Summary

Monokulär visuell deprivation och okulär dominans plasticitet mätning i musen primära visuella cortex

Published: February 08, 2020
doi:

Summary

Här presenterar vi detaljerade protokoll för monokulär visuell deprivation och okulär dominans plasticitet analys, som är viktiga metoder för att studera neurala mekanismer visuell plasticitet under den kritiska perioden och effekterna av specifika gener på visuell utveckling.

Abstract

Monokulär visuell deprivation är ett utmärkt experimentellt paradigm för att inducera primära visuella när svar plasticitet. I allmänhet är svaret från cortex till det kontralaterala ögat till en stimulans mycket starkare än svaret från det ipsilaterala ögat i det kikare segmentet av musprimära visuella cortex (V1). Under den däggdjurskritiska perioden kommer suturering det kontralaterala ögat resultera i en snabb förlust av lyhördhet för V1-celler till kontralateral ögonstimulering. Med den fortsatta utvecklingen av transgen teknik, fler och fler studier använder transgena möss som experimentella modeller för att undersöka effekterna av specifika gener på okulär dominans (OD) plasticitet. I denna studie introducerar vi detaljerade protokoll för monokulär visuell deprivation och beräknar förändringen i OD-plasticitet i mus V1. Efter monokulär deprivation (MD) i 4 dagar under den kritiska perioden mäts orienteringsjusteringskurvorna för varje neuron, och trimkurvorna i lager fyra nervceller i V1 jämförs mellan stimulering av de ipsilaterala och kontralaterala ögonen. Det kontralaterala biasindex (CBI) kan beräknas med hjälp av varje cells okulära OD-poäng för att ange graden av OD-plasticitet. Denna experimentella teknik är viktig för att studera de neurala mekanismerna för OD-plasticitet under den kritiska perioden och för att kartlägga rollerna för specifika gener i neural utveckling. Den stora begränsningen är att den akuta studien inte kan undersöka förändringen i neural plasticitet av samma mus vid en annan tidpunkt.

Introduction

Monokulär visuell deprivation är ett utmärkt experimentellt paradigm för att undersöka V1 plasticitet. För att studera vikten av visuell erfarenhet av neural utveckling, David Hubel och Torsten Wiesel1,2 berövade kattungar av normal syn i ett öga vid olika tidpunkter och under olika tidsperioder. De observerade sedan förändringar i svarsintensiteten i V1 för de eftersatta och oefterställda ögonen. Deras resultat visade ett onormalt lågt antal nervceller reagerar på ögat som hade sutured stängas under de första tre månaderna. Emellertid, svaren från nervceller i kattungarna förblev identiska i alla avseenden till de av en normal vuxen katt öga som var sutured stängd i ett år, och kattungarna inte återhämta sig. MD hos vuxna katter kan inte inducera OD-plasticitet. Därför är effekten av visuell erfarenhet på V1 ledningar stark under en kort, väldefinierad utvecklingsfas, före och efter vilken samma stimuli har mindre inflytande. En sådan fas av ökad känslighet för visuell ingång kallas den kritiska perioden i visuella cortex.

Även om musen är ett nattligt djur, enskilda nervceller i musen V1 har liknande egenskaper som nervceller som finns hos katter3,4,5. Under de senaste åren, med den snabba utvecklingen av transgen teknik, ett ökande antal studier inom visuell neurovetenskap har använt möss som en experimentell modell6,7,8. I mus visuella studier, neuroforskare använder mutanter och knockout mus linjer, som tillåter kontroll över den genetiska makeup av möss. Även möss V1 saknar OD kolumner, enda nervceller i V1 kikare zonen visar betydande OD egenskaper. Till exempel, de flesta celler reagerar starkare på kontralateral stimulering än ipsilateral stimulering. Tillfällig stängning av ett öga under den kritiska perioden leder till en betydande förändring i OD-indexfördelningen9,10,11. Därför kan MD användas för att upprätta en OD plasticitet modell för att undersöka hur gener som deltar i neurala utvecklingsstörningar påverkar när som är i kraft plasticitet in vivo.

Här introducerar vi en experimentell metod för MD och föreslår en vanlig metod (elektrofysiologisk inspelning) för att analysera förändringen i OD-plasticitet under monokulär visuell deprivation. Metoden har använts i stor utsträckning i många laboratorier i mer än 20 år12,13,14,15,16. Det finns andra metoder som används för att mäta OD-plasticitet också, såsom kronisk visuell framkallad potential (VEP) inspelning17, och inneboende optisk bildbehandling (IOI)18. Den betydande fördelen med denna akuta metod är att det är lätt att följa, och resultaten är anmärkningsvärt tillförlitliga.

Protocol

I detta protokoll erhölls manliga C57Bl/6 möss från Institute of Laboratory Animals of Sichuan Academy of Medical Sciences och Sichuan Provincial People’s Hospital. Alla djurvårds- och försöksförfaranden godkändes av kommittén för institutionsdjursvård och användning, University of Electronic Science and Technology of China. 1. Monokulär deprivation (MD) på postnatal dag 28 hos möss Sätt de kirurgiska verktygen, suturnålan (0,25 mm diameter, strängdiameter 0,07 mm) …

Representative Results

De experimentella resultat som beskrivs här möjliggör framgångsrika MD och OD plasticitet mätningar från en eftersatt och icke eftersatt mus under den kritiska perioden (P19-P32). Bild 1 visar hur du utför enstaka enhetsinspelningar i lager 4 från V1 den kikare zonen för att jämföra svar i det ensidiga och kontralaterala ögat 4 dagar efter MD. Figur 2 visar spike sortering och orientering tuning mätningar för att stimulera ipsilaterala och kontrala…

Discussion

Vi presenterar ett detaljerat protokoll för MD och mätning OD plasticitet genom en enhet inspelning. Detta protokoll används ofta i visuell neurovetenskap. Även om MD-protokollet inte är komplicerat, finns det några kritiska kirurgiska ingrepp som måste följas noggrant. För det första finns det två viktiga detaljer som säkerställer kvaliteten på sömmarna. Suturen är tillräckligt stabil om stygnen är koncentrerade till den mediala delen av ögonlocket. Dessutom appliceras 3 μl lim på knutens huvud för…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Denna studie stöddes av National Natural Science Foundation of China (81571770, 81771925, 81861128001).

Materials

502 glue M&G Chenguang Stationery Co., Ltd. AWG97028
Acquizition card National Instument PCI-6250
Agarose Biowest G-10
Amplifier A-M system Model 1800
Atropine Aladdin Bio-Chem Technology Co., Ltd A135946-5
Brain Stereotaxic Apparatus RWD Life Science Co.,Ltd 68001
Cohan-Vannas spring scissors Fine Science Tools 15000-02
Contact Lenses Solutions Beijing Dr. Lun Eye Care Products Co., Ltd. GM17064
Cotton swabs Henan Guangderun Medical Instruments Co.,Ltd
Fine needle holder SuZhou Stronger Medical Instruments Co.,Ltd CZQ1370
Forcep 66 Vision Tech Co., Ltd. 53320A
Forcep 66 Vision Tech Co., Ltd. 53072
Forcep 66 Vision Tech Co., Ltd. #5
Heating pad Stryker TP 700 T
Illuminator Motic China Group Co., Ltd. MLC-150C
Isoflurane RWD Life Science Co.,Ltd R510-22
LCD monitor Philips (China) Investment Co., Ltd. 39PHF3251/T3
Microscope SOPTOP SZMT1
Noninvasive Vital Signs Monitor Mouseox
Oil hydraulic micromanipulator NARISHIGE International Ltd. PC-5N06022
Petrolatum Eye Gel Dezhou Yile Disinfection Technology Co., Ltd. 17C801
Spike2 Cambridge Electronic Design, Cambridge, UK Spike2 Version 9
Surgical scissors 66 Vision Tech Co., Ltd. 54010
Surgical scissors 66 Vision Tech Co., Ltd. 54002
Suture Needle Ningbo Medical Co.,Ltd 3/8 arc 2.5*8
Tungsten Electrode FHC, Inc L504-01B
Xylocaine Huaqing

