータの θ リズムの表示プロパティです。
このプロトコルの主な機能: 海馬興奮性; 非特異的効果を回避しながら自発的なシータの重要な生理学的である抑制性経路の (1) の利用(2) 軸索、すなわち、非海馬 MS efferents; の直接影響を最小限に抑えるために特定の投影刺激(海馬海馬 θ リズムのダイナミクスとシータ振動の二国間の引き込みと直接干渉を最小限を確保 3) ローカルの θ リズム光刺激(4) パラメトリックな制御のシータ振動頻度および規則性;同調忠実高時間分解能 (5) 数量 LFP を使用して動物の行動に因果関係の定量的分析を有効にします。以来、この準備は、シータ世代25,30の脱抑制が海馬海馬のよく知られている役割を本質的に大文字、それはシータ振動動作マウスのいくつかのパラメーターのロバスト制御をできます。他より少ない調査経路および海馬海馬の細胞の種類はどこにいた研究操作38,39,47,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58は θ リズムの機構をさらに明らかにします。

<table><tbody><tr><td>PV-Creマウス</td><td>ジャクソン研究所</td><td>B6;129P2-PvalbTM1(cre)Arbr/J</td><td></td></tr><tr><td>Name</td><td>会社</td><td>カタログ番号</td><td>Comments</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>Model 963</td><td>Ultra Precise Small Animal Stereotaxic Instrument</td></tr><tr><td>ドリルビット、0.8 mm</td><td>Bijoutil、Allschwil、Switzerland</td><td>49080HM</td><td></td></tr><tr><td>0.01-1 mlシリンジ</td><td>Braun、Melsungen、Germany</td><td>9161406V</td><td></td></tr><tr><td>Stericanカニューレ</td><td>Braun</td><td>26 G、0.45x25 mm BL/LB</td><td></td></tr><tr><td>Fine and sharp はさみ</td><td>Fine Science Tools Inc.、バンクーバー、カナダ</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 - エポキシコーティング鉗子</td></tr><tr><td>鈍いステンレス鋼はさみ</td><td>ファインサイエンスツール株式会社</td><td>14018-14</td><td></td></tr><tr><td>はんだ付けステーション</td><td>Weller Tools GmbH、Besigheim、ドイツ</td><td>WSD 81</td><td></td></tr><tr><td>Erythromycin</td><td>Rotexmedica GmbH、トリッタウ、ドイツ</td><td>PZN:10823932</td><td>1gの粉末を注入用溶液</td></tr><tr><td>用にName</td><td>Company</td><td>カタログ番号</td><td>strong<>Comments</td></tr><tr><td>Optogenetics</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Hamilton pump</td><td>PHD Ultra, Harvard Apparatus, Holliston, MA, USA</td><td>モデル 703008</td><td>PHD Ultra シリンジ ポンプ プッシュ/プル機構付き</td></tr><tr><td>Hamilton 5 & micro;Lシリンジ、26ゲージ</td><td>PHDウルトラ、ハーバード装置</td><td>モデル75 RN SYR</td><td></td></tr><tr><td>ハミルトン5&マイクロ;L プランジャー</td><td>PHD ウルトラ、ハーバード デバイス</td><td>モデル 75 RN SYR</td><td></td></tr><tr><td>チューブ</td><td>フィッシャー サイエンティフィック、ピッツバーグ、米国</td><td>PE 20</td><td>内径 0.38 mm (.015")、外径 1.09 mm (.043")</td></tr><tr><td>ステリカン カニューレ</td><td>ブラウン、メルズンゲン、ドイツ</td><td>27 G、25x0.40 mm、鈍い</td><td></td></tr><tr><td>精密ドリル/グラインダー</td><td>Proxxon、ウェッカー、ルクセンブルク</td><td>fbs 240/e</td><td></td></tr><tr><td>カッティングディスク</td><td>Proxxon</td><td>NO 28812</td><td></td></tr><tr><td>Cre依存チャネルrhodopsin</td><td>Penn Vector Core, Philadelphia, PA, USA</td><td>AV-1-18917P</td><td>構造名: AAV2/1.CAGGS.flex.ChR2.tdTomato, 力価: 1.42x1013 vg/ml</td></tr><tr><td>Cam kinase dependent halorhodopsin</td><td>Penn Vector Core</td><td>AV-1-26971P</td><td>構造名: eNpHR3.0, AAV2/1.CamKIIa.eNpHR3.0-EYFP.WPRE.hGH, 力価: 2.08_1012 vg/ml</td></tr><tr><td>マルチモード光ファイバー</td><td>ThorLabs、ダッハウ、ドイツ</td><td>FG105LCA</td><td>0.22 NA、Low-OH、およびOslash;105 &マイクロ;mの中心、400 - 2400 nm</td></tr><tr><td>陶磁器棒のフェルール</td><td>の精密繊維プロダクト、ミルピタス、CA、米国</td><td>CFLC126</td><td>陶磁器LC MMのフェルール、ID 126um</td></tr><tr><td>磨く</td><td>ペーパーThorlabs</td><td>LF3D</td><td>6" x 6"ダイヤモンドのラッピング(磨く)シート</td></tr><tr><td>電力メートル</td><td>Thorlabs</td><td>PM100D</td><td>コンパクト電力およびエネルギーメートルのコンソール、デジタル4 "LCD</td></tr><tr><td>のマルチモード繊維光学カプ</td><td>ラーThorlabs</td><td>FCMM50-50A-FC</td><td>1x2 MMカプラー、50:50分割比、50 & マイクロ;m GIファイバー、FC / PC</td></tr><tr><td>光ファイバーパッチコード</td><td>Thorlabs</td><td>FG105LCA CUSTOM-MUC</td><td>カスタムメイド、長さ3 m、保護チューブ付き、チューブ:FT030、コネクタ1:FC / PC、コネクタ2:1.25mm(LC)セラミックフェルール</td></tr><tr><td>スリーブ</td>精密<td>ファイバー製品、ミルピタス、CA、米国</td><td>ADAL1</td><td>セラミックスプリット嵌合スリーブ&Oslash用;1.25 mm (LC/PC) フェルール</td></tr><tr><td>473 nm DPSS レーザー</td><td>Laserglow Technologies, Toronto, ON, Canada</td><td>R471005FX</td><td>LRS-0473 Series</td></tr><tr><td>593 nm DPSS laser</td><td>Laserglow Technologies</td><td>R591005FX</td><td>LRS-0594 Series</td></tr><tr><td>MC_Stimulus II</td><td>Multichannel Systems, Reutlingen, Germany</td><td>STG 4004</td><td></td></tr><tr><td>インピーダンス調整モジュール</td><td>Neural microTargeting worldwide, Bowdoin, USA</td><td>ICM</td><td></td></tr><tr><td>Name</td><td>Company</td><td>カタログ番号</td><td>Comments</strong</td></tr><tr><td>>Electrophysiology</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Tungsten wires</td><td>California Fine Wire Company, Grover Beach, CA, USA</td><td>CFW0010954</td><td>40 & micro;メートル、99.95%</td></tr><tr><td>キャピラリーチューブ</td><td>Optronics</td><td>1068150020</td><td>ID:100.4&micro;m</td></tr><tr><td>Omnetics nanoconnector</td><td>Omnetics Connector Corporation、米国ミネアポリス</td><td>A79038-001</td><td></td></tr><tr><td>ネジ</td><td>Bilaney、D&uuml;ドイツ、セルドルフ</td><td>00-96x1/16</td><td>ステンレス鋼</td></tr><tr><td>シリコンプローブ</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>ミニチュア ヘッドステージ ユニティ ゲイン プリアンプ</td></tr><tr><td>銀 導電性塗料</td><td>Conrad electronics, ドイツ</td><td>530042</td><td></td></tr><tr><td>液体フラックス</td><td>Felder GMBH L&ouml;ttechnik、オーバーハウゼン、ドイツ</td><td>L&ouml;t&ouml;l ST DIN</td><td>EN 29454.1, 3.2.2.A (F-SW 11)</td></tr><tr><td>LED</td><td>Neuralynx</td><td>HS-LED-Red-omni-10V</td><td></td></tr><tr><td>Name</td><td>会社</strong</td><td>>カタログ番号</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>MC_Stimulusソフトウェア</td><td>Multichannel, Systems</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>録音システム</td><td>Neuralynx</td><td>Cheetah</td><td>https://neuralynx.com/software/cheetah</td> のソフトウェア</tr><tr><td>マルチチャンネルデータ分析ソフトウェア</td><td>Cambridge Electronic Design Limited, Cambridge, GB</td><td>Spike2</td><td></td></tr></tbody></table>

行動するマウスにおける海馬シータ振動の光同調

Optogenetic Entrainment of Hippocampal Theta Oscillations in Behaving Mice

ニューラル ネットワークの動作する振動の関係や脳領域間の神経放電の組織に関する広範なデータを求める脳リズムを選択的に操作するための新しいツール。ここで特定の投影光遺伝学を組み合わせて動作マウスにおける海馬シータ振動 (5-10 Hz) の忠実度の高いコントロールの細胞電気生理学のアプローチについて述べる。重要な海馬シータ振動の生成に関与する内側中隔細胞の gaba 作動性の人口にターゲット チャネルロドプシン 2 (ChR2) により光同調の特異性を実現し、ローカル同期活性化海馬の抑制性中隔求心性神経のサブセット。ラミナ CA1 野のや神経細胞の放電の間でローカル フィールド ポテンシャル (LFP) の同時観測による光遺伝学的リズム制御の有効性が検証されます。この容易に実装可能な製剤を用いた各種光刺激プロトコル シータの誘導とその頻度と規則性の操作の有効性を示す.最後に、投影法固有の抑制と θ リズム制御の組み合わせは遠心性の地域によって海馬の同期の特定の面の読み出しをアドレスします。

セクション 1 で説明した MS の gaba 作動性セルに chr2 ターゲットは、図 2 aで示されています。背側海馬 CA1 領域の上移植は光ファイバー経由で MS gaba 作動性細胞の軸索の光遺伝学的刺激だけでなく、対側同側 (図 2 b) の刺激の周波数でシータをヘアレスします。半球 (図 2)。シータは、これの有効性は相対的なシータ刺激周波数、すなわち、この辺りは LFP 電源として各記録の新紀元のため計算された光刺激 (図 3 a) にもっとまたはより少なく効率的に同伴されることができます。同調は (図 3 b) を忠実に再現。0.3、すなわち、自然の光を録音でより高い上同調忠実度は録音時代の約 80% に認められた.非シータ...

動作マウスにおける海馬シータ振動 (5-10 Hz) の選択を操作する光遺伝学、電気生理学的記録の使用について述べる。リズムの同調性は、ローカル フィールド ポテンシャルを使用して監視されます。光と薬理遺伝学的抑制の組み合わせは、海馬同期の遠心性の読み出しをアドレスします。

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

この方法は、特別なナビゲーションにおけるシータ振動の因果関係や関連する行動など、神経生理学分野の重要な質問に答えるのに役立ちます。この手法の主な利点は、行動マウスの海馬シータ振動の周波数と規則性をリアルタイムで制御できることです。その手順を実演するのは、私の研究室の元大学院生であるフランツィスカ・ベンダー博士です。まず、完全に麻酔をかけたマウスを脳定位固定装置フレームに固定します。内側中隔の上に穴を開けます。パラフィンフィルム上のウイルスの液滴に注射針の先端を沈め、液体のレベルを観察しながら、毎分約500ナノリットルでウイルスを慎重に吸い上げます。注射針に空気が入るのを防ぐために、ウイルスが完全に取り込まれる前に離脱を止めてください。ペーパーティッシュで針を拭きます。ウイルスとオイルが気泡で分離されていることを確認し、チューブ上のウイルスのレベルをマークします。針を開頭術の上に配置し、最初の注入点でゆっくりと脳に挿入します。毎分100〜150ナノリットルの速度で450ナノリットルのウイルスを注入します。注射後、10分間待ちます。10分後、針を慎重に0.1ミリメートル上に動かし、さらに5分待ちます。マイクロストリッパーを使用して、ファイバーがファイバースプールに接続されたままの状態で、マルチモード光ファイバーから125マイクロメートルのクラッディングを剥がします。次に、ダイヤモンドナイフを使用して、繊維を約2〜3センチの長さにカットします。光ファイバーを内径126ミクロンのジルコニアセラミックスティックフェルールに挿入します。繊維の約0.5〜1ミリメートルがフェルールの凸面から突き出ている必要があります。針を使用して、フェルールの両端にエポキシ接着剤を1滴塗布しますが、フェルールの側面には塗布しません。乾燥後、3ミクロンのグリットでダイヤモンドラッピングファイバー研磨フィルムを使用して、フェルールの凸面を研磨します。タングステンワイヤーアレイを準備するには、まず、テープの粘着面に数個の100ミクロンシリカチューブガイドを接着します。次に、鉗子を使用して、ガイドチューブに絶縁された45ミクロンのタングステンワイヤーを通します。次に、メスを使用して、長さ約5ミリメートルの6本のエナメル絶縁細い銅結合ワイヤーの両端から絶縁体を剥がします。次に、長さ約2〜3センチメートルのアース線の両端から絶縁体を剥がします。被覆を剥がした各ワイヤをナノコネクタピンにはんだ付けします。各ボンディングワイヤを1本のタングステンワイヤに銀導電性塗料1滴で接続します。乾燥後、銅線を覆うために少量のセメントを塗布します。ナノコネクタの上部にセメントを塗布することは避けてください。セメントを少なくとも30分間乾燥させた後、鈍いステンレス鋼のはさみを使用して、タングステンワイヤーを5〜20度の角

optogenetic-entrainment-hippocampal-theta-oscillations-behaving

Research

JoVE Journal

Neuroscience

神経科学

出典: Kodani, S., et.al.マウスの睡眠/覚醒状態のモニタリング中の神経回路の光遺伝学的操作J. Vis. 経験。(2019年)このビデオは、マウスの睡眠から覚醒への移行に関与する神経回路の光遺伝学的操作を示しています。この手順では、光ファイバーと電極を脳と筋肉に外科的に埋め込み、光刺激と電気生理学的記録を可能にします。光を照射して終末線条 (BNST)...

マウスにおける睡眠から覚醒への移行のための神経回路の光遺伝学的操作

このビデオは、GABA作動性内側中隔ニューロンに光感受性イオンチャネルを持つ遺伝子操作マウスモデルでシータ振動を調節するプロトコルを示しています。このプロトコルは、光パルスを海馬に送達することにより、ニューロンの活動を同期させ、局所的な磁場電位として記録されるシータ振動を生成することを目的としています。...

マウスモデルにおけるシータ振動の選択的操作

このビデオは、マウスモデルの海馬にワイヤー電極アレイと光ファイバーを定位的に移植する様子を示しています。...

電極アレイと光ファイバーのマウス海馬への埋め込み

このビデオは、孤立した海馬におけるリズミカルなニューロンネットワーク活動、別名シータ振動の記録を示しています。電極は、シータ振動を検出および分析するために、さまざまな層と空間位置に挿入されます。これは、海馬の異なる層にわたるニューロンネットワークのユニークなニューロン組成と接続性を示しています。...

マウス海馬におけるシータ振動のin vitro記録

このビデオでは、マウスの脳スライスで遺伝子組み換えされた光感受性介在ニューロンを活性化し、シータ振動の同期を強化し、神経回路の振る舞いを研究することにより、光遺伝学を使用して海馬ネットワークのダイナミクスを調節する方法を示します。...

海馬ネットワークダイナミクスの光遺伝学的制御

振動は、基本的なネットワークのプロパティであり、病気や薬物によって調節されます。脳スライス振動を研究することは、制御された条件下で分離されたネットワークの特徴付けを可能にします。プロトコルはCA1のγ振動を誘発するための急性脳切片の調製のために提供されます。...

テタヌス刺激による局所CA1γ振動の発生

海馬でのシータ活動は、特定の認知および行動段階に関連しています。ここでは、時間-周波数ベースのアプローチ(ウェーブレット解析)を使用して、海馬内の高度に組織化されたシータ振動を検出する解析手法について説明します。...

マウス脳波で高度に組織化されたシータ振動の自動検出

ここでは、分離された全海馬調製物からのリズミカルなニューロンネットワークのシータおよびガンマ振動を記録するためのプロトコルを提示する。我々は、海馬の抽出からフィールド、ユニタリーおよび全細胞のパッチクランプ記録ならびにテータリズムの光発生ペーシングの詳細までの実験ステップを記載する。...

海馬シータバンドのチューニング<em&gt;インビトロ</em&gt;：隔離されたげっ歯類胸腺腫回路からの記録方法

このプロトコルでは、リニア シリコン プローブ マルチすねローカル...

行動中マウスの海馬における振動を制限空間録音

ここでは、マウスにおける睡眠/覚醒状態のモニタリング中に特定のタイプのニューロンを光遺伝学的に操作する方法を説明し、ストリア末端のベッド核に関する最近の研究を例に挙げる。...

マウスにおける睡眠/覚醒状態のモニタリング中の神経回路の光遺伝学的操作

この記事では、注入カニューレを補ったカスタムメイドのイメージングウィンドウの準備と、マウスの海馬のCA1領域への移植を示す。...

マウスの振る舞いの海馬における神経活動を可視化するための頭蓋骨管制法

学ぶ光遺伝学と電気生理学を用いた海馬シータ振動の操作法。行動中のマウスで神経活動をリアルタイムに制御し、空間ナビゲーションにおける振動の因果的役割を解明する。

行動するマウスにおける海馬シータ振動の光同調

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