נפח גדול, תאורה בהתנהגותו רלוונטיות עבור Optogenetics אנושיות פרימטים

Behavior

Your institution must subscribe to JoVE's Behavior section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

פרוטוקול לבנות של המאייר חודר לרקמות להעברת האור מעל בנפחים גדולים בקוטר מינימלי מוצג.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

פרוטוקול זה מתאר של המאייר בנפח גדול, אשר פותחה עבור optogenetic מניפולציות במוח אנושיות הפרימטים. המאיר הוא ששונה סיב אופטי פלסטיק עם טיפ חרוט, כזה הוא האור emitting שטח > 100 x של סיבים קונבנציונלי. בנוסף מתאר את בניית המאיר בנפח גדול, פרוטוקול זה מפרט את כיול בקרת איכות להשתמש כדי להבטיח הפצה אפילו אור. יתר על כן, פרוטוקול זה מתאר שיטות עבור הוספת והסרה המאיר נפח גדול. שטחי ועמוק מבנים עשויים להיות מואר. המאייר נפח גדול זה אינו צריך להיות פיזית מצמידים אלקטרודה, כי המאיר עשוי פלסטיק, לא זכוכית, זה פשוט יתכופף בנסיבות כאשר סיבים אופטיים המסורתי היה מנפץ. כי המאייר הזה מספק אור על רקמות בהתנהגותו רלוונטיות עבור אמצעי אחסון (≈ 10 מ מ3) עם אין נזק חדירה גדולה יותר מאשר סיב אופטי רגיל, זה מקל על מחקרים התנהגותיים באמצעות optogenetics אנושיות פרימטים.

Introduction

כלי Optogenetic, המאפשרים שליטה עצביים אלפית שנייה מדוייק, מונחה אור נמצאים בשימוש נרחב ללמוד פונקציונלי פיזיולוגיה והתנהגות מכרסמים, חסרי חוליות. עם זאת, האתגרים הטכניים מוגבלת על השימוש optogenetics במוח אנושיות הפרימטים, אשר עוצמה ~ 100 x גדול יותר המוח מכרסמים 1.

כדי להקל על מחקרים optogenetics קופים, מאייר היה שנועדה לתת מענה מתחרות שתי מטרות: נפח גדול תאורה ונזק חדירה מינימלי. ניסיונות קודמים לכתובת אחת הדאגות האלה הגיעו סוף יקר של האחר. חבילות של סיבים מאירות אחסון גדולים יותר אבל עם קוטר מוגברת, ולפיכך, נזק2,3. סיבי זכוכית מחודדות להפחית נזק חדירה, אבל בקושי מיקוד האור כדי פולטות אור פני שטחים < 100 מיקרומטר2 4,5. תאורה חיצוניים המוח דרך חלון בדורא עוקף את האתגר של חדירה נזק, עשוי לאפשר לתאורת נפח גדול, אבל זה יכול לשמש רק המוח שטחי מספר אזורים6.

כדי ליצור של המאייר קוטר בנפח גדול, קטן (איור 1 א'), קצה אופטי סיבים חום צמצום, את הליבה ואת חיפוי פלסטיק חרוט (איור 1bג). בניגוד סיבים אחרים מחודדות זה למקד את האור בנקודה צרה, מאפשר החריטה אור לברוח באופן שווה הצדדים של הטיפ, לפיכך, הפצת אור בהרחבה מעל שטח גדול (איור 1-de). מפני חדירה נזק הוא יחסי חדירה קוטר, המאייר הזה יש אין חדירה יותר נזק מאשר בד קונבנציונאלי, עדיין יש לו > 100 x האור פליטת אור ואזור מספק משטח להפכה עם 1/100th כוח אור צפיפות מוח פנטום (1.75% agarose) (איור 1e). דגם מונטה קרלו (איור 1f) ממחיש את ההבדל בהתפשטות אור בין סיבים קונבנציונאלי המאיר נפח גדול כאשר יש להם כוח אור שווה צפיפויות כאור שלהם פולטות משטחים. המאייר כל אחד בנפרד מכויל באמצעות כדור של שילוב (איור 2 א, ב') כדי להבטיח הפצה אפילו אור לאורך הקצה (איור 2 c).

