본 프로토콜은 자유롭게 움직이는 마우스에서 숙련 된 운동 거동의 성능에 관여하는 신경 회로를 특성화하기 위해 단일 펠릿 도달 - 투 - 파악 작업에서 고속 비디오 그래피와 결합 된 무선 광유전학을 사용하는 방법을 설명합니다.
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본 프로토콜은 자유롭게 움직이는 마우스에서 숙련 된 운동 거동의 성능에 관여하는 신경 회로를 특성화하기 위해 단일 펠릿 도달 - 투 - 파악 작업에서 고속 비디오 그래피와 결합 된 무선 광유전학을 사용하는 방법을 설명합니다.
미세 운동 기술은 일상 생활에서 필수적이며 여러 신경계 장애에서 손상 될 수 있습니다. 이러한 작업의 획득 및 수행에는 감각 - 모터 통합이 필요하며 양측 뇌 회로의 정확한 제어가 필요합니다. 동물 모델에서 단수동 행동 패러다임을 구현하면 작업 수행 중에 제어 조건 및 질병에서 특정 핵의 신경 활동을 조작하고 기록 할 수 있으므로 복잡한 운동 행동에 선조체와 같은 뇌 구조의 기여에 대한 이해가 향상됩니다.
그것의 창조 이래로, 광유전학은 신경 세포의 선택적이고 표적화 된 활성화 또는 억제를 가능하게함으로써 뇌를 심문하는 지배적 인 도구였습니다. 광유전학과 행동 분석의 결합은 특정 뇌 기능의 기본 메커니즘에 대해 밝힙니다. 소형화된 발광 다이오드(LED)를 갖춘 무선 헤드 마운트 시스템은 완전히 자유롭게 움직이는 동물에서 원격 광유전학적 제어를 가능하게 합니다. 이것은 유선 시스템이 발광 효율을 손상시키지 않으면서 동물의 행동에 덜 제한적이라는 한계를 피할 수 있습니다. 현재의 프로토콜은 무선 광유전학 접근법과 고속 비디오 그래피를 단일 수동 손재주 작업으로 결합하여 특정 신경 세포 집단이 미세한 운동 행동에 기여하는 것을 해부합니다.
운동 숙련 된 행동은 우리가 수행하는 대부분의 움직임 중에 존재하며, 여러 뇌 장애 1,2,3,4,5,6에서 영향을받는 것으로 알려져 있습니다. 숙련 된 운동의 발달, 학습 및 성능을 연구 할 수있는 작업을 구현하는 것은 특히 뇌 손상, 신경 퇴행성 및 신경 발달 장애 모델 2,7,8,9,10,11,12,13에서 운동 기능의 신경 생물학적 토대를 이해하는 데 중요합니다. . 물체에 도달하고 검색하는 것은 일상 생활에서 일상적으로 이루어지며, 초기 개발 과정에서 습득 한 최초의 운동 기술 중 하나이며 5,6 년 동안 세련되었습니다. 그것은 물체의 특징에 대한 인식, 운동 계획, 행동 선택, 운동 실행, 신체 조정 및 속도 변조 7,14,15,16과 같은 감각 - 운동 과정을 필요로하는 복잡한 행동을 포함한다. 따라서, 일수동적인 높은 손재주 작업은 양쪽 반구 16,17,18,19,20,21,22의 많은 뇌 구조의 참여를 필요로 한다. 마우스에서, 단일 펠릿 도달-대-파악 과제는 개별적으로 제어되고 분석될 수 있는 여러 단계를 특징으로 한다(7,13,23). 이 특징은 획득 및 행동 성능의 상이한 단계에서 특정 뉴런 서브 집단의 기여를 연구 할 수있게하고 모터 시스템13,23,24에 대한 상세한 연구를위한 플랫폼을 제공한다. 움직임은 몇 초 안에 발생합니다. 따라서, 고속 비디오 그래피는 숙련된 운동 궤적(7,25)의 뚜렷한 단계에서 운동학적 분석에 사용되어야 한다. 비디오로부터 신체 자세, 궤적, 속도 및 에러 유형(25)을 포함하는 몇몇 파라미터들이 추출될 수 있다. 운동학적 분석은 무선 광유전학적 조작(7,23) 동안 미묘한 변화를 검출하는데 사용될 수 있다.
무선 헤드 마운트 시스템을 통해 빛을 전달하기 위해 소형 발광 다이오드(LED)를 사용하면 동물이 작업을 수행하는 동안 원격 광유전학 제어를 할 수 있습니다. 무선 광유전학 제어기는 자극기로부터 단일 펄스 또는 연속 트리거 명령을 수용하고, 적외선(IR) 신호를 소형화된 LED(23,26)에 연결된 수신기로 전송한다. 현재의 프로토콜은 이러한 무선 광유전학 접근법을 손재주 태스크의 고속 비디오 그래피와 결합하여 미세 운동 거동(23)의 수행 동안 특정 뉴런 집단의 역할을 해부한다. 단일 수동 작업이기 때문에 두 반구에서 구조물의 참여를 평가할 수 있습니다. 전통적으로 뇌는 매우 비대칭적인 방식으로 신체 움직임을 제어합니다. 그러나 손재주가 높은 작업에는 동측성 핵과 핵10,20,21,22,23 내의 신경 하위 집단의 차별적 기여를 포함하여 많은 뇌 구조로부터의 신중한 조정과 제어가 필요합니다. 이 프로토콜은 양쪽 반구로부터의 피질하 구조가 앞다리(23)의 궤적을 조절한다는 것을 보여준다. 이 패러다임은 뇌 질환의 다른 뇌 영역과 모델을 연구하는 데 적합 할 수 있습니다.
