Este protocolo detalha como aplicar e executar gravações da fotometria da multi-fibra, como corrigir para artefatos cálcio-independentes, e considerações importantes para a imagem latente da fotometria da duplo-cor.
É necessária uma assinatura do JoVE para visualizar este conteúdo. Faça login ou inicie seu teste gratuito.
Artigo de método
Este protocolo detalha como aplicar e executar gravações da fotometria da multi-fibra, como corrigir para artefatos cálcio-independentes, e considerações importantes para a imagem latente da fotometria da duplo-cor.
Registrar a atividade de um grupo de neurônios em um animal em movimento livre é uma empresa desafiadora. Além disso, como o cérebro é dissecado em subgrupos funcionais menores e menores, torna-se primordial para gravar a partir de projeções e/ou subpopulações geneticamente definidas de neurônios. A fotometria de fibras é uma abordagem acessível e poderosa que pode superar esses desafios. Combinando metodologias ópticas e genéticas, a atividade neural pode ser medida em estruturas cerebrais profundas, expressando indicadores de cálcio geneticamente codificados, que traduzem a atividade neural em um sinal óptico que pode ser facilmente medido. O protocolo atual detalha os componentes de um sistema da fotometria da multi-fibra, como alcançar estruturas profundas do cérebro para entregar e recolher a luz, um método para dar conta dos artefatos do movimento, e como processar e analisar sinais fluorescentes. O protocolo detalha considerações experimentais ao executar a imagem latente única e dupla da cor, de único ou de fibras óticas implantadas múltiplas.
A capacidade de correlacionar respostas neurais com aspectos específicos do comportamento de um animal é fundamental para entender o papel que um determinado grupo de neurônios desempenha em dirigir ou responder a uma ação ou estímulo. Dada a complexidade do comportamento animal, com a miríade de Estados internos e estímulos externos que podem afetar até mesmo as ações mais simples, o registro de um sinal com resolução de julgamento único equipa pesquisadores com as ferramentas necessárias para superar esses Limitações.
A fotometria da fibra transformou-se a técnica da escolha para muitos investigadores no campo da neurociência dos sistemas por causa de sua simplicidade relativa comparada a outras técnicas in vivo da gravação, sua relação sinal-à-ruído elevada, e a habilidade de gravar em uma variedade de paradigmas comportamentais1,2,3,4,5,6,7,8. Diferentemente dos métodos eletrofisiológicos tradicionais, a fotometria é a abordagem óptica mais comumente utilizada em conjunto com indicadores de cálcio geneticamente codificados (GECIs, a série GCaMP)9. GECIS mudar a sua capacidade de fluorescência com base em se eles estão ou não ligados ao cálcio. Porque a concentração interna de cálcio nos neurônios é muito firmemente regulada e tensão-gated canais de cálcio aberto quando um neurônio dispara um potencial de ação, aumentos transitórios na concentração interna de cálcio, que resultam em aumentos transitórios no capacidade de um GECI para fluorescência, pode ser um bom proxy para o disparo neuronal9.
Com a fotometria da fibra, a luz da excitação é dirigida abaixo de uma fibra ótica fina, multimodo no cérebro, e um sinal de emissão é coletado para trás acima através da mesma fibra. Porque estas fibras ópticas são leves e bendable, um animal pode mover-se pela maior parte Unhindered, fazendo esta técnica compatível com uma disposição larga de testes e de circunstâncias comportáveis. Algumas condições, tais como movimentos rápidos ou flexão do cabo de remendo de fibra óptica além do raio em que pode manter a reflexão interna total, podem introduzir artefatos de sinal. Para ambiguar sinal de ruído, podemos explorar uma propriedade do GCaMP conhecido como o "ponto isosbestic." Momentaneamente, com GCaMP, porque o comprimento de onda da luz da excitação é deslocado à esquerda, sua emissão no estado cálcio-ligado diminui e a emissão no estado cálcio-unbound aumenta marginalmente. O ponto em que a intensidade relativa destas duas emissões são iguais é denominado o ponto espécies. Quando GCaMP é excitado neste momento, sua emissão é afetada por mudanças em concentrações internas do cálcio, e a variação no sinal é o mais frequentemente devido à atenuação do sinal do overdobra do cabo de remendo Fiber-Optic ou do movimento do tecido neural em relação à fibra implantada.
A electrofisiologia da única unidade é ainda o padrão do ouro para livremente-mover-se em gravações in vivo devido a sua única-pilha e única-espiga resolução nivelada. No entanto, pode ser difícil identificar a identidade molecular das células que estão sendo gravadas, e a análise post-hoc pode ser bastante trabalhosa. Quando a fotometria da fibra não tiver a definição da único-pilha, permite investigadores de fazer perguntas impossíveis endereçar com técnicas tradicionais. Combinando estratégias virais com animais transgênicos, a expressão de GECIs pode ser direcionada para tipos neuronais geneticamente definidos para registrar a atividade neural definida pela população ou projeção, que pode ser realizada pelo monitoramento do sinal de cálcio diretamente no AXON terminais10,11. Além disso, através da implantação de múltiplas cânulas de fibra óptica, é possível monitorar simultaneamente a atividade neural de várias regiões cerebrais e caminhos no mesmo animal12,13.