המאייר נפח גדול זו אומתה עם optogenetic מניפולציה של התנהגות והן ירי עצביים פרימטים אנושיות. עשוי להתאים אישית את האורך עצה סיבים לכל אזור במוח, מפת שדה קלט בודדים של כל בעל חיים. המאיר יכול לזווג עם אלקטרודת חדירה להקלטות עצביים המתפרסים על האורך של תאורה. עוד, כי הסיבים יכולים לשאת בכל צבעי האור הנראה, זה ניתן לזווג עם כל של מולקולות optogenetic הזמינים הזמינים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

הערה: כל ההליכים בבעלי חיים היו בהתאם להנחיות NIH, אושרו על ידי מסצ'וסטס המכון של טכנולוגיה הוועדה על החיה אכפת.

1. ייצור המאייר

  1. משתמש בזוג מספריים חדות לחתוך קטע של 250 מיקרומטר קוטר פלסטיק סיב אופטי הוא לפחות 10 ס מ האורך הרצוי המאייר הכולל יותר.
  2. להסיר 15-20 ס מ של פוליאתילן הג'קט מקצה לקצה סיב אופטי פלסטיק באמצעות חשפנית תיל מד 22.
  3. לאבטח דיסטלי לרוב 3-5 ס מ בסוף הפשיטו הסיבים בתוך מלחציים vise שולחן.
  4. אוחזת בקצה המעטפת של סיבי מתוח ביד אחת עם משיכה קבועה מתמיד. הסיבים צריך להיות מקביל לרצפה, בניצב סגן. לשמור על מתח קבוע על סיבים לאורך כל חימום וקירור (שלבים 1.5 ו- 1.6 להלן) כך הסיבים נשאר ישר ומתח ככל שכמות היין.
  5. באמצעות הנמוכה ביותר של אקדח חום טמפרטורה כפול (570/1000 ° F,), מחממים את המקטע המטבחיים של סיבי עד זה הוא מדולל על קוטר של 60-100 μm, או על הקוטר של אדם.
  6. לשמור על המתח התמידי על הסיבים תוך מתן אפשרות סיבים להתקרר. כשל כדי לשמור על מתח עלול לגרום סיבים תלתל.
  7. לאשר את הקוטר של קצה ורקמת תחת מיקרוסקופ ויבתר. לחלופין, ניתן להשתמש במקום מחוגה.
    1. אם הסיבים אינה מספיק דק, חזור על שלבים 1.4 עד 1.6 כנדרש להשגת הקוטר עצה הרצוי.
    2. אופציונלי אם מחדש מושך, לשים סימן קטן-החלק הצר של הסיבים, אם זה להיות מחומם שוב כך המרכז של אקדח חום מטרות בחלק הצר של הסיבים.
    3. אם סיב דק מדי, להתחיל מחדש.
  8. פעם הסיבים יש מלא מקורר לקוטר הרצוי הושגה, צבוט סיבים 3 ס מ בנקודה הצרה ביותר משני צדדיו. עם מהיר, חדים למשוך לאורך הציר של סיבי, הפרד את הצדדים כדי ליצור קצה מחודדות.
  9. בחן על הקרע מיקרוסקופ העצה מחודדות תחת צריכת חשמל נמוכה (למשל, 4 X). אם העצה גרירות ממוזלגים או מקופלת ( איור 1f), למחוק הסיבים.
