يصف لنا استخدام أوبتوجينيتيكس والتسجيلات الكهربية للتلاعب الانتقائي للذبذبات ثيتا هيبوكامبال (5-10 هرتز) في سلوك الفئران. ويتم رصد فعالية الرائعة إيقاع استخدام الإمكانات الميدانية المحلية. ويتناول مزيجاً من علم البصريات وتثبيط فارماكوجينيتيك قراءات ناقل هيبوكامبال التزامن.
استدعاء بيانات مستفيضة عن علاقات ذبذبات الشبكات العصبية للسلوك وتنظيم أداء الخلايا العصبية عبر مناطق الدماغ لأدوات جديدة للتلاعب بشكل انتقائي بايقاعات المخ. هنا يصف لنا نهجاً يجمع بين أوبتوجينيتيكس الخاصة بالإسقاط مع الخلية الكهربية للتحكم عالية الدقة للذبذبات ثيتا هيبوكامبال (5-10 هرتز) في سلوك الفئران. خصوصية الرائعة أوبتوجينيتيك ويتحقق من خلال استهداف تشانيلرهودوبسين-2 (ChR2) للسكان جابايرجيك من خلايا الحاجز الآنسي، المشاركة الحاسمة في توليد ذبذبات هيبوكامبال ثيتا، ومزامنة محلي التنشيط مجموعة فرعية من أفيرينتس الحاجز المثبطة في الحصين. يتم التحقق من فعالية مراقبة إيقاع أوبتوجينيتيك بالرصد المتزامن من مجال المحلية المحتملة (طابعات الحجم الكبير) عبر الصفيحة المنطقة CA1 و/أو التفريغ الخلايا العصبية. باستخدام هذا الإعداد سهولة قابلة للتنفيذ نحن إظهار فعالية مختلف البروتوكولات التحفيز أوبتوجينيتيك لتنظيم دورات تعريفية للذبذبات ثيتا والتلاعب بتواترها وانتظامها. وأخيراً، يتناول مزيجاً من إيقاع ثيتا عنصر التحكم مع تثبيط الخاصة بالإسقاط قراءات جوانب معينة من عملية المزامنة هيبوكامبال حسب المناطق ناقل.
بذبذبات شبكة، التي تساعد على نقل المعلومات داخل وبين الدماغ مناطق1،2،،من34تنسيق نشاط الخلايا العصبية في الثدييات. وتشمل إيقاعات المخ ذبذبات تتراوح بطيئة جداً ( 200 هرتز) الترددات. مجموعة كبيرة من الأدلة تؤيد مشاركة شبكة التذبذبات في وظائف الدماغ المتنوعة، بما في ذلك الإدراك5،،من67،،من89،10 ، السلوكيات الفطرية11،12 ، فضلا عن الاضطرابات العصبية مثل مرض باركنسون والصرع13،،من1415. ولذلك أساليب انتقائية ودقة وقتيا للتلاعب التجريبية من ذبذبات شبكة أساسية لتطوير نماذج معقولة من الناحية الفسيولوجية للمزامنة وإقامة روابط سببية مع السلوك.
