Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-07-24T14:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 16 s
Description: 学ぶ マウスの海馬CA1領域における神経活動の長期的なin vivoイメージング法。カスタムイメージングウィンドウとカニューレを用いて、行動中のマウスの深部脳構造での高解像度カルシウム・電位イメージングを実現します。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

ウェストレイク大学の分子バイオエンジニアリンググループのメンバーの皆さんに、すべての助けと有益な議論に感謝したいと思います。また、ウェストレイク大学のジンゼ・リーとジエミン・ジアに対し、外科的処置の撮影に協力してくれたことに感謝します。
この研究は、ウェストレイク大学財団、2020年BBRFヤング・ポストラー・グラント、中国国立自然科学財団の助成金から、K.D.P 32050410298に資金を提供しました。

<ol><li>Leutgeb, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Independent+Codes+for+Spatial+and+Episodic+Memory+in+Hippocampal+Neuronal+Ensembles%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Independent Codes for Spatial and Episodic Memory in Hippocampal Neuronal Ensembles.</a> Science. 309 (5734), 619-623 (2005).</li>
<li>Harvey, C. D., Collman, F., Dombeck, D. A., Tank, D. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Intracellular+dynamics+of+hippocampal+place+cells+during+virtual+navigation%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Intracellular dynamics of hippocampal place cells during virtual navigation.</a> Nature. 461 (7266), 941-946 (2009).</li>
<li>Polanco, J. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Amyloid-%CE%B2+and+tau+complexity+-+towards+improved+biomarkers+and+targeted+therapies%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Reviews+Neurology%22%5BJournal%5D)">Amyloid-β and tau complexity - towards improved biomarkers and targeted therapies.</a> Nature Reviews Neurology. 14 (1), 22-39 (2018).</li>
<li>Henneman, W. J. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hippocampal+atrophy+rates+in+Alzheimer+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Added+value+over+whole+brain+volume+measures%22%5BJournal%5D)">Hippocampal atrophy rates in Alzheimer disease.</a> Added value over whole brain volume measures. 72 (11), 999-1007 (2009).</li>
<li>Camicioli, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Parkinson%27s+disease+is+associated+with+hippocampal+atrophy%5BTitle%5D)+AND+%22Mov+Disord%22%5BJournal%5D)">Parkinson's disease is associated with hippocampal atrophy.</a> Mov Disord. 18 (7), 784-790 (2003).</li>
<li>Piatkevich, K. D., Murdock, M. H., Subach, F. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advances+in+Engineering+and+Application+of+Optogenetic+Indicators+for+Neuroscience%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Sciences%22%5BJournal%5D)">Advances in Engineering and Application of Optogenetic Indicators for Neuroscience.</a> Applied Sciences. 9 (3), 562(2019).</li>
<li>Piatkevich, K. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Population+imaging+of+neural+activity+in+awake+behaving+mice%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Population imaging of neural activity in awake behaving mice.</a> Nature. 574 (7778), 413-417 (2019).</li>
<li>Fan, L. Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((All-Optical+Electrophysiology+Reveals+the+Role+of+Lateral+Inhibition+in+Sensory+Processing+in+Cortical+Layer+1%5BTitle%5D)+AND+%22Cell%22%5BJournal%5D)">All-Optical Electrophysiology Reveals the Role of Lateral Inhibition in Sensory Processing in Cortical Layer 1.</a> Cell. 180 (3), 521-535 (2020).</li>
<li>Shemesh, O. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Precision+Calcium+Imaging+of+Dense+Neural+Populations+via+a+Cell-Body-Targeted+Calcium+Indicator%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Precision Calcium Imaging of Dense Neural Populations via a Cell-Body-Targeted Calcium Indicator.</a> Neuron. 107 (3), 470-486 (2020).</li>
<li>Villa, K. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Inhibitory+Synapses+Are+Repeatedly+Assembled+and+Removed+at+Persistent+Sites+In+Vivo%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Inhibitory Synapses Are Repeatedly Assembled and Removed at Persistent Sites In Vivo.</a> Neuron. 89 (4), 756-769 (2016).</li>
<li>Franklin, K. B. J., Paxinos, G. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aFranklin%2C+KBJ+%22Paxinos+and+Franklin%27s+The+mouse+brain+in+stereotaxic+coordinates%22">Paxinos and Franklin's The mouse brain in stereotaxic coordinates</a>. , (2013).</li>
<li>Mostany, R., Portera-Cailliau, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Craniotomy+Surgery+Procedure+for+Chronic+Brain+Imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">A Craniotomy Surgery Procedure for Chronic Brain Imaging.</a> Journal of Visualized Experiments. (12), e680(2008).</li>
<li>Subach, O. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Novel+Genetically+Encoded+Bright+Positive+Calcium+Indicator+NCaMP7+Based+on+the+mNeonGreen+Fluorescent+Protein%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Molecular+Sciences%22%5BJournal%5D)">Novel Genetically Encoded Bright Positive Calcium Indicator NCaMP7 Based on the mNeonGreen Fluorescent Protein.</a> International Journal of Molecular Sciences. 21 (5), 1644(2020).</li>
<li>Chen, T. -W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrasensitive+fluorescent+proteins+for+imaging+neuronal+activity%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Ultrasensitive fluorescent proteins for imaging neuronal activity.</a> Nature. 499 (7458), 295-300 (2013).</li>
