Przedstawiamy tutaj protokół przeprowadzania dwufotonowego obrazowania wapnia w grzbietowej części przedniej mózgu dorosłego danio pręgowanego.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Przedstawiamy tutaj protokół przeprowadzania dwufotonowego obrazowania wapnia w grzbietowej części przedniej mózgu dorosłego danio pręgowanego.
Dorosłe danio danio (Danio rerio) wykazują bogaty repertuar zachowań służących do badania funkcji poznawczych. Posiadają także miniaturowy mózg, który może być używany do pomiaru aktywności w różnych obszarach mózgu za pomocą metod obrazowania optycznego. Jednak raporty dotyczące rejestracji aktywności mózgu u zachowujących się dorosłych danio były nieliczne. Niniejsze badanie opisuje procedury przeprowadzania dwufotonowego obrazowania wapnia w grzbietowej części przedniego mózgu dorosłych danio pręgowanych. Skupiamy się na działaniach mających na celu powstrzymanie dorosłych danio przed poruszaniem głową, co zapewnia stabilność umożliwiającą laserowe obrazowanie aktywności mózgu. Zwierzęta związane z głową mogą swobodnie poruszać swoimi częściami ciała i oddychać bez pomocy pomocniczej. Zabieg ma na celu skrócenie czasu operacji unieruchomienia głowy, zminimalizowanie ruchu mózgu oraz maksymalizację liczby zarejestrowanych neuronów. Opisano tutaj także sposób prezentacji immersyjnego środowiska wizualnego podczas obrazowania wapniowego, który może posłużyć do badania korelatów nerwowych leżących u podstaw zachowań wywołanych wzrokowo.
Obrazowanie fluorescencji wapnia z użyciem genetycznie kodowanych wskaźników lub syntetycznych barwników okazało się potężną metodą pomiaru aktywności neuronów u zachowujących się zwierząt, w tym naczelnych nieludzkich, gryzoni, ptaków i owadów1. Aktywność setek komórek, do około 800 μm poniżej powierzchni mózgu, można jednocześnie mierzyć za pomocą obrazowania wielofotonowego 2,3. Aktywność określonych typów komórek można również mierzyć poprzez ekspresję wskaźników wapnia w genetycznie zdefiniowanych populacjach neuronalnych. Zastosowanie metody obrazowania w modelach małych kręgowców otwiera nowe możliwości w dziedzinie obliczeń neuronalnych w różnych obszarach mózgu.
Danio dano pręgowane to szeroko stosowany system modelowy w badaniach neurobiologicznych. Larwy danio dano w około 6 dniach po zapłodnieniu były wykorzystywane do obrazowania wapnia ze względu na miniaturowy mózg i przezroczyste ciało4. Młode danio pręgowane (3-4 tygodnie) są również wykorzystywane do badania mechanizmów nerwowych leżących u podstaw szlaków sensoryczno-ruchowych 5,6. Jednak maksymalny poziom wydajności dla złożonych zachowań, w tym uczenia się asocjacyjnego i zachowań społecznych, osiąga się w wieku 7,8 lat. Dlatego niezawodny protokół jest potrzebny do badania wielu funkcji poznawczych w mózgach dorosłych danio za pomocą metod obrazowania. Podczas gdy larwy danio pręgowanego i młode danio pręgowane mogą być osadzone w agarozie do obrazowania in vivo, dorosłe danio pręgowane w wieku 2 miesięcy lub starsze cierpią na hipoksję w takich warunkach i są fizycznie zbyt silne, by mogły zostać powstrzymane przez agarozę. Dlatego konieczny jest zabieg chirurgiczny, aby ustabilizować mózg i umożliwić zwierzęciu swobodne oddychanie przez skrzela.
Tutaj opisujemy protokół zabezpieczenia głowy, który wykorzystuje nowatorską konstrukcję pojedynczej głowy. Skrócony czas operacji o 25 minut jest dwukrotnie szybszy niż poprzednia metoda9. Opisujemy także konstrukcję komory zapisującej (półsześciokątny zbiornik), stopień głowicowy oraz mechanizmu szybkiego blokowania łączącego obie części9. Na koniec opisano także przygotowanie do prezentowania immersyjnego bodźca wzrokowego do badania aktywności i zachowań mózgu wywołanych wzrokowo. Ogólnie rzecz biorąc, opisane tutaj procedury mogą być wykorzystywane do wykonywania dwufotonowego obrazowania wapnia w genetycznie zdefiniowanych populacjach komórek u dorosłego danio ryba przypiętego na głowę, umożliwiając badanie aktywności mózgu podczas różnych paradygmatów behawioralnych.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wszystkie procedury na zwierzętach zostały zatwierdzone i przeprowadzone zgodnie z wytycznymi Instytucjonalnego Komitetu ds. Opieki i Wykorzystania Zwierząt Akademii Sinica. Szczegóły dotyczące narzędzi badawczych można znaleźć w Tabeli Materiałów.
