Summary

Elektroretinogrammet Analyse av Visual Response i Sebrafisk Larver

Published: March 16, 2015
doi:

Summary

We present a method for the electroretinographic (ERG) analysis of zebrafish larvae utilizing micromanipulation and electroretinography techniques. This is a simple and straightforward method for assaying visual function of zebrafish larvae in vivo.

Abstract

Elektroretinogrammet (ERG) er en ikke-invasiv elektrofysiologisk metode for å bestemme netthinnefunksjon. Gjennom plassering av en elektrode på overflaten av hornhinnen, som genereres elektrisk aktivitet som svar på lys som kan måles og brukes for å vurdere aktiviteten av retinale celler in vivo. Dette manuskriptet beskriver bruken av ERG å måle synsfunksjon i sebrafisk. Sebrafisk har lenge vært anvendt som en modell for vertebrate utvikling på grunn av den enkle gensuppresjon ved morfolino oligonukleotider og farmakologisk manipulasjon. På 5-10 dpf, bare kjegler er funksjonelle i larvenetthinnen. Derfor, sebrafisk, i motsetning til andre dyr, er en kraftig modellsystem for studier av kjeglen visuell funksjon in vivo. Denne protokollen bruker standard anestesi, micromanipulation og stereomikros protokoller som er vanlig i laboratorier som utfører sebrafisk forskning. De skisserte metoder gjør bruk av standard elektro equipment og en lav lys-kamera for å lede plasseringen av opptaks microelectrode på larve hornhinne. Til slutt viser vi hvordan en kommersielt tilgjengelig ERG stimulator / opptaker opprinnelig utviklet for bruk med mus kan lett tilpasses for bruk med sebrafisk. ERG av larvesebrafisk gir en utmerket metode for å analysere kjegle visuell funksjon i dyr som har blitt modifisert av morfolino- oligonukleotid injeksjon samt nyere genom engineering teknikker som sink Finger nukleaser (ZFNs), transkripsjon Activator-Like Effector nukleaser (Talens), og Gruppert regelmessig interspaced Korte palindromisk Gjentar (CRISPR) / Cas9, som alle har betydelig økt effektivitet og effekt av genet målretting i sebrafisk. I tillegg tar vi nytte av muligheten for farmakologiske midler til å trenge sebrafisk larver å evaluere de molekylære komponenter som bidrar til photoresponse. Denne protokollen skisserer et oppsett som kan endres og brukes av forskeremed ulike eksperimentelle mål.

Introduction

Elektroretinogrammet (ERG) er en ikke-invasiv elektrofysiologisk metode som har vært brukt i stor utstrekning i klinikken for å bestemme funksjonen av retina hos mennesker. Den elektriske aktivitet som svar på en lett stimulus måles ved å plassere opptakselektroder på den ytre overflaten av hornhinnen. Det karakteristiske ved stimulus paradigmet og responsen bølgeform definerer de retinale nevroner som bidrar til reaksjonen. Denne metode er blitt tilpasset for bruk med en rekke dyremodeller, inkludert mus og sebrafisk. Den typiske vertebrate ERG respons har fire hovedkomponenter: en bølge, som er en hornhinne-negativt potensial avledet fra fotoreseptoren celleaktivitet; b-bølge, en hornhinne-positive potensial avledet fra ON bipolare celler; d-bølge, en hornhinne-positive potensial tolket som aktiviteten av de av bipolare celler; og c-bølge, som forekommer i flere sekunder etter at b-bølgen og viser aktivitet i Müller gliaceller og retInal pigment epitel 1-4. Andre referanser for å forstå historien og prinsipper av ERG analyse hos mennesker og modell dyr er den elektroniske lærebok, Webvision, fra University of Utah og tekster som prinsipper og praksis for klinisk Elektro av Vision 4, 5.

Danio rerio (sebrafisk) har lenge vært foretrukket som en modell for virveldyr utvikling, på grunn av sin raske modning og åpenhet, som gjør det mulig for ikke-invasiv morfologisk analyse av organsystemer, atferdsanalyser og både framover og bakover genetiske skjermer (for oversikt, se Fadool og Dowling 6). Sebrafisk larver er svært mottagelig for genetisk manipulasjon og farmakologisk, som, når kombinert med deres høye fruktbarhet, gjør dem til et utmerket dyremodell for high-throughput biologiske analyser. Jo høyere forholdet mellom kjegler til stenger i larvesebrafisk – omtrent 1: 1 i forhold til mus (~ 3% kjeglee) – gjør dem særlig anvendelige for studium av kjeglen funksjon 7-9.

