Summary

Elektroretinogram Analys av Visual Response i Zebrafish 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

Elektroretinogram (ERG) är en icke-invasiv elektrofysiologisk metod för bestämning retinal funktion. Genom placering av en elektrod på ytan av hornhinnan, elektriska aktiviteten genereras som svar på ljuset kan mätas och användas för att utvärdera aktiviteten av retinala celler in vivo. Detta manuskript beskriver användningen av ERG för att mäta synfunktionen i zebrafisk. Zebrafisk har länge använts som en modell för ryggradsdjur utveckling på grund av den enkla gensuppression genom morfolinogrupper oligonukleotider och farmakologisk manipulation. Vid 5-10 dpf, bara kottar är funktionella i larv näthinnan. Därför, zebrafisk, till skillnad från andra djur, är ett kraftfullt modellsystem för studier av könen synfunktionen in vivo. Detta protokoll använder standard anestesi, mikromanipulation och stereomikroskopi protokoll som är vanliga i laboratorier som utför zebrafisk forskning. De beskrivs metoder att använda sig av standardelektrofysiologi equipment och ett svagt ljus kamera för att styra placeringen av inspelningen mikroelektrod på larvhornhinnan. Slutligen visar vi hur en kommersiellt tillgänglig ERG stimulator / inspelare ursprungligen konstruerad för användning med möss kan enkelt anpassas för användning med zebrafisk. ERG av larver zebrafisk ger en utmärkt metod för att analysera kon synfunktion hos djur som har modifierats av morfolino oligonukleotid injektion samt nyare genomingenjörstekniker såsom zinkfinger nukleaser (ZFNs), Transkription Activator-Like Effector nukleaser (Talens), och klustrade Regelbundet mellanrum Korta palindromiska Upprepar (CRISPR) / Cas9, som alla har kraftigt ökat effektiviteten och effekten av riktad genmodifiering i zebrafisk. Dessutom tar vi nytta av möjligheten för farmakologiska medel att tränga zebrafisk larver att utvärdera de molekylära komponenter som bidrar till fotoresponsen. Detta protokoll beskriver en inställning som kan ändras och används av forskaremed olika experimentella mål.

Introduction

Elektroretinogram (ERG) är en icke-invasiv elektrofysiologisk metod som har använts i stor utsträckning i kliniken för att bestämma funktionen av näthinnan hos människor. Den elektriska aktiviteten som svar på en Ijusstimulus mäts genom att placera registreringselektrod på den yttre ytan av hornhinnan. Egenskaperna för stimulans paradigm och svarsvågformen definierar näthinnans nervceller bidrar till svaret. Denna metod har anpassats för användning med ett antal djurmodeller inklusive möss och zebrafisk. Den typiska ryggradsdjur ERG svar har fyra huvudkomponenter: a-våg, som är en hornhinna-negativ potential härrör från fotoreceptor cellaktivitet; b-våg, en hornhinna-positiv potential härledd från PÅ bipolära celler; d-våg, en hornhinna-positiv potential tolkas som aktiviteten hos de OFF bipolära celler; och c-våg, som uppträder flera sekunder efter det att B-vågen och återspeglar aktiviteten i Muller Glia och retginalets pigmentepitel 1-4. Ytterligare referenser för att förstå historien och principer för ERG analys hos människor och modelldjur är online lärobok, Webvision, från University of Utah och texter såsom Principles and Practice of Clinical Elektro av Vision 4, 5.

Danio rerio (zebrafisk) har länge använts som en modell för ryggradsdjur utveckling, på grund av dess snabba mognad och öppenhet, vilket möjliggör icke-invasiv morfologisk analys av organsystem, beteendeanalyser och både framåt och bakåt genetiska skärmar (för översikt se Fadool och Dowling 6). Zebrafisk larver är mycket mottagliga för genetisk och farmakologisk manipulation, vilket, när den kombineras med deras höga fruktsamhet, gör dem till en utmärkt djurmodell för hög genomströmning biologiska analyser. Den högre förhållande mellan koner till stavar i larvzebrafisk – ungefär 1: 1 jämfört med möss (~ 3% kons) – gör dem särskilt användbara för studier av konen funktion 7-9.

I ryggradsdjur näthinnan, koner utvecklas innan stängerna 10. Intressant, zebrafisk kottar är operativ så tidigt som 4 dpf, vilket möjliggör selektiv elektrofysiologiska analys av koner i det skedet 6, 11,12. Däremot ERG svar i stavar visas mellan 11 och 21 dpf 13. Därför zebrafisk larver vid 4-7 dpf fungera funktionellt som en all-kon näthinnan. Emellertid är den nativa fotopiska ERG svaret hos 4-7 dpf larver domineras av b-vågen. Tillämpning av farmakologiska medel, såsom L – (+) – 2-amino-4-fosfono-smörsyra (L-AP4), en agonist för metabotropa glutamat (mGluR6) receptorn uttryckt av PÅ bipolära celler, effektivt blockerar alstringen av b-vågen och avslöjar den isolerade kon massreceptorpotential, ("a-wave") 14-17.

Här beskriver vi en enkel och reliable metod för ERG analys med hjälp av kommersiellt tillgängliga ERG utrustning avsedd för användning med möss som har anpassats för användning med zebrafisk larver. Detta system kan utnyttjas på zebrafisk larver av olika genetiska bakgrunder, liksom de som behandlats med farmakologiska medel, för att hjälpa forskarna vid identifiering av signalvägar som bidrar till visuell känslighet och ljus anpassning 16. De experimentella förfaranden som beskrivs i detta protokoll kommer att vägleda utredarna i användningen av ERG analys för att svara på en rad olika biologiska frågor som rör synen, och demonstrera byggandet av en flexibel ERG setup.

Protocol

Djur underhåll och experimentella protokoll godkändes av Institutional Animal Care och användning kommittéer University of North Carolina i Chapel Hill, och uppfyller alla krav i NIH Office of Laboratory Animal Welfare och Föreningen för bedömning och ackreditering av försöksdjurs Care International. OBS: För att få larver för ERG analys publicerade protokoll för standard zebrafisk djurhållning och underhåll var anställda 18. Larver erhålls genom naturlig avel och förvarade under en 14 timmar ljus / mörk…

Representative Results

Normalt är ERGs registreras från zebrafisk larver på 5 dpf, eftersom ett antal studier har publicerats ERG inspelningar i detta skede 9, 16,20. Larver svar mättes under mörka anpassade villkor utan bakgrundsbelysningen med hjälp av en 20 ms stimulans av vitt LED-ljus. Vi utnyttjade en kommersiellt tillgänglig ERG-systemet består av en Ganzfeld ljus stimulator och datorstyrenhet / inspelare. Stimulatorn använder en hårt kontrollerad egenpulsbreddsmodulering (PWM) system för att styra ljuset från b?…

Discussion

I detta protokoll en enkel procedur för ERG inspelningar av larver zebrafisk beskrivs. Detta förfarande möjliggör en snabb och omfattande analys av visuell function.There finns flera viktiga steg under hela förfarandet som bör hållas i åtanke. Den zebrafisk larver bör vara friska före försöket att förhindra dödsfall under potentiella läkemedelsbehandlingar och se långvarig försörjning under ERG inspelningar. Dessutom är det viktigt att larverna utnyttjas i experiment är tätt åldersmatchade. Detta b…

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