<li>Kaifosh, P., Lovett-Barron, M., Turi, G. F., Reardon, T. R., Losonczy, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Septo-hippocampal+GABAergic+signaling+across+multiple+modalities+in+awake+mice%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Septo-hippocampal GABAergic signaling across multiple modalities in awake mice.</a> Nature Neuroscience. 16 (9), 1182-1184 (2013).</li>
<li>Dombeck, D. A., Harvey, C. D., Tian, L., Looger, L. L., Tank, D. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+imaging+of+hippocampal+place+cells+at+cellular+resolution+during+virtual+navigation%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Functional imaging of hippocampal place cells at cellular resolution during virtual navigation.</a> Nature Neuroscience. 13 (11), 1433-1440 (2010).</li>
<li>Kalmbach, A. S., Waters, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brain+surface+temperature+under+a+craniotomy%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Brain surface temperature under a craniotomy.</a> Journal of neurophysiology. 108 (11), 3138-3146 (2012).</li>
<li>Roche, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+imaging+with+a+water+immersion+objective+affects+brain+temperature%2C+blood+flow+and+oxygenation%5BTitle%5D)+AND+%22eLife%22%5BJournal%5D)">In vivo imaging with a water immersion objective affects brain temperature, blood flow and oxygenation.</a> eLife. 8, 47324(2019).</li>
<li>Watakabe, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparative+analyses+of+adeno-associated+viral+vector+serotypes+1%2C+2%2C+5%2C+8+and+9+in+marmoset%2C+mouse+and+macaque+cerebral+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroscience+Research%22%5BJournal%5D)">Comparative analyses of adeno-associated viral vector serotypes 1, 2, 5, 8 and 9 in marmoset, mouse and macaque cerebral cortex.</a> Neuroscience Research. 93, 144-157 (2015).</li>
<li>Castle, M. J., Turunen, H. T., Vandenberghe, L. H., Wolfe, J. H. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aCastle%2C+MJ+%22Gene+Therapy+for+Neurological+Disorders%3A+Methods+and+Protocols%22">Gene Therapy for Neurological Disorders: Methods and Protocols</a>. Manfredssonn, F. P. , Springer. New York. 133-149 (2016).</li>
<li>Basu, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gating+of+hippocampal+activity%2C+plasticity%2C+and+memory+by+entorhinal+cortex+long-range+inhibition%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Gating of hippocampal activity, plasticity, and memory by entorhinal cortex long-range inhibition.</a> Science. 351 (6269), (2016).</li>
<li>Yashiro, H., Nakahara, I., Funabiki, K., Riquimaroux, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-endoscopic+system+for+functional+assessment+of+neural+circuits+in+deep+brain+regions%3A+Simultaneous+optical+and+electrical+recordings+of+auditory+responses+in+mouse%27s+inferior+colliculus%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroscience+Research%22%5BJournal%5D)">Micro-endoscopic system for functional assessment of neural circuits in deep brain regions: Simultaneous optical and electrical recordings of auditory responses in mouse's inferior colliculus.</a> Neuroscience Research. 119, 61-69 (2017).</li>
<li>Attardo, A., Fitzgerald, J. E., Schnitzer, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impermanence+of+dendritic+spines+in+live+adult+CA1+hippocampus%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Impermanence of dendritic spines in live adult CA1 hippocampus.</a> Nature. 523 (7562), 592-596 (2015).</li>
<li>Mizrahi, A., Crowley, J. C., Shtoyerman, E., Katz, L. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-Resolution+In+Vivo+Imaging+of+Hippocampal+Dendrites+and+Spines%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">High-Resolution In Vivo Imaging of Hippocampal Dendrites and Spines.</a> The Journal of Neuroscience. 24 (13), 3147(2004).</li>
<li>Busche, M. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Critical+role+of+soluble+amyloid-%CE%B2+for+early+hippocampal+hyperactivity+in+a+mouse+model+of+Alzheimer%27s+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">Critical role of soluble amyloid-β for early hippocampal hyperactivity in a mouse model of Alzheimer's disease.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 109 (22), 8740(2012).</li>
<li>Attardo, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Long-Term+Consolidation+of+Ensemble+Neural+Plasticity+Patterns+in+Hippocampal+Area+CA1%5BTitle%5D)+AND+%22Cell+Reports%22%5BJournal%5D)">Long-Term Consolidation of Ensemble Neural Plasticity Patterns in Hippocampal Area CA1.</a> Cell Reports. 25 (3), 640-650 (2018).</li>
<li>Castello-Waldow, T. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hippocampal+neurons+with+stable+excitatory+connectivity+become+part+of+neuronal+representations%5BTitle%5D)+AND+%22PLOS+Biology%22%5BJournal%5D)">Hippocampal neurons with stable excitatory connectivity become part of neuronal representations.</a> PLOS Biology. 18 (11), 3000928(2020).</li>
</ol>