  10. הכן לחרוט את הטיפ ישרים על ידי הנחת נייר-דבק המעבדה ליד הקצה של הקצה, עוזב את האחרון 5 מ מ חשוף. הקלטת מגן הסיבים איכול מעל לאורך הרצוי של פליטת אור. אורך עצה זו נבחרה בהתבסס על עובי של קליפת המוח בקופים באזור היעד. יכול להיות חשופים באורך ארוכים או קצרים יותר בהתאם לאורך הרצוי של תאורה. אם אורך עצה איכול שונים רצוי, הקצה של הקלטת למעבדה יכול להיות התקרבה או רחוק יותר את הטיפ מחודדות.
  11. קיפול ריבוע קטן (~ 1 אינץ ' x 2 אינץ ') של גיליון מוזמים סיליקון קרביד 5 μm מעל בין האגודל לאצבע. המקום קצה סיבים בין שני הצדדים של הגיליון מוזמים, בעדינות לחרוט סיבים באמצעות תנועה סיבובית קטנה, כאילו מתגלגל של BB בין האגודל לאצבע. לעתים קרובות לסובב הסיבים כך כל הצדדים הם חרוט באופן שווה. תופיע העצה סיבים “ roughened ” בעין בלתי מזוינת באזורים יש כבר חרוט, בעוד אזורים האו ם חרוט בדרך כלל מופיעים חלק.
  12. חזור על שלב 1.11 עם 3 μm אלומיניום אוקסיד משכשכים גיליון.
  13. מוספית מחבר בקצה המאיר מול הקצה חרוט. זה מאפשר את אלומת האור לחבר כבל אופטי או לייזר.
    הערה: שיטה זו שונה מן השיטה המועדפת לתיקון זכוכית / סיליקה סיבים אופטיים ב- ferrules. כי ferrule מתכת קשה יותר סיבים אופטיים פלסטיק, ליטוש של סיבים ו ferrule כיחידה לאחר הדבקה עלולה לגרום נזק סיבים אופטיים פלסטיק כמו רסיסים זעירים של מתכת המיוצר בתהליך ליטוש ניתן להטמיע את עצמם סיבים ביקע שטוח.
    1. להסיר כ- 5 מ"מ של עטיפת פוליאתילן מהקצה הנגדי של המאיר באמצעות חשפנית תיל מד 22.
    2. לחתוך את הקצה הנגדי שטוח עם סכין חם להחלקת פני השטח.
    3. פולני הצד הנגדי שטוח עם משכשכים במרוכז פיינר גליונות: 5 מיקרומטר, 3 μm, 1 μm ו- 0.3 מיקרומטר.
    4. להוסיף את הדירה מול הקצה לתוך מיקרומטר 260 הקוטר הפנימי פלדת אל-חלד ferrule עד שזה יהיה מיושר עם סוף ferrule.
    5. חזותית לאשר כי הצד הנגדי הוא בצורה חלקה, אחיד מלוטש עם מיקרוסקופ סיב.
    6. הסיבים להסיר ferrule ותדביקי את ferrule אנכית, בקצה שולחן עם סיבים מצביעה למטה.
    7. ממלאים מזרק 1 מ"ל עם אפוקסי פלסטיק ולחבר מחט מד 18 הקהה המזרק.
    8. השתמש את המחט כדי להחיל אפוקסי למטה לתוך ferrule. למלא את ferrule לחלוטין עם אפוקסי.
    9. להוסיף הסיבים ferrule.
    10. למחוק את כל אפוקסי עודף ממשטח מלוטש של סיבי עם מגבון לח נטולת מוך לפני ייבוש במידת הצורך. אחרת, ניתן להסיר עודפי אפוקסי לאחר ה 12-24
    11. לאחסן הסיבים בעדינות עד כיול ומניחים כובע אבק מעל ferrule.

