Summary

Deprivazione visiva monoculare e misurazione della plasticità della dominanza oculare nella Corteccia visiva primaria del mouse

Published: February 08, 2020
doi:

Summary

Qui, presentiamo protocolli dettagliati per la deprivazione visiva monoculare e l’analisi della plasticità della dominanza oculare, che sono metodi importanti per studiare i meccanismi neurali della plasticità visiva durante il periodo critico e gli effetti di geni specifici su sviluppo visivo.

Abstract

La privazione visiva monoculare è un eccellente paradigma sperimentale per indurre la plasticità della risposta corticale visiva primaria. In generale, la risposta della corteccia all’occhio contralaterale a uno stimolo è molto più forte della risposta dell’occhio ipsilaterale nel segmento binoculare della corteccia visiva primaria del topo (V1). Durante il periodo critico dei mammiferi, suturare l’occhio contralaterale si tradurrà in una rapida perdita di reattività delle cellule V1 alla stimolazione oculare contralaterale. Con il continuo sviluppo di tecnologie transgeniche, sempre più studi utilizzano topi transgenici come modelli sperimentali per esaminare gli effetti di specifici geni sulla plasticità della dominanza oculare (OD). In questo studio, introduciamo protocolli dettagliati per la privazione visiva monoculare e calcoliamo il cambiamento nella plasticità OD nel mouse V1. Dopo la deprivazione monoculare (MD) per 4 giorni durante il periodo critico, vengono misurate le curve di accordatura dell’orientamento di ogni neurone e le curve di accordatura dei neuroni di strato quattro in V1 vengono confrontate tra la stimolazione degli occhi ipsilaterali e contralaterale. L’indice di distorsione cotralaterale (CBI) può essere calcolato utilizzando il punteggio OD oculare di ogni cella per indicare il grado di plasticità OD. Questa tecnica sperimentale è importante per studiare i meccanismi neurali della plasticità OD durante il periodo critico e per esaminare i ruoli di geni specifici nello sviluppo neurale. La limitazione principale è che lo studio acuto non può studiare il cambiamento nella plasticità neurale dello stesso topo in un momento diverso.

Introduction

La privazione visiva monoculare è un eccellente paradigma sperimentale per esaminare la plasticità V1. Per studiare l’importanza dell’esperienza visiva nello sviluppo neurale, David Hubel e Torsten Wiesel1,2 gattini privati della visione normale in un occhio in vari punti temporali e per diversi periodi di tempo. Hanno poi osservato i cambiamenti nell’intensità di risposta in V1 per gli occhi privati e non privati. I loro risultati hanno mostrato un numero anormalmente basso di neuroni che reagiscono all’occhio che era stato suturato chiuso nei primi tre mesi. Tuttavia, le risposte dei neuroni nei gattini sono rimaste identiche sotto tutti gli aspetti a quelle dell’occhio di un gatto adulto normale che è stato suturato chiuso per un anno, e i gattini non si sono ripresi. La MD nei gatti adulti non può indurre la plasticità OD. Pertanto, l’impatto dell’esperienza visiva sul cablaggio V1 è forte durante una breve fase di sviluppo ben definita, prima e dopo la quale gli stessi stimoli hanno meno influenza. Tale fase di maggiore suscettibilità all’input visivo è nota come periodo critico nella corteccia visiva.

Anche se il topo è un animale notturno, i singoli neuroni nel topo V1 hanno proprietà simili ai neuroni presenti nei gatti3,4,5. Negli ultimi anni, con il rapido sviluppo della tecnologia transgenica, un numero crescente di studi in neuroscienze visive ha utilizzato i topi come modello sperimentale6,7,8. Negli studi visivi sui topi, i neuroscienziati usano mutanti e linee di topo da urlo, che consentono il controllo sulla composizione genetica dei topi. Anche se i topi V1 mancano di colonne OD, singoli neuroni nella zona binoculare V1 mostrano proprietà OD significative. Ad esempio, la maggior parte delle cellule risponde più fortemente alla stimolazione contralaterale che alla stimolazione ipsilaterale. La chiusura temporanea di un occhio durante il periodo critico induce un cambiamento significativo nella distribuzione dell’indice OD9,10,11. Pertanto, MD può essere utilizzato per stabilire un modello di plasticità OD per studiare come i geni coinvolti nei disturbi dello sviluppo neurale influenzano la plasticità corticale in vivo.

Qui, introduciamo un metodo sperimentale per MD e suggeriamo un metodo comunemente usato (registrazione elettrofisiologica) per analizzare il cambiamento nella plasticità OD durante la privazione visiva monoculare. Il metodo è stato ampiamente utilizzato in molti laboratori per più di 20 anni12,13,14,15,16. Ci sono altri metodi utilizzati per misurare la plasticità OD pure, come la registrazione cronica visual e evoked potential (VEP)17, e l’imaging ottico intrinseco (IOI)18. Il vantaggio significativo di questo metodo acuto è che è facile da seguire e i risultati sono straordinariamente affidabili.

Protocol

In questo protocollo, i topi maschi C57Bl/6 sono stati ottenuti dall’Istituto di Animali da Laboratorio dell’Accademia di Scienze Mediche del Sichuan e dall’Ospedale Popolare Provinciale del Sichuan. Tutte le procedure di cura e sperimentale per gli animali sono state approvate dall’Institutional Animal Care and Use Committee dell’Università di Electronic Science and Technology of China. 1. Privazione monoculare (MD) al giorno postnatale 28 nei topi Mettere gli utensili chirurgici, …

Representative Results

I risultati sperimentali qui descritti consentono misurazioni di plasticità MD e OD di successo da un topo privato e non privo durante il periodo critico (P19-P32). Nella Figura 1 viene illustrato come eseguire registrazioni di unità singole nello strato 4 di V1 la zona binoculare per confrontare le risposte nell’occhio ipsilaterale e contralaterale 4 giorni dopo MD. La figura 2 mostra le misurazioni di sintonizzazione dei picchi e dell’orientamento per stimol…

Discussion

Vi presentiamo un protocollo dettagliato per MD e la misurazione della plasticità OD per singola unità di registrazione. Questo protocollo è ampiamente utilizzato nelle neuroscienze visive. Anche se il protocollo MD non è complicato, ci sono alcune procedure chirurgiche critiche che devono essere seguite con attenzione. In primo luogo, ci sono due dettagli importanti che garantiscono la qualità delle cuciture. La sutura è sufficientemente stabile se i punti sono concentrati nella parte mediale della palpebra. Inolt…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo studio è stato sostenuto dalla 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).

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Citer Cet 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).

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