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동물 사용과 관련된 절차는 지역 및 국가 지침에 따라 수행되었으며 해당 기관 동물 관리 및 사용위원회 (세포 생리학 연구소 IACUC 프로토콜 VLH151-19)의 승인을 받았습니다. Drd1-Cre 형질전환 수컷 마우스는C57BL/6 배경으로 출생 후 27, 35-40일째에 현재의 프로토콜에 사용되었다. 마우스는 다음의 조건 하에서 유지되었다: 온도 22±1°C; 습도 55%; 가벼운 일정 12/12 시간 오후 7시에 불을 끄고 출생 후 21 일에 젖을 떼었습니다. 젖을 뗀 새끼들은 2-5 명의 동성 그룹에 수용되었습니다. 동물들은 마이크로 배리어 탑을 가진 정적 하우징에 수용되었다. 침구는 멸균 아스펜 부스러기로 구성되었습니다. 설치류 펠릿 및 RO-정제수는 언급되는 경우를 제외하고 Ad libitum을 제공하였다.
1. 수술 절차
2. 도달 범위 파악 교육
3. 사후 조직학적 확인
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도달 - 투 - 파악 과제는 다양한 실험 조작 하에서 미세 기술 운동의 형성, 학습, 성능 및 운동학을 연구하는 데 널리 사용되는 패러다임입니다. 마우스는 며칠 안에 작업을 수행하고 5 일간의 훈련 후에 고원에 도달하는 55 % 이상의 정확도를 달성하는 법을 배웁니다 (그림 2A, B). 이전에 보고된 것과 유사하게, 동물의 백분율은 작업을 적절하게 수행하지 않으며(29.62%), 이들은 추가 분석(30)으로부터 제외되어야 한다. 여기에는 훈련 초기부터 펠릿에서 너무 멀리 조준하는 대상을 놓치거나 펠릿 위에 올바른 위치에 있기 전에 파지 운동을 수행하는 비학습자 마우스(6/54 마우스, 11.1%)의 서브세트가 포함된다. 첫 번째 훈련 일 동안 다른 그룹은 높은 정확도로 작업을 수행했지만 3-4 일 (10/54 마우스, 18.51 %)까지 펠릿에서 너무 멀리 조준하여 성능이 좋지 않았습니다. 이 그룹 내...
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잘 정의 된 행동 패러다임에서 신경 집단의 광유전 적 조작의 사용은 운동 제어 7,23의 기초가되는 메커니즘에 대한 우리의 지식을 발전시키고 있습니다. 무선 방법은 여러 동물 또는 자유 이동34,35에 대한 테스트가 필요한 작업에 특히 적합합니다. 그럼에도 불구하고, 기술과 장치가 세련됨에 따라, 그것은 광유전학34,36과 결합 된 모든 행동 과제에 대한 선택 사항이어야합니다.
현재의 방법은 소형화된 LED가 높은 강도의 신뢰할 수 있는 광원을 제공하고 임플란트를 며칠 동안 자극이 필요한 연구에 사용할 수 있기 때문에 많은 장점을 가지고 있습니다. 그럼에도 불구하고, ...
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저자는 공개를 선언하지 않습니다.
이 작업은 UNAM-PAPIIT 프로젝트 IA203520에서 지원했습니다. IFC 동물 시설에서 마우스 식민지 유지 보수에 도움을 준 것과 IT 지원을 위한 전산 장치, 특히 Francisco Perez-Eugenio에 감사드립니다.
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| 마취기 | , RWD, | R583S | 이소플루란, 기화기 |
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| 카메라, 렌즈, | 캐논, 50mmf | /1.4, 수동 초점 렌즈(c-마운트), | |
| 카메라 시스템 | BrainVision | MiCAM02 | 카메라 컨트롤러 및 싱크로나이저 |
| 면봉 | |||
| CS 용액 | PiSA | 염화나트륨 용액 9% | |
| 맞춤형 교육 챔버 | 사내 | ||
| 드릴 비트 #105 | Dremel | 2 615 010 5AE | 조각 커터 |
| 먼지가 없는 정밀 초콜릿 펠릿 | Bio-Serv | F05301 | |
| 에틸 알코올 | J. 티. Baker | 9000-02 | 에탄올 |
| Eyespears | Ultracell | 40400-8 | 흡수성 PVA 소재의 Eyespears |
| Fluriso | VetOne | V1 502017-250 | Isoflurane |
| 유리 모세관 | Drumond Scientific | 3-000-203-X | 피펫 NanoJect II |
| Hidrogen peroxide | Farmacom | 방부제 | |
| 고속 카메라 | BrainVision | MiCAM02-CMOS | 흑백 고속 카메라 |
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| LED 캐뉼라 | Teleopto | TelC-c-l-d | LED 캐뉼라 250um 487nm 광 |
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