1. Przygotowanie komory nagrania

Rysunek 1: Narzędzia niezbędne do operacji unieruchomienia głowy. (A) Mechanizm szybkiego blokowania pomiędzy okrągłą płytą stójki głowy a płytą podstawową wewnątrz półsześciokątnego zbiornika. Pliki komputerowo wspomaganego projektowania (CAD) dla niestandardowych części można znaleźć w Plikach Uzupełniających 1-4. (B) Ω-kształtny głowik na zagłówek. (C) Trójosiowy mikromanipulator używany do ustawiania głowicy do miejsca mocowania. Wstawka: orientacja belki głowicy w glinie. (D) Działo do trzymania ryb podczas operacji. Wstawka: orientacja ryb wewnątrz armaty. (E) Moduł załadunku ryb oraz mikromanipulator używany do załadunku ryb na stopień głowy. Wstawka: orientacja ryb w module. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.
2. Operacja zabezpieczenia głowy

Rysunek 2: Kluczowe kroki podczas operacji założenia głowy. (A) Skład kapsuły wewnątrz armaty. (B) Miejsca przyczepu na czaszce (czerwone). Czerwone strzałki wskazują miejsca naczyń krwionośnych. (C) Góra: pręt głowy przymocowany do czaszki ryby. Dno: ryby załadowane na scenę głowową. (D) Cięcia potrzebne do usunięcia skóry nad mózgiem przednim. Liczby oznaczają sekwencję cięcia. Unikaj usuwania skóry w wyznaczonym miejscu (grocie strzały), aby zapobiec krwawieniu zwierzęcia. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.
3. Obrazowanie dwufotonowe

Rysunek 3: Przygotowanie do wykonywania obrazowania wapnia, rejestrowania zachowań i wyświetlania bodźców wzrokowych. (A) Trzy projektory prezentują bodziec wzrokowy na ścianach półsześciokątnego zbiornika. Światła IR po bokach oświetlają ciało danio. (B) Ustawienie soczewki obiektywu. Po lewej: widok z przodu. Po prawej: widok z boku. Odległość między obiektywem 16x a docelowym obszarem mózgu wynosi około 2,5 mm. (C) Przykład obrazu dwufotonowego. Po lewej: maksymalna projekcja całego grzbietowego przedniego mózgu w Tg[neuroD:GCaMP6f]. Po prawej: powiększone zdjęcie, aby ukazać neurony w wielu obszarach mózgu. Wstawka: większe powiększenie z innego obszaru mózgu. Obrazy to średnie 10 sekund danych rejestrowanych w 5Hz. Prosimy kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego wykresu.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół składa się z dwóch części: operacji unieruchomienia głowy oraz dwufotonowego obrazowania wapnia aktywności neuronów w przednim mózgowi. Sukces operacji zależy od przeżycia zwierzęcia oraz stabilności zabezpieczenia głowy. Wskaźnik przeżycia można znacznie poprawić poprzez częstą perfuzję roztworu 0,01% TMS przez jamę ustną podczas operacji. Ryby powinny wyzdrowieć z znieczulenia i aktywnie oddychać w ciągu 1-2 minut po zanurzeniu w wodzie z akwarium. Dwufotonowe obrazowanie wapnia umożliwia rejestrowanie aktywno...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Tutaj opisujemy szczegółowy protokół unieruchomienia głowy dorosłego danio dano w celu dwufotonowego obrazowania wapnia. Istnieją dwa kluczowe kroki, aby uzyskać stabilizację na głowie wystarczająco stabilną do obrazowania laserowego. Najpierw belka na głowę musi być przyklejona do konkretnych miejsc mocowania czaszek. Inne części czaszki są często zbyt cienkie, by zapewnić stabilność mechaniczną, a nawet mogą ulegać pęknięciom podczas silnych ruchów ciała. Po drugie, skóra nad miejscami przyczepu musi zostać dokładnie u...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy deklarują, że nie mają konkurujących ze sobą interesów finansowych.
Prace te były wspierane przez Instytut Biologii Molekularnej, Academia Sinica oraz Narodową Radę Nauki i Technologii na Tajwanie. Warsztat maszynowy w Instytucie Fizyki Academia Sinica pomagał w produkcji części projektowanych na zamówienie. Chcemy również podziękować P. Argastowi (Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research, Bazylea, Szwajcaria) za zaprojektowanie mechanizmu szybkiego blokowania stolika głowowego.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Karta akwizycji | MBF Bioscience | Vidrio vDAQ | Mikroskop |
| Film projekcji wzadnej | Kimoto | Ekran Dilanda - GSK | obecny bodziec wzrokowy |
| Filtr pasmowy (510/80 nm) | Chroma | ET510/80m | Mikroskop |
| Płyta podstawowa zbiornika półsześciokątnego | Wykonano na zamówienie | Zobacz pliki uzupełniające | Komora nagrań |
| Filtr kamery (< 875 nm) | Optyka Edmunda | #86-106 | Rejestracja zachowań |
| Filtr kamery (>700 nm) | Optyka Edmunda | #43-949 | Rejestracja zachowań |
| Obiektyw aparatu | Thorlabs | MVL50M23 | Rejestracja zachowań |
| Chameleon Vision-S | Spójność | Vision-S | Laser |
| Okrągła płytka do stójki głowicy | Wykonano na zamówienie | Zobacz pliki uzupełniające | Komora nagrań |
| Sterownik siłownika piezo-piezo-gazowego | Physik Instrumente | E-665. CR | Mikroskop |
| Wzmacniacz prądowy | Thorlabs | TIA60 | Mikroskop |
| Elitedent Q-6 | Rolence Enterprise | Q-6 | Operacja: lampa UV |
| Filtr emisyjny 510/80 nm | Chroma | ET510/80m | Mikroskop |
| Głowica | Wykonano na zamówienie | Zobacz pliki uzupełniające | Komora nagrań |
| Światło podczerwone | Thorlabs | M810L3 | Rejestracja zachowań |
| Projektor LED | AAXA | P2B LED projektor Pico | obecny bodziec wzrokowy |
| Wilgotna papierowa chusteczka (Kimwipe) | Nauka Kimtech | 34155 | Operacja: wilgotna papierowa chusteczka |
| Zmotoryzowany etap próbki XY | Zaber | X-LRM050 | Mikroskop |
| Filtry o neutralnej gęstości (50% transmisji) | Thorlabs | NE203B | obecny bodziec wzrokowy |
| Ø Uchwyt na słupek 1/2" | ThorLabs | PH1.5V | Operacja: pusta rura na armatę |
| Ø Słupek optyczny ze stali nierdzewnej 1/2" | ThorLabs | TR150/M | Operacja: moduł ładowania ryb |
| Obiektyw obiektywowy 16x, 0,8NA | Nikon | CF175 | Mikroskop |
| Modelarska glina na bazie oleju | Ly Hsin Clay | C4086 | Operacja: uchwyt na pręt na głowę |
| Klej optyczny | Norland Products | NOA68 | Operacja: klej utwardzalny UV |
| Lampa fotopowielacza | Hamamatsu | H11706P-40 | Mikroskop |
| Siłownik piezo-piezo-gazetowy | Physik Instrumente | P-725.4CA PIFOC | Mikroskop |
| Komórka Pockelsów | Okulary konoptyczne | M350-80-LA-BK-02 | Mikroskop |
| Filtr Red Wratten (> 600 nm) | Optyka Edmunda | #53-699 | obecny bodziec wzrokowy |
| System skanowania rezonansowo-galwo | INSS | RGE-02 | Mikroskop |
| Zacisk prostokątny dla oslash; Słupek 1/2" | ThorLabs | RA90/M | Operacja: moduł ładowania ryb |
| Zacisk obrotowy dla i Oslash; Słupek 1/2" | ThorLabs | SWC/M | Operacja: moduł ładowania ryb |
| ScanImage | MBF Bioscience | Wersja podstawowa | Mikroskop |
| Zbiornik półsześciokątny | Wykonano na zamówienie | Zobacz pliki uzupełniające | Komora nagrań |
| Super-Bond C& Zestaw B | Sun Medical Co. | Super-Bond C& B | Operacja: cement dentystyczny |
| Trikainowy metanonian | Sigma Aldrich | E10521 | Operacja: znieczulenie |
| Kamera USB | FLIR | BFS-U3-13Y3M-C | Rejestracja zachowań |
| Vetbond | 3M | 1469SB | Operacja: klej tkankowy |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie