Een protocol bij het bouwen van een weefsel doordringende illuminator voor het leveren van licht via grote volumes met minimale diameter wordt gepresenteerd.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Een protocol bij het bouwen van een weefsel doordringende illuminator voor het leveren van licht via grote volumes met minimale diameter wordt gepresenteerd.
Dit protocol beschrijft een groot volume illuminator, die werd ontwikkeld voor optogenetic manipulaties in de hersenen niet-menselijke primaten. De illuminator is een gemodificeerde kunststof optische vezel met geëtste tip, zodanig dat het oplichtende oppervlak > 100 x die van een conventionele vezel. Naast het beschrijven van de bouw van een groot volume hulplicht, detailleert dit protocol de kalibratie van de kwaliteitscontrole gebruikt om ervoor te zorgen zelfs lichtverdeling. Dit protocol wordt verder beschreven technieken voor het invoegen en verwijderen van het hulplicht groot volume. Zowel de oppervlakkige en de diepe structuren kunnen worden verlicht. Dit hulplicht groot volume hoeft niet te worden fysiek gekoppeld aan een elektrode, en omdat de illuminator is gemaakt van kunststof, niet het glas, het gewoon zal buigen in omstandigheden als traditionele optische vezels zou versplinteren. Omdat dit hulplicht licht boven gedragsgestoorde relevante weefsel volumes (≈ 10 mm3) zonder meer schade van de penetratie dan een conventionele optische vezel levert, vergemakkelijkt het behavioral studies met optogenetics in niet-menselijke primaten.
Optogenetic instrumenten, die voor milliseconde-nauwkeurige, licht gestuurde neuronale controle zorgen worden veel gebruikt om te studeren functionele fysiologie en gedrag in knaagdieren en ongewervelde dieren. Technische uitdagingen hebben echter slechts beperkt het gebruik van optogenetics in de hersenen van de niet-menselijke primaten, die een volume van ~ 100 x groter dan de knaagdier hersenen 1 heeft.
Om te vergemakkelijken optogenetics studies in niet-menselijke primaten, een hulplicht is ontworpen om twee concurrerende doelstellingen adres: groot volume verlichting en minimale penetratie schade. Eerdere pogingen om een van deze problemen te komen op de duur van de andere. Bundels van vezels verlichten grotere volumes, maar met grotere diameter, en daarmee schade2,3. Taps toelopende glasvezels beschadiging, penetratie, maar ternauwernood focus licht aan oplichtende oppervlak < 100 µm2 - 4,5. Externe hersenen verlichting door een raam in de dura omzeilt de uitdaging van de penetratie schade en kan voor grote volume verlichting, maar het kan alleen worden gebruikt voor enkele oppervlakkige hersenen gebieden6.
Als u wilt maken een groot volume, kleine diameter illuminator (Figuur 1a), het puntje van een plastic optische vezel is warmte tapered en de kern en de bekleding zijn geëtst (Figuur 1bc). In tegenstelling tot andere taps toelopende vezels die licht naar een smal punt concentreren, kunt de etsen licht gelijkmatig ontsnappen uit de zijkanten van de stortplaats, dus licht in grote lijnen over een groot gebied (Figuur 1 de) te verdelen. Omdat de penetratie schade is evenredig aan de diameter van de penetratie, dit hulplicht heeft geen meer schade van de penetratie dan een conventionele vezel, maar het heeft > 100 x het oplichtende oppervlak gebied en levert licht meer in het algemeen met 1/100ste de lichte macht dichtheid in een hersenen phantom (1,75% agarose) (Figuur 1e). Een Monte Carlo-model (Figuur 1f) illustreert het verschil in licht verspreiden tussen een conventionele vezel en het grote volume hulplicht wanneer zij gelijke lichte macht dichtheden hebben als hun lichtdoorlatende oppervlakken. Elke illuminator is individueel gekalibreerd met behulp van een bolfotometer (Figuur 2a, b) om ervoor te zorgen zelfs lichtverdeling langs de tip (Figuur 2 c).
Dit groot volume illuminator is gevalideerd met optogenetic manipulatie van zowel gedrag en neuronale afvuren in niet-menselijke primaten. De lengte van de tip vezel kan worden aangepast naar elk willekeurig deel van de hersenen en voor elk dier individuele receptieve veld kaart. Het hulplicht kan gekoppeld worden aan een doordringende elektrode voor neuronale opnames die zich uitstrekken over de lengte van de verlichting. Verder, omdat de vezel elke kleur van zichtbaar licht kunnen, kunnen worden gekoppeld met een van de beschikbare optogenetic moleculen beschikbaar.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Opmerking: alle dierlijke procedures werden overeenkomstig de richtsnoeren van de NIH en goedgekeurd door het Massachusetts Instituut van technologie Committee on Animal Care.
1. illuminator fabricage
2. Illuminator kalibratie en kwaliteitscontrole
Opmerking: deze methoden voor kalibratie beoordelen voor niet-lineariteit op verschillende afstanden van de tip van de vezel lichtopbrengst. Ongelijke lichtverdeling meestal het gevolg van een “ hobbelige ” of “ golvende ” taper.