2. המאייר כיול ובקרת איכות

הערה: שיטות אלה לצורך כיול להעריך עבור פלט אור אי-ליניאריות במרחקים שונים מהקצה של הסיבים. הפצה אור אחידה נובעת בדרך כלל “ באמפי ” או “ גלי ” להתחדד.

  1. צור מיגון קל הסרעפת עבור החלק העליון של הספרה שילוב באמצעות אור קליטת רדיד ( איור 2).
    הערה: ללבוש כפפות בכל פעם טיפול אור קליטת בנייר כסף כדי למנוע העור שמנים מיצירת כתמים המשקף האור.
    1. קפל 2 ” על ידי 4 ” פיסת אור קליטת רדיד על עצמו להקים 2 ” x 2 ” מרובע. שיטה חלופית הוא לחתוך 2 ” x 2 ” מרובע עם קליטת צד אחד האור, אור אחד המשקף בצד (קרי בצד של רדיד אלומיניום רגיל); עם זאת, שיטת מקפלים-over היא בטוחה יותר מכיוון שהוא מספק יתרון משעמם לטיפול הסרעפת שלב הבא.
    2. לקפל מעבדה קלטת או איזולירבנד לאורך קצות הכיכר לקשור את הקצוות הלא מקופלת. זה יחזיק את הצדדים וגם מגן מפני חתכים מכל קצוות חדים.
    3. לנקב חור במרכז הכיכר באמצעות מחט מד 26.
    4. להסיר את הבורג גדול המכסה לספרה שילוב ולכסות את הפתח עם הסרעפת. מקם את החור מעל המרכז. אם הסרעפת נוצר עם אחד סופג אור, אור אחד המשקף בצד, למקם את קליטת בצד את האור והאור המשקף בצד למטה, מול החלק הפנימי של הספרה שילוב.
      הערה: כדי למנוע אבק ופסולת להיכנס לספרה שילוב וכדי לשמור על החור ממורכז, לאבטח את הסרעפת אל מחוץ לספרה שילוב עם המעבדה קלטת.
  2. מידה אור פלט לאורך הקצה בתוספות מיקרומטר 500 באמצעות micromanipulator או stereotaxic ואת הספרה שילוב של.
    הערה: בטיחות משקפי מגן של הגל המתאימים לענידה בכל פעם הלייזר מופעל.
    1. חבר את הקצה השני של סיבי לייזר או אור מקור, אך אינן מפעילות את האור פלט עדיין.
    2. לאבטח את אלומת האור כדי בעל stereotaxic (preferably מעבדה טייפ) עם קצה 7-10 מ מ מתחת לתחתית של בעל.
    3. בורג בעל stereotaxic לתוך הזרוע stereotaxic
    4. יישר את קצה המאיר עם החור במרכז הסרעפת. אפס את micromanipulator כאשר בקצה נמצא בדיוק באותה רמה כמו הסרעפת.
    5. לכבות את האור בחדר ואפס לספרה שילוב.
    6. להפעיל את הלייזר (או מקור אור) ולמדוד את סך כל הכוח אור הפלט באמצעות הספרה שילוב.
      הערה: השתמש תפוקת האור הנמוך ביותר האפשרי לבדיקה וכיול.
    7. להוריד את מיקרומטר סיבים 500 אל תוך שילוב כדור, חזור על השלב 2.2.6.
    8. המשך הפחתת הסיבים לתוך הספירה שילוב ומדידת פלט אור הכולל בתוספות מיקרומטר 500 עד הנהגים רמות כוח האור הכולל
      התראה: הכולל מטען קל צריך גובה, ברגע הטיפ כולו במרחב. לא ימשיכו להוריד הסיבים יותר מ 1-2 מ מ מעבר חרוט עצה אורך. אם העצה קשר בתחתית של הספרה שילוב, זה עלול להמיס ו/או להרוס את הספרה שילוב.
  3. לאשר של סיב אחיד חרוט על ידי התוויית הכולל מטען פלט כמו פונקציה כמה רחוק סיבי הנמיך לתוך הספירה שילוב לאשר ליניאריות.

3-in Vivo תאורה

הערה: כאן, שיטות אלה מוצגים באמצעות מודל פלסטיק במקום הפרימטים אנושיות.