مزامنة شبكة الاتصال هو بوساطة ركائز البيولوجية المتنوعة والعمليات، بدءاً من هوية القنوات الأيونية الجزيئية وعلى حركية neuromodulation استثارة واتصالات شبكة الاتصال. تصميم البيولوجية إيقاع غالباً ما تكون مولدات تم كشف16 للعديد من إيقاعات المخ، والجوانب المتميزة التي (مثلاً، التردد، السعة) التي أحدثتها ديناميات أنواع متميزة من الخلايا والشبكات. على سبيل المثال، إينتيرنيورونس المثبطة استهداف سوماتا الخلايا الرئيسية هي أهم اللاعبين عبر نطاقات التردد والدماغ مناطق17،18، بما في ذلك ثيتا19،20، غاما20 , 21، وذبذبات22 تموج (140-200 هرتز). وفي المقابل، تكفل المرحلة المزامنة من الخلايا البعيدة قوية تغذية إلى الأمام مما يشير إلى الخلايا الهرمية، الذي يعيد إطلاق إينتيرنيورونس. معلمة حاسمة للذبذبات، حجم السكان العصبية متزامنة، يرتبط ارتباطاً وثيقا بالسعة بقياس التذبذب طابعات الحجم الكبير، وعلى الأقل لذبذبات سريعة، يعتمد على محرك الأقراص ضادات على إينتيرنيورونس2. وفي المقابل، ذبذبات أبطأ، مثل دلتا وايقاعات ثيتا، يتم إنشاؤها بواسطة الحلقات عنها بعيد المدى، التي شكلتها كورتيكو-ثالاميك23،24 وإسقاطات الحاجز هيبوكامبال الآنسي25، 2627من،، على التوالي. التذبذبات في هذه الدوائر هي التي أحدثتها تفاعلات تأخير نشر الإشارات والردود منفعل وتفضيلها التردد في المشاركة الخلايا28،،من2930، 31 , 32-إسقاطات المثبطة من جابايرجيك بارفالبومين (PV)-إيجابية الخلايا من حاجز وسطى (مللي ثانية) إلى إينتيرنيورونس في25،الحصين33ومناطق باراهيبوكامبال و قشرة انتورهينال26 أساسي لتوليد الذبذبات ثيتا في الفص الصدغي الآنسي. وهكذا، يمكن التلاعب الآليات الفيزيولوجية ذبذبات شبكة الاتصال والمزامنة الخلايا العصبية باستخدام أوبتوجينيتيكس مع دقة في الوقت الحقيقي.
وطبقت التلاعب أوبتوجينيتيك الخاصة بنوع الخلية للدراسات وذبذبات هيبوكامبال والقشرية في المختبر34،35،36،،من3738 المجراة في30،39،40،41،42،43،،من4445، بما في ذلك الوظيفية التحقيقات من غاما5،12،36،،من4647،،من4849،50، 51،52 وتموج ذبذبات40،،من5354 والنوم مغزل55،56. نحن أعرب مؤخرا عن فيروس ChR2 تعتمد على لجنة المساواة العرقية في MS، منطقة رئيسية لتوليد إيقاع ثيتا هيبوكامبال، من الفئران الكهروضوئية-لجنة المساواة العرقية. باستخدام هذا الإعداد، ميزات للذبذبات ثيتا هيبوكامبال (التردد والاستقرار الزمني) تسيطر عليها تحفيز أوبتوجينيتيك من إسقاطات المثبطة لمرض التصلب العصبي المتعدد في الحصين11. وعلاوة على ذلك، أثارت ثيتا التردد أوبتوجينيتيك التحفيز من إسقاطات المثبطة مثل هيبوكامبال إيقاع ثيتا خلال الجمود مستيقظا. أوبتوجينيتيكالي العالق إيقاع ثيتا عرض الخصائص للذبذبات ثيتا عفوية في الماوس في طابعات الحجم الكبير ومستويات نشاط الخلايا العصبية.
الميزات الرئيسية لهذا البروتوكول ما يلي: (1) استخدام طريقا المثبطة التي أمر بالغ الأهمية الفيزيولوجية للذبذبات ثيتا عفوية مع تجنب الآثار غير محدد على استثارة هيبوكامبال؛ (2) محواري، أي، وتحفيز إسقاطات محددة للتقليل من تأثير مباشر على غير هيبوكامبال MS افيرينتس؛ (3) المحلي التحفيز الخفيفة ثيتا الإيقاعي، ضمان تدخل مباشر الحد أدنى مع ديناميات مثل هيبوكامبال ثيتا الإيقاعي والرائعة ثنائية عالمية للذبذبات ثيتا؛ (4) حدودي مراقبة تردد الذبذبات ثيتا وانتظامها؛ والكمي (5) الدقة الرائعة مع عالية الدقة الزمنية باستخدام طابعات الحجم الكبير لتمكين تحليل العلاقة السببية الكمية في سلوك الحيوانات. منذ إعداد هذا يستغل أساسا على دور معروفة جيدا لإزالة التثبيط مثل هيبوكامبال في ثيتا توليد25،30، وهي تمكن سيطرة قوية على العديد من المعلمات للذبذبات ثيتا في سلوك الفئران. دراسات أخرى أقل مسارات التحقيق وأنواع الخلايا من الدوائر مثل هيبوكامبال فيها التلاعب38،39،،من4749،،من5051 , 52 , 53 , 54 , 55 , 56 , 57 , 58 تكشف عن المزيد من آليات لإيقاع ثيتا.
هنا عرضنا منهجية متاحة على نطاق واسع انتراين والحصول على ذبذبات ثيتا هيبوكامبال في سلوك الحيوان. وهذا النهج يمكن أن تكون مفيدة لإجراء دراسات لدالات ثيتا الإيقاع في تجهيز المعلومات والسلوك. وتشمل الجوانب الحرجة لهذا الأسلوب: (1) اختيار أوبسين واستهداف ChR2 إلى محاور عصبية من مرض التصلب العصب?…
The authors have nothing to disclose.
نود أن نشكر جورباتى ماريا لمساعدة الخبراء في تحليل البيانات وجينيفر كفرمان للتعليقات على المخطوطة. هذا العمل كان يدعمها الأوقيانوغرافية الألمانية (DFG؛ نيوروكوري Exc 257، والمعارف التقليدية، ووكالة اسوشييتد برس؛ برنامج الأولوية 1665، 1799/1-1(2)، برنامج هيسينبيرج، 1799/2-1، وكالة اسوشييتد برس)، المؤسسة الألمانية-الإسرائيلية للبحث العلمي والتطوير (GIF؛ أنا-1326-421.13/2015، المعارف التقليدية) وبرنامج العلوم البشرية الحدودية (هفسب؛ RGY0076/2012، والمعارف التقليدية).
PV-Cre mice | The Jackson Laboratory | B6;129P2-Pvalbtm1(cre)Arbr/J | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Surgery | |||
Stereotaxis | David Kopf Instruments, Tujunga, CA, USA | Model 963 | Ultra Precise Small Animal Stereotaxic Instrument |
Drill bits, 0.8 mm | Bijoutil, Allschwil, Switzerland | 49080HM | |
0.01-1 ml syringe | Braun, Melsungen, Germany | 9161406V | |
Sterican cannulas | Braun | 26 G, 0.45×25 mm BL/LB | |
Fine and sharp scissors | Fine Science Tools Inc., Vancouver, Canada | 14060-09 | |
Forceps | Fine Science Tools Inc. | 11210-10 | Dumont AA – Epoxy Coated Forceps |
Blunt stainless steel scissors | Fine Science Tools Inc. | 14018-14 | |
Soldering station | Weller Tools GmbH, Besigheim, Germany | WSD 81 | |
Erythromycin | Rotexmedica GmbH, Trittau, Germany | PZN: 10823932 | 1g Powder for Solution for Infusion |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Optogenetics | |||
Hamilton pump | PHD Ultra, Harvard Apparatus, Holliston, MA, USA | model 703008 | PHD Ultra Syringe Pump with push/pull mechanism |
Hamilton 5 µL Syringe, 26 gauge | PHD Ultra, Harvard Apparatus | Model 75 RN SYR | |
Hamilton 5 µL Plunger | PHD Ultra, Harvard Apparatus | Model 75 RN SYR | |
