匂いプルームをナビゲートするマウスの海馬でのカルシウム信号を記録するミニスコープ
2024年9月20日
このプロトコルは、匂いプルームをナビゲートするマウスの海馬CA1の脳と行動の関係を調査します。海馬のイメージングにアクセスするための手術、行動トレーニング、脳のミニスコープGCaMP6fの記録と処理、ROI神経活動からマウスの位置を解読するための行動データなど、段階的なプロトコルを提供します。
私の研究は、脳が嗅覚情報や空間情報をどのように処理しているかを理解することを目的としています。そして、匂いプルームのナビゲーションにおける海馬CA1ニューロンの役割を理解しようとしています。現在、小型顕微鏡で神経細胞を自在に運動させる記録技術が、この分野の研究を進める上で活用されています。
その結果、マウスが匂いプルームをナビゲートする軌跡を、背側CA1のニューロンとカルシウムシグナルに基づいて解読できることを発見しました。この技術は、GCaMPカルシウム信号を記録するためのミニスコープ技術の利点と、確立されたCA1海馬空間ナビゲーションの列を組み合わせたものです。神経回路が複雑な行動をどのように駆動するかをよりよく理解するために、CA1海馬機能に異常があるアルツハイマー病のマウスモデルにおいて、匂いプルームナビゲーションがどのように損なわれているかを調査します。
まず、2つのアクリル壁、アクリル天井、および広く拡張されたポリ塩化ビニル床を備えたチャンバーを構築します。前面と背面にある他の2つのユニークな壁は、空気の流れを促進する必要があります。4セットの臭気源と送水口を組み合わせて、X軸に沿って10cm離して配置します。
アリーナの上に高速デジタルカメラを設置して、動物の行動を監視します。カスタムPythonコードを使用して臭気アリーナハードウェアを管理し、ソフトウェアはカメラと実験を設定するためのすべてのハードウェアを統合します。ミニスコープとの事後同期のためにビデオフレームを記録するときにクロック信号をエクスポートするようにデジタルカメラを設定します。
高速応答の小型光イオン化検出器(PID)を臭気源の近くに置き、もう1つを10cm離して配置します。PIDコントローラーのフロントパネルにあるゲインスイッチをX5の位置に変更します。次に、PIDコントローラーのフロントパネルにあるポンプスイッチを高い位置に変更します。
コントローラーのフロントパネルにある発光ダイオードまたはLEDステータスライトをチェックして、センサー出力がゼロを示していることを確認してくださいtage臭気物質がない場合。ポテンショメータのオフセットをゼロに切り替え、臭気物質がない場合の電圧出力、および臭気アリーナの臭気バルブをオンにします。バルブを開いた後、各位置のPIDで臭気プルームを検出する遅延を測定します。
まず、実験用のチャンバー、カメラ、光イオン化検出器(PIDセンサー)をセットアップします。マウスをトレーニングするには、アリーナの後ろに移動するように促します。マウスが後ろに到達したら、手動で臭いと水をランダムなレーンに配信し、マウスに発生源を見つけて水を飲ませます。
マウスが試験の開始を学習したら、臭気配信の自動化ソフトウェアに切り替えます。2レーンの臭気ナビゲーションタスクでは、2つの臭気ポートのうち1つをランダムに選択して臭気を配信します。そして、マウスが正しい水の注ぎ口に達したら、マウスに水を与え、ヘッドでマウスを固定し、マイクロマニピュレーターを使用してミニスコープをベースプレートの上に置きます。
止めネジを締めてミニスコープを固定します。エレクトロウェッティングレンズを調整して最適な焦点面を見つけ、蛍光強度が最も高い細胞の最大数を確保します。最適なダイナミックレンジを得るには、背側CA1を使用し、GCaMP six-Fマウス1匹をつないで、ミニスコープの電力を30ヘルツの捕捉速度で約30%に設定します。
ベースプレートに取り付けられたミニスコープで、マウスを臭気アリーナ内で放します。インターフェースボードで取得を開始し、トランジスタ-トランジスタロジック、またはデジタルカメラのTTL出力、および同期用のミニスコープを記録します。ミニスコープと行動動画の録画を開始し、2つの注ぎ口の臭いナビゲーションタスクの自動ソフトウェアをオンにします。
次に、MATLAB コード (synchronize_files_jove.m) を使用して、臭気アリーナのメタデータ、記録されたデジタル カメラ フレーム、ミニ スコープ フレームを同期します。ノルム補正を使用して、同期したミニスコープフレームのモーション補正を行います。抽出を使用して、F×Fのゼロ信号で時間的に変化する関心領域を特定します。
ビヘイビアアンサンブルとニューラルトラジェクトリオブザーバトリーを使用して、各試行の挙動と関心領域を視覚化します。臭気プルームの放出により、PID応答が有意に増加し、臭気の供給のタイミングが示されました。マウスの背側CA1では、匂いナビゲーション中に複数のカルシウム過渡現象が観察され、匂いおよび水分報酬イベントと相関していました。
カルシウム反応は、試験開始、意思決定、帰還など、ナビゲーションタスクのさまざまな段階と関連していました。カルシウムシグナルからマウスの空間軌跡を解読し、匂いと空間情報のマッピングにおける背側CA1の役割を明らかにしました。
概要
この研究は、マウスが臭気の流れを航行する際の海馬CA1領域における脳行動関係を調査します。行動トレーニングとミニスコープGCaMP6f記録の組み合わせを使用して、この研究は海馬ニューロンがどのように嗅覚および空間情報を処理するか、特にアルツハイマー病との関係で解読することを目指しています。
研究の主要な構成要素
科学の分野
- 神経科学
- 行動神経科学
- イメージング技術
背景
- 神経回路が複雑な行動をどのように促進するかの理解。
- 空間ナビゲーションと嗅覚処理における海馬CA1ニューロンの役割。
- アルツハイマー病が海馬機能性に与える影響。
- 生体内ニューロン記録のためのミニスコープ技術の使用。
研究目的
- CA1海馬ニューロンが臭気航行行動にどのように寄与するかを調査すること。
- アルツハイマー病のマウスモデルにおいてこれらの行動がどのように変化するかを調べること。
- 高度なイメージング技術を使用してニューロン活動と行動を関連付けること。
使用した方法
- 臭気航行タスク中の背側CA1ニューロンのミニスコープ記録。
- 行動トレーニングとテストのためのアルツハイマー病のマウスモデル。
- 臭気の流れ航行用に設計されたチャンバーが含まれます。
- 臭気送達と行動モニタリングのための自動化ソフトウェア。
- データ分析のためのビデオとニューロン記録の同期。
主要な結果
- 臭気航行中の行動イベントと相関するニューロン活動。
- 背側CA1で観察されたカルシウム遷移が航行タスクの様々な段階と関連している。
- CA1カルシウムシグナルに基づいてマウスの空間軌道を解読する能力。
- この研究は嗅覚および空間処理の神経メカニズムに関する重要な洞察を明らかにしました。
結論
- この研究は、航行と臭気処理における海馬機能の理解を深めます。
- 結果は、アルツハイマー病モデルにおけるこれらの機能の障害に関する洞察に貢献します。
- 複雑な行動に関連するニューロン機能を探求する上でのミニスコープ技術の有用性を強調します。
よくある質問
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
