June 13th, 2017
여기서는 자유롭게 움직이는 마우스에서 여러 피질 층에 걸쳐 세포 - 해상도로 대규모 Ca 2+ 영상을 수행하는 절차를 제시합니다. 이식 프리즘 프로브와 결합 된 소형 헤드 장착 현미경을 사용하여 수백 개의 활성 세포를 동시에 관찰 할 수 있습니다.
이 절차의 전반적인 목표는 자유롭게 행동하는 마우스의 칼슘 지표를 사용하여 여러 층의 피질 뉴런에 걸쳐 뉴런 활동을 동시에 시각화하고 소형 헤드 마운트 형광 현미경을 사용하여 신경 회로 기능을 이해하는 것입니다. 이 방법은 피질의 여러 층에 걸쳐 정보 전파자가 어떻게 이루어지는지와 같은 시스템 신경 과학 분야의 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 시간이 지남에 따라 자유롭게 행동하는 동물의 여러 피질 층에 걸쳐 유전적으로 암호화된 뉴런의 대규모 개체군을 안정적으로 시각화할 수 있다는 것입니다.
자유롭게 행동하는 동물의 여러 피질층에서 유전적으로 암호화된 뉴런을 시각화하기 위해서는 다음과 같은 절차를 수행해야 하며, 이 프로토콜은 자유롭게 행동하는 마우스에서 프리즘 프로브 이식, 바닥판 설치 및 생체 내 이미징을 강조합니다. 이 절차를 시작하려면 바이러스 주입 1-2주 후 동물을 정위 장치에 넣고 70% 에탄올로 소독하고 렌즈 페이퍼로 세척하여 프리즘 프로브 임플란트 수술을 준비합니다. 다음으로, 0.5mm 버가 있는 마이크로 드릴을 사용하여 원형 개두술을 엽니다.
개두술 직경이 프리즘 직경보다 약간 큰지 확인하십시오. 그런 다음 프리즘이 피질에 삽입될 때 평평한 가장자리가 바이러스 주입 부위를 향하고 반경 150-200미크론 내에 있도록 개두술을 배치합니다. 그 후, 미세한 집게로 경막을 제거하십시오.
뇌 조직이 노출되면 항상 멸균 식염수로 조직을 촉촉하게 유지하십시오. 이것은 또한 조직에 대한 압력을 유지합니다. 프리즘 프로브 삽입 중 뇌 조직의 압력을 완화하려면 정위 장치의 전극 홀더 암에 직선 모서리 해부 칼을 부착하여 삽입관을 만듭니다.
나이프 플레이트가 두개골의 곡률에 수직이 되고 바이러스 주입 컬럼과 평행한 평면이 되도록 비스듬히 장착합니다. 칼을 개두술 위, 내부 매체 가장자리를 따라 조심스럽게 배치하고 절단 모서리가 후방을 향하도록 하여 바이러스 주입 부위 측면에서 약 200미크론 정도 놓습니다. 나이프 팁이 피아에 닿을 때 Z축을 0으로 만듭니다.
그런 다음 프리즘 프로브가 삽입될 깊이까지 점차적으로 낮추십시오. 그런 다음 나이프를 1mm 뒤로 움직여 프리즘의 앞 가장자리에 대한 경로를 만듭니다. 입체식 암 마이크로 매니퓰레이터를 사용하여 초당 10미크론씩 칼을 천천히 집어넣고 절개 부위에 멸균 식염수를 적신 젤 폼 스펀지 조각을 놓습니다.
그런 다음 렌즈 홀더를 이전 단계의 나이프와 같은 각도로 입체 매니퓰레이터 암에 부착합니다. 프리즘의 평평한 면이 절개 부위 위에 있고 바이러스 주입 컬럼과 평행이 되도록 프리즘을 정렬합니다. 프리즘이 올바른 각도에 있게 되면 이 프로브를 위해 뇌 표면에서 1.1mm의 최종 Z 수준까지 10미크론 단위로 점차적으로 뇌 속으로 내립니다.
