Name: Optogenetic meevoeren van Hippocampal Theta oscillaties in het gedrag van muizen (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-06-29T13:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 33 s
Description: Leer optogenetische manipulatie van hippocampale theta-oscillaties bij muizen voor neurofysiologisch onderzoek. Deze methode biedt real-time controle over neurale activiteit tijdens gedragsexperimenten.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

We bedank Maria Gorbati voor deskundige hulp bij data-analyse en Jennifer Kupferman voor commentaar op het manuscript. Dit werk werd gesteund door de Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG; Uitm 257 NeuroCure, TK en AP; Prioritaire programma 1665, 1799/1-1(2), Heisenberg programma, 1799/2-1, AP), de Duits-Israëlische Stichting voor wetenschappelijk onderzoek en ontwikkeling (GIF; Ik-1326-421.13/2015, TK) en het Human Frontier Science Program (HFSP; RGY0076/2012, TK).

De auteurs hebben niets te onthullen.

Hier voorgesteld hebben we een breed toegankelijke methodologie later te ontlokken hippocampal theta oscillaties in het dier gedraagt. Deze aanpak kan zinvol zijn voor studies van theta ritme van functies in de informatieverwerking en gedrag. Kritieke aspecten van deze methode zijn: (1) de keuze van de opsin en doelgerichtheid van ChR2 aan de axonen van MS cellen in de hippocampus, (2) robuuste optische en elektrische kenmerken van geïmplanteerde optische vezel-draads matrix assemblages om continu stimulatie en de LFP op...

