Aqui, apresentamos um protocolo para realizar imagens de cálcio de dois fótons no prosencéfalo dorsal de zebrafish adultos.
Artigo de método
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Aqui, apresentamos um protocolo para realizar imagens de cálcio de dois fótons no prosencéfalo dorsal de zebrafish adultos.
O peixe-zebra adulto (Danio rerio) exibe um rico repertório de comportamentos para o estudo das funções cognitivas. Eles também têm um cérebro em miniatura que pode ser usado para medir atividades em regiões cerebrais por meio de métodos de imagem óptica. No entanto, relatos sobre o registro da atividade cerebral em peixes-zebra adultos têm sido escassos. O presente estudo descreve procedimentos para a realização de imagens de cálcio de dois fótons no prosencéfalo dorsal de zebrafish adultos. Nós nos concentramos em etapas para impedir que peixes-zebra adultos movam suas cabeças, o que fornece estabilidade que permite imagens de varredura a laser da atividade cerebral. Os animais com a cabeça contida podem mover livremente suas partes do corpo e respirar sem ajudas. O procedimento visa encurtar o tempo da cirurgia de apoio de cabeça, minimizar o movimento cerebral e maximizar o número de neurônios registrados. Uma configuração para apresentar um ambiente visual imersivo durante a imagem de cálcio também é descrita aqui, que pode ser usada para estudar correlatos neurais subjacentes a comportamentos desencadeados visualmente.
A imagem por fluorescência do cálcio com indicadores codificados geneticamente ou corantes sintéticos tem sido um poderoso método de medir a atividade neuronal em animais com comportamento, incluindo primatas não humanos, roedores, aves e insetos1. A atividade de centenas de células, até aproximadamente 800 μm abaixo da superfície cerebral, pode ser medida simultaneamente por meio de imagens com múltiplos fótons 2,3. A atividade de tipos celulares específicos também pode ser medida pela expressão de indicadores de cálcio em populações neuronais geneticamente definidas. A aplicação do método de imagem para modelos de pequenos vertebrados abre novas possibilidades no campo da computação neuronal em regiões cerebrais.
O peixe-zebra é um sistema modelo amplamente utilizado em pesquisas em neurociência. Larvas de peixes-zebra em torno de 6 dias pós-fertilização têm sido utilizadas para imagens de cálcio devido ao seu cérebro em miniatura e corpo transparente4. Os peixes-zebra juvenis (3-4 semanas de idade) também são utilizados para estudar os mecanismos neurais subjacentes às vias sensório-motoras5,6. No entanto, o nível máximo de desempenho para comportamentos complexos, incluindo aprendizagem associativa e comportamentos sociais, é alcançado em idade mais avançada 7,8. Assim, um protocolo confiável é necessário para estudar múltiplas funções cognitivas no cérebro de peixes-zebra adultos usando métodos de imagem. Enquanto larvas de peixe-zebra e peixes-zebra juvenis podem ser incorporados em agarose para imagens in vivo, peixes-zebra adultos com 2 meses ou mais sofrem de hipóxia em tais condições e são fisicamente fortes demais para serem contidos pela agarose. Portanto, um procedimento cirúrgico é necessário para estabilizar o cérebro e permitir que o animal respire livremente através das brânquias.
Aqui, descrevemos um protocolo de apoio de cabeça que envolve um novo design de uma única barra de cabeça. O tempo cirúrgico reduzido de 25 min é duas vezes mais rápido que o método anterior9. Descrevemos também o projeto da câmara de gravação (tanque semi-hexagonal), do estágio principal e de um mecanismo de bloqueio rápido para combinar as duas partes9. Finalmente, a configuração para apresentar um estímulo visual imersivo para estudar a atividade e os comportamentos cerebrais desencadeados visualmente também é descrita. Em geral, os procedimentos descritos aqui podem ser usados para realizar imagens de cálcio de dois fótons em populações celulares geneticamente definidas em um peixe-zebra adulto contido na cabeça, permitindo a investigação de atividades cerebrais durante vários paradigmas comportamentais.
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Todos os procedimentos com animais foram aprovados e realizados de acordo com as diretrizes do Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais da Academia Sinica. Detalhes dos instrumentos de pesquisa podem ser encontrados na Tabela de Materiais.
1. Preparação da câmara de gravação

Figura 1: Instrumentos necessários para a cirurgia de apoio de cabeça. (A) O mecanismo de bloqueio rápido entre a placa circular do estágio da cabeça e a placa de base dentro do tanque semi-hexagonal. Arquivos CAD (computer-aided design) das peças personalizadas podem ser encontrados em Arquivos Suplementares 1-4. (B) Barra de cabeça em forma de Ω para o apoio de cabeça. (C) O micromanipulador de três eixos utilizado para posicionar a barra de cabeçote no local de fixação. Inserção: orientação da barra principal na argila. (D) Canhão para segurar o peixe durante a cirurgia. Inset: orientação dos peixes dentro do canhão. (E) Módulo de carregamento de peixes e o micromanipulador usado para carregar os peixes no palco principal. Inset: orientação dos peixes dentro do módulo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
2. Cirurgia de apoio de cabeça

Figura 2: Principais passos durante a cirurgia de apoio de cabeça. (A) Composição da cápsula dentro do canhão. (B) Locais de fixação no crânio (vermelho). As setas vermelhas especificam os locais dos vasos sanguíneos. (C) Superior: barra da cabeça presa ao crânio do peixe. Fundo: peixe carregado no palco da cabeça. (D) Cortes necessários para remover a pele acima do prosencéfalo. Os números denotam a sequência de corte. Evitar a retirada de pele no local marcado (ponta de seta) para evitar sangramento do animal. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
3. Imagem de dois fótons

Figura 3: Configuração para realizar imagens de cálcio, gravação comportamental e exibição de estímulos visuais . (A) Três projetores apresentam um estímulo visual nas paredes do tanque semi-hexagonal. Luzes IR na lateral são usadas para iluminar o corpo do peixe-zebra. (B) Posicionamento da lente objetiva. Esquerda: vista frontal. Direita: vista lateral. A distância entre a lente objetiva de 16x e a região do cérebro alvo é de cerca de 2,5 mm. (C) Exemplo de imagem de dois fótons. Esquerda: projeção máxima de todo o prosencéfalo dorsal em Tg[neuroD:GCaMP6f]. Direita: imagem ampliada para revelar neurônios em várias regiões do cérebro. Inset: uma ampliação maior de uma região diferente do cérebro. As imagens são médias de 10 s de dados gravados a 5Hz. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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O protocolo consiste em duas partes: cirurgia de apoio de cabeça e cintilografia de cálcio de dois fótons das atividades neuronais no prosencéfalo. O sucesso da cirurgia é definido pela sobrevivência do animal e pela estabilidade do apoio de cabeça. A taxa de sobrevida pode ser muito melhorada pela perfusão frequente da solução de EMT a 0,01% pela boca durante a cirurgia. Os peixes devem se recuperar da anestesia e respirar ativamente dentro de 1-2 minutos após serem imersos na água do tanque de peixes. A imagem de cálci...
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Aqui, descrevemos um protocolo detalhado para conter a cabeça de peixes-zebra adultos para imagens de cálcio de dois fótons. Há duas etapas críticas para obter um apoio de cabeça que seja estável o suficiente para imagens de varredura a laser. Primeiro, a barra da cabeça deve ser colada nos locais de fixação específicos dos crânios. Outras partes do crânio são muitas vezes muito finas para fornecer estabilidade mecânica e podem até ser fraturadas durante movimentos fortes do corpo. Em segundo lugar, a pele acima dos loca...
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Os autores declaram não ter interesses financeiros concorrentes.
Este trabalho foi apoiado pelo Instituto de Biologia Molecular, Academia Sinica, e Conselho Nacional de Ciência e Tecnologia, Taiwan. A Oficina de Máquinas do Instituto de Física, Academia Sinica ajudou a fabricar peças personalizadas. Também queremos agradecer a P. Argast (Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research, Basileia, Suíça) pelo projeto do mecanismo de bloqueio rápido do estágio principal.
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| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Cartão de aquisição | MBF Biociências | Vidrio vDAQ | Microscópio |
| Filme de retroprojeção | Kimoto | Tela Diland - GSK | Estímulo visual presente |
| Filtro passa-banda (510/80 nm) | Chroma | ET510/80m | Microscópio |
| Placa base para o tanque semi-hexagonal | Feito sob medida | ver arquivos suplementares | Câmara de gravação |
| Filtro da câmera (< 875 nm) | Óptica Edmund | #86-106 | Registro de comportamento |
| Filtro da câmera (>700 nm) | Óptica Edmund | #43-949 | Registro de comportamento |
| Lente da câmera | Thorlabs | MVL50M23 | Registro de comportamento |
| Visão Camaleão-S | Coerente | Visão-S | Laser |
| Placa circular para o estágio de cabeça | Feito sob medida | ver arquivos suplementares | Câmara de gravação |
| Controlador para atuador piezo | Instrumento Physik | E-665. CR | Microscópio |
| Amplificador de corrente | Thorlabs | TIA60 | Microscópio |
| Elitedent Q-6 | Rolence Enterprise | Q-6 | Cirurgia: Lâmpada UV |
| Filtro de Emissão 510/80 nm | Chroma | ET510/80m | Microscópio |
| Barra de cabeça | Feito sob medida | ver arquivos suplementares | Câmara de gravação |
| Luz infravermelha | Thorlabs | M810L3 | Registro de comportamento |
| Projetor de LED | AAXA | Projetor P2B LED Pico | Estímulo visual presente |
| Papel de papel úmido (Kimwipe) | Ciência Kimtech | 34155 | Cirurgia: papel úmido |
| Estágio de amostragem motorizado XY | Zaber | X-LRM050 | Microscópio |
| Filtros de Densidade de Neutro (50% de Transmissão) | Thorlabs | NE203B | Estímulo visual presente |
| & Oslash; Suporte de 1/2" | ThorLabs | PH1.5V | Cirurgia: tubo oco para canhão |
| & Oslash; Poste óptico de aço inoxidável de 1/2" | ThorLabs | TR150/M | Cirurgia: módulo de carregamento de peixes |
| Lente objetiva 16x, 0,8NA | Nikon | CF175 | Microscópio |
| Argila de modelagem à base de óleo | Ly Hsin Clay | C4086 | Cirurgia: suporte da barra de cabeça |
| Adesivo óptico | Produtos Norland | NOA68 | Cirurgia: cola curável por UV |
| Tubo fotomultiplicador | Hamamatsu | H11706P-40 | Microscópio |
| Atuador piezo | Instrumento Physik | P-725.4CA PIFOC | Microscópio |
| Célula Pockels | Conópticos | M350-80-LA-BK-02 | Microscópio |
| Filtro Red Wratten (> 600 nm) | Óptica Edmund | #53-699 | Estímulo visual presente |
| Sistema de Varredura Ressonante-Galvo | INSS | RGE-02 | Microscópio |
| Grampo de ângulo reto para ø Poste de 1/2" | ThorLabs | RA90/M | Cirurgia: módulo de carregamento de peixes |
| Grampo Rotativo para Ø Poste de 1/2" | ThorLabs | SWC/M | Cirurgia: módulo de carregamento de peixes |
| ScanImage | MBF Biociências | Versão básica | Microscópio |
| Tanque semi-hexagonal | Feito sob medida | ver arquivos suplementares | Câmara de gravação |
| Super-Bond C&; Uniforme B | Sun Medical Co. | Super-Bond C&; B | Cirurgia: cimento dentário |
| Metanassulfonato de tricaína | Sigma Aldrich | E10521 | Cirurgia: anestésico |
| Câmera USB | FLIR | BFS-U3-13Y3M-C | Registro de comportamento |
| Vetbond | 3M | 1469SB | Cirurgia: cola de tecido |
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