References

  1. Hubel, D. H., Wiesel, T. N. Effects of monocular deprivation in kittens. Naunyn-Schmiedebergs Archiv für experimentelle Pathologie und Pharmakologie. 248 (6), 492-497 (1964).
  2. Daw, N. W., Fox, K., Sato, H., Czepita, D. Critical period for monocular deprivation in the cat visual cortex. Journal of Neurophysiology. 67 (1), 197-202 (1992).
  3. Guire, E. S., Lickey, M. E., Gordon, B. Critical period for the monocular deprivation effect in rats: assessment with sweep visually evoked potentials. Journal of Neurophysiology. 81 (1), 121-128 (1999).
  4. Wang, L., Sarnaik, R., Rangarajan, K. V., Liu, X., Cang, J. Visual receptive field properties of neurons in the superficial superior colliculus of the mouse. Journal of Neuroscience. 30 (49), 16573-16584 (2010).
  5. Niell, C. M. Cell Types, circuits, and receptive fields in the mouse visual cortex. Annual Review of Neuroscience. 38 (1), 413-431 (2015).
  6. Lee, S. H., et al. Activation of specific interneurons improves V1 feature selectivity and visual perception. Nature. 488 (8), 379-383 (2012).
  7. Cossell, L., et al. Functional organization of excitatory synaptic strength in primary visual cortex. Nature. 518 (2), 399-403 (2015).
  8. Lacaruso, M. F., Gasler, L. T., Hofer, S. B. Synaptic organization of visual space in primary visual cortex. Nature. 547 (7), 449-452 (2017).
  9. Metin, C., Godement, P., Imbert, M. The primary visual cortex in the mouse: Receptive field properties and functional organization. Experimental Brain Research. 69 (3), 594-612 (1988).
  10. Marshel, J. H., Garrett, M. E., Nauhaus, I., Callaway, E. M. Functional specialization of seven mouse visual cortical areas. Neuron. 72 (6), 1040-1054 (2011).
  11. Gordon, J. A., Stryker, M. P. Experience-dependent plasticity of binocular responses in the primary visual cortex of the mouse. The Journal of Neuroscience. 16 (10), 3274-3286 (1996).
  12. McGee, A. W., Yang, Y., Fischer, Q. S., Daw, N. W., Strittmatter, S. M. Experience-driven plasticity of visual cortex limited by myelin and Nogo receptor. Science. 309 (5744), 2222-2226 (2005).
  13. Sawtell, N. B., et al. NMDA receptor-dependent ocular dominance plasticity in adult visual cortex. Neuron. 38 (6), 977-985 (2003).
  14. Hofer, S. B., Mrsic-Flogel, T. D., Bonhoeffer, T., Hubener, M. Prior experience enhances plasticity in adult visual cortex. Nature Neuroscience. 9 (12), 127-132 (2006).
  15. Crozier, R. A., Wang, Y., Liu, C., Bear, M. F. Deprivation-induced synaptic depression by distinct mechanisms in different layers of mouse visual cortex. Proceedings of the National Academy of Sciences. 104 (4), 1383-1388 (2007).
  16. Tagawa, Y., Kanold, P. O., Majdan, M., Shatz, C. J. Multiple periods of functional ocular dominance plasticity in mouse visual cortex. Nature Neuroscience. 8 (3), 380-388 (2005).
  17. Lickey, M. E., Pham, T. A., Gordon, B. Swept contrast visual evoked potentials and their plasticity following monocular deprivation in mice. Vision Research. 44, 3381-3387 (2004).
  18. Cang, J., Kalatsky, V. A., Lowel, S., Stryker, M. P. Optical imaging of the intrinsic signal as a measure of cortical plasticity in the mouse. Vision Neuroscience. 22 (5), 685-691 (2005).
  19. Khan, I. U., et al. Evaluation of different suturing techniques for cystotomy closure in canines. Journal of Animal & Plant Sciences. 23 (4), 981-985 (2013).
  20. Weisman, D. L., Smeak, D. D., Birchard, S. J., Zweigart, S. L. Comparison of a continuous suture pattern with a simple interrupted pattern for enteric closure in dogs and cats: 83 cases (1991-1997). Journal of the American Veterinary Medical Association. 214 (10), 1507-1510 (1999).
  21. Heneghan, C. P. H., Thornton, C., Navaratnarajah, M., Jones, J. G. Effect of isoflurane on the auditory evoked response in man. BJA: British Journal of Anaesthesia. 59 (3), 277-282 (1987).
  22. Mitzdorf, U. Current source-density method and application in cat cerebral cortex: investigation of evoked potentials and EEG phenomenal. Physiological Reviews. 65 (1), 37-100 (1985).

Play Video

Cite This Article
Chen, K., Zhao, Y., Liu, T., Su, Z., Yu, H., Chan, L. L. H., Liu, T., Yao, D. Monocular Visual Deprivation and Ocular Dominance Plasticity Measurement in the Mouse Primary Visual Cortex. J. Vis. Exp. (156), e60600, doi:10.3791/60600 (2020).

View Video