Miniscoop registreert calciumsignalen op de hippocampus van muizen die door een geurpluim navigeren
20 september 2024
Dit protocol onderzoekt de relatie tussen hersenen en gedrag in hippocampus CA1 bij muizen die door een geurpluim navigeren. We bieden een stapsgewijs protocol, inclusief chirurgie om toegang te krijgen tot beeldvorming van de hippocampus, gedragstraining, miniscope GCaMP6f-opname en verwerking van de hersenen, en gedragsgegevens om de muispositie te decoderen van ROI neurale activiteit.
Mijn onderzoek is gericht op het begrijpen hoe de hersenen olfactorische en ruimtelijke informatie verwerken. En we proberen de rol van hippocampale CA1-neuronen bij de navigatie van geurpluimen te begrijpen. Momenteel wordt de technologie van vrij bewegende opnames van neuronen met miniatuurmicroscopen gebruikt om onderzoek in het veld vooruit te helpen.
We ontdekten dat het mogelijk is om het traject van de muis te decoderen die door de geurpluim navigeert op basis van neuronen en calciumsignalen in dorsaal CA1. Deze techniek combineert de voordelen van miniscooptechnologie voor het registreren van GCaMP-calciumsignalen met de gevestigde rij CA1 hippocampus ruimtelijke navigatie. om beter te begrijpen hoe neurale circuits complex gedrag aansturen, zullen we onderzoeken hoe de navigatie van geurpluimen wordt belemmerd in een muismodel van de ziekte van Alzheimer met abnormale CA1-hippocampusfunctie.
Bouw om te beginnen een kamer met twee acrylwanden en een acrylplafond en een brede geëxpandeerde polyvinylchloridevloer. De andere twee unieke wanden aan de voor- en achterzijde moeten de luchtstroom bevorderen. Plaats vier sets geurbronnen in combinatie met waterafgiftespuiten op 10 centimeter van elkaar langs de X-as.
Installeer een snelle digitale camera boven de arena om het gedrag van dieren te volgen. Gebruik een aangepaste python-code om de hardware van de geurarena te beheren, en de software integreert de camera en alle hardware voor het opzetten van het experiment. Stel de digitale camera in om een kloksignaal te exporteren bij het opnemen van videoframes voor post-hoc synchronisatie met de miniscoop.
Plaats een snel reagerende miniatuur foto-ionisatiedetector, of PID, dicht bij de geurbron en plaats een andere 10 centimeter verder weg. Zet de versterkingsschakelaar op het voorpaneel van de PID-regelaar in de X vijf-positie. Zet vervolgens de pompschakelaar op het voorpaneel van de PID-regelaar in de hoge stand.
Controleer de lichtgevende diode of het LED-statuslampje op het voorpaneel van de controller om er zeker van te zijn dat de sensoruitgang nul weergeeft voltage in afwezigheid van geurstoffen. Zet de potentiometeroffset op nul, de uitgangsspanning bij afwezigheid van geurstoffen en zet de geurklep in de geurarena aan. Meet de vertraging bij het detecteren van de geurpluim met de PID op elke locatie na het openen van de klep.
Stel om te beginnen de kamer, camera en de foto-ionisatiedetector of PID-sensoren in voor het experiment. Om de muis te trainen, vraagt u hem om naar de achterkant van de arena te gaan. Nadat de muis de achterkant heeft bereikt, levert u handmatig geur en water af in een willekeurige baan en laat u de muis de bron lokaliseren en het water drinken.
Zodra de muis leert om proeven te starten, schakelt u over op geautomatiseerde software voor geurafgifte. Selecteer in de geurnavigatietaak met twee rijstroken willekeurig een van de twee geurpoorten om geur af te geven. En beloon de muis met water wanneer hij de juiste watertuit bereikt Kop bevestig de muis en plaats de miniscoop op de grondplaat met behulp van een micromanipulator.
Draai de stelschroef vast om de miniscoop vast te zetten. Pas de electrowetting-lens aan om het optimale brandpuntsvlak te vinden, zodat het grootste aantal cellen met de hoogste fluorescentie-intensiteit ontstaat. Om een optimaal dynamisch bereik te verkrijgen, gebruikt u dorsaal CA1 en bindt u één GCaMP zes-F-muis vast, waarbij u het vermogen van de miniscoop instelt op ongeveer 30% bij een acquisitiesnelheid van 30 hertz.
Laat de muis los in de geurarena met de miniscoop bevestigd aan de basisplaat. Begin met acquisitie met de interfacekaart om de transistor-transistorlogica, of TTL-uitgang van de digitale camera, en de miniscoop voor synchronisatie op te nemen. Begin met het opnemen van de miniscoop en gedragsfilms en schakel de geautomatiseerde software in voor de geurnavigatietaak met twee tuiten.
Synchroniseer vervolgens de metadata van de geurarena, opgenomen digitale cameraframes en miniscoopframes met behulp van de MATLAB-code synchronize_files_jove.m. Voer met behulp van normcorrectie bewegingscorrectie uit van de gesynchroniseerde miniscoopframes. Identificeer de interessegebieden met in de tijd variërende delta F door F nulsignalen met behulp van extract.
Gebruik het gedragsensemble en het neurale trajectobservatorium om het gedrag en de interessegebieden van elke afzonderlijke proef te visualiseren. De PID-respons nam aanzienlijk toe bij het vrijkomen van de geurpluim, wat de timing van de geurafgifte aangeeft. Meerdere calciumtransiënten werden waargenomen in de dorsale CA1 van de muis tijdens geurnavigatie, wat correleert met geur- en waterbeloningsgebeurtenissen.