Neuronale activiteit bij zoogdieren wordt gecoördineerd door netwerk trillingen, die het bijstaan van informatieoverdracht binnen en tussen hersenen regio's1,2,3,4. Ritmes van de hersenen omvatten oscillaties variërend van erg traag (< 0.8 Hz) tot ultrasnelle (> 200 Hz) frequenties. Een grote hoeveelheid bewijs ondersteunt betrokkenheid van netwerk oscillaties in diverse hersenfuncties, inclusief cognitie5,6,7,8,9,10 , aangeboren gedrag11,12 , alsmede neuropsychiatrische aandoeningen zoals de ziekte van Parkinson en epilepsie13,14,15. Selectieve en stoffelijk nauwkeurige methoden voor experimentele manipulatie van netwerk oscillaties zijn daarom essentieel voor de ontwikkeling van fysiologisch plausibel modellen van synchronisatie en voor de vaststelling van causale verbanden met gedrag.
Netwerksynchronisatie is bemiddeld door diverse biologische substraten en processen, variërend van moleculaire identiteit van ionenkanalen en hun kinetiek tot neuromodulatie van prikkelbaarheid en verbinding met het netwerk. Het biologische ontwerp van ritme generatoren16 is gebleken voor vele ritmes van de hersenen, verschillende aspecten van welke (b.v., frequentie en amplitude) vaak zijn veroorzaakt door de dynamiek van verschillende celtypes en netwerken. Bijvoorbeeld, zijn remmende interneuronen gericht op de waarin van de belangrijkste cellen de belangrijkste spelers over frequentiebanden en hersenen regio's17,18, met inbegrip van theta19,20, gamma20 , 21, en rimpel (140-200 Hz)22 oscillaties. Op zijn beurt wordt fase synchronisatie van verre cellen gewaarborgd door het robuuste feed-forward signalering van piramidale cellen, die het afvuren van interneuronen reset. Een cruciale parameter van trillingen, de grootte van de gesynchroniseerde neuronale bevolking, is nauw verwant aan de amplitude van de gemeten LFP trilling en, ten minste voor snelle schommelingen, afhankelijk van het excitatory station naar interneuronen2. Daarentegen langzamer oscillaties, zoals delta en theta ritmes, worden gegenereerd door lange-afstands terugkerende lussen, gevormd door cortico-thalamus23,24 en hippocampal-mediale septal projecties25, 26,27, respectievelijk. Oscillaties in dergelijke schakelingen zijn teweeggebracht door interacties van signaal doorgeven vertragingen, prikkelbaar reacties en hun frequentie voorkeur in deelnemende cellen28,29,30, 31 , 32. remmende projecties van GABAergic parvalbumin (PV)-positieve cellen van het mediale septum (MS) te interneuronen in de hippocampus25,33, de parahippocampal regio's en de Entorinale cortex26 essentieel voor de generatie van theta oscillaties in de mediale temporale kwab. Dus, fysiologische mechanismen van netwerk oscillaties en neuronale synchronisatie kunnen worden gemanipuleerd met behulp van optogenetics met een real-time precisie.
Cel type-specifieke optogenetic manipulaties zijn aangevraagd door studies van de hippocampal en corticale oscillaties in vitro34,35,,36,,37,38 en in vivo30,39,40,41,42,43,44,45, met inbegrip van functionele onderzoeken van gamma5,12,36,,46,47,48,49,50, 51,52 en rimpel oscillaties40,53,,54 en slaap spindles55,,56. We hebben onlangs een Cre-afhankelijke ChR2-virus in de lidstaat, een belangrijke regio voor de generatie van het hippocampal theta ritme, van PV-Cre muizen. Met behulp van deze voorbereiding, werden kenmerken van de hippocampal theta oscillaties (frequentie en temporele stabiliteit) gecontroleerd door optogenetic stimulatie van remmende prognoses van de lidstaten in de hippocampus11. Bovendien opgeroepen theta-frequentie optogenetic stimulatie van remmende septo-hippocampal projecties theta ritme tijdens wakker immobiliteit. De optogenetically entrained theta ritme weergegeven eigenschappen van spontane theta oscillaties in de muis LFP en neuronale activiteitenniveaus.
Belangrijkste kenmerken van dit protocol zijn: (1) gebruik van een remmende traject dat is fysiologisch essentieel voor spontane theta oscillaties terwijl het vermijden van aspecifieke effecten op hippocampal prikkelbaarheid; (2) axonale, dat wil zeggen, projectie-specifieke stimulatie te minimaliseren een directe invloed op niet-hippocampal MS-efferents; (3) lokale theta-ritmische lichte stimulatie, zorgen voor een minimale directe inmenging met theta-ritmische septo-hippocampal dynamiek en een wereldwijde bilaterale meevoeren van theta oscillaties; (4) parametrische controle theta oscillaties frequentie en regelmatigheid; en (5) kwantificering van entrainment trouw met hoge temporele resolutie met behulp van LFP om kwantitatieve causaliteit analyse in het gedrag van dieren. Aangezien deze voorbereiding in wezen speelt in op een bekende rol van de septo-hippocampal disinhibitie in theta generatie25,30, hierdoor robuuste controle over verschillende parameters van theta oscillaties in gedragend muizen. Studies waar andere minder onderzochte trajecten en celtypes van het septo-hippocampal circuits waren gemanipuleerd38,39,47,49,50,51 , 52 , 53 , 54 , 55 , 56 , 57 , 58 onthullen verdere mechanismen van de theta-ritme.