Neste manuscrito, nós descrevemos uma técnica para a fotometria single e multi-Fiber, como corrigir para artefatos cálcio-independentes, e detalhar como executar gravações mono e Dual-Color. Nós também fornecemos exemplos dos tipos de perguntas que ele permite que alguém pergunte e seus níveis crescentes de complexidade (veja a Figura 1). A configuração de fotometria de fibra para gravações de várias fibras detalhadas neste protocolo pode ser construída usando uma lista de materiais encontrados em https://sites.google.com/view/multifp/hardware (Figura 2).
É essencial que o sistema esteja equipado para comprimentos de onda da excitação de 410 nanômetro e de 470 nanômetro para a emissão cálcio-independente e cálcio-dependente da fluorescência de GCaMP6 ou de suas variações. Para configurações personalizadas ou se não houver nenhum software disponível para executar o sistema, o livre, programa de código aberto bonsai (http://www.open-ephys.org/bonsai/) pode ser usado. Alternativamente, a fotometria da fibra pode ser executada através de MATLAB (por exemplo, https://github.com/deisseroth-lab/multifiber)12 ou a outra língua de programação14. O software e hardware do sistema deve permitir a manipulação de ambos os 410 nm e 470 nm LEDs e a câmera, extração de imagens (Figura 2), e cálculo da intensidade média fluorescente nas regiões de interesse (Rois) desenhado em torno das fibras em as imagens. A saída deve ser uma tabela de valores médios de intensidade registradas com os LEDs 470 nm e 410 nm de cada fibra no cabo de remendo. Ao realizar experimentos Multifibras, 400 μm de fibras podem limitar o movimento de camundongos. Nesses casos, recomendamos o uso de cabos de remendo de 200 μm, que proporcionam mais flexibilidade. Também pode ser possível usar cabos fictícios menores durante o treinamento de camundongos.
É crucial poder extrair pontos do tempo para eventos do interesse durante a aquisição da fotometria da fibra. Se o sistema não fornecer prontamente um sistema interno para integrar TTLs para eventos específicos, uma estratégia alternativa é atribuir um carimbo de data/hora a pontos de tempo individuais gravados para alinhar com horários e eventos específicos durante o experimento. O carimbo de tempo pode ser feito usando o relógio do computador.
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Todos os experimentos foram feitos de acordo com os comitês institucionais de cuidados e uso de animais da Universidade da Califórnia, San Diego, e o guia canadense para o cuidado e uso de animais de laboratório e foram aprovados pela Université Laval proteção animal Comité.
1. alinhamento do trajeto ótico entre a câmera do CMOS (semicondutor complementar do óxido de metal) e o cabo de remendo individual ou ramificando
2. configuração de ROIs em torno das fibras para a medida da intensidade fluorescente média
3. configuração da arena de gravação
4. gravações in vivo
Nota: o procedimento de implante de cânula de fibra óptica para experimentos de fotometria de fibra é idêntico ao procedimento para optogenética, conforme descrito em Sparta et al.15. Recomendamos o uso de cimento dentário (ver tabela de materiais), que fornece ancoragem robusta do cinza para o osso do crânio. O cimento dentário será particularmente útil nos casos em que os parafusos de ancoragem não possam ser utilizados.
5. análise de dados da fotometria da fibra
Nota: Este é um método para análise de dados que funciona bem para a maioria das gravações. No entanto, abordagens alternativas podem ser implementadas. Código de exemplo para análise de dados pode ser encontrado aqui: https://github.com/katemartian/Photometry_data_processing.

6. simultânea Dual-cor gravações
7. análise de dados de cor dupla
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Correlações neurais de respostas comportamentais podem variar dependendo de uma variedade de fatores. Neste exemplo, utilizou-se a fotometria de fibra in vivo para medir a atividade dos terminais AXON da área hipotálamo lateral (LHA) que terminam no habenula lateral (LHb). Camundongos tipo Wild foram injetados com um vírus adeno-associado (AAV) codificando GCaMP6s (AAV-hSyn-GCaMP6s) na LHA e uma fibra óptica foi implantada com a ponta imediatamente acima do LHb (Figura 4a). ...
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
A fotometria da fibra é uma aproximação acessível que permita que os investigadores gravem a dinâmica do volume-cálcio das populações neuronal definidas em animais livre-moventes. Este método pode ser combinado com uma ampla gama de testes comportamentais, incluindo tarefas de "movimento pesado", como testes de natação forçada2, Fear-condicionamento18, interações sociais1,4e outros7,
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Sage Aronson é o CEO e fundador da Neurophotometrics Ltd., que vende sistemas de fotometria de múltiplas fibras.
Este trabalho foi apoiado por uma subvenção do Conselho de pesquisa de ciências naturais e engenharia do Canadá (NSERC: RGPIN-2017-06131) para C.P. C. P. é um FRSQ chercheur-Boursier. Agradecemos também ao Plateforme d' Outils Moléculaires (https://www.neurophotonics.ca/fr/pom) pela produção dos vetores virais utilizados neste estudo.
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Parafuso de Cabeça de Aço Inoxidável 1/4"-20, 1" de Comprimento | Thorlabs | SH25S100 | |
| 1/4"-20 Parafuso de Cabeça de Aço Inoxidável, 1/2" de Comprimento | Thorlabs | SH25S050 | |
| 1/4"-20 Parafuso de Cabeça de Aço Inoxidável, 3/8" de Comprimento | Thorlabs | SH25S038 | |
| 1000 µ m, 0,50 NA, cabo de remendo de fibra SMA-SMA | Thorlabs | M59L01 | |
| Poste óptico de 12,7 mm | Thorlabs | TR30/M | |
| Suporte de poste de pedestal de 12,7 mm | Thorlabs | PH20EM | |
| 15 V, 2,4 A Unidade de fonte de alimentação com conector jack de 3,5 mm para T-Cube | Thorlabs | KPS101 | |
| 20x objetiva | Thorlabs | RMS20X | #10 na Figura 2, #11 na Figura 5 |
| Cubo de gaiola de 30 mm com montagem de filtro dicróico | Thorlabs | CM1-DCH/M | #8-9 na Figura 2, #8-10 na Figura 5 |
| Lentes dóricas LED de 405 nm | CLED_405 | #2 na Figura 2 | |
| Filtro passa-banda de 410 nm | Thorlabs | FB410-10 | #5 na Figura 2; #7 na Figura 5 |
| 465 nm. | Lentes LED Doric | CLED_465 | #1 na Figura 2 |
| Filtro passa-banda de 470 nm | Thorlabs | FB470-10 | #4 na Figura 2; #6 na Figura 5 |
| Filtro passa-banda de 560 nm | Semrock | FF01-560/14-25 | #5 na Figura 5 |
| Lentes LED Doric | de | 560 nm | #1 na Figura 3 |
| Montagem cinemática de 5 eixos | Thorlabs | K5X1 | #11 na Figura 2, #12 na Figura 5 |
| Gibão acromático | Thorlabs | AC254-035-A-ML | #7 na Figura 2 |
| Adaptador para colimador 405 | Thorlabs | AD11F | #3 na Figura 2; #4 na Figura 5 |
| Adaptador para colimador ajustável | Thorlabs | AD127-F | #3 na Figura 2; #4 na Figura 5 |
| Placa de ensaio de alumínio | Thorlabs | MB1824 | |
| Garfo de fixação | Thorlabs | CF125 | |
| Conector de cubo | Thorlabs | CM1-CC | |
| Dual 493/574 dicróico | Semrock | FF493/574-Di01-25x36 | #10 na Figura 5 |
| Filtro de emissão para GCaMP6 | Semrock | FF01-535/22-25 | #6 na Figura 2 |
| Gabinete com painéis de chapa dura preta | Thorlabs | XE25C9 | |
| Tampa de extremidade com rosca SM1 externa para usinagem | de Thorlabs | ||
| Suporte de filtro de tubo de lente SM1 de troca rápida | Thorlabs | SM1QP | #4-6 na Figura 2, #5-7 na Figura 5 |
| Colimador fixo para luz de 405 nm | Thorlabs | F671SMA-405 | #3 na Figura 2; #4 na Figura 5 |
| Colimador fixo para luz de 470 e 560 nm | Thorlabs | F240SMA-532 | #3 na Figura 2; #4 na Figura 5 |
| Filtro de emissão verde | Semrock | FF01-520/ 35-25 | In divisor de feixe de luz |
| USB 3.0 CMOS de alta resolução Thorlabs de câmera | DCC3260M | #13 na Figura 2, #15 na Figura 5 | |
| Divisor de feixe de luz | Neurofotometria | SPLIT | #14 na Figura 5 |
| Espelho dicróico Longpass, 425 nm Cutoff | Thorlabs | DMLP425R | #8 na Figura 2, #9 na Figura 5 |
| Longpass Dichroic Mirror, 495 nm Cutoff | Semrock | FF495-Di03 | #9 na Figura 2, #8 na Figura 5 |
| Cimento dentário Metabond | C& B | ||
| M8 - Lentes dóricas do cabo M8 | Lentes dóricas | Cable_M8-M8 | |
| dóricas | fibra ótica | Precise de especificar que estes serão usados às experiências da fotometria que exigem as lentes | |
| dóricas | Patchcords da baixa | da fibra ótica Necessidade de especificar que estes serão usados às experiências da fotometria que exigem o filtro | |
| vermelho da baixa emissão da autofluorescência | Semrock | FF01-600/37-25 | Em divisor de feixe de luz |
| T7 LabJack | LabJack | ||
| T-cube LED Driver | Thorlabs | LEDD1B | |
| Cabo de E/S USB 3.0, Hirose 25, para DCC3240 | Thorlabs | CAB-DCU-T3 |
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.