3. in Vivo verlichting
Opmerking: hier, deze methoden worden weergegeven met behulp van een plastic model in plaats van een niet-menselijke primaten.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De verlichting van de grote hersenen volumes in niet-menselijke primaten zorgt voor behavioristisch relevante optogenetic manipulatie. Acker et al. (2016) gebruikt dit hulplicht groot volume met de rood-verschoven Halorhodopsin, Jaws, 7 te bestuderen van de tijdelijke bijdrage van het veld frontale oog (FEF) geheugen-geleide saccades in twee rhesus monkeys. In het bijzonder waren FEF neuronen geïnjecteerd met een virale vector met kaken en vervolgens verlicht met rood-licht met behulp van...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Hoewel optogenetic tools veel gebruikt worden om te studeren ziekten, en fysiologie bij knaagdieren, heeft de technische uitdaging van verhelderend grote hersenen volumes beperkt het gebruik van optogenetics in niet-menselijke primaten. Baanbrekende studies in apen grote lichte macht dichtheden (~ 100 mW/mm2 tot 20 W/mm2) gebruikt voor het verlichten van kleine volumes, misschien < 1 mm3en gerapporteerde bescheiden gedrags effecten met excitatory opsins in de cortex4...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
LCA erkent financiering van een NDSEG-beurs, de NSF-GRFP en de vrienden van het McGovern Institute. EP erkent financiering de Harry en Eunice Nohara UROP Fonds, de MIT-klasse van 1995 UROP Fonds en het Fonds MIT UROP. ESB erkent financiering van NIH 2R44NS070453-03A1, de prijs van IET Harvey, en de New York stamcel Foundation-Robertson Award. RD erkent financiering van NIH EY017292. Michael Williams hielp het team te organiseren en leveringen vóór het filmen te verzamelen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Kunststof glasvezel | Individuele vezeloptiek | SK-10 | 250 micron diameter, Super Eska lijn |
| Draadstripper | Klein Tools | 11047 | 22 gauge |
| Scharnierende klemmen | Wilton | 11104 | Generieke tafelmontage klemmen |
| Dubbele temperatuur hittepistool | Milwaukee | 8975-6 | 570 / 1.000 °F |
| Lab marker | VWR | 52877 | |
| Dissectie microscoop | VistaVision | 82027-156 | Stereomicroscoop met dubbele gloeilamp, 2X/4X vergroting, verkrijgbaar bij VWR |
| Lab tape | VWR | 89097-972 | Pakket van 4 violette kleur; echter, de kleur van het tape maakt niet uit |
| Silicon carbide polijstblad | ThorLabs | LF5P | 5 micron grit, 10-pack |
| Aluminium oxide polijstblad | ThorLabs | LF3P | 3 micron grit, 10-pack |
| Aluminium oxide polijstblad | ThorLabs | LF1P | 1 micron grit, 10-pack |
| Calcined alumina polijstblad | ThorLabs | LF03P | 0.3 micron grit, 10-pack |
| Heet mes | Individuele vezeloptiek | IF370012 | 60 Watt, heavy duty |
| Vezel inspectiescoop | ThorLabs | FS201 | optioneel |
| Roestvrijstalen ferrule | Precision fiber optics | MM-FER2003SS-265 | 265 micron binnendiameter |
| 1 mL spuit | BD | 14-823-30 | Luer-lok tip is te prefereren om het risico op lekkage te verminderen, maar niet strikt noodzakelijk |
| Kunststof epoxy | Individuele vezeloptiek | 40 0005 | |
| 18 gauge stompe naald | BD | 305180 | 1.5 inch lengte |
| Lintvrije doek (KimWipe) | ThorLabs | KW32 | beschikbaar bij veel leveranciers |
| Lichtabsorberende folie | ThorLabs | BKF12 | |
| Elektrische tape | 3M | Temflex 1700 | Optioneel, mag andere merken / modellen vervangen |
| 26 gauge scherpe naald | BD | 305111 | 0.5 inch lengte |
| Micromanipulator | Siskiyou | 70750000E | mag andere merken/modellen vervangen |
| Stereotactische arm | Kopf | 1460 | mag andere merken/modellen vervangen |
| Laser veiligheidsbril | KenTeK | KCM-6012 | moet worden geselecteerd op basis van de kleur van de gebruikte laser, voorbeeld hier gegeven |
| Laser of andere lichtbron | vortran | Stradus 473-50 | voorbeeld van blauwe laser |
| Integrerende bol | ThorLabs | S142C | Bijbehorende vermogensmeter, ook verkrijgbaar bij ThorLabs, artikelnummer #PM100D |
| Ultem opnamekamer | Crist instrument company | 6-ICO-J0 | Aangepast met uitlijningssnede |
| Toren microdrive met klemmen | NAN | DRTBL-CMS | |
| Leiding | Aangepast | N/A | Gemaakt van 25 gauge spinale naald (BD) of stompe buis |
| NAN driver systeem | NAN | NANDrive | |
| Aangepast rasterontwerp | aangepast | aangepast | plannen beschikbaar op aanvraag |
| Stompe pincetten | FischerScientific | 08-875-8A | generieke roestvrijstalen stompe pincetten |
| Digitale schuifmaten | Neiko | 01407A | beschikbaar op amazon.com. Kan een nauwkeuriger resolutie schuifmaat selecteren voor meer nauwkeurige metingen. |
| Patchkabel | ThorLabs | FG200LCC-custom | Dit is een voorbeeld van vele mogelijke patchkabels. Zolang de vezeldiameter kleiner is of gelijk is aan de vezeldiameter van de grote volume illuminator en zolang de connectoren compatibel zijn, is elke patchkabel (glas of plastic, door de verkoper gekocht of gemaakt in het lab) prima voor deze toepassing. |
| Doorzichtige kunststof stofdoppen | ThorLabs | CAPF | Pakket van 25 |
| keramische split koppelingshuls | Precision Fiber Products, Inc. | SM-CS1140S |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.