I virveldyr netthinnen, kjegler utvikle før stenger 10. Interessant, sebrafisk kjegler er operative så tidlig som 4 dpf, noe som åpner for selektiv elektrofysiologisk analyse av kjegler på det stadiet 6, 11,12. I kontrast, ERG responser i stenger vises mellom 11 og 21 dpf 13. Derfor, sebrafisk larver 4-7 dpf tjene funksjonelt som en all-cone netthinnen. Imidlertid er den native photopic ERG respons på 4-7 dpf larver dominert av b-bølge. Anvendelse av farmakologiske midler, så som L – (+) – 2-amino-4-fosfono-smørsyre (L-AP4), en agonist for metabotropic glutamat (mGluR6) reseptoren uttrykkes ved ON bipolare celler, effektivt blokkerer dannelsen av b-bølgen og avslører den isolerte membran masse reseptor potensial, ("a-bølge") 14-17.

Her beskriver vi en enkel og reliable metode for ERG analyse ved hjelp av kommersielt tilgjengelig ERG utstyr utformet for bruk med mus som har blitt tilpasset for bruk med sebrafisk larver. Dette systemet kan utnyttes på sebrafisk larver av varierende genetiske bakgrunn, så vel som de som ble behandlet med legemidler som er, for å hjelpe forskere i identifisering av signalveier som bidrar til visuell følsomhet og lys tilpasning 16. De eksperimentelle prosedyrer som er skissert i denne protokollen vil lede etterforskerne i bruk av ERG analyse for å besvare en rekke biologiske spørsmål knyttet til syn, og demonstrere bygging av en fleksibel ERG oppsett.

Protocol

Animal vedlikehold og eksperimentelle protokoller ble godkjent av Institutional Animal Care og bruk komiteer ved University of North Carolina i Chapel Hill, og oppfyller alle krav i NIH Office of Laboratory Animal Welfare og Foreningen for Assessment and Accreditation of Laboratory Animal Care International. MERK: For å få larver for ERG analyse, publisert protokoller for standard sebrafisk oppdrett og vedlikehold var ansatt 18. Larvene er innhentet gjennom naturlig avl og ligger under en 14 timers lys / 10 timers mørke…

Representative Results

Vanligvis erg er registrert fra sebrafisk larver på 5 dpf, siden en rekke studier har publisert ERG opptak på dette stadiet 9, 16,20. Larve respons ble målt under mørke-tilpasset forhold uten bakgrunnsbelysning ved hjelp av en 20 msek stimulans av hvitt LED lys. Vi utnyttet en kommersielt tilgjengelig ERG system bestående av en ganzfeld lys stimulator og datamaskin kontrolleren / opptaker. Den stimulator benytter en kontrollert proprietær pulsbreddemodulasjon (PWM) system for å kontrollere lys i både …

Discussion

I denne protokollen en enkel prosedyre for ERG opptak av larvesebrafisk er detaljert. Denne prosedyren gir en rask og omfattende analyse av visuell function.There er flere kritiske trinn i hele prosedyren som bør holdes i bakhodet. Sebrafisk larver bør være frisk før forsøket å forhindre død under potensielle medikamentelle behandlinger og sikre langvarig levebrød under ERG opptak. I tillegg er det viktig at larvene benyttet i eksperimentene er tett alder-matchet. Dette er på grunn av den raske utviklingen av n…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

We thank members of the UNC Zebrafish Aquaculture facility for maintenance of the zebrafish. We would also like to thank Diagnosys, LLC for assistance with the setup of the ERG apparatus. Additional thanks go to Dr. Portia McCoy and the laboratory of Dr. Ben Philpot for assistance with electrophysiological methods. We also wish to thank Lizzy Griffiths for her illustration of a larval zebrafish. This work was supported by National Institutes of Health awards F32 EY022279 (to J.D.C) and R21 EY019758 (to E.R.W).