著者らは開示するものは何もない。

ここでは、マウスの振る舞いにおける海馬CA1領域の長期イメージング方法について説明する。この方法は、カスタムメイドのイメージングウィンドウの慢性移植に基づいており、対象ニューロンに直接ウイルスまたは薬物の標的投与を可能にする。本プロトコルは、4つの主要な部分から構成されています: i) イメージングインプラントの組み立て;ii) イメージングインプラントのインストール;iii) 画像移植によるウイルス注入;iv) マウスの動作における機能的イメージング。以下では、プロトコル、トラブルシューティング、変更、およびメソッドの制限の重要な手順について説明し、説明します。また、メソッドの重要性と、その代替アプリケーションの可能性についても説明します。
説明されたプロトコルには、手術を成功させるためにかなり重要ないくつかの重要なステップがあります: (i) 高品質のイメージングインプラントの調製;(ii) 無菌手術条件;(iii) 皮質の吸引;(iv)イメージングインプラントの正確な配置。(v) ウイルス注射.ステップ1.6が示すように、過剰なはんだ付けスズはより大きな頭蓋切除術を必要とし、したがって炎症のリスクを高める。また、ステップ1.11に示すように、カバーガラスをイメージングカニューレに固定する際に適切な量の粘着剤を使用することも非常に重要であり、不十分な量がイメージングカニューレへの脳脊髄液の漏出をもたらし、不透明になる可能性があるためです。一方、過剰な光学接着剤は、ガラス窓の透明性を低下させることがある。イメージングインプラントの汚染の可能性は、光学窓の下での結合組織の活性増殖および/または重度の炎症を引き起こし、実験の早期終了につながる。したがって、手術前の画像移植体の組み立ておよび準備は、外科的処置自体とほぼ同じくらい重要である。
手術中、頭蓋骨の下皮質の部分は穏やかな吸引によって失われ、必然的な出血をもたらす。外科部位の血液は、除去しなければならない脳組織の視認性を有意に低下させる。これは、組織アブレーションの必要な深さの正確な評価を複雑にします。組織の次の部分を除去するために吸引を適用する前に毎回PBSで外科部位の慎重な洗い流しは、深さのより良い制御を提供します。脳組織は、より多くの吸引を進める前に、アブレートされた組織の深さを確認するステップバイステップで常に小さな部分で除去する必要があります。吸引のより細い制御はまたより薄い鈍い針と達成することができる。26G針を使用することをお勧めしますが、直径26Gより小さい方が詰まりやすくなります。さらに、皮質、脳梁、海馬の色がマウスによって異なる可能性があるため、通常、各動物に必要な正確な吸引深度を決定するには多くの練習が必要です(図3)。
画像インプラントの挿入および固定は、海馬の後部表面にイメージングウィンドウの最も近い位置を確保するために非常に正確に行われるべきである。準備された頭蓋骨の大きさはインプラントと密接に一致し、重大な抵抗なしに挿入を可能にするべきである。同時に、適切な密封を確実にし、脳組織暴露を避けるために、頭蓋骨とインプラントの間に目に見えるギャップがあってはならない。穏やかで安定した圧力は、頭蓋骨への密閉中にインプラントの上部に適用されるべきです。インプラントの取り付けの間に画像の窓の下に血を持つことはほとんど避けられません。外科手術が適切に行われると、窓は3〜7日でクリアされ、脳血管構造がはっきりと見えるようになります。また、ウイルスがウィンドウの下に適切に注入されるようにすることも重要です。式に失敗した場合、ウイルスを複数回再注入することができます。
場合によっては、イメージング ウィンドウの視認性が低下する可能性があります。イメージング品質が低い理由はいくつかあります: i) 継続的な炎症;ii)ガラス上の結合組織の成長;iii)窓と海馬の間の大きなギャップ。炎症は通常、手術中の汚染によって、または適切に殺菌された画像化インプラントによって引き起こされる。手術前後に手術器具をオートクレーブし、手術の直前に手術領域を消毒し、手術中に清潔な個人用保護具を着用することをお勧めします。イメージングインプラントは、組み立て後に洗浄し、滅菌し、滅菌状態で保管する必要があります。画像移植のガラス上の結合組織の成長は、ガラスの表面の機械的汚染または皮質アブレーション中の脳組織の過度の外傷に起因する可能性がある。インプラントを組み立てた後、ガラス表面がきれいで滑らかであることを確認することが重要です。また、損傷した脳組織のすべての部分は、頭蓋切除術にイメージングインプラントを挿入する前に慎重に除去する必要があります。場合によっては、ガラス窓と海馬の間の隙間が脳脊髄液の蓄積をもたらし、イメージングの質を低下させる。したがって、インプラントの設置中に、海馬とガラス窓の間の良好な接触を確保するために、すべての方法を挿入することが重要です。場合によっては、不透明な画像化ウィンドウの正確な理由を特定することが困難である。我々は、光学窓の下の状態を明らかにし、それに応じてその後の手術を調整するために事後分析を行うことを提案する。
この方法には、インビボイメージングの前および中に考慮すべきいくつかの基本的および技術的な制限があります。主な制限の1つは皮質アブレーションです。視覚および感覚皮質の一部は外科の間取除かれる。皮質切除の影響を正確に評価することは困難であるが、除去された脳組織が海馬に直接投影されないので、いくつかの研究は海馬依存性学習または他の関連する海馬機能15、16の顕著な障害を示さなかった。特に高NA対物レンズを使用する場合は、光学的制限も考慮する必要があります。例えば、この研究では、1.75mmの長いカニューレを1.9mm内径で使用しました。このカニューレの幾何学は、NA以上の空気目的の完全なNAを保持しません〜0.5以上またはNA以上の水の目的は、光の一部をクリップします。脳イメージングインプラントに共通するもう一つの制限は、脳の一部が露出し、したがって熱損失17、18を促進する。しかし、温かい緩衝液の灌流によって画像化の間に生理的な脳温度を容易に回復させることができる。
説明方法は、他のアプリケーションに対して容易に変更または調整することができる。例えば、この調製物は、線条体7の撮像に適応することができる。線条体は海馬よりもわずかに深く置かれるので、イメージング用インプラントを組み立てるのに長いイメージングカニューレを使用する必要があります。2.0 mmイメージングカニューレを使用することをお勧めします。頭蓋骨の座標は、対応して調整する必要があります(AP:+0.8 mm、ML:−1.8 mm)。また、注入カニューレによるウイルス注入は、AAV血清型を使用する場合にニューロンの薄層におけるトランスジーンの発現を達成することを可能にする19,20。これは、より深い層からの焦点外蛍光が減少し、その結果、単一細胞分解能イメージングの改善による1光子イメージングに特に有益です。さらに、注射カニューレは、FOV内のニューロンに直接薬物または他の化学物質を直接投与するための機能的なイメージング中に使用することもできる(図5B)。全体的な注入カニューレは、イメージングインプラントに有用な機能を追加し、標的ウイルス発現によるイメージング品質を向上させ、FOVにおけるニューロンの薬理学的刺激を可能にする。使用されるヘッドプレートは、トレッドミル上で動物を積極的に動かす場合でも、動きアーティファクトを最小限に抑える画像インプラントの異常な安定性を提供します。ヘッドプレートは小さくて軽く、動物に対する不快感を最小限に抑え、設置後数ヶ月間安定しています。イメージングインプラントは、マルチフォトンイメージング15、16、21と互換性があり、マイクロ内視鏡22、23と組み合わせることができます。同様のイメージングインプラントは、ラジウムラジウム、ラクノース層、およびデンテート回16、24、25、26、27を含む、より深い海馬構造の多光子イメージングにも使用された。しかし、注入カニューレを介してAAVでより深い海馬構造を標的にすることは、AAV血清型および容積19のさらなる最適化を必要とするかもしれない。
我々は、記載されたプロトコルは、単純で手頃な価格の1光子イメージングセットアップを使用して、マウスを振る舞う海馬の高い時空間分解能を持つ神経活動を調査することを目的とした研究を容易にすると考えている。