개두술에서 프리즘 주변에 노출된 모든 조직을 25게이지 바늘을 사용하여 매우 얇은 보호 수준의 엘라스토머 접착제로 덮습니다. 수정체가 개두술 내부로 이동하는 것을 방지하기 위해 엘라스토머 접착제가 경화된 후 25게이지 바늘을 사용하여 시아노아크릴레이트 접착제를 바르고 프리즘 렌즈의 유리를 엘라스토머 접착제 층 위의 인접한 두개골에 부착합니다. 시아노아크릴레이트 접착제가 경화되면 렌즈 홀더의 나사를 풀고 현미경을 조심스럽게 제거합니다.
그런 다음 입체매니퓰레이터 암을 천천히 집어넣어 프리즘 프로브를 안전하게 이식한 상태로 둡니다. 임플란트 주위에 치과용 아크릴 또는 시아노아크릴레이트 접착제 층을 바르면 주변의 수축된 근육 조직을 건드리지 않고 노출된 두개골 표면을 덮을 수 있습니다. 이 두개골 캡으로 두개골의 넓은 부분을 덮으면 나중에이베이스 플레이트 부착에 도움이됩니다.
그런 다음 실리콘 접착 주사기의 촉매 끝 베이스를 혼합하고 프리즘 프로브 커프 내부에 엘라스토머를 한 방울 떨어뜨려 프로브 렌즈 상단을 덮어 손상과 먼지가 가라앉는 것을 방지합니다. 프리즘 프로브를 이식한 후 일주일에서 10일 후에 이식된 프리즘 프로브를 통해 조직 내 바이러스 발현을 확인합니다. 이를 위해 이식된 프리즘 프로브 렌즈 표면의 실리콘 접착 캡을 제거합니다.
프로브 렌즈 표면을 검사하고 렌즈 종이와 70% 에탄올로 이물질을 부드럽게 제거하여 이미징 표면이 깨끗한지 확인합니다. 다음으로, 현미경에 베이스 플레이트를 부착하고 베이스 플레이트 고정 나사를 조여 제자리에 고정합니다. 그런 다음 현미경을 입체택시 마이크로매니퓰레이터 암의 현미경 그리퍼에 고정합니다.
그리퍼를 입체식 마이크로매니퓰레이터 암에 장착할 수 있는 로드에 부착합니다. 그런 다음 입체 미세매니퓰레이터 암을 사용하여 현미경을 프리즘 프로브 렌즈 위에 배치합니다. 동물 스테이지의 측면과 후면에서 프리즘 렌즈를 보면서 방향을 육안으로 검사합니다.
microscope objective와 prism probe의 광축은 모두 정렬되어야 합니다. 그런 다음 획득 소프트웨어를 실행하고 프로젝트를 선택한 다음 소프트웨어를 통해 현미경 LED를 켭니다. Stereotax의 매니퓰레이터 암을 움직여 획득 소프트웨어에서 이식된 프리즘 프로브 렌즈의 상상에 초점을 맞춰 현미경 정렬의 품질을 평가합니다.
적절하게 정렬되면 프리즘 프로브 렌즈의 가장자리가 날카롭게 보여야 합니다. 이식된 프리즘 프로브 위로 현미경의 물리적 거리를 조정하고, 입체매니퓰레이터 암을 사용하여 조직 내부에서 원하는 초점면을 얻습니다. 그런 다음 치과용 아크릴 또는 시아노아크릴을 사용하여 베이스 플레이트를 아크릴 캡에 영구적으로 부착하여 틈을 메웁니다.
베이스 플레이트를 동물의 머리에 접착하는 동안 현미경 본체의 어떤 부분이나 고정 나사에도 접착제를 바르지 않는 것이 중요합니다. 이제 그리퍼에서 현미경을 풀고 현미경에서 그리퍼를 집어넣습니다. 시아노아크릴이나 다른 투명 접착제를 사용한 경우 검은색 매니큐어나 검은색 치과용 시멘트 층으로 덮어 실험 중에 얻은 이미지를 오염시킬 수 있는 헤드 캡으로 주변광이 누출되는 것을 방지하십시오.
그런 다음 이식된 프리즘 프로브를 베이스 플레이트 커버로 보호합니다. 이 절차에서 현미경을 컴퓨터에 연결된 데이터 수집 상자에 연결하고 수집 소프트웨어를 시작합니다. 그런 다음 베이스 플레이트 고정 나사를 시계 반대 방향으로 돌리고 베이스 플레이트 커버를 들어 올려 베이스 플레이트 커버를 제거합니다.
