Büyük hacimli, insan dışı primatlar Optogenetics için davranışsal ilgili aydınlatma
Summary
Işık büyük birimlerde en az çapı ile teslim etmek için bir doku delici ışığının oluşturmak için bir protokol sunulmuştur.
Abstract
Bu iletişim kuralı optogenetic manipülasyonlar insan dışı primat beyin için geliştirilmiş bir büyük hacimli ışığı açıklar. Işık yüzey alanı yayan maddedir ışığı ile kazınmış uç, değiştirilmiş bir plastik optik fiber böyle > 100 x o geleneksel bir elyaf. İnşaat büyük hacimli ışığının açıklayan ek olarak, bu iletişim kuralı bile hafif dağıtım sağlamak için kullanılan kalite kontrol kalibrasyon ayrıntıları. Ayrıca, bu iletişim kuralını ekleme ve büyük hacimli ışığı kaldırmak için teknikler açıklanır. Yüzeysel ve derin yapıları aydınlatılmış. Bu büyük hacimli ışığı fiziksel olarak bir elektrot birleştiğinde olabilir gerekmez ve ışığı, değil cam, plastik çünkü geleneksel optik lifler paramparça ne zaman o sadece durumlarda Bükülür. Bu ışığı davranışsal ilgili doku birimlerde (≈ 10 mm3) daha fazla penetrasyon hasar daha geleneksel bir fiber optik ile ışık sunar çünkü davranış çalışmalar optogenetics insan dışı primatlar kullanarak kolaylaştırır.
Introduction
Milisaniye kesin, ışık odaklı nöronal denetimi için izin Optogenetic araçları yaygın fonksiyonel fizyolojisi ve kemirgenler ve omurgasızlar davranışı incelemek için kullanılır. Ancak, teknik sorunlar optogenetics ~ 100 x kemirgen beyin 1‘ den daha büyük bir hacme sahip insan dışı primat beyin kullanımı sınırlı olabilir.
İnsan dışı primatlar çalışmalarda optogenetics kolaylaştırmak için bir ışığı iki rakip gol gidermek amacıyla tasarlanmıştır: büyük hacimli aydınlatma ve en az penetrasyon hasar. Adres bu kaygıları için önceki girişimleri diğer pahalı geldim. Demetleri lifleri aydınlatmak daha büyük birimleri ancak artan çap ve böylece, hasar2,3. Konik cam elyaf azaltmak penetrasyon hasar, ancak dar odak ışık ışık yüzey alanlarını yayan < 100 µm2 4,5. Dış beyin aydınlatma dura bir pencereden sınama penetrasyon hasar kaçınmanızı sağlar ve büyük hacimli aydınlatma için izin verebilir, ancak yalnızca bir kaç yüzeysel beyin alanları6için kullanılabilir.
Büyük hacimli, küçük çaplı ışığı (Şekil 1a) oluşturmak için bir plastik fiber konik ısıdır ve çekirdek ve kaplama optik ucu (Şekil 1bc) kazınmış. Işık dar bir noktaya odaklanmak diğer konik lifleri, gravür ışık eşit olarak dışarı belgili tanımlık uç, böylece, ışık geniş geniş bir alanı (şekil 1 de) dağıtma kenarlarında kaçmak izin verir. Penetrasyon hasar penetrasyon çapı için orantılı, bu ışığı penetrasyon hasarı daha geleneksel bir lif vardır, henüz o vardır çünkü > 1 ile daha geniş yüzey alanı ve sunar ışığı yayan ışık x 100/100 ışık güç bir beyin hayalet (%1,75 özel) dansitesi (şekil 1e). Onlar kendi ışık yayan yüzeyler eşit ışık güç yoğunlukları varken Monte Carlo modeli (şekil 1f) hafif formada geleneksel bir elyaf ve büyük hacimli ışığı arasındaki farkı gösterir. Her ışığı tek tek (şekil 2a, b) ucu (Şekil 2 c) boyunca bile hafif dağıtım sağlamak için entegre bir küre kullanılarak kalibre edilmiş.
Bu büyük hacimli ışığı davranış ve insan dışı primatlar nöronal ateş etmeye optogenetic manipülasyon ile doğrulandı. Fiber ucu uzunluğu herhangi bir beyin bölgesinde ve her hayvanın bireysel alıcı alan eşleştirme için özelleştirilebilir. Işığı aydınlatma uzunluğu span nöronal kayıtları için derinlemesine bir elektrot ile eşleştirilmiş. Çünkü lif herhangi bir renk görünür ışığın taşıyabilir, Ayrıca, bu herhangi bir kullanılabilir kullanılabilir optogenetic molekülleri ile eşleştirilmiş olabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Optogenetic araçları hastalığı ve Fizyoloji Rodents incelemek için yaygın olarak kullanılır iken, bir aydınlatıcı büyük beyin birimi teknik sorun optogenetics insan olmayan primatlarda kullanımı sınırlıdır. Maymunlar çalışmalarda öncü küçük birimleri, belki de aydınlatmak için büyük ışık güç yoğunlukları (~ 100 mW/mm2 ile 20 W/mm2) kullanılan < 1 mm3ve korteks4, eksitatör opsins ile bildirilen mütevazı davranışs…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
LCA bir NDSEG Bursu, NSF GRFP ve McGovern Enstitüsü dostları fon kabul eder. EP Harry ve Eunice Nohara UROP Fonu, MIT sınıf 1995 UROP Fonu ve MIT UROP Fonu fon kabul eder. ESB NIH 2R44NS070453-03A1, Hadi Harvey ödül ve New York kök hücre Vakfı-Robertson Ödülü fon kabul eder. RD NIH EY017292 fon kabul eder. Michael Williams takım düzenlemek ve filme önce malzemeleri toplamak için yardımcı oldu.
Materials
| 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 / 1000°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 |
References
- Herculano-Houzel, S. The human brain in numbers: a linearly scaled-up primate brain. Front Hum Neurosci. 3, 31 (2009).
- 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).
- Diester, I., et al. An optogenetic toolbox designed for primates. Nat Neurosci. 14 (3), 387-397 (2011).
- 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).
- 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).
- Ruiz, O., et al. Optogenetics through windows on the brain in the nonhuman primate. J Neurophysiol. 110 (6), 1455-1467 (2013).
- Chuong, A. S., et al. Noninvasive optical inhibition with a red-shifted microbial rhodopsin. Nat Neurosci. 17 (8), 1123-1129 (2014).
- 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).
- 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).
- Gerits, A., et al. Optogenetically Induced Behavioral and Functional Network Changes in Primates. Curr Biol. 22 (18), 1722-1726 (2012).
- 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).
- Cavanaugh, J., et al. Optogenetic inactivation modifies monkey visuomotor behavior. Neuron. 76 (5), 901-907 (2012).
