Hier presenteren we een protocol om twee-foton calciumbeeldvorming uit te voeren in de dorsale voorhersenen van volwassen zebravissen.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
* These authors contributed equally
Hier presenteren we een protocol om twee-foton calciumbeeldvorming uit te voeren in de dorsale voorhersenen van volwassen zebravissen.
Volwassen zebravissen (Danio rerio) vertonen een rijk repertoire aan gedragingen voor het bestuderen van cognitieve functies. Ze hebben ook een miniatuurbrein dat kan worden gebruikt voor het meten van activiteiten in hersengebieden door middel van optische beeldvormingsmethoden. Rapporten over de registratie van hersenactiviteit bij zich gedragende volwassen zebravissen zijn echter schaars. De huidige studie beschrijft procedures om twee-foton calciumbeeldvorming uit te voeren in de dorsale voorhersenen van volwassen zebravissen. We richten ons op stappen om te voorkomen dat volwassen zebravissen hun kop bewegen, wat zorgt voor stabiliteit die laserscanning van de hersenactiviteit mogelijk maakt. De dieren met hun hoofd kunnen hun lichaamsdelen vrij bewegen en ademen zonder hulpmiddelen. De procedure heeft tot doel de tijd van een hoofdsteunoperatie te verkorten, de hersenbeweging te minimaliseren en het aantal geregistreerde neuronen te maximaliseren. Hier wordt ook een opstelling beschreven voor het presenteren van een meeslepende visuele omgeving tijdens calciumbeeldvorming, die kan worden gebruikt om neurale correlaten te bestuderen die ten grondslag liggen aan visueel getriggerd gedrag.
Calciumfluorescentiebeeldvorming met genetisch gecodeerde indicatoren of synthetische kleurstoffen is een krachtige methode geweest om neuronale activiteit te meten bij zich gedragende dieren, waaronder niet-menselijke primaten, knaagdieren, vogels eninsecten. De activiteit van honderden cellen, tot ongeveer 800 μm onder het hersenoppervlak, kan tegelijkertijd worden gemeten met behulp van multi-fotonbeeldvorming 2,3. De activiteit van specifieke celtypen kan ook worden gemeten door calciumindicatoren tot expressie te brengen in genetisch gedefinieerde neuronale populaties. Toepassing van de beeldvormingsmethode voor kleine gewervelde modellen opent nieuwe mogelijkheden op het gebied van neuronale berekeningen over hersengebieden.
Zebravissen zijn een veelgebruikt modelsysteem in neurowetenschappelijk onderzoek. Larvale zebravissen zijn ongeveer 6 dagen na de bevruchting gebruikt voor calciumbeeldvorming vanwege hun miniatuurhersenen en transparante lichaam4. Juveniele zebravissen (3-4 weken oud) worden ook gebruikt voor het bestuderen van de neurale mechanismen die ten grondslag liggen aan sensomotorische routes 5,6. Het maximale prestatieniveau voor complex gedrag, waaronder associatief leren en sociaal gedrag, wordt echter bereikt op een oudere leeftijd 7,8 jaar. Er is dus een betrouwbaar protocol nodig om meerdere cognitieve functies in de hersenen van volwassen zebravissen te bestuderen met behulp van beeldvormingsmethoden. Terwijl zebravislarven en juveniele zebravissen kunnen worden ingebed in agarose voor in vivo beeldvorming, lijden volwassen zebravissen van 2 maanden of ouder in dergelijke omstandigheden aan hypoxie en zijn ze fysiek te sterk om door agarose te worden tegengehouden. Daarom is een chirurgische ingreep nodig om de hersenen te stabiliseren en het dier vrij door de kieuwen te laten ademen.
Hier beschrijven we een hoofdsteunprotocol dat een nieuw ontwerp van een enkele hoofdbeugel omvat. De verkorte operatietijd van 25 minuten is twee keer zo snel als de vorige methode9. We beschrijven ook het ontwerp van de opnamekamer (semi-zeshoekige tank), de hoofdtrap en een snelvergrendelingsmechanisme om de twee delen te combineren9. Ten slotte wordt ook de opstelling beschreven om een meeslepende visuele stimulus te presenteren om visueel getriggerde hersenactiviteit en -gedrag te bestuderen. Over het algemeen kunnen de hier beschreven procedures worden gebruikt om calciumbeeldvorming met twee fotonen uit te voeren in genetisch gedefinieerde celpopulaties in een volwassen zebravis met een hoofd, waardoor hersenactiviteiten tijdens verschillende gedragsparadigma's kunnen worden onderzocht.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Alle dierproeven zijn goedgekeurd en uitgevoerd in overeenstemming met de richtlijnen van de Institutional Animal Care and Use Committee van Academia Sinica. Details van de onderzoeksinstrumenten zijn te vinden in de Materiaaltabel.