海馬は、学習と記憶1だけでなく、空間ナビゲーション2を担当する重要な脳領域です。海馬萎縮は、記憶喪失と認知機能低下を伴う神経学的および精神障害に関連する3、4、5。マウスでは、海馬は、空間的、文脈的、および連想的学習および記憶形成を細胞レベル4,5で研究するための非常に確立されたモデルである。学習と記憶の機械学的研究では、マウスの動作における神経構造と機能の縦方向の尋問が必要です。遺伝子組み換えプローブ6と組み合わせた蛍光イメージングは、膜電圧ダイナミクス7、8、カルシウム過渡性9、および神経細胞の大きなサブセットに対する構造変化を極力重要な状態で記録する前例のない機能を提供する。しかし、マウスの海馬への光学的アクセスは皮質によって妨げられ、厚さは1mmを超える可能性がある。ここでは、マウスの動作中の裏海馬のCA1亜領域への長期的な光学アクセスのために、カスタムメイドの画像化装置とその慢性移植をマウスヘッドに組み立てる手順を説明した。画像インプラントに統合された注入カニューレは、視野のニューロンに直接ウイルスまたは薬物を投与することを可能にする。広視野顕微鏡と組み合わせて説明した調製は、長期間にわたってマウスを振る舞うニューロンの大きなサブセットの再的イメージングを可能にする。我々は、単一細胞分解能における神経活動記録のための組換えアデノ関連ウイルス(rAAV)の標的注入を介して海馬CA1領域のカルシウムおよび電圧遺伝的にコードされた指標を発現させるためにこの調製を利用した。また、行動する動物の高い時空間的分解能で、対応するニューロンサブセットの縦方向のカルシウムイメージングを行った。さらに、この調製物は多光子顕微鏡および顕微鏡検査と互換性があり、このように、マウスの行動中の細胞および細胞内レベルでニューロンネットワークを研究するためのイメージング技術のツールボックスをさらに拡大する。プロトコルの重要な手順とトラブルシューティングについて説明しました。また、この方法の落とし穴と限界についても説明しました。

<table><tbody><tr><td>カバーガラス</td><td>Deckgl&auml;</td><td>ser72296-03</td><td></td></tr><tr><td>義歯&nbsp;ベース樹脂</td><td>上海ニューセンタリー デンテル マテリアル</td><td>N/A</td><td>タイプ I、自己固化</td></tr><tr><td>ダミー カニューレ</td><td>RWD ライフサイエンス株式会社</td><td>62102</td><td>OD 0.30mm</td></tr><tr><td>ガイド カニューレ</td><td>RWD ライフサイエンス株式会社</td><td>62003</td><td>26G</td></tr><tr><td>ヘッドフォーク</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>カスタムメイド</td></tr><tr><td>ヘッドプレート</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>カスタムメイド</td></tr><tr><td>イメージングカニューレ</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>カスタムメイド;OD 3mm、ID 2.7mm、高さ1.8mm、#108ステンレス鋼</td></tr><tr><td>内部カニューレ</td><td>RWD Life Science Co.、LTD</td><td>62203</td><td>&nbsp;0.30*0.14 (外径*内径, mm)</td></tr><tr><td>Kwik SIL</td><td>World Precision Instruments</td><td>KWIK-SIL</td><td></td></tr><tr><td>SuperBond C&B</td><td>サンメディカル</td><td>N/A</td><td>スーパーボンド C&Bキット</td></tr><tr><td>トレッドミルキット</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>カスタムメイド</td></tr><tr><td>UV硬化型接着剤</td><td>ノーランド製品</td><td>NOA 60</td><td></td></tr></tbody></table>

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

Craniotomy Procedure for Visualizing Neuronal Activities in Hippocampus of Behaving Mice

目覚めの行動動物における単細胞分解能におけるニューロン活動のイメージングは、システム神経科学における神経回路機能の研究にとって非常に強力なアプローチである。しかし、哺乳類組織における高い吸光度および散乱光は、主に脳内イメージングを表面的な脳領域に制限し、海馬などの深部脳領域は光学顕微鏡の手の届かないところに残っている。このビデオでは、ヘッド固定振る舞いマウスにおける眼海馬CA1領域の慢性in vivo イメージングを可能にするカスタムメイド画像ウィンドウの準備と移植を示す。カスタムメイドのウィンドウは、画像領域へのウイルスベクターおよび薬物の標的送達を可能にする注入カニューレで補われる。この調製物と広視野イメージングを組み合わせることで、数週間にわたってマウスを行動させるニューロンの大きなサブセットからの蛍光カルシウム指標を用いて、神経活動の長期的な記録を行った。また、この単一スパイク分解能による電圧イメージングの適用性も実証しました。ニューロン活性と科学的CMOSカメラの高性能遺伝的にコードされた指標は、高い時間分解能で単一ニューロンの細胞下形態学的詳細の繰り返し可視化を可能にした。また、説明した方法の利点と潜在的な制限、およびその他のイメージング技術との互換性についても説明します。

遺伝子でコード化されたカルシウムインジケーターを用いた神経活動のインビボイメージング平均して、十分なレベルの遺伝子導入発現が達成されれば、インビボイメージングは移植後3〜4週間開始する。この時までに、脳浮腫と出血は通常完全に解決され、脳血管構造は光学窓を通して容易に観察することができる。ここでは、蛍光広視野顕微鏡下でマウスを振る舞う後海馬CA1領域における神経活動の繰り返し記録を行う製剤を利用した。神経活動を記録するために、GCaMP6s14と同様のカルシウム感受性および時間分解能を示す明るい遺伝子でコード化されたカルシウム指標NCaMP713を用いた。海馬中のNCaMP7指標を発現させるために、注入カニューレを用いてrAAV/DJ-CAG-NCaMP7ウイルスを注入し、注射後14日で経度イメージングを開始した。ニューロン活動を記録するために、10x NA 0.3エア対物レンズと浜松オルカフュージョンsCMOSカメラを使用し、最大100Hz周波数で〜1.5x1.5mmのFOVでイメージングを可能にしました。緑色蛍光は、標準GFPフィルタセットを用いて市販の470nm LEDで励起された。緑色のチャネルで得られるイメージングの平均深さは約50〜120μmで、主に地層オリエンと角錐体での神経活動の記録が可能です。近赤外線チャネルのイメージング深さは、海馬8のより深い層に到達するために最大200 μmであることができます。1FOV当たりの平均記録時間は6〜12分であったが、NCaMP7が極めて高い光毒性を有し、検出可能な光毒性が認められなかったため、撮影セッションが非常に長く可能である(図6)。
<img alt="蛍光顕微鏡、ニューロン活動図、カルシウムシグナルグラフ、ニューロン解析を紹介。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62266/62266fig06.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 6"> 図6:緑色蛍光を用いた海馬ニューロンにおける神経活動の記録を、遺伝子組み換えカルシウム指標に遺伝子でコードした緑色蛍光を用いたものである。(B)Aに示された単一のニューロンに対応する15のROIを、記録全体の標準偏差投影を用いて選択した。(C)B. (D) C. スケールバーに示す対応するカラーボックスに示されている2つのカルシウムトレースの代表的なズームインビューである、<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62266/62266fig06large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
蛍光痕を得るために、ニューロンソマに対応する対象領域(ROI)を手動でセグメント化し、ImageJソフトウェアによって分析した。画像解析のモーション補正の前に、取得したデータセットは画像移植の安定性が高いためモーションアーチファクトを示さなかったため、起床動物の一般的な記録後の手順は必要とされませんでした。目を覚ますマウスの海馬からの神経活動の代表的な単一試験光学記録を 図6に示す。神経細胞のソマに対応する15 ROIを 、図6Bに示す同じFOVから手動で選択し、各ROI内の単回蛍光トレースを 図6Cに示す。 図6D は、2つの異なるROIからの蛍光トレースの2つの代表的な部分を示しています。同じFOVに対して3日間間隔で4回連続イメージングセッションを実施しました。少なくとも2週間、特定のFOVで同じニューロンを同定して画像化することができました(この研究では長いイメージングセッションが行われなかったが、以前は7匹のマウスで最大6ヶ月間のイメージング研究に同じ製剤が使用されてきた。 図 7)。本研究では、ウイルス送達21日後でも対象遺伝子の強い発現を駆動していたAAV/DJ-CAGベクターを用いた(補足図1)。連続発現は、蛍光の背景の増加とカルシウム指標を発現する新しいニューロンの出現による同じニューロンの長期同定を複雑にした。したがって、同じニューロンのサブセットの縦方向イメージングが必要な場合、標的遺伝子発現を駆動するAAV血清型およびプロモーターの選択は、特に実験計画中の重要な考慮事項の1つであるべきである。画像の質は近位の樹状突起を解決し、血管を視覚化することを許した。
<img alt="顕微鏡蛍光画像チャートは、25〜34日目の経時的な細胞増殖をマーカーで示します。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62266/62266fig07v2.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 7"> 図7:海馬領域からの4つの異なるFOVの画像配列を12日間にわたって追跡した。 動物は0日目に窓を埋め込み、7日目にrAAV/DJ-CAG-NCaMP7ウイルスを注射された。矢印は、FOV内で追跡されたニューロンを示します。スケールバー:80 μm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62266/62266fig07large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
遺伝子組み換え電圧センサを用いた神経活動のインビボイメージング 本研究では、新しい遺伝的にコード化された電圧センサSomArchon7を用いて、7,8の挙動動物における単細胞単一スパイク分解能による電圧イメージングを可能にした。SomArchonを表現するために、注入カニューレを用いてrAAV/DJ-CAG-SomArchonウイルスを注入し、注射後数日後にヘッド固定動作マウスで電圧イメージングを行いました。ニューロン活動を記録するために、40x NA 0.8対物レンズと浜松オルカフュージョンsCMOSカメラを使用して、最大830Hzの取得速度で150x40 μmのFOVを画像化することができました。スペクトルの可視範囲で発現の可視化を容易にするためにSomArchonの一部が構築するGFPタンパク質は、緑色のチャネル(470/20 nmのLED励起、放出525/50nm)で容易に画像化され、電圧イメージングに関心のある細胞を見つけることができます。光学電圧記録は、830 Hz取得速度で4 x 4ビニングを用いて、近赤外チャネル(3.4 W/mm2で637nmのレーザー励起、発光665 nmロングパス)で行われました。1アクションポテンシャル7の平均SNRを有する目覚醒マウスにおける海馬ニューロンの自発的な活動を記録した(図8)。 
<img alt="S/N比グラフによる顕微鏡画像で、神経活動の時間分解能を解析します。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62266/62266fig08.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 8"> 図8:近赤外蛍光を用いた海馬ニューロンにおける神経活動の記録を、遺伝子組み換え電圧指標SomArchonに近赤外蛍光を用いた。(A)近赤外線チャネルで広視野蛍光顕微鏡下で画像化された選択されたFOV。(B)A. ( C ) B. Scale バーに示す対応するボックス内の電圧トレースの代表的なズームインビューである A. (C)この<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62266/62266fig08large.jpg" target="_blank">図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
組織学 機能的イメージング研究が行われた後、死後の分析を使用して、インプラントの正しい配置、ウイルス発現の領域、および画像化されたニューロンにおける関心のあるタンパク質の局在化を確認します。ウイルス発現および移植片の配置の組織学的検証のために、PFA固定脳のコロナ切片を蛍光広視野顕微鏡下で調べた(図9A、C)。 共焦点顕微鏡は、カルシウムインジケーターを発現する個々のニューロンの高解像度画像と電圧指標(図9B、D)を取得するために使用した。DAPI染色は、脳スライスの全体的な形態を可視化するために使用された。さらに、脳スライスは、免疫体系化学を用いて評価し、窓の移植およびウイルス発現によって引き起こされるアストログリオーシスまたは神経膠症を検証することができる。我々の以前の研究は、手順が顕著なgliosis7を誘導しなかったことを実証した。
<img alt="脳スライス顕微鏡検査;光学窓のセットアップ;蛍光ニューロンイメージング;神経解剖学的分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62266/62266fig09.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 9"> 図9:光学窓位置およびウイルス発現の組織学的検証を行う。(A)NCaMP発現マウスからの光学窓の配置を示すコロナセクション脳スライスの代表的な蛍光画像である。スケールバー: 1 mm. (B) NCaMP7指標を発現するニューロンの代表的な共焦点画像。スケールバー:25μm(C)ソムアルコン発現マウスからの光学窓の配置を示すコロナセクション脳スライスの代表的な蛍光画像。スケールバー: 1 mm. (D) SomArchon 指標を発現するニューロンの代表的な共焦点画像。スケールバー:25 μm.<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62266/62266fig09large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
補足図1: 発現時間と共に相対的な蛍光強度の定量分析<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62266/Supplementary%20Figure%201.pdf" target="_blank">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>

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。

Imaging neuronal activities at single-cell resolution in awake behaving animals is a very powerful approach for the investigation of neural circuit ...

