De ontwikkeling van optogenetic methoden voor het bevorderen of remmen van neuronale prikkelbaarheid met bepaalde golflengten is het mogelijk de functie van verschillende populaties van neuronen in neurale circuits controle gedrag 1, 19, 21 bestuderen. Deze techniek wordt vaak gebruikt om groepen van neuronen activeren, maar kan ook worden gebruikt om individuele neuronen activeren. Zebravis larven bijzonder vatbaar voor deze methoden omdat zij translucent, het zenuwstelsel ontwikkelt zich snel en het creëren van transgene dieren is snel en routine. Moet echter aanzienlijke technische obstakels worden overwonnen om betrouwbaar bereiken enkel neuron activatie.
Om een procedure voor optogenetic activering van enkele zebravis neuronen te optimaliseren, hebben we ons gericht op somatosensorische neuronen. Zebravis larven detecteren verschillende somatosensorische stimuli met twee populaties van neuronen: trigeminale neuronen, die het hoofd innerveren en ROHON-Beard (RB) neuronen, die de rest van het lichaam innerveren. Elke trigeminus en RB neuron projecteert een perifere axon die takken op grote schaal in de huid op prikkels en een centrale axon die verbinding maakt met downstream neurale circuits op te sporen. Dieren reageren op zo vroeg 21 uur na de bevruchting (HPF) aan te raken, wat aangeeft dat coherente somatosensorische circuits zijn 5 gevormd, 18. Tijdens de larvale ontwikkeling tenminste een driehoeks-en RB neuronen synaps op de Mauthner cel klassieke escape reacties activeren, maar geaccumuleerd bewijs suggereert dat er meerdere klassen van somatosensorische neuronen met verschillende patronen van verbindingen die opwekken variaties op de vluchtgedrag 2, 4, 10, 12, 14, 15, 16, 17. De motivatie voor het ontwikkelen van deze werkwijze was het gedrag functie van verschillende klassen van somatosensorische neuronen karakteriseren, maar deze benadering kan in principe worden gebruikt om de functie van vrijwel elk neuron of populatie van neuronen in lar bestuderenval zebravis.
Douglass et al.. Eerder beschreven een werkwijze voor het activeren Channelrhodopsin-2-expressie somatosensorische neuronen met blauw licht opwekken vluchtgedrag 3. Hun aanpak gebruikt een versterker element van de isl1 gen tot expressie van ChR2-EYFP rijden somatosensorische neuronen. Dit transgen werd echter gemeld relatief zwakke fluorescentie weergegeven, waarbij co-injectie van het reporter te UAS :: GFP, zodat visualisatie van cellen die ChR2-EYFP. Deze benadering werd gebruikt om het gedrag van responsen op te wekken tussen de 24 tot 48 hpf, maar kon nooit een reactie uitlokken Afgelopen 72 hpf. Terwijl deze methode werkt voor het bestuderen neurale circuits in zeer vroege larvale stadia (24-48 HPF) is onvoldoende voor het karakteriseren neurale circuits en gedragsreacties in oudere larven, wanneer meer diverse gedragsreacties duidelijk zijn en neurale circuits rijper.
We zochten naarverbetering van de gevoeligheid van deze techniek om de functie van subpopulaties van neuronen larvale RB karakteriseren. Om expressie verbeteren we een somatosensorische-specifieke enhancer (CREST3) 20 tot expressie van LexA-VP16 en een gedeelte van LexA operatorsequenties (4xLexAop) 11 rijden naar de expressie van een fluorescent gelabeld licht geactiveerde kanaal amplificeren. Deze configuratie versterkte expressie van het kanaal, waardoor de noodzaak voor co-expressie van een tweede verslaggever en waardoor we de relatieve overvloed van het kanaal direct te bepalen in elk neuron. Met de LexA / LexAop sequentie hadden een bijkomende voordeel dat wij het transgen te introduceren in zebravis reporter lijnen die de Gal4/UAS systeem. Tijdelijke expressie van deze transgene resulteerde in variërende niveaus van expressie, maar was gewoonlijk sterk genoeg om zowel het cellichaam en axonale projecties van individuele neuronen te visualiseren gedurende meerdere dagen. Om handschoe optimaliserenheid aan het licht dat we het gebruikte licht geactiveerde kanaal chef-kok, een channelrhodopsin variant bestaat uit een hersenschim van channelopsin-1 (Chop1) en channelopsin-2 (Chop2) met een crossover site op helix-lus EF 13. Dit kanaal wordt geactiveerd op dezelfde golflengte als ChR2, maar vereist lagere lichtintensiteit voor activering, waardoor het gevoeliger dan andere veelgebruikte kanalen, waaronder ChR2. De chef-kok eiwit werd gefuseerd met het rode fluorescerende eiwit, tdTomato, waardoor we voor eiwitexpressie scherm zonder het activeren van het kanaal. Als lichtbron, gebruikten we een diode gepompte solid-state (DPSS) laser gekoppeld met een glasvezelkabel aan een nauwkeurige, krachtige puls van blauw licht leveren aan een specifiek gebied van de larven. Dit liet ons toe laserlicht gericht op individuele neuronen, waardoor de noodzaak voor het vinden van zeldzame transgene dieren die het kanaal in een neuron. Met behulp van deze aanpak zijn we in staat waren om een RB neuronen te activeren, gedrags-respons op te nemens met een hoge snelheid video camera en beeld de geactiveerde neuronen hoge resolutie met confocale microscopie.