1. Voorbereiding van de opnamekamer

Figuur 1: Instrumenten die nodig zijn voor operaties aan de hoofdsteun. (A) Het snelvergrendelingsmechanisme tussen de ronde plaat van de hoofdtrap en de grondplaat in de semi-zeshoekige tank. CAD-bestanden (Computer-aided Design) van de op maat gemaakte onderdelen zijn te vinden in Supplementary Files 1-4. (B) Ω-vormige hoofdbeugel voor de hoofdsteun. (C) De drie-assige micromanipulator die wordt gebruikt om de hoofdstang op de bevestigingsplaats te plaatsen. Inzet: oriëntatie van de balhoofdstang in de klei. (D) Kanon om de vis vast te houden tijdens de operatie. Inzet: oriëntatie van de vissen in het kanon. (E) Module voor het laden van vis en de micromanipulator die wordt gebruikt om de vis op de hoofdtrap te laden. Inzet: oriëntatie van de vissen binnen de module. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
2. Operatie aan de hoofdsteun

Figuur 2: Belangrijke stappen tijdens een operatie aan de hoofdsteun . (A) Samenstelling van de capsule in het kanon. (B) Aanhechtingsplaatsen op de schedel (rood). Rode pijlen geven de plaatsen van bloedvaten aan. (C) Bovenkant: hoofdstang bevestigd aan de schedel van de vis. Bodem: vis geladen op het hoofdpodium. (D) Snijwonden die nodig zijn om de huid boven de voorhersenen te verwijderen. Cijfers geven de snijvolgorde aan. Vermijd het verwijderen van de huid op de gemarkeerde plaats (pijlpunt) om bloedingen van het dier te voorkomen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
3. Beeldvorming met twee fotonen

Afbeelding 3: Opstelling voor het uitvoeren van calciumbeeldvorming, gedragsregistratie en visuele stimulusweergave . (A) Drie projectoren geven een visuele prikkel op de wanden van de halfzeshoekige tank. IR-lampen aan de zijkant worden gebruikt om het lichaam van de zebravis te verlichten. (B) Positionering van de objectieflens. Links: vooraanzicht. Rechts: zijaanzicht. De afstand tussen de 16x objectieflens en het beoogde hersengebied is ongeveer 2,5 mm. (C) Voorbeeld van een afbeelding met twee fotonen. Links: maximale projectie van de gehele dorsale voorhersenen in Tg[neuroD:GCaMP6f]. Rechts: ingezoomde afbeelding om neuronen in meerdere hersengebieden te onthullen. Inzet: een hogere vergroting van een ander hersengebied. Beelden zijn gemiddelden van 10 s aan gegevens opgenomen bij 5Hz. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Het protocol bestaat uit twee delen: een hoofdsteunoperatie en twee-foton calciumbeeldvorming van neuronale activiteiten in de voorhersenen. Het succes van een operatie wordt bepaald door de overleving van het dier en de stabiliteit van de hoofdsteun. Het overlevingspercentage kan sterk worden verbeterd door frequente perfusie van 0,01% TMS-oplossing via de mond tijdens de operatie. Vissen moeten herstellen van de anesthesie en actief ademen binnen 1-2 minuten nadat ze in aquariumwater zijn ondergedompeld. Calciumbeeldvo...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Hier beschrijven we een gedetailleerd protocol om de kop van volwassen zebravissen in bedwang te houden voor calciumbeeldvorming met twee fotonen. Er zijn twee cruciale stappen om een hoofdsteun te krijgen die stabiel genoeg is voor laserscanning. Eerst moet de hoofdbalk op de specifieke bevestigingsplaatsen van de schedels worden gelijmd. Andere delen van de schedel zijn vaak te dun om mechanische stabiliteit te bieden en kunnen zelfs worden gebroken tijdens sterke lichaamsbewegingen. Ten tweede moet de huid boven de aa...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs verklaren dat ze geen concurrerende financiële belangen hebben.