동물의 베이스 플레이트에 현미경을 심습니다. 현미경은 베이스 플레이트에 있는 자석의 도움으로 제자리에 고정되어야 합니다. 그런 다음 약간의 저항이 느껴질 때까지 베이스 플레이트 고정 나사를 전진시킵니다.
그런 다음 데이터 캡처를 위한 프레임 속도를 포함하는 데이터를 수집하는 데 사용할 획득 설정을 선택합니다. 설정을 선택할 때 이미지 히스토그램을 확인하여 신호 대 잡음비가 양호한지 확인하십시오. 그런 다음 데이터 수집을 시작합니다.
기록이 완료되면 베이스 플레이트 고정 나사를 풀고 현미경을 부드럽게 위로 당겨 베이스 플레이트에서 현미경을 분리합니다. 그런 다음 베이스 플레이트 커버를 교체하고 베이스 플레이트 고정 나사를 부드럽게 조입니다. 다음은 현미경을 장착한 동물이 행동 영역에서 물체와 자유롭게 상호 작용하는 시연입니다.
시스템을 이용한 깨어 있는 행동 이미징 동안, 마우스가 세 가지 다른 환경에 노출되었을 때 체성 감각 피질 뉴런의 활동이 기록되었습니다. 첫째 날에는 오픈 필드, 둘째 날부터 넷째 날까지는 물체 익숙화, 다섯 번째 날에는 새로운 물체로. 칼슘 이미지 데이터 분석 소프트웨어를 사용하여 세포를 추출한 후, 세포 위치에 해당하는 공간 필터를 현미경 기록 데이터의 평균 형광 강도 투영에 오버레이했습니다.
흰색 점선은 레이어 2, 3 및 5 셀을 분리합니다. 각 층에서 5개의 세포에서 추출한 해당 칼슘 흔적은 두 가지 다른 행동 맥락에서 세포의 재배 패턴을 보여줍니다: 물체 친숙화와 새로운 물체 노출. 레이어 2, 3 셀은 마우스가 새로운 물체에 노출된 날 레이어 5 셀에 비해 더 활성화되었습니다.
다음은 피상적 인 실체 플레이어의 세포 활동에 대한 나머지 플롯, 동물이 열린 들판에 있었을 때, 물체 친숙화 및 새로운 물체 탐사입니다. 일단 숙달되면 각 기술은 제대로 수행되면 한 시간 이내에 완료할 수 있습니다. 개발 후 이 기술은 시스템 신경과학 연구자들이 다양한 뇌 영역에서 특정 세포 유형을 탐구하는 동시에 드론의 다양한 행동 패러다임 및 질병의 기타 신경 생리학 모델을 활용할 수 있는 길을 열었습니다.
이 프로토콜에서 여러 층의 체성 감각 피질에 라벨을 붙이고, 프리즘 프로브를 이식하고, 헤드 장착형 소형 현미경을 부착하는 방법을 잘 이해해야 합니다.
이 기사는 자유롭게 움직이는 마우스의 여러 피질 층에 걸쳐 세포 수준의 대규모 Ca2+ 영상을 촬영하는 절차를 제시합니다. 이 방법을 사용하면 축소형 헤드 장착형 현미경과 임플란트된 프리즘 프로브를 사용하여 수백 개의 활성 세포를 동시에 관찰할 수 있습니다.
This technique enables longitudinal, cellular-resolution imaging of neuronal activity across cortical layers in freely behaving animals, addressing a critical gap in systems neuroscience for studying neural circuit dynamics under naturalistic conditions. By overcoming the behavioral constraints of head-fixed preparations, it supports target validation and mechanistic de-risking in neuropsychiatric drug discovery where circuit-level phenotypes are increasingly prioritized. The method enhances predictive confidence in preclinical models by linking cellular activity patterns to complex behaviors, thereby improving translational relevance for CNS therapeutic development.
The method integrates into the discovery continuum from target validation through lead identification, providing mechanistic insights into cortical information processing that inform go/no-go decisions in CNS drug development.