<table><tbody><tr><td>PV-Cre muizen</td><td>The Jackson Laboratory</td><td>B6;129P2-Pvalbtm1(cre)Arbr/J</td><td></td></tr><tr><td>Naam</td><td>Bedrijf</td><td>Catalogusnummer</td><td>Opmerkingen</td></tr><tr><td>Chirurgie</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Stereotaxie</td><td>David Kopf Instruments, Tujunga, CA, USA</td><td>Model 963</td><td>Ultra Precisie Stereotaxisch Instrument voor Kleine Dieren</td></tr><tr><td>Boorbits, 0,8 mm</td><td>Bijoutil, Allschwil, Zwitserland</td><td>49080HM</td><td></td></tr><tr><td>0,01-1 ml spuit</td><td>Braun, Melsungen, Duitsland</td><td>9161406V</td><td></td></tr><tr><td>Sterican-canules</td><td>Braun</td><td>26 G, 0,45x25 mm BL/LB</td><td></td></tr><tr><td>Fijne en scherpe schaar</td><td>Fine Science Tools Inc., Vancouver, Canada</td><td>14060-09</td><td></td></tr><tr><td>Pincetten</td><td>Fine Science Tools Inc.</td><td>11210-10</td><td>Dumont AA - Epoxy Gecoate Pincetten</td></tr><tr><td>Stomp roestvrij stalen schaar</td><td>Fine Science Tools Inc.</td><td>14018-14</td><td></td></tr><tr><td>Soldeerstation</td><td>Weller Tools GmbH, Besigheim, Duitsland</td><td>WSD 81</td><td></td></tr><tr><td>Erytromycine</td><td>Rotexmedica GmbH, Trittau, Duitsland</td><td>PZN: 10823932</td><td>1g Poeder voor Oplossing voor Infusie</td></tr><tr><td>Naam</td><td>Bedrijf</td><td>Catalogusnummer</td><td>Opmerkingen</td></tr><tr><td>Optogenetiek</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Hamilton-pomp</td><td>PHD Ultra, Harvard Apparatus, Holliston, MA, USA</td><td>model 703008</td><td>PHD Ultra Spuitpomp met push/pull mechanisme</td></tr><tr><td>Hamilton 5 &micro;L Spuit, 26 gauge</td><td>PHD Ultra, Harvard Apparatus</td><td>Model 75 RN SYR</td><td></td></tr><tr><td>Hamilton 5 &micro;L Zuiger</td><td>PHD Ultra, Harvard Apparatus</td><td>Model 75 RN SYR</td><td></td></tr><tr><td>Slang</td><td>Fisher Scientific, Pittsburgh, USA</td><td>PE 20</td><td>Binnendiameter 0,38 mm (.015"), Buitendiameter 1,09 mm (.043")</td></tr><tr><td>Sterican-canules</td><td>Braun, Melsungen, Duitsland</td><td>27 G, 25x0,40 mm, stomp</td><td></td></tr><tr><td>Precisie boor/slijper</td><td>Proxxon, Wecker, Luxemburg</td><td>fbs 240/e</td><td></td></tr><tr><td>Snijschijven</td><td>Proxxon</td><td>NO 28812</td><td></td></tr><tr><td>Cre-afhankelijk channelrhodopsine</td><td>Penn Vector Core, Philadelphia, PA, USA</td><td>AV-1-18917P</td><td>Constructnaam: AAV2/1.CAGGS.flex.ChR2.tdTomato, titter: 1,42x1013 vg/ml</td></tr><tr><td>Cam-kinase-afhankelijk halorhodopsine</td><td>Penn Vector Core</td><td>AV-1-26971P</td><td>Constructnaam: eNpHR3.0, AAV2/1.CamKIIa.eNpHR3.0-EYFP.WPRE.hGH, titter: 2,08_1012 vg/ml</td></tr><tr><td>Multimode lichtgeleider</td><td>ThorLabs, Dachau, Duitsland</td><td>FG105LCA</td><td>0,22 NA, Low-OH, &Oslash;105 &micro;m