Descrevemos um procedimento experimental para medir a atividade neuronal através de janelas ópticas duas acima bilateral corticies somatossensorial primária (S1) em Thy1-GCaMP6s de ratos transgênicos usando 2-fóton (2P) microscopia na vivo.
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Descrevemos um procedimento experimental para medir a atividade neuronal através de janelas ópticas duas acima bilateral corticies somatossensorial primária (S1) em Thy1-GCaMP6s de ratos transgênicos usando 2-fóton (2P) microscopia na vivo.
O cérebro apresenta simetria marcada em todo o plano sagital. No entanto, a descrição detalhada da dinâmica neural em regiões do cérebro simétrica em animais mamíferos adultos continua elusiva. Neste estudo, descrevemos um procedimento experimental para medição dinâmica de cálcio através de janelas ópticas duas acima bilateral corticies somatossensorial primária (S1) em Thy1-GCaMP6s de ratos transgênicos usando microscopia de fóton-2 (2P). Esse método permite gravações e quantificações de atividade neural em regiões do cérebro do rato bilateral um de cada vez no mesmo experimento para um prolongado período na vivo. Aspectos-chave desse método, que pode ser concluída dentro de uma hora, incluem procedimentos de cirurgia minimamente invasiva para criar janelas ópticas duas e o uso de imagem de 2P. Embora apenas Demonstramos a técnica na área S1, o método pode ser aplicado a outras regiões do cérebro estar facilitando a elucidação de complexidade estrutural e funcional das redes neurais do cérebro.
Cálcio e seu regulamento são essenciais na mediação de vários processos fisiológicos. Monitoração dinâmica de cálcio é útil para a compreensão da função cerebral normal, bem como condições patológicas do cérebro desordens 1,2,3,4,5,6 ,7,8. Imagem GCaMP6s fluorescência é uma poderosa ferramenta para quantificar os números de spike, sincronismo, e frequência, bem como níveis de sináptica entrada tanto in vitro e in vivo de10, 9,11.
O cérebro apresenta simetria marcada em todo o plano sagital. Apesar de recente pesquisa neurológica tem lançar luz sobre a remodelação cortical e atividade neuronal desencadeada por traumática cérebro ou medula espinhal lesão 6,7, as funções que o tecido intacto de simetricamente correspondentes regiões jogar em recuperação são ainda obscuras.
Neste estudo, descrevemos procedimentos experimentais para criar janelas de ópticas simétricas bilaterais para a imagem latente na vivo . Usando estas janelas ópticas, descrevemos a medição da dinâmica de cálcio de córtices somatossensorial primárias (S1) em ratos transgénicos de GCaMP6s usando microscopia 2P. Na seção de resultados, mostramos também na vivo morfologia dendrítica em pontos de tempo diferentes na região S1 nos ratos transgénicos EGFP utilizando imagens de 2P. O método de observação sobre a dinâmica de rede nas áreas S1 bilaterais é mas um exemplo inicial de windows cranianas abertas como duplas vai ajudar neurocientistas para sondar informações locais e simétricas de processamento do cérebro de mamíferos adultos no normal as condições ou na doença de diferente modelos em vivo.
Todos os procedimentos de manipulação cirúrgica e animais foram realizados conforme aprovado sob o guia para o cuidado e uso de animais de laboratório (National Research Council) e as diretrizes da Indiana University School de medicina institucional Cuidado Animal e uso Comitê. A ilustração esquemática da instalação da imagem latente do 2-fóton é mostrada na Figura 1.
1. preparar o Animal para a imagem latente
2. crônica janela craniana preparação
3. dois fotões de imagem
4. processamento de dados
Usando a janela óptica bilateral, obtivemos resultados de 2 experimentos separados. O primeiro experimento empregado EGFP-expressando ratos para as varizes dendríticas de imagem. Figura 4 1-3 mostra exemplos de imagens capturadas em pontos diferentes de tempo após o implante de janela óptica. Observe que o número e localização das ramificações dendríticas e espinhos são notavelmente estáveis entre os 2 pontos de vista (Figura 4, E, z-projeção).
O segundo experimento empregado ratos transgénicos Thy1 -GCaMP6s para medir o cálcio intracelular transitório, ilustrando assim como a fisiologia do cálcio pode ser medida dentro de um único neurônio no vivo (Figura 6). Esta técnica pode ser usada para gravar e quantificar a atividade espontânea em populações de neurônios piramidais de camada V localizados em tão profunda como > 500 µm abaixo da pia. Respostas espontâneas médias ao longo do tempo (calculado como as médias respostas em cada ponto de tempo) podem ser calculadas através de numerosos ensaios. A técnica de 2P tem a vantagem de detectar atividade simultaneamente nas populações neuronais grandes ou dispersas durante um período prolongado com pequena perturbação mecânica para o cérebro em comparação com as gravações multielectrode.