  1. שתל חדר הקלטה בקוטר 25 מ מ הושתל מעל האזור במוח עניין לפני ניסויים.
  2. לבצע אנטומי דימות תהודה מגנטית (MRI) לפני הניסויים. להציב רשת הקלטה מותאמת אישית בבית הבליעה ולמלא אותה עם חומר סיכה כירורגי סטרילי כדי לאפשר רשת ויזואליזציה והנחישות של הרמה של המבנים במוח דורא ואת היעד.
  3. להכין מגדל של מיקרו נסיעה לפני כל מפגש הבדיקה.
    1. מוספית צינור מדריך מד 25 עם קצה משופע לאמצע והתחתון מלחציים בכונן. שני תופסנים משמשים כדי להבטיח כי צינור המדריך נשאר ישר. שניהם במלחצות ניתן להעביר באופן ידני אם תרצה.
      הערה: יכול להיות epoxied או מולחמים את התפסים ברכבת התחתית מדריך.
    2. אבטח המאיר נפח גדול ב המלחציים העליון באותו כונן. זה מחובר המנוע כונן.
    3. חוט המאיר בנפח גדול דרך הצינורית מדריך מלא, לאשר קצה המאיר מרחיב מעבר לקצה הצינור מדריך.
      הערה: האורך של המאייר המרחיבה לעבר קצה הצינור מדריך שווה למרחק מן השכבה הקשה של המוח לשוליים התחתון של האזור במוח היעד, כפי שנקבע באמצעות MRI.
    4. להשרות את מדריך שפופרת ואת המאייר תמיסת חיטוי (למשל, chlorohexidine) לחטא.
  4. להציב רשת סטיריליים מותאמות אישית בתוך החדר נקי ואבטח אותו בכל כיוון שנקבעו מראש עם בורג בצד החדר. הרשת המוצג כאן יש מרווח בין 1 מ מ; עם זאת, המרווח ניתן להתאמה אישית לפי הצורך.
    הערה: זה צריך להיות זהה הרשת ואת כיוון ההדפסה המשמשים ה MRI אנטומיים.
  5. מאובטח בעל מיקרו-כונן סטיאוטטי על תא הקלטה בכיוון שנקבע מראש.
  6. משכי המאיר סטיריליים ברכבת התחתית מדריך על ידי משיכת המאיר את באמצעות מלקחיים סטרילי, בוטה. קצה המאיר אמור להיות 5-10 מ מ מעל קצה צינור מדריך.
    הערה: המאיר תשתחוו כלפי חוץ בין הצינור מדריך את המלחציים. זה לא יגרום נזק המאיר גמיש.
  7. מוספית המיקרו-הכונן המחזיק ולמקם את הצינור מדריך לחור רשת היעד.
  8. להוריד את הבמה מיקרו-נסיעה עד ברכבת התחתית מדריך פשוט דרך ברמת של דורה.
    הערה: אם רצונך בכך, מיקרו-כונן נוסף עם אלקטרודה ניתן להציב על הבמה ו הנמיך לתוך חור רשת שונים. השדה המקומי פוטנציאליים על אלקטרודה זו יציג חפץ אור תלויי-מרחק, אשר יכול לשמש כדי לאשר השמה המאייר.
  9. ניסיון התחתונה המאיר ידנית עם מלקחיים סטרילי.
    1. אם יש התנגדות כלשהי, משכי המאיר 5 - 10 מ מ, לחכות 10 דקות כדי לאפשר את הרקמה להתיישב ולנסות שוב.
    2. אם יש עדיין ההתנגדות על ניסיון שני, משכי בקצה המאייר לתוך מדריך ברכבת התחתית התחתונה המדריך צינור 0.25 mm, ולאחר מכן נסה שנית.
    3. חוזר עד השקופיות המאייר דרך הצינורית מדריך ללא כל התנגדות.
    4. להוריד את אלומת האור עד שזה מתוח.
      התראה: . אל תלחצי המאיר בכוח כנגד התנגדות. במקרים אלה ברכבת התחתית מדריך בדרך כלל לא חדרו השכבה הקשה של המוח באופן מלא. דוחפים הסיבים בכוח יגרום לו לסמוך על עצמו, מניעת הסיבים של הזנת המוח והשמדת ואולי הטיפ ( איור 1 g)-
  10. להתחבר את ferrule בקצה השני של המאיר אופטיקה גדולות יותר להגדיר או לייזר.
  11. ודא בלי אור אינו גלוי פרימטים אנושיות.
    1. להשתמש האפלה מיגון או אור קליטת לסכל באופן מלא גם המגדלים הקלטה.
    2. למקם את כל החיבורים אופטי במעטפות מסוככים קליטת רדיד האור.
    3. מגן כל תיקון הכבלים או אור קליטת בנייר כסף או איזולירבנד שחור.
    4. זהירות נוסף, למקם את בנק דיודות פולטות אור (LED) דמה באותו צבע האור בשימוש הניסוי מאחורי הפרימטים אנושיות, פלאש הנוריות ברציפות ב- 2.5 Hz. פעולה זו מונעת את העיניים להסתגל באופן מלא החושך. אם יש זליגת אור בהיסח הדעת, האור המהבהב הזה יעזור למנוע את הדליפה תצהירו מלשמש גורם התנהגותי.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

התאורה של אמצעי אחסון מוח גדולה אנושיות פרימטים מאפשרת תמרון optogenetic רלוונטי בהתנהגותו. אקר. et al. (2016) בשימוש זה המאייר נפח גדול עם Halorhodopsin אדום-העביר, מלתעות 7 ללמוד את התרומה הטמפורלי של השדה חזיתית העין (FEF) מונחה זיכרון saccades ב שני קופי רזוס. באופן ספציפי, נוירונים FEF היו מוזרק עם וקטור ויראלי שמכיל הלסתות, ואז מואר עם האורות האדומים באמצעות המאיר נפח גדול במהלך מצגת היעד, תקופת עיכוב, או הכנה מוטורית של משימה saccade מונחה זיכרון 8. איור 3 מראה את תנאי הניסוי. המחירים שגיאה (למשל, כשלים לביצוע מונחה זיכרון saccades למיקום היעד הנכון) גדל באופן משמעותי עם תאורה עבור מטרות בשטח פתוח לרעיונות מוזרק, אך לא עבור מטרות מול האתר של איון / תאורה (איור 4a).