Tubing | Fisher Scientific, Pittsburgh, USA | PE 20 | Inner diameter 0.38 mm (.015"), Outer diameter 1.09 mm (.043") |
Sterican cannulas | Braun, Melsungen, Germany | 27 G, 25×0.40 mm, blunt | |
Precision drill/grinder | Proxxon, Wecker, Luxemburg | fbs 240/e | |
Cutting disks | Proxxon | NO 28812 | |
Cre dependent channelrhodopsin | Penn Vector Core, Philadelphia, PA, USA | AV-1-18917P | Contruct name: AAV2/1.CAGGS.flex.ChR2.tdTomato, titer: 1.42×1013 vg/ml |
Cam kinase dependent halorhodopsin | Penn Vector Core | AV-1-26971P | Construct name: eNpHR3.0, AAV2/1.CamKIIa.eNpHR3.0-EYFP.WPRE.hGH, titer: 2.08_1012 vg/ml |
Multimode optic fiber | ThorLabs, Dachau, Germany | FG105LCA | 0.22 NA, Low-OH, Ø105 µm Core, 400 – 2400 nm |
Ceramic stick ferrule | Precision Fiber Products, Milpitas, CA, USA | CFLC126 | Ceramic LC MM Ferrule, ID 126um |
Polishing paper | Thorlabs | LF3D | 6" x 6" Diamond Lapping (Polishing) Sheet |
Power meter | Thorlabs | PM100D | Compact Power and Energy Meter Console, Digital 4" LCD |
Multimode fiber optic coupler | Thorlabs | FCMM50-50A-FC | 1×2 MM Coupler, 50:50 Split Ratio, 50 µm GI Fibers, FC/PC |
Fiberoptic patch cord | Thorlabs | FG105LCA CUSTOM-MUC | custom made, 3 m long, with protective tubing, Tubing: FT030, Connector 1: FC/PC, Connector 2: 1.25mm (LC) Ceramic Ferrule |
Sleeve | Precision Fiber Products, Milpitas, CA, USA | ADAL1 | Ceramic Split Mating Sleeve for Ø1.25 mm (LC/PC) Ferrules |
473 nm DPSS laser | Laserglow Technologies, Toronto, ON, Canada | R471005FX | LRS-0473 Series |
593 nm DPSS laser | Laserglow Technologies | R591005FX | LRS-0594 Series |
MC_Stimulus II | Multichannel Systems, Reutlingen, Germany | STG 4004 | |
Impedance conditioning module | Neural microTargeting worldwide, Bowdoin, USA | ICM | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Electrophysiology | |||
Tungsten wires | California Fine Wire Company, Grover Beach, CA, USA | CFW0010954 | 40 µm, 99.95% |
Capillary tubing | Optronics | 1068150020 | ID: 100.4 µm |
Omnetics nanoconnector | Omnetics Connector Corporation, Minneapolis, USA | A79038-001 | |
Screws | Bilaney, Düsseldorf, Germany | 00-96×1/16 | stainless-steel |
Silicone probe | NeuroNexus Technologies, Ann Arbor, MI, USA | B32 | |
Headstage | Neuralynx, Bozeman, Montana USA | HS-8 | miniature headstage unity gain preamplifiers |
Silver conductive paint | Conrad electronics, Germany | 530042 | |
Liquid flux | Felder GMBH Löttechnik, Oberhausen, Germany | Lötöl ST | DIN EN 29454.1, 3.2.2.A (F-SW 11) |
LED | Neuralynx | HS-LED-Red-omni-10V | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Software | |||
MATLAB | Mathworks, Natick, MA, USA | ||
MC_Stimulus software | Multichannel, Systems | ||
Neurophysiological Data Manager | NDManager, http://neurosuite.sourceforge.net | ||
Klusters | http://neurosuite.sourceforge.net, Hazan et al., 2006 | ||
Software of the recording system | Neuralynx | Cheetah | https://neuralynx.com/software/cheetah |
Multi-channel data analysis software | Cambridge Electronic Design Limited, Cambridge, GB | Spike2 |