Summary

Большой объем, поведенчески соответствующего освещения для Оптогенетика в Non-human приматов

Published: October 03, 2017
doi:

Summary

Протокол для построения тканей проникающего осветитель для доставки больших объемов с минимальным диаметром свет представлен.

Abstract

Этот протокол описывает большого объема осветитель, который был разработан для optogenetic манипуляции в мозге нечеловеческих приматов. Осветитель является изменение пластикового оптоволокна с выгравированным кончиком, что светоиспускающей поверхности > 100 x, что из обычных волокна. Помимо описания строительство большого объема осветитель, этот протокол детали калибровки контроля качества, используемые для обеспечения распределения даже света. Кроме того этот протокол описывает методы для вставки и удаления осветитель большой объем. Поверхностные и глубокие структуры могут быть освещены. Этот большой объем осветитель не нужно быть физически связаны с электродом, и потому что светильник выполнен из пластика, не стекла, он просто будет согнуть в обстоятельствах, когда бы разрушить традиционные оптических волокон. Потому что этот просветитель поставляет свет над томов (≈ 10 мм3) поведенчески соответствующие ткани с не больший ущерб проникновение, чем обычные оптические волокна, она облегчает поведенческие исследования с использованием Оптогенетика в нечеловеческих приматов.

Introduction

Optogenetic инструменты, которые позволяют миллисекунды точный, ориентированное на свет нейрональных контроля широко используются для изучения функциональных физиологии и поведения в грызунов и беспозвоночных. Однако технические проблемы ограничили использование Оптогенетика в нечеловеческих приматов мозг, который имеет объем ~ 100 x больше, чем грызунов мозга 1.

Для облегчения исследования Оптогенетика в нечеловеческих приматов, просветитель был разработан для решения двух конкурирующих целей: большой объем освещения и минимальное проникновение повреждения. Предыдущие попытки решить одну из этих проблем прийти в дорогих другого. Пучки волокон освещения больших томов, но с увеличенным диаметром и, таким образом, ущерб2,3. Конические стекловолокон уменьшить ущерб проникновение, но узко фокус свет излучающих поверхностей < 100 µm2 4,5. Внешних мозга освещения через окно в Дура обходит проблему повреждения проникновения и может позволить для большого объема освещения, но он может использоваться только для несколько поверхностный мозг районах6.

Для создания большого объема, малый диаметр осветитель (рис. 1а), кончик пластиковой оптического волокна тепла конические и ядро и облицовки травления (рисунок 1bc). В отличие от других конические волокна, которые сфокусировать свет к узкой точки травления позволяет свету побег равномерно из стороны наконечника, таким образом, широко распространять свет на большой площади (рис. 1 de). Потому что ущерб проникновение пропорциональна диаметр проникновения, это светильник имеет не больше повреждения проникновения чем обычных волокна, но она имеет > 100 x светоиспускающей поверхности области и поставляет свет более широко с 1/100th силы света плотность в мозге Фантом (1,75% агарозном) (Рисунок 1e). Модель Монте-Карло (Рисунок 1f) иллюстрирует разницу в распространения света между обычными волокна и осветитель большой объем, когда они имеют равные силы света плотности как их светоиспускающей поверхности. Каждый прожектор индивидуально калиброванные, используя интегрирующей сферы (Рисунок 2a, b) для обеспечения распределения даже света вдоль кончик (рис. 2 c).

Этот большой объем осветитель протестирована с optogenetic манипуляции как поведение, так и нейронов стрельбы в нечеловеческих приматов. Длина волокна подсказка может быть настроен для любой области мозга и карты отдельных восприимчивы поле каждого животного. Осветитель может быть в паре с проникающей электрода для нейронов записей, которые охватывают продолжительность освещения. Кроме того потому что волокна могут носить любой цвет видимого света, это может быть сопряжено с любым из доступных optogenetic молекул доступны.

Protocol

Примечание: все процедуры животных были в соответствии с руководящими принципами низ и были утверждены Массачусетский Институт технологии Комитет по животных уход. 1. осветитель изготовление использовать пару острых ножниц вырезать часть 250 мкм диаметром пластик…

Representative Results

Свечение большого мозга томов в нечеловеческих приматов позволяет для поведенчески соответствующих optogenetic манипуляции. Экер и др. (2016) используется этот большой объем осветитель с красно смещается галородопсин, 7 челюсти для изучения временных вклад лобной глаз поля (…

Discussion

В то время как optogenetic инструменты широко используются для изучения болезни и физиологии в грызунов, техническую проблему освещающей томов большого мозга ограниченное использование Оптогенетика в нечеловеческих приматов. Пионерские исследования на обезьянах используется плотности б…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

LCA отмечает, финансирование от стипендий NDSEG, NSF GRFP и друзей института Макговерн. EP признает Гарри и финансирования Юнис Nohara UROP фонд, MIT класса 1995 UROP фонда и Фонд UROP MIT. ESB признает, финансирование из низ 2R44NS070453-03A1, премия Харви МТВ и премии Фонда-Робертсон стволовых клеток Нью-Йорке. RD признает, финансирование из низ EY017292. Майкл Уильямс помог команде организовать и собрать поставок до съемок.

Materials

Plastic optical fiber Industrial fiber optics SK-10 250 micron diameter, Super Eska line
Wire stripper Klein Tools 11047 22 gauge
Vise Clamp Wilton 11104 Generic table mount vice clamp
Dual temperature heat gun Milwaukee 8975-6 570 / 1000°F
Lab marker VWR 52877
Dissection microscope VistaVision 82027-156 Stereo microscope w/ dual incandescent light, 2x/4x magnification, available from VWR
Lab tape VWR 89097-972 4 pack of violet color; however, tape color does not matter
Silicon carbide lapping sheet ThorLabs LF5P 5 micron grit, 10 pack
Aluminum oxide lapping sheet ThorLabs LF3P 3 micron grit, 10 pack
Aluminum oxide lapping  sheet ThorLabs LF1P 1 micron grit, 10 pack
Calcined alumina lapping sheet ThorLabs LF03P 0.3 micron grit, 10 pack
Hot knife Industrial fiber optics IF370012 60 Watt, heavy duty
Fiber inspection scope ThorLabs FS201 optional
Stainless Steel Ferrule Precision fiber optics MM-FER2003SS-265 265 micron inner diameter
1 mL syringe BD 14-823-30 Luer-lok tip is preferable to reduce risk of leakage, but not strictly needed
Plastic epoxy Industrial fiber optics 40 0005
18 gauge blunt needle BD 305180 1.5 inch length
Lint-free wipe (KimWipe) ThorLabs KW32 available from many vendors
Light absorbing foil ThorLabs BKF12
Electrical tape 3M Temflex 1700 Optional, may substitute other brands / models
26 gauge sharp needle  BD 305111 0.5 inch length
Micromanipulator Siskiyou 70750000E may substitute other brands/models
Steretactic arm Kopf 1460 may substitute other brands/models
Laser safety goggles KenTeK KCM-6012 must be selected based on the color of laser used, example given here
Laser or other light source vortran Stradus 473-50 example of blue laser
Integrating sphere ThorLabs S142C Attached power meter, also available from ThorLabs, item #PM100D
Ultem recording chamber Crist instrument company 6-ICO-J0 Customized with alignment notch
Tower microdrive with clamps NAN DRTBL-CMS
Guide tube Custom N/A Made from 25 gauge spinal needle (BD) or blunt tubing
NAN driver system NAN NANDrive
Custom grid design custom custom plans available upon request
Blunt forceps FischerScientific 08-875-8A generic stainless steel blunt forceps
Digital calipers Neiko 01407A available on amazon.com. May select a finer resolution caliper for more precise measurements.
Patch cable ThorLabs FG200LCC-custom This is one example of many possible patch cables. As long as the fiber diameter is less than or equal to the fiber diameter of the large volume illuminator and as long as the connectors interface, any patch cable (glass or plastic, vendor purchased or made in the lab) is fine for this application.
Clear plastic dust caps ThorLabs CAPF Package of 25
ceramic split mating sleeve Precision Fiber Products, Inc. SM-CS1140S

References

  1. Herculano-Houzel, S. The human brain in numbers: a linearly scaled-up primate brain. Front Hum Neurosci. 3, 31 (2009).
  2. Tamura, K., et al. A glass-coated tungsten microelectrode enclosing optical fibers for optogenetic exploration in primate deep brain structures. J Neurosci Meth. 211 (1), 49-57 (2012).
  3. Diester, I., et al. An optogenetic toolbox designed for primates. Nat Neurosci. 14 (3), 387-397 (2011).
  4. Dai, J., Brooks, D. I., Sheinberg, D. L. Optogenetic and Electrical Microstimulation Systematically Bias Visuospatial Choice in Primates. Curr biol. 24 (1), 63-69 (2014).
  5. Ozden, I., et al. A coaxial optrode as multifunction write-read probe for optogenetic studies in non-human primates. J Neurosci Meth. 219 (1), 142-154 (2013).
  6. Ruiz, O., et al. Optogenetics through windows on the brain in the nonhuman primate. J Neurophysiol. 110 (6), 1455-1467 (2013).
  7. Chuong, A. S., et al. Noninvasive optical inhibition with a red-shifted microbial rhodopsin. Nat Neurosci. 17 (8), 1123-1129 (2014).
  8. Acker, L., Pino, E. N., Boyden, E. S., Desimone, R. FEF inactivation with improved optogenetic methods. Proc Natl Acad Sci U S A. 113 (46), 7297-7306 (2016).
  9. Jazayeri, M., Lindbloom-Brown, Z., Horwitz, G. D. Saccadic eye movements evoked by optogenetic activation of primate V1. Nat Neurosci. 15 (10), 1368-1370 (2012).
  10. Gerits, A., et al. Optogenetically Induced Behavioral and Functional Network Changes in Primates. Curr Biol. 22 (18), 1722-1726 (2012).
  11. Ohayon, S., Grimaldi, P., Schweers, N., Tsao, D. Y. Saccade modulation by optical and electrical stimulation in the macaque frontal eye field. J Neurosci. 33 (42), 16684-16697 (2013).
  12. Cavanaugh, J., et al. Optogenetic inactivation modifies monkey visuomotor behavior. Neuron. 76 (5), 901-907 (2012).

Play Video

Cite This Article
Acker, L. C., Pino, E. N., Boyden, E. S., Desimone, R. Large Volume, Behaviorally-relevant Illumination for Optogenetics in Non-human Primates. J. Vis. Exp. (128), e56330, doi:10.3791/56330 (2017).

View Video