Para gerar uma medida média aceitável, 5 – 10 ensaios são recomendados. O número de tentativas será dependente de respostas espontâneas ou variabilidade inerente das respostas a um estímulo particular. Se todas as etapas são seguidas à risca, conforme descrito acima, um pesquisador com formação na técnica ambos janela craniana crânio diluído e na vivo 2P cálcio imagem deve ser capaz de obter gravações de 100 – 200 neurônios de ambos os lados de 1 – 2 animais por dia.
Após a análise do pico, uma coleção de resultados, tais como a localização real do pico, a real amplitude, a área e a largura total no máximo meia (FWHM) para cada pico pode ser obtida.

Figura 1 : Ilustração esquemática dos componentes de uma janela óptica craniana para a imagem latente de (2P) 2-fóton. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2 : Desenho esquemático mostra principais etapas para a preparação de uma janela cranial. (A) sob um microscópio de dissecação, retire a pele sobre a região cirúrgica, usando um par de tesouras cirúrgicas. (B) uso um microdrill de alta velocidade para produzir um sulco circular (diâmetro de 3 mm) no crânio sobre a área de S1 até o osso de sincronismo dentro da ranhura se separar o osso circundante. (C) retire lentamente o retalho ósseo para expor a dura-máter subjacente. (D) montar a janela óptica com esfregaços com 2 diâmetros diferentes. A lamela superior possui um diâmetro maior (5 mm) e os esfregaços inferiores (geralmente 1-3) têm um diâmetro menor (3 mm). A espessura dos esfregaços para ser instalado vai depender da espessura do crânio. (E) lugar da lamela para a abertura circular do crânio para criar uma janela óptica. A parte inferior dos esfregaços deve caber dentro da abertura craniana. Fundo dos esfregaços suavemente deve contactar a dura-máter. (F) selo janela bordas no crânio com cola de cianoacrilato. (G) quando o cianoacrilato seca, aplicar o cimento dental preto lateral na parede de cola. (H) preencher a janela craniana com DDQ2O e usar objectivos de imersão de água para a imagem latente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3 . Criação de janelas bilaterais no crânio. (A), A imagem fotográfica mostra 2 cranianas janelas ópticas de cada lado do crânio sobrejacente a área S1. (B) alta ampliação da região in a box da imagem (A) mostrando janelas ópticas bilaterais, expondo a dura-máter e vasos sanguíneos subjacentes. Barra de escala = 680 µm. (C), o crânio exposto. (D) a criação de um sulco circular dentro do qual um retalho ósseo central é visto. Barra de escala = 900 µm. (E) após a remoção da aba óssea, a abertura craniana estava cheio de líquido cefalorraquidiano artificial (ACSF). Barra de escala = 720 µm. (F) instalação da janela óptica sobre a abertura craniana e selar a borda da janela com super cola. A dura-máter e os vasos sanguíneos são visíveis através da janela óptica. Barra de escala = 600 µm. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4 : Cálcio e dendrítica imagem. (A1) Identificar regiões de interesse usando vasos sanguíneos (BV) como pontos de referência em Thy1-GCaMP6s de ratos. (A2) Identifica as mesmas pilhas etiquetadas (setas vermelhas) ao longo do tempo usando os mesmos pontos de referência e registro. (B) representante Z-projeção dos sinais de cálcio nos neurônios (setas vermelhas) do córtex somatossensorial primário (S1). Barra de escala = 10 µm. (C1-3) a visualização de dendrites (verdes) e um vaso sanguíneo (vermelho) em B6. CG-Tg (Thy1- YFP) HJrs/J em diferentes profundidades na camada II da região S1 em 1 dia após a instalação da janela óptica. (D) Z-projeção de várias imagens na mesma região em 1 dia. (E) Z-projeção de várias imagens na mesma região em 7 dias após a instalação da janela óptica. Observe a notável estabilidade do número e localização dos espinhos adultos e ramificações dendríticas entre 1 dia e 7 dias após a instalação da janela óptica. Barra de escala = C-E 5 µm (C-E). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5 : Rastreamento de sinal do cálcio. (, B) Exemplos de filmes importados t-series com ImageJ para análise de dados de 2 neurônios (neurônio 1 e neurônio 2, respectivamente). (C) A planilha mostra dados sobre a intensidade de iluminação da região de interesse (ROI; dentro do neurônio e 2 distintas regiões vizinhas como medidas de fundo). (D) cálculo do pico: ΔF/F = (F-FB) / FB, FB = (FB1 + FB2) / 2 (o fundo média fluorescência [FB] e as mudanças de fluorescência da soma expressa em ΔF/F [F]). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6 . Imagens representativas cálcio. (-D) Transiente de cálcio (verde) e os vasos sanguíneos (vermelhos) em pontos diferentes de tempo em segundos em um mouse em 7 dias após a instalação da janela óptica. Seta amarela: um neurônio relativamente menos ativo. Seta branca: um neurônio de cravação. (E, F) Z-projeção de um período de gravação de 3 min para o vermelho (vasos sanguíneos) e canais verde (cálcio) (E) e canal verde só (F). (G) Selected neurônios e suas áreas adjacentes de fundo são marcadas. Barra de escala = 10 µm. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Imagem de dois fotões permite a medição simultânea da actividade de muitas células em uma resolução razoável em até aproximadamente 800 µm abaixo da superfície do cérebro. Integramos 2P e uma técnica de dupla janela óptica com GCaMP6s geneticamente codificado para observar a dinâmica de cálcio em populações de somata neuronal de camada V localizado > 500 µm abaixo da pia. Com uma janela aberta óptica em cada lado do crânio, o método permite gravações de atividade neural em todas as regiões do cérebro de mamíferos simétrica para prolongada e estável de cálcio em vivode imagem. Aspectos-chave desse método incluem 2P imagem da atividade neuronal e o desempenho da cirurgia minimamente invasiva para criar janelas ópticas dual crânio aberto nas regiões simétricas de S1.
Examinando a atividade de rede nas regiões bilaterais de S1 é que um exemplo de como duas windows cranianas poderia ser usado para sondar informações locais e simétricas processamento no cérebro de um adulto em vivo. Esse método também pode ser usado para estudar a atividade neuronal (por exemplo, usando o Thy1 -GCaMP6s ratos) e plasticidade cortical B6. CG-Tg (Thy1- YFP) HJrs/J do tecido intacto das regiões simétricas correspondentes em recuperação após desaferentação devido a uma lesão unilateral do CNS. O método também pode ser usado para examinar a atividade cortical em resposta às estratégias de estimulação periférica, tais como optogenetic, estímulos elétricos ou químicos. Embora apenas Demonstramos a técnica na área S1, esta abordagem poderia ser empregada para investigar as atividades em outras áreas simétricas no cérebro vivo, tais como os neurônios da camada V do córtex motor primário (M1). Observações sobre reorganização das regiões do cérebro podem fornecer um substrato neural para comportamento motor adaptativo, que desempenha um papel crítico na recuperação postinjury da função. Também permite medição crônica da atividade simétrica de células geneticamente identificadas durante o comportamento em ratos cabeça-corrigido.
Tecnicamente, os investigadores devem preste muita atenção à qualidade e consistência do windows cranianas duas. Janela craniana crânio diluído técnica 12 é altamente recomendado para os iniciantes a prática. Espinhas são compartimentos de cálcio por causa de sua morfologia e locais mecanismos de influxo e extrusão. Neste estudo, nós usamos B6. Ratos de HJrs/J CG-Tg (Thy1- YFP) como um exemplo para demonstrar a espinha dendrítica dinâmica na vivo (Figura 4). Uma instalação de janela de vidro aberto-crânio pode causar espinha alta rotatividade e respostas gliais reativas após cirurgia 12. Em contraste, com a técnica de janela diluído-crânio, espinhos e dendrites podem ser bem preservadas.
Escolhas de dimensões e espessuras de janelas ópticas será dependentes do campo de visão desejado, a curvatura do crânio, espessura do crânio e o tipo de imagem 13. Pressão insuficiente dos esfregaços ópticos sobre a dura-máter pode causar espessamento da dura-máter, regrowth do crânio e aumentou o movimento do cérebro. Em contraste, pressão excessiva de esfregaços a óptica possa impedir o fluxo sanguíneo cortical.
Para a montagem da janela óptica, cola e curar camadas adicionais de esfregaços, um de cada vez com adesivo óptico e luz UV de comprimento de onda longa. Para ajudar a fortalecer a ligação adesiva, aquecer a janela fabricada (50 ° C por 12 h) em uma incubadora. Armazenar a lamela de janela óptica em etanol a 70% (vol/vol) e, antes da cirurgia, lave-o com soro fisiológico estéril. A janela óptica precisa ser examinado por imperfeições (como uma quantidade incorreta de alinhamento óptico do adesivo ou imprecisa) sob um estereoscópio antes do uso para evitar o fracasso. Se o adesivo óptico é muito fino, espaços de ar pode ser um vincado, que pode causar aberrações ópticas ou desprendimento de vidro de tampa na implantação. Em contraste, muito adesivo óptico pode causar estouro além das bordas da janela cranial.
