여기에서는 성인 제브라피쉬의 등쪽 전뇌에서 이광자 칼슘 이미징을 수행하는 프로토콜을 제시합니다.
방법 논문
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여기에서는 성인 제브라피쉬의 등쪽 전뇌에서 이광자 칼슘 이미징을 수행하는 프로토콜을 제시합니다.
성인 제브라피시(Danio rerio)는 인지 기능을 연구하기 위한 다양한 행동 레퍼토리를 보여줍니다. 그들은 또한 광학 이미징 방법을 통해 뇌 영역 전체의 활동을 측정하는 데 사용할 수 있는 소형 뇌를 가지고 있습니다. 그러나 성인 제브라피쉬의 뇌 활동 기록에 대한 보고는 드물었다. 본 연구는 성인 제브라피쉬의 등쪽 전뇌에서 이광자 칼슘 이미징을 수행하는 절차를 설명합니다. 우리는 성인 제브라피시가 머리를 움직이지 못하도록 억제하는 단계에 중점을 두며, 이는 뇌 활동의 레이저 스캐닝 이미징을 가능하게 하는 안정성을 제공합니다. 머리에 묶인 동물은 보조 기구 없이 신체 부위를 자유롭게 움직이고 숨을 쉴 수 있습니다. 이 시술은 머리 구속 수술 시간을 단축하고 뇌 운동을 최소화하며 기록되는 뉴런 수를 최대화하는 것을 목표로 합니다. 칼슘 이미징 중에 몰입형 시각적 환경을 제공하기 위한 설정도 여기에 설명되어 있으며, 이는 시각적으로 트리거된 행동의 기본 신경 상관 관계를 연구하는 데 사용할 수 있습니다.
유전적으로 인코딩된 지표 또는 합성 염료를 사용한 칼슘 형광 이미징은 인간이 아닌 영장류, 설치류, 조류 및 곤충을 포함한 행동하는 동물의 신경 활동을 측정하는 강력한 방법이었습니다1. 뇌 표면 아래 최대 약 800μm까지 수백 개의 세포 활동을 다광자 이미징 2,3을 사용하여 동시에 측정할 수 있습니다. 특정 세포 유형의 활성은 유전적으로 정의된 신경 세포 집단에서 칼슘 지표를 발현하여 측정할 수도 있습니다. 작은 척추동물 모델에 이미징 방법을 적용하면 뇌 영역 전반에 걸쳐 신경 계산 분야에서 새로운 가능성이 열립니다.
제브라피시는 신경 과학 연구에서 널리 사용되는 모델 시스템입니다. 수정 후 약 6일이 지난 제브라피시 유충은 작은 뇌와 투명한 몸체로 인해 칼슘 이미징에 사용되어 왔다4. 어린 제브라피시(생후 3-4주)는 감각 운동 경로 5,6의 기저에 있는 신경 메커니즘을 연구하는 데에도 사용됩니다. 그러나 연상 학습 및 사회적 행동을 포함한 복잡한 행동에 대한 최대 수행 수준은 7,8세의 나이에 도달합니다. 따라서 이미징 방법을 사용하여 성인 제브라피쉬의 뇌에서 여러 인지 기능을 연구하려면 신뢰할 수 있는 프로토콜이 필요합니다. 제브라피시 유충과 어린 제브라피쉬는 생체 내 이미징을 위해 아가로스에 삽입될 수 있지만, 생후 2개월 이상의 성체 제브라피쉬는 이러한 조건에서 저산소증을 앓고 있으며 신체적으로 너무 강해서 아가로스로 억제할 수 없습니다. 따라서 뇌를 안정시키고 아가미를 통해 동물이 자유롭게 숨을 쉴 수 있도록 하는 수술이 필요합니다.
여기에서는 단일 헤드 바의 새로운 설계와 관련된 머리 지지대 프로토콜에 대해 설명합니다. 25분의 단축된 수술 시간은 이전 방법9보다 두 배 빠릅니다. 또한 기록 챔버(반 육각형 탱크), 헤드 스테이지 및 두 부분을 결합하는 빠른 잠금 메커니즘9의 설계에 대해서도 설명합니다. 마지막으로, 시각적으로 촉발된 뇌 활동과 행동을 연구하기 위해 몰입형 시각적 자극을 제시하는 설정도 설명합니다. 전반적으로, 여기에 설명된 절차는 머리를 고정한 성인 제브라피쉬의 유전적으로 정의된 세포 집단에서 이광자 칼슘 이미징을 수행하는 데 사용할 수 있으며, 이를 통해 다양한 행동 패러다임 동안 뇌 활동을 조사할 수 있습니다.
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모든 동물 시술은 Academia Sinica의 Institutional Animal Care and Use Committee의 지침에 따라 승인되고 수행되었습니다. 연구 도구에 대한 자세한 내용은 재료 표에서 확인할 수 있습니다.
1. 기록실의 준비

