Przedstawiono protokół budowy iluminatora penetrującego tkanki, który dostarczałby światło na duże objętości o minimalnej średnicy.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Przedstawiono protokół budowy iluminatora penetrującego tkanki, który dostarczałby światło na duże objętości o minimalnej średnicy.
Ten protokół opisuje iluminator o dużej objętości, który został opracowany do manipulacji optogenetycznych w mózgu naczelnych innych niż człowiek. Oświetlacz to zmodyfikowane włókno światłowodowe z tworzywa sztucznego z wytrawioną końcówką, dzięki czemu powierzchnia emitująca światło jest > 100 razy większa niż w przypadku konwencjonalnego światłowodu. Oprócz opisu budowy oświetlacza o dużej objętości, protokół ten szczegółowo opisuje kalibrację kontroli jakości stosowaną w celu zapewnienia równomiernego rozsyłu światła. Ponadto protokół ten opisuje techniki wkładania i wyjmowania iluminatora o dużej objętości. Oświetlać mogą być zarówno powierzchowne, jak i głębokie struktury. Ten oświetlacz o dużej objętości nie musi być fizycznie sprzężony z elektrodą, a ponieważ oświetlacz jest wykonany z tworzywa sztucznego, a nie ze szkła, po prostu wygina się w warunkach, w których tradycyjne światłowody pękają. Ponieważ ten oświetlacz dostarcza światło przez behawioralnie istotne objętości tkanek (≈ 10 mm3) bez większych uszkodzeń penetracji niż konwencjonalny światłowód, ułatwia badania behawioralne z wykorzystaniem optogenetyki u naczelnych innych niż ludzie.
Narzędzia optogenetyczne, które pozwalają na precyzyjną kontrolę neuronów z dokładnością do milisekund, są szeroko stosowane do badania fizjologii funkcjonalnej i zachowania u gryzoni i bezkręgowców. Jednak wyzwania techniczne ograniczyły zastosowanie optogenetyki w mózgu naczelnych innych niż człowiek, który ma objętość ~100 razy większą niż mózg gryzoni 1.
Aby ułatwić badania optogenetyczne na naczelnych innych niż ludzie, zaprojektowano oświetlacz, który miał spełniać dwa konkurencyjne cele: duże oświetlenie objętościowe i minimalne uszkodzenia penetracji. Poprzednie próby rozwiązania jednego z tych problemów wiązały się z kosztem drugiego. Wiązki włókien oświetlają większe objętości, ale o zwiększonej średnicy, a zatem uszkodzenia2,3. Zwężające się włókna szklane zmniejszają uszkodzenia penetracyjne, ale wąsko skupiają światło na powierzchni emitującej światło <100 μm2 4,5. Zewnętrzne oświetlenie mózgu przez okno w oponie twardej omija wyzwanie związane z uszkodzeniem penetracyjnym i może pozwolić na oświetlenie o dużej objętości, ale może być używane tylko do kilku powierzchownych obszarów mózgu6.
Aby stworzyć oświetlacz o dużej objętości i małej średnicy (Rysunek 1a), końcówka plastikowego światłowodu jest zwężana termicznie, a rdzeń i okładzina są trawione (Rysunek 1b,c). W przeciwieństwie do innych zwężających się włókien, które skupiają światło w wąskim punkcie, trawienie pozwala światłu równomiernie uciekać po bokach końcówki, rozprowadzając w ten sposób światło szeroko na dużym obszarze (Rysunek 1d,e). Ponieważ uszkodzenia penetracyjne są proporcjonalne do średnicy penetracji, ten oświetlacz nie ma więcej uszkodzeń penetracji niż konwencjonalne światłowód, ale ma >100 razy większą powierzchnię emitującą światło i dostarcza światło szerzej z 1/100 gęstości mocy światła w fantomie mózgu (1,75% agarozy) (Rysunek 1e). Model Monte Carlo (Rysunek 1f) ilustruje różnicę w rozproszeniu światła między konwencjonalnym światłowodem a oświetlaczem o dużej objętości, gdy mają one taką samą gęstość mocy świetlnej jak ich powierzchnie emitujące światło. Każdy oświetlacz jest indywidualnie kalibrowany za pomocą kuli całkującej (Rysunek 2a,b), aby zapewnić równomierny rozkład światła wzdłuż końcówki (Rysunek 2c).
Ten oświetlacz o dużej objętości został zweryfikowany za pomocą optogenetycznej manipulacji zarówno zachowania, jak i odpalania neuronów u naczelnych innych niż ludzie. Długość końcówki włókna można dostosować do dowolnego obszaru mózgu i do indywidualnej mapy pola recepcyjnego każdego zwierzęcia. Iluminator może być sparowany z elektrodą penetrującą w celu uzyskania zapisów neuronalnych, które obejmują długość oświetlenia. Ponadto, ponieważ włókno może przenosić dowolny kolor światła widzialnego, można je sparować z dowolną z dostępnych cząsteczek optogenetycznych.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Uwaga: Wszystkie procedury na zwierzętach były zgodne z wytycznymi NIH i zostały zatwierdzone przez Komitet ds. Opieki nad Zwierzętami Massachusetts Institute of Technology.
1. Produkcja iluminatorów
2. Kalibracja iluminatora i kontrola jakości
Uwaga: Te metody kalibracji oceniają nieliniowość strumienia świetlnego w różnych odległościach od końcówki światłowodu. Nierównomierny rozkład światła wynika zazwyczaj z "wyboistego" lub "falistego" stożka.
3. Oświetlenie in vivo
Uwaga: Tutaj te metody są pokazane przy użyciu plastikowego modelu, a nie naczelnego.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświetlanie dużych objętości mózgu u naczelnych niebędących ludźmi umożliwia optogenetyczną manipulację istotną behawioralnie. Acker et al. (2016) wykorzystali ten iluminator do dużych objętości wraz z przesuniętą w stronę czerwieni halorodopsyną, Jaws 7, aby zbadać czasowy wkład przedniego pola gałki ocznej (FEF) w sakady sterowane pamięcią u dwóch małp rhesus. W szczególności neurony FEF zostały zainfekowane wektorem wirusowym zawierającym Jaws, a następnie oświetlone czerwonym światłem...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Podczas gdy narzędzia optogenetyczne są szeroko stosowane do badania chorób i fizjologii gryzoni, wyzwanie techniczne, jakim jest oświetlanie dużych objętości mózgu, ograniczyło zastosowanie optogenetyki u naczelnych innych niż ludzie. Pionierskie badania na małpach wykorzystywały duże gęstości mocy światła (~100 mW / mm2 do 20 W / mm2) do oświetlania małych objętości, być może < 1 mm3, i wykazały umiarkowane efekty behawioralne z pobudzającymi opsynami w korze 4,9,10,11
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
LCA dziękuje za finansowanie ze stypendium NDSEG, NSF GRFP oraz Friends of the McGovern Institute. PE potwierdza finansowanie Funduszu UROP Harry'ego i Eunice Noharów, Funduszu UROP Klasy MIT z 1995 r. oraz Funduszu MIT UROP. ESB potwierdza finansowanie z NIH 2R44NS070453-03A1, IET Harvey Prize oraz New York Stem Cell Foundation-Robertson Award. RD potwierdza finansowanie z NIH EY017292. Michael Williams pomógł ekipie zorganizować i zebrać zapasy przed rozpoczęciem zdjęć.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Światłowód z tworzywa | sztucznego Światłowód przemysłowy | SK-10 | o średnicy 250 mikronów, linia Super Eska |
| Ściągacz izolacji | Klein Tools | 11047 | o rozmiarze 22 |
| Wilton | 11104 | Ogólny zacisk imadła do montażu na stole | |
| Opalarka o podwójnej temperaturze | Milwaukee | 8975-6 | 570 / 1,000 ° F |
| Marker laboratoryjny | VWR | 52877 | |
| Mikroskop preparacyjny | VistaVision | 82027-156 | Mikroskop stereoskopowy z podwójnym światłem żarowym, powiększenie 2X/4X, dostępny w VWR |
| Taśma laboratoryjna | VWR | 89097-972 | opakowania koloru fioletowego; jednak kolor taśmy nie ma znaczenia |
| Arkusz docierający z węglika krzemu | ThorLabs | LF5P | o ziarnistości 5 mikronów, opakowanie 10 sztuk |
| Arkusz docierania z tlenku glinu | ThorLabs | LF3P | o ziarnistości 3 mikronów, 10 sztuk |
| Docieranie tlenkiem glinu arkusz | ThorLabs | LF1P | o ziarnistości 1 mikrona, 10 sztuk |
| Kalcynowanego arkusza docierania z tlenku glinu | ThorLabs | LF03P | o ziarnistości 0,3 mikrona, 10 sztuk |
| Gorący nóż | Przemysłowe światłowody | IF370012 | 60 Watt, ciężki |
| zakres | inspekcji włókienThorLabs | FS201 | opcjonalna |
| skuwka ze stali nierdzewnej | Precyzyjne światłowody | MM-FER2003SS-265 | średnicy wewnętrznej 265 mikronów |
| 1 ml | BD | 14-823-30 | Końcówka Luer-lok jest preferowana, aby zmniejszyć ryzyko wycieku, ale nie jest to bezwzględnie potrzebne |
| Plastikowa żywica epoksydowa | Światłowody przemysłowe | 40 0005 | |
| 18 igła | BD | 305180 | |
| Niestrzępiąca się chusteczka o długości 1,5 cala (KimWipe) | ThorLabs | KW32 | dostępna u wielu dostawców Folia |
| pochłaniająca światło | ThorLabs | BKF12 | |
| Taśma izolacyjna | 3M | Temflex 1700 | Opcjonalnie, może zastąpić inne marki / modele |
| Ostra igła o grubości 26 | BD | 305111 | długości 0,5 cala |
| Mikromanipulator | Siskiyou | 70750000E | może zastąpić inne marki/modele |
| Ramię steretacticalne | Kopf | 1460 | może zastąpić inne marki/modele |
| Laserowe okulary ochronne | KenTeK | KCM-6012 | należy dobrać na podstawie koloru użytego lasera, przykład podany tutaj |
| Laser lub inne źródło światła | vortran | Stradus 473-50 | przykład niebieskiego lasera |
| Kula integrująca | ThorLabs | S142C | Dołączony miernik mocy, dostępny również w ThorLabs, pozycja #PM100D |
| Komora nagraniowa Ultem Instrument | Crist firmy | 6-ICO-J0 | Dostosowany z wycięciem wyrównującym |
| Mikronapęd wieżowy z zaciskami | NAN | DRTBL-CMS Rura | |
| prowadząca | Niestandardowa | Nie dotyczy | Wykonane z igły rdzeniowej (BD) o rozmiarze 25 (BD) lub rurki |
| System sterownika NAN | NANDrive | ||
| Niestandardowy projekt siatki | niestandardowe plany dostępne na żądanie | ||
| kleszcze | FischerScientific | 08-875-8A | ogólne kleszcze ze stali nierdzewnej |
| Suwmiarki cyfrowe | Neiko | 01407A | Dostępne na amazon.com. Może wybrać suwmiarkę o dokładniejszej rozdzielczości, aby uzyskać bardziej precyzyjne pomiary. |
| krosowy | ThorLabs | FG200LCC-custom | Jest to jeden z wielu przykładów możliwych krosowych. Tak długo, jak średnica światłowodu jest mniejsza lub równa średnicy włókna oświetlacza o dużej objętości i tak długo, jak złącza się łączą, każdy krosowy (szklany lub plastikowy, zakupiony lub wyprodukowany przez dostawcę w laboratorium) jest odpowiedni do tego zastosowania. |
| Przezroczyste plastikowe osłony przeciwpyłowe | ThorLabs | CAPF | Pakiet 25 |
| ceramicznych dzielonych tulei współpracujących | Precision Fiber Products, Inc. | SM-CS1140S |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.