Calciumresponsen werden geassocieerd met verschillende stadia van de navigatietaak, waaronder het starten van de proef, het nemen van beslissingen en terugkeren. Het ruimtelijke traject van de muis werd gedecodeerd uit de calciumsignalen, waardoor de rol van de dorsale CA1 bij het in kaart brengen van geur en ruimtelijke informatie werd onthuld.
Overzicht
Deze studie onderzoekt de relatie tussen hersenfunctie en gedrag in het CA1-gebied van de hippocampus bij muizen terwijl ze een geurwolk navigeren. Met behulp van een combinatie van gedragstraining en miniscope GCaMP6f-opnamen, probeert het onderzoek te ontcijferen hoe neuronen in de hippocampus reuk- en ruimtelijke informatie verwerken, met name in relatie tot de ziekte van Alzheimer.
Belangrijkste onderzoekscomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschap
- Gedragsneurowetenschap
- Beeldvormingstechnieken
Achtergrond
- Begrijpen hoe neurale circuits complex gedrag faciliteren.
- De rol van CA1-neuronen in de hippocampus bij ruimtelijke navigatie en reukverwerking.
- De impact van de ziekte van Alzheimer op de functionaliteit van de hippocampus.
- Gebruik van miniscope-technologie voor in vivo neuronale opnamen.
Doel van het onderzoek
- Onderzoeken hoe CA1-neuronen in de hippocampus bijdragen aan geur-navigatiegedrag.
- Onderzoeken hoe deze gedragingen worden veranderd in een muizenmodel van de ziekte van Alzheimer.
- Gebruikmaken van geavanceerde beeldvormingstechnieken om neurale activiteit te correleren met gedrag.
Gebruikte methoden
- Miniscope-opname van dorsale CA1-neuronen tijdens geurnavigatietaken.
- Muizenmodel van de ziekte van Alzheimer voor gedragstraining en -testen.
- Setup omvatte een kamer ontworpen voor navigatie door een geurwolk.
- Geautomatiseerde software voor geurtoediening en gedragsbewaking.
- Synchronisatie van video- en neurale opnamen voor data-analyse.
Belangrijkste resultaten
- Neurale activiteit correleerde met gedragsgebeurtenissen tijdens geurnavigatie.
- Calciumtransienten die in de dorsale CA1 werden waargenomen, waren gekoppeld aan verschillende fasen van de navigatietaken.
- Mogelijkheid om de ruimtelijke trajecten van muizen te decoderen op basis van calciumsignalen in CA1.
- De studie onthulde belangrijke inzichten in de neurale mechanismen die ten grondslag liggen aan reuk- en ruimtelijke verwerking.
Conclusies
- Dit onderzoek verdiept het begrip van de functies van de hippocampus bij navigatie en reukverwerking.
- Resultaten dragen bij aan inzichten in de beperking van deze functies in modellen van de ziekte van Alzheimer.
- Benadrukt de nuttigheid van mini scope-technologie bij het onderzoeken van neuronale functies gerelateerd aan complex gedrag.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
Decoding hippocampal neural activity during complex odor-guided navigation provides a translational model for understanding spatial and sensory integration in neurodegenerative disease research. This workflow enables quantitative mapping of neural ensemble dynamics to behavioral outputs, supporting predictive confidence in target validation for CNS drug discovery. The approach strengthens early-stage portfolio decisions by linking circuit-level function to disease-relevant phenotypes.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of hippocampal circuit function in disease-relevant behavioral contexts.
- Supports mechanistic de-risking by correlating neural ensemble activity with navigation performance.
- Facilitates functional target validation for CNS pathways implicated in spatial and olfactory processing.
Screening & Assay Development
- Provides a validated behavioral and imaging platform for quantitative assessment of neural activity.
- Standardizes data acquisition and synchronization across behavioral and neural modalities.
- Enables reproducible measurement of calcium transients as quantitative assay outputs.
Translational & Preclinical Research
- Aligns neural activity patterns with disease-relevant behavioral phenotypes for translational biomarker development.
- Supports continuity from discovery through preclinical validation in neurodegeneration models.
- Enables risk-adjusted advancement decisions based on functional circuit readouts.
Pipeline & Workflow Integration
This miniscope-based workflow integrates from early discovery through preclinical model validation in CNS research pipelines.
- Discovery Biology: Quantifies neural circuit responses to behavioral challenges, supporting hypothesis testing and pathway clarification.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative calcium imaging outputs for assay development.
- Analytics: Provides synchronized behavioral and neural datasets for robust statistical comparison of experimental conditions.
- Translational Research: Links neural ensemble activity to disease-relevant navigation deficits, informing biomarker strategies.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for evaluating neural circuit function across diverse CNS models.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in CNS target validation and mechanistic de-risking.
- Operational Value: Standardizes behavioral and imaging protocols for reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions by linking neural activity to functional outcomes.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of CNS targets and models.
Implementation Considerations
- Requires expertise in in vivo imaging, behavioral neuroscience, and data synchronization.
- Demands specialized instrumentation including miniscopes, GRIN lenses, and synchronized video acquisition systems.
- Necessitates cross-team standardization of behavioral protocols and data processing pipelines.
- Adaptation across disease models may require protocol optimization for specific neural circuits or behaviors.
- Motion correction and ROI identification steps are critical for reliable quantitative outputs.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:00
Introduction
1:11
Setting up the Odor Arena and Photoionization Detector Sensors for Mouse Odor Plume Navigation Studies
3:04
Behavioral Training and Epifluorescence Recording of a Freely Moving Mouse in the Odor Arena for Monitoring CA1 Neuronal Activity to Decode Spatial Navigation