Kern, 400 - 2400 nm</td></tr><tr><td>Keramische stokferrule</td><td>Precision Fiber Products, Milpitas, CA, USA</td><td>CFLC126</td><td>Keramische LC MM Ferrule, ID 126um</td></tr><tr><td>Polijstpapier</td><td>Thorlabs</td><td>LF3D</td><td>6" x 6" Diamond Lapping (Polijst) Vel</td></tr><tr><td>Vermogensmeter</td><td>Thorlabs</td><td>PM100D</td><td>Compact Vermogen en Energie Meter Console, Digitaal 4" LCD</td></tr><tr><td>Multimode lichtgeleider koppeling</td><td>Thorlabs</td><td>FCMM50-50A-FC</td><td>1x2 MM Koppeling, 50:50 Split Ratio, 50 &micro;m GI Vezels, FC/PC</td></tr><tr><td>Lichtgeleider patchkabel</td><td>Thorlabs</td><td>FG105LCA CUSTOM-MUC</td><td>Op maat gemaakt, 3 m lang, met beschermende slang, Slang: FT030, Aansluiting 1: FC/PC, Aansluiting 2: 1,25mm (LC) Keramische Ferrule</td></tr><tr><td>Hulp</td><td>Precision Fiber Products, Milpitas, CA, USA</td><td>ADAL1</td><td>Keramische Split Mating Hulp voor &Oslash;1,25 mm (LC/PC) Ferrules</td></tr><tr><td>473 nm DPSS laser</td><td>Laserglow Technologies, Toronto, ON, Canada</td><td>R471005FX</td><td>LRS-0473 Serie</td></tr><tr><td>593 nm DPSS laser</td><td>Laserglow Technologies</td><td>R591005FX</td><td>LRS-0594 Serie</td></tr><tr><td>MC_Stimulus II</td><td>Multichannel Systems, Reutlingen, Duitsland</td><td>STG 4004</td><td></td></tr><tr><td>Impedantie conditionering module</td><td>Neural microTargeting worldwide, Bowdoin, USA</td><td>ICM</td><td></td></tr><tr><td>Naam</td><td>Bedrijf</td><td>Catalogusnummer</td><td>Opmerkingen</td></tr><tr><td>Elektrofysiologie</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Wolfraamdraden</td><td>California Fine Wire Company, Grover Beach, CA, USA</td><td>CFW0010954</td><td>40 &micro;m, 99,95%</td></tr><tr><td>Capillaire slang</td><td>Optronics</td><td>1068150020</td><td>ID: 100,4 &micro;m</td></tr><tr><td>Omnetics nanoconnector</td><td>Omnetics Connector Corporation, Minneapolis, USA</td><td>A79038-001</td><td></td></tr><tr><td>Schroeven</td><td>Bilaney, Düsseldorf, Duitsland</td><td>00-96x1/16</td><td>roestvrij staal</td></tr><tr><td>Silicone sonde</td><td>NeuroNexus Technologies, Ann Arbor, MI, USA</td><td>B32</td><td></td></tr><tr><td>Headstage</td><td>Neuralynx, Bozeman, Montana USA</td><td>HS-8</td><td>miniatuur headstage unity gain voorversterkers</td></tr><tr><td>Zilveren geleidende verf</td><td>Conrad electronics, Duitsland</td><td>530042</td><td></td></tr><tr><td>Vloeibare flux</td><td>Felder GMBH Löttechnik, Oberhausen, Duitsland</td><td>Lötöl ST</td><td>DIN EN 29454.1, 3.2.2.A (F-SW 11)</td></tr><tr><td>LED</td><td>Neuralynx</td><td>HS-LED-Red-omni-10V</td><td></td></tr><tr><td>Naam</td><td>Bedrijf</td><td>Catalogusnummer</td><td>Opmerkingen</td></tr><tr><td>Software</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>Mathworks, Natick, MA