그림 1: 머리 지지대 수술에 필요한 기구. (A) 헤드 스테이지의 원형 플레이트와 반 육각형 탱크 내부의 베이스 플레이트 사이의 빠른 잠금 메커니즘. 맞춤형 부품의 CAD(Computer-Aided Design) 파일은 보충 파일 1-4에서 찾을 수 있습니다. (B) 헤드레스트를 위한 Ω형 헤드 바. (C) 헤드 바를 부착 부위에 배치하는 데 사용되는 3축 미세 조작기. 삽입 사진: 점토에서 헤드 바의 방향. (D) 수술 중 물고기를 잡기 위한 대포. 삽입 사진: 대포 안에 있는 물고기의 방향. (E) 물고기 로딩 모듈 및 물고기를 헤드 스테이지에 로드하는 데 사용되는 마이크로 매니퓰레이터. 삽입 사진: 모듈 내 물고기의 방향입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
2. 머리구속 수술

그림 2: 머리 지지대 수술 중 주요 단계 . (A) 대포 내부의 캡슐 구성. (B) 두개골의 부착 부위(빨간색). 빨간색 화살표는 혈관 부위를 나타냅니다. (C) 상단: 물고기 두개골에 부착된 헤드 바. 아래: 헤드 스테이지에 적재된 물고기. (D) 전뇌 위의 피부를 제거하는 데 필요한 절개. 숫자는 절단 순서를 나타냅니다. 동물의 출혈을 방지하기 위해 표시된 부위(화살촉)에서 피부를 제거하지 마십시오. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
3. 이광자 이미징

그림 3: 칼슘 이미징, 행동 기록 및 시각적 자극 표시를 수행하기 위한 설정. (A) 3개의 프로젝터가 반육각형 탱크의 벽에 시각적 자극을 제공합니다. 측면의 IR 조명은 제브라피쉬의 몸을 비추는 데 사용됩니다. (B) 대물 렌즈의 위치. 왼쪽: 앞 모습. 오른쪽: 측면도. 16x 대물렌즈와 표적 뇌 영역 사이의 거리는 약 2.5mm입니다. (C) 이광자 이미지의 예. 왼쪽: Tg[neuroD:GCaMP6f]에서 전체 등쪽 전뇌의 최대 투영. 오른쪽: 여러 뇌 영역에 걸쳐 있는 뉴런을 보여주는 확대 이미지. 삽입: 다른 뇌 영역에서 더 높은 배율. 이미지는 5Hz에서 기록된 10초 데이터의 평균입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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프로토콜은 머리 구속 수술과 전뇌의 신경 활동에 대한 이광자 칼슘 영상의 두 부분으로 구성됩니다. 수술의 성공은 동물의 생존과 머리 지지대의 안정성에 의해 결정됩니다. 수술 중 0.01% TMS 용액을 경구로 자주 관류하면 생존율을 크게 향상시킬 수 있습니다. 물고기는 어항 물에 잠긴 후 1-2분 이내에 마취에서 회복되고 활발하게 숨을 쉬어야 합니다. 2광자 칼슘 이미징을 통해 뇌 표면에서 온전한 두개골(두께 ~40μm)을 통해 최대 200μm 깊이에서 등쪽 전뇌의 개별 뉴런의 활동을 기록할 수 있습니다. 이 이미징 범위는 내측 영역(Dm), 중앙 영역의 로스트랄 부분(rDc), 중앙 영역의 꼬리 부분(cDc) 및 측면 영역(Dl)을 포함하여 등쪽 모상뇌(D)의 여러 영역을 포함합니다. 이들은 모두 성체 제브라피쉬의 텔렌체팔론의 30%를 차지합니다(그림 3C). 피에조 액추에이터를 사용한 체적 이미징에서는 일반적으로 Dl 또는 cDc에서 ...
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여기에서는 이광자 칼슘 이미징을 위해 성인 제브라피쉬의 머리를 억제하는 자세한 프로토콜을 설명합니다. 레이저 스캐닝 이미징에 충분히 안정적인 머리 지지대를 얻기 위한 두 가지 중요한 단계가 있습니다. 먼저, 헤드 바를 두개골의 특정 부착 부위에 붙여야 합니다. 두개골의 다른 부분은 종종 너무 얇아서 기계적 안정성을 제공하지 못하며 격렬한 신체 움직임 중에 골절될 수도 있습니다. 둘째, 부착 부위 위의 피부를 완전히 제거해야 합니다. 잔여 물도 완전히 건조시켜야 합니다. 이렇게 하면 두개골이 조직 접착제에 단단히 결합할 수 있습니다. 잠재적인 문제, 원인 및 해결 방법을 나열한 표가 제공됩니다(보충 표 1).
제브라피시 전뇌의 곡선 형상으로 인해 여기 빔과 그에 따른 방출은 이미징 평면을 가로질러 뇌 조직의 다양한 두께를 통해 이동합니다. 따라서 광학 섹션 내에서 이미징된 뉴런의 형광은 뇌 경계에서 뉴런의 거리에 따라 달라집니다. 이로 인해 녹화 세션...
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저자는 경쟁하는 재정적 이익이 없다고 선언합니다.
이 연구는 분자생물학 연구소(Institute of Molecular Biology), 아카데미아 시니카(Academia Sinica), 대만 국가과학기술위원회(National Science and Technology Council)의 지원을 받았습니다. Institute of Physics, Academia Sinica의 Machine Shop은 맞춤형 설계 부품을 제작하는 데 도움을 주었습니다. 또한 헤드 스테이지의 퀵 락 메커니즘을 설계해 준 P. Argast (Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research, Basel, Switzerland)에게도 감사의 뜻을 전합니다.
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| 카메라 필터 (>700 nm) | 에드먼드 광학 | #43-949 | 행동 기록 |
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