Em resumo, aqui descrevemos um procedimento experimental para medição dinâmica de cálcio ou dendrítica morfologia craniana janelas de 2 simétricas primárias somatossensorial corticais regiões Thy1-GCaMP6s e Thy1ratos transgénicos - YFP, respectivamente, usando microscopia de 2P. Esta técnica pode facilitar grandemente dissecando a complexa relação estrutural e funcional das redes neurais.
Os autores não têm nada a divulgar.
Estamos muito gratos a Wenbiao Gan (Skirball Institute, departamento de Fisiologia e da neurociência, New York University School of Medicine, EUA) para orientação técnica excelente e Patti Raley, Medical Editor (departamento de cirurgia neurológica, Indiana Da faculdade de medicina), para editar o manuscrito. Agradecemos o Dr. Jinhui Chen (Instituto de pesquisa de Neurociências Stark, da faculdade de medicina da Universidade de Indiana, EUA) para fornecer B6. Ratos de HJrs/J CG-Tg (Thy1- YFP). Este trabalho foi financiado em parte pela Fundação do diretor do Hospital Geral da região militar de PLA Chines da Jinan 2016ZD03 (XJL) e NIH NS059622, NS073636, DOD CDMRP W81XWH-12-1-0562, mérito revisão prêmio I01 BX002356 os E.U. departamento de veteranos Assuntos, Craig H Neilsen Foundation 296749, Indiana da medula espinhal e cérebro lesão Research Foundation, Mari Hulman George Endowment fundos (XMX).
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| C57BL / 6J-Tg (Thy1-GCaMP6s) GP4.3Dkim / J | Jackson | 24275 | Pode ser qualquer cepa produzida pelo indicador neuronal geneticamente codificado e efetor que expressa o indicador de cálcio fluorescente verde, GCaMP, em subconjuntos de neurônios excitatórios no córtex. |
| B6. Cg-Tg(Thy1-EGFP)OJrs/GfngJ. | Jackson | 7919 | Pode ser qualquer cepa que expresse EGFP em subconjuntos de neurônios dentro de populações específicas no córtex; fornecendo uma coloração brilhante e vital semelhante a Golgi. |
| Pinça Dumont nº 5, padrão, Dumoxel | Fine Science Tools | 11251-30 | Pode ser qualquer marca de sua escolha. |
| Dumont no. 5SF fórceps | Fine Science Tools | 11252-00 | Pode ser qualquer marca de sua escolha. |
| Micro Esterilizador de Esferas | Southern Labware | B1201 | Pode ser qualquer marca de sua escolha. |
| Harishige' s SG-4N Adaptador de Cabeça | Tritech Research | SG-4N | Pode ser qualquer marca de escolha. |
| Kit Completo de Micro-Broca Ideal | para Aparelhos Harvard | 72-6065 | Pode ser qualquer marca de escolha. |
| Rebarbas para Micro Broca | Fine Science Tools | 19007-05 | Pode ser qualquer marca de escolha. |
| Vidro de cobertura redondo, 3 mm | Harvard Biosciences | W4 64-0720 | Pode ser qualquer marca de sua escolha. |
| Vidro de cobertura redondo, 5 mm | Harvard Biosciences | W4 64-0700 | Pode ser qualquer marca de sua escolha. |
| Adesivo óptico Norland | Produtos Norland | 7106 | Pode ser qualquer marca de sua escolha. |
| Loctite liquid super glue | WB Mason | LOC1647358 | Pode ser qualquer marca de escolha. |
| Kit de cimento Grip, pó e solvente | Dentsply | 675570 | Pode ser qualquer marca de sua escolha. Misture 5 partes de pó de cimento dental branco (Grip Cement) com uma parte de tinta em pó Têmpera preta (para proteger da luz; alguns usuários preferem uma proporção de 10:1). |
| Espuma de gel | Moore Medical | 2928 | Pode ser qualquer marca de sua escolha. |
| Tesoura de micro dissecação | Roboz | RS-5841 | Pode ser qualquer marca de sua escolha. |
| Líquido cefalorraquidiano artificial (PSA) | - | O ACSF contém 125 mM de NaCl, 4,5 mM de KCl, 26 mM de NaHCO3, 1,25 mM de NaH2PO4, 2 mM de CaCl2, 1 mM de MgCl2 e 20 mM de glicose. Borbulhe o ACSF com oxigênio (95% de oxigênio, 5% de dióxido de carbono) e ajuste o pH para 7,4. Preparar uma nova solução de ACSF antes de cada experiência. |
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