ねえ、みんな、私の名前はワン・ヤンドンで、私はウェストレイク大学のキリル・ピアトケビッチ分子バイオエンジニアリングラボの出身です。今日は、インビボのマウスで海馬の神経活動をイメージングする手順を紹介します。溶接機の電源を入れ、必要な温度まで加熱します。図に示すように、画像カニューレと注入カニューレの位置を、ヘルプハンドで調整します。注射器を針で使用し、イメージングと注入カニューレの間の接続スポットに少量の適切なフラックスを5秒間塗布し、液滴を取り除きます。はんだ付けスズをマウントし、フラックスで処理された接続スポットに適用します。それは手術中に作るために不必要な大きな頭蓋を必要とするので、余分なはんだ付けスズを避けてください。はんだ付けスズが冷めるのを待ちます。通常、数秒かかります。ダミーカニューレを両方向に挿入して、射出カニューレがブロックされないことを確認します。爪楊枝または26ゲージの注射針を使用して、撮像カニューレの底面にUV硬化光学接着剤を塗布します。ファイントゥイザーを使用して、画像カニューレに対応するサイズのカバーガラスを慎重に配置します。標準的なハンドヘルドUVランプからのUV照明によって少なくとも1時間接着剤を治す。IACUC承認手順に従ってイオブルランでマウスを麻酔します。手術用加熱パッドの上にステレオタキシックフレームにマウスを置きます。耳の棒で頭を固定します。頭を少し押して、頭がしっかりと固定されていることを確認します。眼軟膏を塗布して、手術中に動物の目が乾燥するのを防ぎます。トリマーまたは脱毛クリームを使用して、目まで首の後ろから毛皮を取り除きます。子宮切開を行う前に、ベタジンとそれに続いて70%エタノールを3回投与して外科部位を殺菌する。頭蓋骨の上部の皮膚を取り除き、頭の基底の周りに水平カットから始まり、続いて眼球方向に2つのカットが続き、まぶたにほとんど達します。その後、正中線で収束する2つの斜めのカット。2つの無菌綿棒で、接続組織を引き込むだけでなく、首の後ろの筋肉を頭蓋骨の縁に引き込みます。過度の痛みを避けるために、ペリオスの表面に2分間リドカイン溶液を滴下します。スカルの露出した領域全体をメスで静かに削り取り、乾燥した粗い表面を作り出します。針の先端を Lambda に配置して、AP 座標が 0 であるかどうかを確認し、ヘッドの位置が垂直かどうか、および ML 座標がゼロかどうかを確認して、ヘッドが水平に配置されていることを確認します。ない場合は、AP と ML 座標の両方が 0.1 ミリメートル以内になるまで、ステレオタックス ステーションの対応するノブを調整します。針の先端を動かして頭蓋骨切り出し術の対応する点を見つけ、細かいマーカーを使用して頭蓋骨の位置をマークします。4 つのマークされた点に基づいて円を描き、円のカニューレ側の射出カニューレ領域の輪郭を描きます。1分間に10,000ラウンドの速度で空気圧ドリルを使用して、頭蓋骨にマークされた輪郭に沿って穏やかにドリルします。骨の非常に薄い層が残るまで頭蓋骨を掘削し、通常は中央の穏やかなタッチの下で揺れ始めます。滅菌PBSの滴を頭蓋骨摘みの中心に塗布する。非常に薄い先端の鉗子または2つの26ゲージの針が反対側からそれに近づいていると頭蓋骨から骨のフラップを持ち上げます。PBSに続いて穏やかな願望を適用し、26ゲージの鈍い針を数回通して硬膜の表面をきれいにする。海馬の上のコーパスカロサムと同様に皮質をアブラプに穏やかな吸引を適用します。皮質はコーパスカロサムよりも黄色いことが多い。そして、コーパスカロサムは、通常、海馬よりも広いです.また、コーパス・カロサムは、上から観察すると垂直および水平方向に行く神経線維によって識別するのは本当に簡単です。この時点での出血は、頭蓋切り出しにおける脳組織の視認性に影響を与える。PBSを適用し、続いて穏やかな吸引を行い、血液を取り除くために皮質を吸引している間、コーパス・カロサムは図に模式的に示すように白い繊維の方向によって認識することができる。円運動で穏やかな吸引を施すことで、層によってコーパス・カロサム繊維層を除去します。PBSは、露出した脳組織の上に蓄積された血液を取り除くために常に適用されます。インプラントを静かに頭蓋骨の骨組に挿入します。L字針でインプラントの上にしっかりと押し付け、インプラントの光学窓を海馬の露出面にできるだけ近づけます。インプラントの周りの傷跡にPBSを繰り返し塗布し、続いて吸引してインプラント挿入中に血液をできるだけ除去する。インプラントと頭蓋骨の間にクイックシールの薄い層を適用して、歯科用セメントが頭蓋骨の下に浸透するのを防ぎます。クイックシールが硬化したら、頭蓋骨の表面、クイックシールの表面、インプラントの表面に均等にスーパーボンドを塗布します。スーパーボンドが硬化したら、スーパーボンド以上の入れ歯ベース樹脂を塗布し、手術開始時に行った切開部の周りの皮膚を塗布します。入れ歯ベース樹脂を硬化させた後、インプラントの周りの樹脂の上にヘッドプレートを置き、イメージングカニューレで濃縮します。ヘッドプレートの周りと上に入れ歯ベース樹脂を塗布して、その位置を固定します。数分間治しましょう。撮像窓へのアクセスが対物レンズであることを確実にするために、カニューレの周りに厚いセメント層を構築しないでください。入れ歯ベース樹脂を希釈して粘度を下げ、アプリケータで手が届きにくい空洞を満たします。断熱したゴムテープを窓の上にそっと置き、窓を動物のバンディングによる汚染から守ります。高速グリーン染料ストック溶液を追加して、PCRチューブで1~9の比で所望の塊に希釈します。600ナノリットルのウイルス溶液を取り出し、ダミーカニューレを取り除き、内部カニューレを注射注射器に挿入してガイドカニューレに挿入します。1分あたり15ナノリットルの速度でウイルスを注入し、合計で10分間。ウイルスが窓の下に広がるように、内部カニューレを10分間接続し続けます。ガイドカニューレから内側のカニューレをそっと取り出し、ダミーカニューレで再現します。マウスを4%イオブルランで数分間誘導する。ヘッドプレートをヘッドフォークに固定し、ヘッドフォークをトレッドミルに固定します。低倍率対物レンズを使用して、機能的イメージング用のフィルタビューに最適なビューを見つけます。次に、より高い対物レンズに切り替えて、単一細胞の解像度でニューロンの活動を記録します。カルシウムイメージングの場合、グリーン蛍光は、標準GFPフィルターセンスを使用して市販の470ナノメートルLEDによって励起された。蛍光痕を得るために、対象となる領域は、ニューロン細胞質量に対応し、手動でセグメント化し、ImageJソフトウェアによって分析した。40 Xレンズを用いた電圧撮像については、830ヘルツ取得速度で近赤外チャンネルで光学電圧記録を行った。自発的な神経活動の記録は25,000フレームまで続いた。ここでは、マウスの振る舞いにおけるA1領域としての海馬の長期イメージング方法について説明する。この方法は、慢性移植に基づいています。今、カスタムメイドのイメージングウィンドウは、また、対象ニューロンに直接ウイルスや薬物の標的管理を可能にします。我々は、記載されたプロトコルが、シンプルで手頃な価格の1光子イメージングセットアップを使用して、マウスを振る舞う海馬における高い空間的時間分解能を有する神経活動の調査を容易にする研究を促進すると考えている。

craniotomy-procedure-for-visualizing-neuronal-activities-hippocampus

Research

JoVE Journal

Neuroscience

神経科学

このビデオとプロトコルは、げっ歯類のガラスで覆われた頭蓋窓を移植する方法を示します。これらの製剤は、数ヶ月の時間スケール上の新皮質のin...

慢性脳イメージングのための開頭手術の手順

私たちは、ニューロンのCA1-CA3配列を保持するインビトロ折り畳まれていない海馬を開発した。貫​​通微小電極アレイと組み合わせて、神経活動は、長手方向および横方向の向きでモニターすることができる。全体の海馬での伝搬を同時に記録することができますように、この方法は、海馬スライス標本上の利点を提供する。...

地中マイクロ電極アレイと非折り畳み海馬準備神経活動の伝播

このプロトコルは、マウス大脳皮質の時間と頭頂領域の上に大規模な一方的な開頭手術を作成するための方法を提示しています。これは、皮質半球の広大な面積でリアルタイムイメージングのために特に便利です。...

脳活動のメソスケール広視野光学イメージングのために大きな横開頭術手順

多光子イメージングは組織表面からの限られた深さでしか効果がありませんが、pCLEを介して任意の深さで3μm分解能のイメージングを達成することが可能です。ここでは、発作性マウスと野生型マウスの海馬の微小血管動態を測定するためのpCLEイメージングを実施するためのプロトコルを提示します。...

覚醒マウスの海馬毛細血管の In Vivo ファイバー結合前臨床共焦点レーザー走査内顕微鏡 (pCLE)

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

この方法は、生きているマウスの海馬への光学的アクセスを可能にする慢性的な調製を記述する。この調製は、数週間の期間にわたって神経構造可塑性および活性誘発細胞可塑性の縦方向光学イメージングを行うために使用することができる。...

生きたマウスにおける後部海馬CA1の縦方向2光子イメージング

我々は、長手方向海馬脳スライスの記録と刺激電極を使用し、生体内の背中海馬における縦方向に位置決めされた記録および刺激電極を用いて、細胞外のポストシナプスの可能性を呼び起こし、実証した。縦方向の中間ラメラCA1に沿った長期シナプス可塑性。...

電気生理学的フィールド記録によるインターラメラ海馬CA1における長期シナプス可塑性の調査

現在のプロトコルは、海馬への腹側テグメンタル領域(VTA)グルタミン酸突起をトレースするための簡単な方法を示しています。VTAグルタミン酸ニューロンの光刺激をCA1記録と組み合わせて、VTAグルタミン酸末端が生体内での推定ピラミッド発火率を調節する方法を示した。...

海馬の腹側テグメンタル領域グルタミン酸末端のインビボ解剖学的および機能的なトレース

マウスの下-中間海馬からの急性スライスを調製するためのプロトコルを提示する。この横断的な準備を、記録の質と記録されたニューロンの形態学的特徴の保存の観点からコロナスライスと比較する。...

成体マウスのデンテート・ジラスにおける全細胞記録と神経再建のための、逆海馬からの急性スライスの作製

本稿では、精密制御手術と二光子顕微鏡を用いて、マウス海馬CA1の静止ミクログリアをin vivo...

インビボ マウス海馬におけるミクログリアの慢性二光子イメージング

ここでは、ラットとマウスの高密度微小皮質電位法(μEcoG)記録のための2つのプロトコル(外科手術、移植、記録方法を含む)を紹介します。μECoG記録は、ラット聴覚皮質における層流ポリトロード記録、またはマウス体性感覚皮質における神経活動の光遺伝学的操作と組み合わせて行われます。...

げっ歯類における層流ポリトロードと光遺伝学とマイクロ皮質電図法の統合による皮質処理のマルチスケール研究

学ぶ マウスの海馬CA1領域における神経活動の長期的なin vivoイメージング法。カスタムイメージングウィンドウとカニューレを用いて、行動中のマウスの深部脳構造での高解像度カルシウム・電位イメージングを実現します。

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

さらに動画を探す