optogenetic meevoeren van hippocampal theta oscillaties in het gedrag van muizen

Optogenetic Entrainment of Hippocampal Theta Oscillations in Behaving Mice

Uitgebreide gegevens over relaties van neuraal netwerk oscillaties naar gedrag en organisatie van neuronale kwijting over hersengebieden vragen om nieuwe instrumenten te selectief manipuleren ritmes van de hersenen. Hier beschrijven we een aanpak projectie-specifieke optogenetics te combineren met de extracellulaire electrofysiologie voor HiFi-besturingselement van hippocampal theta oscillaties (5-10 Hz) in gedragend muizen. De specificiteit van de entrainment optogenetic wordt bereikt door gericht op channelrhodopsin-2 (ChR2) voor de GABAergic bevolking van mediale septal cellen, cruciaal betrokken in de generatie van hippocampal theta oscillaties, en een lokale gesynchroniseerd activering van een subset van remmende septal afferents in de hippocampus. De doeltreffendheid van het optogenetic ritme besturingselement wordt gecontroleerd door een gelijktijdige controle van het lokale veld potentiële (LFP) over lamina van de CA1-gebied en/of neuronale kwijting. Laten we zien met behulp van deze gemakkelijk uitvoerbaar voorbereiding werkzaamheid van verschillende optogenetic stimulatie protocollen voor inductie van theta oscillaties en voor het manipuleren van de frequentie en de regelmaat. Tot slot, een combinatie van de theta rhythm control met remming van de projectie-specifieke adressen de uitlezing van bepaalde aspecten van de hippocampal synchronisatie door efferent regio's.

Doelgerichtheid van ChR2 naar GABAergic cellen in de MS zoals beschreven in sectie 1 wordt geïllustreerd in figuur 2A. Optogenetic stimulatie van axonen van MS GABAergic cellen in de dorsale hippocampus via een optische vezel die is geïmplanteerd boven het gebied CA1 entrains theta oscillaties op de frequentie van de prikkel in de ipsilaterale (figuur 2B) evenals contralaterale halfrond (figuur 2C). ...

We beschrijven het gebruik van optogenetics en elektrofysiologische opnames voor selectieve manipulaties van hippocampal theta oscillaties (5-10 Hz) in gedragend muizen. De werkzaamheid van de entrainment ritme wordt gecontroleerd met behulp van lokale veld potentieel. Een combinatie van opto- en Farmacogenetische inhibitie adressen de efferent uitlezing van hippocampal synchronisatie.

Optogenetic meevoeren van Hippocampal Theta oscillaties in het gedrag van muizen

Extensive data on relationships of neural network oscillations to behavior and organization of neuronal discharge across brain regions call for new tools ...

Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen op het gebied van neurofysiologie, zoals de causale rol van theta-oscillatie in speciale navigatie en geassocieerde gedragingen. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het een realtime controle mogelijk maakt over de frequentie en regelmaat van hippocampale theta-oscillaties bij gedragende muizen. Het demonstreren van de procedure zal door Dr. Franziska Bender worden gedaan, een voormalige afgestudeerde student in mijn laboratorium.Begin met de volledig verdoofde muis vastgezet in het stereotactische frame. Boor een gat boven het mediale septum. Dompel de punt van de injectienaald in een druppel virus op een stuk paraffinefilm en trek het virus voorzichtig op met ongeveer 500 nanoliter per minuut terwijl je het vloeistofpeil observeert.Om te voorkomen dat er lucht in de injectienaald komt, stop met trekken voordat het virus volledig is opgenomen. Maak de naald schoon met een papieren tissue. Controleer of het virus en de olie gescheiden zijn door een luchtbel en markeer het niveau van het virus op de buis.Plaats de naald boven de craniotomie en steek hem langzaam in de hersenen op het eerste injectiepu

optogenetic-entrainment-hippocampal-theta-oscillations-behaving

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Neurowetenschap

Source: Kodani, S., et.al. Optogenetic Manipulation of Neural Circuits During Monitoring Sleep/wakefulness States in Mice. J. Vis. Exp. (2019)This video demonstrates the optogenetic manipulation of neural circuits involved in the sleep-to-wakefulness transition in mice. The procedure involves surgically implanting an optic fiber and electrodes into the brain and muscles to enable light stimulation and electrophysiological recording. By delivering light to activate light-sensitive cation...

Optogenetic Manipulation of Neural Circuits for the Sleep-to-Wakefulness Transition in Mice

This video demonstrates a protocol to modulate theta oscillations in a genetically engineered mouse model with light-sensitive ion channels in its GABAergic medial septum neurons. By delivering light pulses to the hippocampus, the protocol aims to synchronize neuronal activity and generate theta oscillations, which are recorded as local field potentials.