Dit werk werd ondersteund door het Institute of Molecular Biology, Academia Sinica, en de National Science and Technology Council, Taiwan. De machinewerkplaats van het Institute of Physics, Academia Sinica, hielp bij het vervaardigen van op maat ontworpen onderdelen. We willen ook P. Argast (Friedrich Miescher Instituut voor Biomedisch Onderzoek, Basel, Zwitserland) bedanken voor het ontwerp van het snelsluitmechanisme van de hoofdstage.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Acquisition card | MBF Bioscience | Vidrio vDAQ | Microscoop |
| Back-projection film | Kimoto | Diland screen - GSK | visueel stimulus presenteren |
| Band-pass filter (510/80 nm) | Chroma | ET510/80m | Microscoop |
| Base plate for the semi-hexagonal tank | op maat gemaakt | zie aanvullende bestanden | opnamekamer |
| Camera filter (<875 nm) | Edmund optics | #86-106 | Gedragsregistratie |
| Camera filter (>700 nm) | Edmund optics | #43-949 | Gedragsregistratie |
| Camera lens | Thorlabs | MVL50M23 | Gedragsregistratie |
| Chameleon Vision-S | Coherent | Vision-S | Laser |
| Circular plate for the head stage | op maat gemaakt | zie aanvullende bestanden | opnamekamer |
| Controller for piezo actuator | Physik Instrumente | E-665. CR | Microscoop |
| Current amplifier | Thorlabs | TIA60 | Microscoop |
| Elitedent Q-6 | Rolence Enterprise | Q-6 | Chirurgie: UV-lamp |
| Emission Filter 510/80 nm | Chroma | ET510/80m | Microscoop |
| Head bar | op maat gemaakt | zie aanvullende bestanden | opnamekamer |
| Infrared light | Thorlabs | M810L3 | Gedragsregistratie |
| LED projector | AAXA | P2B LED Pico Projector | visueel stimulus presenteren |
| Moist paper tissue (Kimwipe) | Kimtech Science | 34155 | Chirurgie: vochtige papieren tissue |
| Motorized XY sample stage | Zaber | X-LRM050 | Microscoop |
| Neutral Density Filters (50% Transmission) | Thorlabs | NE203B | visueel stimulus presenteren |
| Ø1/2" Post Holder | ThorLabs | PH1.5V | Chirurgie: holle buis voor kanon |
| Ø1/2" Stainless Steel Optical Post | ThorLabs | TR150/M | Chirurgie: vislaadmodule |
| Objective lens 16x, 0.8NA | Nikon | CF175 | Microscoop |
| Oil-based modeling clay | Ly Hsin Clay | C4086 | Chirurgie: houder voor hoofdbalk |
| Optical adhesive | Norland Products | NOA68 | Chirurgie: UV-hardende lijm |
| Photomultiplier tube | Hamamatsu | H11706P-40 | Microscoop |
| Piezo actuator | Physik Instrumente | P-725.4CA PIFOC | Microscoop |
| Pockels Cell | Conoptics | M350-80-LA-BK-02 | Microscoop |
| Red Wratten filter (> 600 nm) | Edmund optics | #53-699 | visueel stimulus presenteren |
| Resonant-Galvo Scan System | INSS | RGE-02 | Microscoop |
| Right-Angle Clamp for Ø1/2" Post | ThorLabs | RA90/M | Chirurgie: vislaadmodule |
| Rotating Clamp for Ø1/2" Post | ThorLabs | SWC/M | Chirurgie: vislaadmodule |
| ScanImage | MBF Bioscience | Basic version | Microscoop |
| Semi-hexagonal tank | op maat gemaakt | zie aanvullende bestanden | opnamekamer |
| Super-Bond C&B Kit | Sun Medical Co. | Super-Bond C&B | Chirurgie: tandheelkundig cement |
| Tricaine methanesulfonate | Sigma Aldrich | E10521 | Chirurgie: verdovingsmiddel |
| USB Camera | FLIR | BFS-U3-13Y3M-C | Gedragsregistratie |
| Vetbond | 3M | 1469SB | Chirurgie: weefsellijm |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.