A preparação descrita acima permite a observação de todo o cérebro sob um microscópio para imagens 3D em larga escala, como fótons clássicos 2 ou microscopia confocal, mas também técnicas mais rápidas, como a folha de luz31 e outras técnicas estruturadas de microscopia de iluminação (revisada em32), ou microscopia de campo leve28.
O acesso a todo o cérebro observando o comportamento e mantendo órgãos sensoriais funcionais permite responder a várias perguntas.
Primeiro, qual é a atividade cerebral geral quando a mosca está em repouso, durante o comportamento, e quando ela responde a estímulos? Como exemplo, incluímos dados obtidos com um microscópio de campo leve mostrando a ativação cerebral durante respostas a estímulos e comportamentos. Por exemplo, no Vídeo 2,uma sonda de cálcio foi expressa em todos os neurônios (nsyb-GAL4 e UAS-syt-GCaMP6s (esquerda) ou UAS-GCaMP6M (direita)) e um sopro de odor foi apresentado. Observe como a preparação permite obter uma visão geral da atividade cerebral durante a resposta ao estímulo. As poderosas ferramentas genéticas em Drosophila podem ser usadas para restringir a expressão desses sensores a subtipos neuronais específicos. No Vídeo 3,restringimos a expressão de um sensor de cálcio a neurônios dopaminérgicos e serotoninérgicos (TH-GAL4, DDC-GAL4 e UAS-GCaMP6M). Observe a forte atividade síncronica sobre o cérebro fortemente correlacionada com a mosca andando, permitida observando todo o cérebro durante o comportamento. Além da atividade de cálcio, outros sinais físicos ou químicos podem ser imagens (utilizando, porexemplo,sensores para tensão28,33, produtos metabolismos34,35 ou neuromoduladores específicos36).
Para entender o papel da atividade cerebral de forma mais especifica, podemos perguntar quais regiões estão envolvidas em que comportamento, resposta a estímulos ou padrões espontâneos de atividade. Os dados podem de fato ser usados como uma tela imparcial para extrair regiões funcionais usando técnicas como análise de componentes principais e análise de componentes independentes. A Figura 9A mostra diferentes regiões funcionais em cores diferentes. A forma e localização das regiões funcionais permitem mapeá-las para modelos anatômicos para identificar regiões cerebrais e, em alguns casos, tipo de neurônio. Além disso, uma vez alinhados ao modelo anatômico, os valores de fluorescência podem ser mediados em regiões cerebrais anatômicas para análise quantitativa (ver Figura 9B). Por exemplo, um modelo gaussiano hierárquico aplicado aos dados na Figura 9B mostra que as regiões são mais ativas durante a caminhada (com uma mediana ΔF/F de 0,029, Intervalo 95% crível=[0,017 0,041]) mas não durante o noivo (mediana ΔF/F = -0,0049 com intervalo 95% crível=[-0,016 0,0059]).
Somando-se à profundidade de compreensão, as gravações simultâneas das diferentes regiões funcionais permitidas pela preparação podem ser utilizadas para estudar as propriedades dinâmicas da rede funcional. Isso é importante porque as regiões cerebrais em todos os cérebros estudados até agora são altamente recorrentemente interconectadas e cada vez mais estudos mostram que mesmo áreas sensoriais respondem ao estado comportamental do animal. Vários aspectos podem ser analisados, como propriedades de gráficos funcionais (por exemplo, módulos) e padrões espáteris-temporais que podem ser adequados com sistemas dinâmicos (ver8 por exemplo).

Figura 1: Preparando o titular (passo 1). A) Design do suporte (vista a partir da parte superior). B) Preparação do slot do pescoço. topo: design de fita, fundo: lâminas paralelas usadas para cortar a ranhura do pescoço. C) Vista do suporte de baixo. D) Vista inferior indicando onde adicionar a fita do entalhe do pescoço. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Preparativos adicionais (etapa 1). A) Adicione graxa na fenda do pescoço para evitar a cola para cobrir a parte de trás da cabeça e evitar vazamentos salinos. Barras de escala, 1 mm. B) Topo: forma da peça de fita que será usada para empurrar o corpo para baixo. Inferior: certifique-se de que a fita se encaixa no suporte. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Colocação de uma fita em forma de V para auxiliar o centro. (A) Vista inferior. (B) Vista superior. Barra de escala, 2 mm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: Coloque a mosca (passo 2). À esquerda, use dois fórceps maçante para colocar o corpo para que o pescoço esteja na fenda do pescoço. No meio, alinhe a cabeça. Os olhos estão em ambos os lados nas bordas da fenda. A cabeça da mosca está reta. Certo, coloque a mosca com um tecido coberto de gelo para evitar que ela se mova. Barra de escala, 1 mm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5: Fixar a cabeça (passo 3). A) Ângulo ideal da cabeça. B) Adicione cola UV ao redor da cabeça, evitando áreas sensoriais de interesse. Barra de escala, 1 mm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6: A ponta do proboscis e as antenas podem ser mantidas livres de cola (passo 3). O círculo branco indica a área onde a cola UV foi aplicada. A seta mostra quais partes são deixadas livres de cola para experimentos olfativos e gustativos. Observe a fita opcional que impede que as pernas toquem na área da cola. Barra de escala, 200 μm. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 7: Coloque a fita traseira (passo 4.2). A fita criada na etapa 1 (ver Figura 2, esquerda) é usada para colocar o corpo e cobrir o grande orifício no suporte. Barra de escala, 1 mm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 8: Etapas de dissecação (etapa 6). A-B) Corte em cada lado na base do triângulo escuro (cruzes) e remova esta parte da cutícula C). D) e E) removam o músculo 16. Em seguida, remova suavemente o resto da cutícula F, os sacos de ar G), e músculos. H) Cabeça dissecada. Barra de escala, 200 μm. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 9: Resultados representativos. A) Regiões funcionais (extraídas usando PCA e ICA como em28) para uma mosca expressando GCaMP6 pan-neuronalmente imagens com um microscópio de campo leve (25x, NA=0,95 com uma matriz de lentes de microsetos f/12 correspondente). Barra de escala, 100 μm. B) Atividade média de cálcio em grandes regiões cerebrais durante respostas a estímulos e comportamento (reproduzido a partir de28). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Vídeo 1: Movimentos musculares 16 (passo 6.3). A GFP foi expressa em músculos. Observe o movimento de bombeamento que vem do orifício logo acima da traqueia. Clique aqui para baixar este vídeo.
Vídeo 2: Atividade pan-neuronal de cálcio durante a resposta ao odor para duas preparações diferentes. Vinagre balsâmico foi soprado na mosca. A atividade pan-neuronal de cálcio (driver nsyb-GAL4, UAS-syt-GCaMP6s esquerda e UAS-GCaMP6M à direita) foi imagem com um microscópio de campo leve (25x, NA=0,95 com uma matriz de microlens f/12 correspondente). As imagens de campo de luz foram então reconstruídas como descrito no ref.28,37. Clique aqui para baixar este vídeo.
Vídeo 3: Atividade de cálcio em um subconjunto do tipo neurônio durante o comportamento. GCaMP6 foi expresso em neurônios dopaminérgicos e serotoninérgicos (com TH-GAL4 e DDC-GAL4). Em combinação com as ferramentas genéticas da mosca, a preparação permite observar um forte aumento da atividade em muitas regiões durante a caminhada. Clique aqui para baixar este vídeo.
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