Selective Manipulation of Theta Oscillations in a Mouse Model

This video demonstrates the stereotactic implantation of a wire electrode array and an optic fiber in the hippocampus of a mouse model.

Implanting an Electrode Array and Optic Fiber into the Mouse Hippocampus

This video demonstrates the recording of rhythmic neuronal network activity, also known as theta oscillations, in an isolated hippocampus. Electrodes are inserted into various layers and spatial positions to detect and analyze theta oscillations. This shows the unique neuronal compositions and the connectivity of the neuronal network across different layers of the hippocampus.

In Vitro Recording of Theta Oscillations in the Mouse Hippocampus

This video demonstrates the method to use optogenetics to modulate hippocampal network dynamics by activating genetically modified light-sensitive interneurons in a mouse brain slice, enhancing theta oscillation synchronization and studying neural circuit behavior.

Optogenetic Control of Hippocampal Network Dynamics

Trillingen zijn fundamentele netwerk-eigenschappen en worden gemoduleerd door ziekte en drugs. Studeren brain-slice oscillaties laat karakterisering van geïsoleerde netwerken onder gecontroleerde omstandigheden. Protocollen zijn voorzien voor de voorbereiding van acute hersenen plakjes voor het oproepen van CA1 γ oscillaties.

Generatie van Local CA1 γ Oscillations door Tetanische Stimulation

Theta-activiteit in de hippocampus is gerelateerd aan specifieke cognitieve en gedragsstadia. Hier beschrijven we een analytische methode om hoog georganiseerde theta-oscillaties binnen de hippocampus te detecteren met behulp van een tijd-frequentie ( d.w.z. golfjesanalyse) gebaseerde aanpak.

Automatische detectie van zeer georganiseerde theta-oscillaties in het Muizen EEG

Hier presenteren wij een protocol voor het opnemen van ritmische neuronale netwerk theta en gamma oscillaties vanuit een geïsoleerde hele hippocampale voorbereiding. We beschrijven de experimentele stappen van extractie van de hippocampus naar details van veld-, eenheids- en hele-cel patch-klemopnamen, evenals optogenetische stimulatie van het theta ritme.

Tuning in de Hippocampal Theta Band<em&gt; In Vitro</em&gt;: Methodologieën voor opname uit het Geïsoleerde Knaagdier Septohippocampale Circuit

Dit protocol beschrijft de opname van het lokale veld potentieel met multi schacht lineaire silicon sondes. Conversie van de signalen met behulp van de huidige Bronanalyse dichtheid kan de wederopbouw van lokale elektrische activiteit in de hippocampus muis. Met deze techniek, kunnen ruimtelijk beperkte hersenen oscillaties in vrij bewegende muizen bestudeerd worden.

Opname ruimtelijk beperkte schommelingen in de Hippocampus gedragen muizen

Hier beschrijven we methoden van optogenetische manipulatie van bepaalde soorten neuronen tijdens het monitoren van de slaap/wakkerheid toestanden in muizen, het presenteren van onze recente werk op de bed kern van de Stria terminalis als voorbeeld.

Optogenetische manipulatie van neurale circuits tijdens het monitoren van slaap/wakkerheid toestanden in muizen

Dit artikel demonstreert de voorbereiding van een op maat gemaakt beeldvormingsvenster aangevuld met infusiekanule en de implantatie ervan op het CA1-gebied van de hippocampus bij muizen.

Craniotomie procedure voor het visualiseren van neuronale activiteiten in Hippocampus van zich gedragende muizen

Leer optogenetische manipulatie van hippocampale theta-oscillaties bij muizen voor neurofysiologisch onderzoek. Deze methode biedt real-time controle over neurale activiteit tijdens gedragsexperimenten.

Optogenetic meevoeren van Hippocampal Theta oscillaties in het gedrag van muizen

Meer video's verkennen