Materials

Name of the Material/Equipment Company Catalog Number Comments/ Description (optional)
Faraday cage 80/20 Inc custom Custom designed aluminum "Industrial Erector Set" for Cage framework
PVA sponge Amazon B000ZOWG1C Provides a soft, moist platform for placement of zebrafish larvae
150 ml Sterile Filter systems Corning 431154 Filtering solutions to prevent small articulates from blocking micropipettes
Espion E2 Diagnosys, LLC contact Modular electrophysiology system capable of generating visual stimuli for any stimulator and digital recording and analysis of responses using propietary software, more information at http://www.diagnosysllc.com
Colordome Diagnosys, LLC contact Light stimulator with RGB LED and Xenon light sources for Ganzfeld ERG, more information at http://www.diagnosysllc.com
Micromanipulator Drummond 3-000-024-R Holding and positioning the recording microelectrode
Magnetic ring stand Drummond 3-000-025-MB Holding and positioning of the camera and refrence electrode
Lead extensions Grass Technologies F-LX Spare female to male 1.5 mm lead cables for connecting electrodes
Male Pin to Female SAFELEAD Adaptor Grass Technologies DF-215/10 Connecting 2 mm pins to 1.5 headboard pins
Window screen frame (metal) and spline Lowes or Home Depot various For attaching copper mesh to Faraday cage framework
Steriflip 50 ml filters Millipore SCGP00525 Filtering solutions to prevent small articulates from blocking micropipettes
BNC adaptor Monoprice 4127 Connecting camera to BNC cable
BNC cable Monoprice 626 Connecting camera to video adaptor
Camera lens Navitar 1582232 Visualizing the positioning of the recording microelectrode onto the larval cornea
Camera coupler Navitar 1501149 Visualizing the positioning of the recording microelectrode onto the larval cornea
Luna BNC to VGA + HDMI Converter Sewell SW-29297-PRO BNC to VGA adaptor allowing camera image to project on computer monitor
APB Sigma A1910 mGluR6 agonist, blocks b-wave allowing analysis of the isolated cone mass receptor potential
Borosilicate glass Sutter BF-150-86-10 Fire- polished borosilicate glass (metling temperature = 821°C) with filament and dimensions of 1.5mm x 0.86 mm (outer diameter by inner diameter) 
P97 Flaming/Brown puller Sutter P97 For pulling glass micropipettes
Sorbothane sheet Thorlabs SB12A Synthetic viscoelastic urethane polymer, placed under Passive Isolation Mounts and ERG platform to absorb shock and prevent slipping, can be cut to size
Breadboard Thorlabs B2436F Vibration isolation platfrom for ERG stimulator and zebrafish specimen
Passive Isolation Mounts Thorlabs PWA074 Provides vibration isolation to breadboard
Copper mesh TWP 022X022C0150W36T To line Faraday Cage
Pipette pump VWR 53502-233 Used with Pasteur pipettes to carefully transfer zebrafish larvae
Pasteur pipettes VWR 14672-608 Used with Pipette pump to carefully transfer zebrafish larvae
Camera Watec WAT-902B Visualizing the positioning of the recording microelectrode onto the larval cornea
Tricaine (MS-222) Western Chemical Tricaine-S Pharmaceutical-grade anesthetic,
Micro-fil WPI MF28G-5 Filling microelectrode holder and microelectrode glass
Microelectrode holder WPI MEH2SW15 Holds glass microelectrode, connects to ERG equipment
Reference Electrode WPI DRIREF-5SH Carefully break off last centimeter of casing to drain electrolyte and expose sintered Ag/AgCl pellet electrode
Reference Electrode (alternative) WPI EP1 Alternative to DRIREF-5SH. Ag/AgCl electrode that must be wired/soldered to connecting lead
Low-noise cable for Microelectrode holder WPI 13620 Connecting recording microelctrode holder to adaptor/headboard