בנוסף לשינויים התנהגותיים המושרה על ידי optogenetics, המאיר נפח גדול המותר עבור איון של נוירונים מעל 2.5 מ מ מלא טווח של קליפת המוח (איור 4 c) ומסירת אור מעל 4.5 מ מ (איור 4b), כפי שמעידים אופטים-induced שדה מקומי פוטנציאליים החפץ 8.

Figure 1
איור 1 . נפח גדול המאייר בהרחבה מפיצה אור
) ממשק שרוול/המאייר הזיווג/סיב אופטי. b) חרוט והליבה חיפוי להפיץ אור בהרחבה. c) פולט-אור 5 מ מ באורך חרוט עצה. d) השוואה של עצה צורות בד קונבנציונאלי, המאייר של נפח גדול. e) המאייר וסיבים אופטיים קונבנציונאלי עם שווה כוחות האור הכולל קלט במוח 1" מעוקב פנטום (1.75% אגר). f) מונטה קרלו מודלים של חתך הרוחב האמצעי של המאייר נפח גדול עם 3 מ מ אורך עצה (משמאל), אמנה שטוח cleaved סיבים של קוטר שווה עם כוח אור שווה הצפיפויות בחלק שלהם האור emitting משטחים. ראה שיטות משלים אקר. et al., 2016 לפרטים על הדגם הזה. g) פגומים המאייר נפח גדול עם טיפ מסולסל. h) טיפ גדול בנפח המאייר שנפגעו המתעוררים מהצינור מדריך. איור זה היה שונה, הודפס מחדש חלק מן אקר. et al., 2016 8. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2 . נפח גדול המאייר כיול
איור זה מודפס של אקר. et al., 2016 עם שינויים מזעריים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3 . פעילות Saccade מונחה זיכרון עם תאורה או דמה בתקופות שונות.
איור זה מודפס של אקר. et al., 2016 8אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4 . תופעות התנהגותיות אלקטרופיזיולוגיות של דיכוי Optogenetic עם נפח גדול תאורה
) שגיאה המחירים גדל באופן משמעותי עם תאורה. b) חלקות רסטר מציג עיכוב של נוירונים פורש בעובי 2.5 מ מ של קליפת המוח. c) שדה מקומי פוטנציאל מציג חפץ אור פורש 4.5 מ מ. עבור b) ו- c), אנשי קשר הם 0.5 מ מ במרווחים ביניהם על העומק של קליפה, n = ניסויים 426. איור זה הותאם, מכתב אקר. et al., 20168אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

בעוד optogenetic כלים נמצאים בשימוש נרחב לחקר מחלת ופיזיולוגיה של מכרסמים, האתגר הטכני של אמצעי אחסון מוח גדולה זרחני מוגבל השימוש optogenetics אנושיות פרימטים. חלוצי מחקרים בקופים בשימוש צפיפות מטען גדול (~ 100 מ"מ/mW2 מ"מ/W 202) כדי להאיר כרכים קטנים, אולי < 1 מ3ודווח על תופעות התנהגותיות צנוע עם opsins מעוררים קליפת4, 9,10,11 ו של אופסין מעכבות רקתי עליון12.

לכן, המאייר נפח גדול פותחה כדי לאפשר למסירה אור כרכים גדולים רקמות. ועם זה המאייר halorhodopsin אדום-העביר את, מלתעות, חזקים, התנהגות optogenetically-כונן נצפתה ב קופים8.

הפרוטוקול המתואר כאן יכול להשתנות בהתאם את מטרת הניסוי וגיאומטריה של אזור הרקמה היעד. לדוגמה, הטיפ חרוט של סיבי יכול להיות מוארכת או מקוצר בהתאם לגודל האזור כדי להיות מואר. ניתן למשוך את הטיפ עם טיפ עבה יותר מזו המתוארת או סיבים בקוטר גדול יותר יכול לשמש כדי ליצור של המאייר עמידים יותר. פרוטוקול זה מתאר של עצה סיבים חרוט, זה ריאלי לחרוט סיבים בקצה והן על קטע דיסטלי יותר לתאורת שאינם סמוכים.