References

  1. Dowling, J. E. . The retina: an approachable part of the brain. , (1987).
  2. Makhankov, Y. V., Rinner, O., Neuhauss, S. C. An inexpensive device for non-invasive electroretinography in small aquatic vertebrates. J Neurosci. Methods. 135, 205-210 (2004).
  3. Wu, J., Peachey, N. S., Marmorstein, A. D. Light-evoked responses of the mouse retinal pigment epithelium. J Neurophysiol. 91, 1134-1142 (2004).
  4. Heckenlively, J. R., Arden, G. B. . Principles and Practice of Clinical Electrophysiology of Vision. , (2006).
  5. Perlman, I., Kolb, H., Nelson, R., Fernandez, E., Jones, B. . Webvision: The Organization of the Retina and Visual System. , (1995).
  6. Fadool, J. M., Dowling, J. E. Zebrafish: a model system for the study of eye genetics. ProgRetin. Eye Res. 27, 89-110 (2008).
  7. Doerre, G., Malicki, J. Genetic analysis of photoreceptor cell development in the zebrafish retina. Mech. Dev. 110, 125-138 (2002).
  8. Brockerhoff, S. E., et al. Light stimulates a transducin-independent increase of cytoplasmic Ca2+ and suppression of current in cones from the zebrafish mutant nof. J Neurosci. 23, 470-480 (2003).
  9. Rinner, O., Makhankov, Y. V., Biehlmaier, O., Neuhauss, S. C. Knockdown of cone-specific kinase GRK7 in larval zebrafish leads to impaired cone response recovery and delayed dark adaptation. Neuron. 47, 231-242 (2005).
  10. Harada, T., Harada, C., Parada, L. F. Molecular regulation of visual system development: more than meets the eye. Genes Dev. 21, 367-378 (2007).
  11. Branchek, T. The development of photoreceptors in the zebrafish, brachydaniorerio. II. Function. J Comp Neurol. 224, 116-122 (1984).
  12. Schmitt, E. A., Dowling, J. E. Early retinal development in the zebrafish, Daniorerio: light and electron microscopic analyses. J Comp Neurol. 404, 515-536 (1999).
  13. Bilotta, J., Saszik, S., Sutherland, S. E. Rod contributions to the electroretinogram of the dark-adapted developing zebrafish. Dev Dyn. 222, 564-570 (2001).
  14. Wong, K. Y., Adolph, A. R., Dowling, J. E. Retinal bipolar cell input mechanisms in giant danio. I. Electroretinographic analysis. J Neurophysiol. 93, 84-93 (2005).
  15. Nelson, R. F., Singla, N. A spectral model for signal elements isolated from zebrafish photopicelectroretinogram. Vis Neurosci. 26, 349-363 (2009).
  16. Korenbrot, J. I., Mehta, M., Tserentsoodol, N., Postlethwait, J. H., Rebrik, T. I. EML1 (CNG-modulin) controls light sensitivity in darkness and under continuous illumination in zebrafish retinal cone photoreceptors. J Neurosci. 33, 17763-17776 (2013).
  17. Gurevich, L., Slaughter, M. M. Comparison of the waveforms of the ON bipolar neuron and the b-wave of the electroretinogram. Vision Res. 33, 2431-2435 (1993).
  18. Westerfield, M. . The Zebrafish Book: A guide for the laboratory use of zebrafish (Daniorerio). , (2007).
  19. Kim, D. Y., Jung, C. S. Gap junction contributions to the goldfish electroretinogram at the photopic illumination level. Korean J PhysiolPharmacol. 16, 219-224 (2012).
  20. Brockerhoff, S. E., Dowling, J. E., Hurley, J. B. Zebrafish retinal mutants. Vision Res. 38, 1335-1339 (1998).
  21. Naka, K. I., Rushton, W. A. S-potentials from colour units in the retina of fish (Cyprinidae). J Physiol. 185, 536-555 (1966).
  22. Naka, K. I., Rushton, W. A. S-potentials from luminosity units in the retina of fish (Cyprinidae). J Physiol. 185, 587-599 (1966).
  23. Shao, X. M., Feldman, J. L. Micro-agar salt bridge in patch-clamp electrode holder stabilizes electrode potentials. J Neurosci. Methods. 159, 108-115 (2007).
  24. Brockerhoff, S. E., et al. A behavioral screen for isolating zebrafish mutants with visual system defects. ProcNatlAcadSci. U S A. 92, 10545-10549 (1995).
  25. Fleisch, V. C., Jametti, T., Neuhauss, S. C. Electroretinogram (ERG) Measurements in Larval Zebrafish. CSH protocols. , (2008).
  26. Seeliger, M. W., Rilk, A., Neuhauss, S. C. Ganzfeld ERG in zebrafish larvae. Doc Ophthalmol. 104, 57-68 (2002).
  27. Kainz, P. M., Adolph, A. R., Wong, K. Y., Dowling, J. E. Lazy eyes zebrafish mutation affects Müller glial cells, compromising photoreceptor function and causing partial blindness. J Comp Neurol. 463, 265-280 (2003).
  28. Lewis, A., et al. Celsr3 is required for normal development of GABA circuits in the inner retina. PLoS. genetics. 7, e1002239 (2011).
check_url/cn/52662?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Chrispell, J. D., Rebrik, T. I., Weiss, E. R. Electroretinogram Analysis of the Visual Response in Zebrafish Larvae. J. Vis. Exp. (97), e52662, doi:10.3791/52662 (2015).

View Video