בדיקות בקרת איכות הן חלק הכרחי של פרוטוקול זה. קצה המאייר נפח גדול יכול להיות גרירות ממוזלגים או מקופלת (איור 1 g), במיוחד אם ניזוק באופן מכני או אם זה יצא דק מדי בתחילה. כדי למשוך הסיבים עם כמות מתאימה של כוח באופן עקבי, ניסויים רוב צריך כמה שעות של תרגול. בהתחשב בעלות נמוכה של הפיכת סיבי (סיב אופטי פלסטיק להמליץ עלויות פחות מ 0.03 דולר/מטר), ניסויים רבים רק מוספית סיבים עם טיפים מושלמת כדי ferrules ולמחוק, לכן, לפחות שלושים אחוז בשביל עצה משנית פגמים. הפצה אור אחידה שהתגלו במהלך הכיול ניתן לתקן על ידי ליטוש מחדש את הטיפ סיבים ומכייל מחדש הסיבים.

עוד יותר, יש לבדוק את קצה המאיר לאחר ניסוי. אם הנסיין כוחות המאיר דרך הצינורית מדריך לפני הצינור מדריך שחדר השכבה הקשה של המוח, המאיר יתכופף על עצמו, זה לא יכנס למוח. בדרך כלל, הקצה המאייר מושמד במקרים אלה (איור 1 h). מלבד ההתנגדות המאייר ההכנסה, השדה המקומי פוטנציאליים משמשת בדיקה בניסוי המאייר המתאים למיקום. אם המאיר מכופף למעלה מעל השכבה הקשה של המוח, השדה המקומי פוטנציאליים לא יציג את החפץ אור אופייני, אשר משמש צ'ק עבור מיקום המאייר נכונה במהלך הניסוי.

בעוד המאיר נפח גדול נועד משלוח אור לשכבות קורטיקלית מרובים בו זמנית, זה לא מתאים היטב מאירה את השכבות קורטיקלית השטחית ביותר בעוד חוסך לשכבות העמוקות או מאירה שכבה אחת של קליפת המוח בנפרד. אם תאורה מאוד במרחב מסוים רצוי, הסיבים מסורתי למקד את האור באופן צר יותר או שטחי הארה דרך חלונות ב דורא 6 עשוי להיות מתאים יותר. יתר על כן, הגמישות של המאיר נפח גדול הוא גם יתרון וגם מגבלה. בניגוד זכוכית סיבים אופטיים, המאייר הזה אי אפשר לשבור ברקמת המוח, עם זאת, גמישות זו עובדה זו מקשה לקדם את אלומת האור מעל למרחקים גדולים בקליפת המוח (למשל, 10 מ מ או יותר). לכן, למטרה-מבנה מוחי עמוק מאוד (למשל, pulvinar) צינור מדריך יצטרך להיות מתקדם השכבה הקשה של המוח ואת לתוך רקמת המוח לספק חיזוק מכני נוסף.

בסך הכל, שיטה זו מציע יתרון משמעותי על פני שיטות מוקדמת משום שהיא מאפשרת תאורה של אמצעי אחסון המוח רלוונטיות בהתנהגותו אנושיות פרימטים, מפתח הסתגלות optogenetics ללימודים אנושיות הפרימטים. בעוד ששיטה זו הוכח ב FEF של קופי רזוס, הוא יעבוד באזורים במוח רבים אחרים, גם בחיות אחרות מוח גדולה באופן דומה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

אף אחד

Acknowledgements

LCA מאשר מימון של אחוות NDSEG את GRFP ה-NSF, החברים של מכון מק'גוברן. EP מאשר מימון את הארי ואת יוניס Nohara UROP קרן מחלקת MIT של קרן UROP 1995, הקרן UROP MIT. ESB מאשר מימון 2R44NS070453-03A1 NIH, בפרס הארווי בוא ו בפרס קרן-רוברטסון בתאי גזע בניו יורק. RD מאשר מימון NIH EY017292. מייקל וויליאמס עזר הקבוצה לארגן לאסוף חומרים לפני הצילומים.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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 / 1,000 °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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics