여기서는 자유롭게 움직이는 마우스에서 여러 피질 층에 걸쳐 세포 – 해상도로 대규모 Ca 2+ 영상을 수행하는 절차를 제시합니다. 이식 프리즘 프로브와 결합 된 소형 헤드 장착 현미경을 사용하여 수백 개의 활성 세포를 동시에 관찰 할 수 있습니다.
생체 내 회로 및 세포 수준의 기능 영상은 뇌의 활동을 이해하는 데 중요한 도구입니다. 2 광자 현미경으로 마우스 피질 뉴런의 고해상도 이미징은 피질 구조, 기능 및 소성에 대한 독특한 통찰력을 제공합니다. 그러나 이러한 연구는 고착 된 동물에 국한되어 연구 할 수있는 행동의 복잡성을 크게 줄입니다. 이 논문에서는 자유롭게 행동하는 마우스에서 여러 피질 층에 걸쳐 세포 – 해상도로 만성 형광 현미경 검사를 수행하는 절차를 설명합니다. 우리는 이식 프리즘 프로브와 결합 된 소형 소형 형광 현미경을 사용하여 며칠 동안 새로운 대상 탐사 작업에 종사하는 마우스가 체세포 감각 피질의 여러 층에 걸쳐 수백 개의 뉴런의 칼슘 동역학을 동시에 시각화하고 기록했습니다. 이 기술은 다른 동물의 다른 뇌 영역에 적용되어 다른 행동 paradigms.
피질은 주의력, 감각인지 및 하향식인지 조절 1 , 2 , 3 에서 동기 부여, 보상 및 중독 경로 4 , 5에 이르기까지 많은 복잡한 정신 및 행동 기능에서 필수적인 요소입니다. 기능의 기초가되는 전산 과정을 이해하는 것은 많은 정신 및 행동 장애에 대한 임상 적 이해를 향상시키는 중요한 목표입니다.
대뇌 피질 신경 회로 장애 또는 비 적응이 정신 분열병 6 , 자폐증 7 또는 강박 장애 8 과 같은 조건의 특징 인 인식 및 행동 이상을 일으킬 수 있다는 생각을 중심으로 정신과 질환 센터의 많은 현재 이론이 있습니다. 따라서, 공동에서 인구 수준의 신경 활동 데이터를 얻는 것동시 행동 정보의 적절한 컨텍스트 내에서 회로는 매우 중요하며 이상적으로는 미세한 신경 회로 해부를위한 특정 세포 유형을 목표로 할 수 있습니다.
이식 형 그라디언트 굴절률 (GRIN) 마이크로 렌즈와 함께 소형화 된 현미경은 피질 14 , 15 , 16을 포함한 가능한 뇌 영역 9 , 10 , 11 , 12 , 13 의 다양성에서 자유롭게 움직이는 조건에서 뉴런 앙상블에 대한 광학 액세스를 가능하게합니다. 유 전적으로 코딩 된 칼슘 지시약과 결합 된 이동 현미경 검사 시스템을 사용하면 많은 뇌 영역에서 며칠에서 수주에 걸쳐 수백 개의 뉴런을 포괄하는 동일한 세포 집단의 일관된 영상을 얻을 수 있으며,바이러스 벡터 또는 형질 전환 기술을 사용하여 특정 세포 유형을 유 전적으로 표적으로한다.
피질은 서로 다른 기능을 지원하고 피질 층 17 , 18 , 19 내의 세포의 위치에 따라 다른 뇌 영역에 연결하는 것으로 알려져 있으므로 깨어있는 행동 대상에서 동시에 다층 신경 활동을 얻는 데 관심이 있습니다. 여기서 우리는 피질 ( 그림 1 )의 다층보기를 제공하는 이식 프리즘 프로브와 쌍을 이루는 소형 형광 현미경 20을 사용하여 며칠 동안 자유롭게 행동하는 마우스에서 형광으로 표시된 수백 개의 뉴런을 이미지화하는 방법을 보여줍니다.
프리즘 프로브는 두 개의 분리 된 GRIN 렌즈로 구성됩니다 : 프리즘과 원통형 릴레이 렌즈 ( 그림 1 ). 현미경으로부터의 빛은 형광으로 표지 된프로브의 프리즘 부분의 빗변으로부터 반사 된 후, 프리즘 프로브의 촬상면을 따라 위치 된 셀을 포함한다. 세포로부터 방출 된 빛은 프리즘의 빗변으로부터 반사되어 현미경의 목적을 통해 수집되어 현미경의 센서에 도달합니다. 이 절차에 사용 된 프리즘 프로브는 표준 stereotaxic 장비와 함께 사용하기 쉽게되어 있습니다.
소형 형광 현미경 (20 )은 세포가 Ca 2+에 민감한 유 전적으로 코드화 된 형광 지시약으로 특이 적으로 표지 된 후, 단일 세포 분해능을 갖는 연결 집단에서 활동 전위에 의해 유발 된 Ca 2+ 과도 현상을 검출한다. 이 프로토콜에서 우리는 바이러스 벡터 (AAV1.CaMKII.GCaMP6f.WPRE.SV40)에 인코딩 된 칼슘 2 + 표시기를 삽입하고, 프리즘 프로브를 삽입하고, 현미경을 설치 한 다음 somatosensory (S1 뒷다리) 신경 활동 데이터 동물 폭로d를 자유 탐사 중에 새로운 물체 표면으로 이동시킵니다 ( 그림 2 ).
깨어있는 행동 중에 신경 회로 활동을 이해하는 것은 건강과 질병에서 효과적으로 뇌 기능을 해부하는 데 필요한 신경 과학적 조사의 핵심 단계입니다. 피질은 깨어있는 행동의 맥락에서 연구하는 데 특히 중요합니다. 왜냐하면 그것은 많은 중요한 감각,인지 및 실행 기능에서 중요한 역할을하기 때문입니다.
대뇌 피질의 기둥은 피질의 기본 기능 단위로 생각되며 피질 세포의 집단 수준 활동은 기둥 내의 물리적 위치에 따라 다르다고 알려져 있습니다. 예를 들어 체세포 감각 피질에서 2/3 층의 흥분성 뉴런은 주로 다른 신피질 영역으로 진행하고 다른 피질 네트워크를 변조합니다 30 , 더 깊은 층의 세포는 주로 시상과 같은 피질 하부 영역에 작용합니다 31 . 100의 활동 기록하기자유롭게 행동하는 피험자에서 서로 다른 층을 가로 질러 시간에 따라 동시에 사전에 지정된 피질 세포를 재현하는 것은 대뇌 유사 정보 흐름에 대한 우리의 이해를 크게 향상시켜 실시간 행동 정보 및 작업 관련 시간 정보에 의해 알린 피질 기둥의 미세한 기능 해부를 가능하게합니다. 저울.
이 수준의 신경 회로 데이터를 수집하는 것은 효율적이고 유선형의 소형 현미경 플랫폼을 사용하여 자유롭게 행동하는 피험자 (또는 원하는대로 머리 고정 피험자)에서 대규모 칼슘 2+ 영상을 수행 할 수있게합니다. 세포 형 특정 표적화를 가능하게하고, 만성적으로 이식 된 프리즘 프로브에 의해 제공되는 다층 시야를 이미징하기 위해 유 전적으로 코딩 된 칼슘 지시약과 함께 사용되는이 프로토콜은 많은 가능한 응용 중 하나의 사례를 탐구했다 : 마우스의 체성 감각 대뇌 피질 처리 물리적으로 새로운 객체와 결합합니다 ( 그림 5 ).이것은 깨어 있고 자유롭게 행동하는 동물에서 여러 피질 층을 연구하기위한 세포 유형 특이적인 생체 내 접근법의 첫 번째 절차적인 일러스트레이션이며 능동적 인 두뇌의 층류 구조를 이해하는 데 사용할 수있는 실험 방법의 스펙트럼을 확장합니다.
이 기술에서 프리즘 프로브에 의해 가능해진 시각의 망원경 (periscopic) 시야는 관심 부위에 직접적으로 조직의 보존이 요구 될 때 다른 뇌 구조에 적용될 수있다. 예를 들어, CA3 이미징은 해마 기능의 중단없이 달성 될 수있다.
Ca 2+ 활동을 이미징하기위한 프리즘 프로브 기반 접근법은 피질에 마이크로 프리즘을 물리적으로 삽입하고 영구적으로 삽입해야하는데, 이는 렌즈 프로브가 삽입되는 피질 병변의 생성과 동일합니다. 이것은 정점 수상 돌기 및 과정의 절단을 포함하여 국소 신경 회로에 혼란을 야기 할 수 있습니다. 티그의 절차는 또한 영역에서 glial 세포의 초기 활성화를 일으킬 것입니다, 이것은 프리즘 얼굴에서 약 150 μm의 조직에 국한 될 것으로 예상되고, 뇌가 치유 된 후 가라 앉을 것으로 예상 22 . 이 기술이 실험을 계획 할 때 동물의 정상적인 회로 해부학 및 / 또는 행동에 영향을 미치는지 고려하는 것은 매우 중요합니다. Behavioral Control Group은 교묘 한 실험 결과를 생성 할 수있는 기준 행동에 중요한 변경이 없도록 항상 수행되어야합니다.
신경 내학 적 조작, 다양한인지 적, 사회적, 운동 적 또는 고유의 행동 패러다임을 가진이 소형화되고 이동성 인 Ca 2+ 영상 기법을 사용하고 다른 생리적 측정 기준과 결합하면 행동 및 신호에서 신경 회로의 기능적 역할을 이해하는 데 초점을 맞춘 연구가 심화되고 풍부해질 수 있습니다 처리 32 . 억압 또는 활동약물로 조절되는 특정 경로의 작용은이 기술을 사용하여 쉽게 연구 할 수있는 관련 행동에 영향을 줄 수 있습니다 33 . 칼슘 지시자의 표적을 변경해서 다른 세포 유형으로 밖으로 분기하는 것은 다른 강력하고 유용한 신청이고, 다양한 신경 회로 질문을 제시하는 실험적인 공구의 많은 창조적 인 조합을 가능하게합니다.
The authors have nothing to disclose.
저자들은 AAV1-GCaMP6f의 관대 한 기증으로 하워드 휴즈 의학 연구소의 Janelia Research Campus의 Genetically-Encoded Neuronal Indicator and Effector (GENIE) 프로젝트의 V. Jayaraman, DS Kim, LL Looger 및 K. Svoboda에게 감사드립니다. University of Pennsylvania 벡터 코어. 그들은 또한 공 촛점 현미경 검사 서비스에 NIH NS069375 보조금으로 지원되는 Stanford University의 A. Olson과 Neuroscience Microscopy Core에 감사드립니다.
Neurostar Motorized Ultra Precise Small Animal Stereotaxic Instrument |
Kopf | Model 963SD | Surgery |
Stereoscope | Labomed | Prima DNT | Surgery and Imaging |
Mini Rectal Thermistor Probe (.062"/1.6mm diameter) – 1/4" Jack | FHC | 40-90-5D-02 | Surgery |
Heating Pad 5 X 12.5cm | FHC | 40-90-2-07 | Surgery |
DC Temperature Controller | FHC | 40-90-8D | Surgery |
Microsyringe Pump | World Precision Instruments | UMP3 model; serial 155788 F110 | Surgery |
NanoFil 10μL Syringe | World Precision Instruments | NANOFIL | Surgery |
35 G Beveled Tip Nanofil NDL 2PK | World Precision Instruments | NF35BV-2 | Surgery |
Omnidrill35, 115-230V | World Precision Instruments | 503598 | Surgery |
Burrs for Micro Drill | Fine Science Tools | 19007-05 | Surgery |
nVista | Inscopix | 100-001048 | Imaging |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
AAV1.CaMKII.GCaMP6f.WPRE.SV40 | Penn Vector Core | AV-1-PV3435 | Surgery |
Ketoprofen | Victor Medical | 5487 | Surgery |
Carprofen | Victor Medical | 1699008 | Surgery |
Isoflurane | Victor Medical | 1001054 | Surgery |
Gelfoam (Patterson Veterinary Supply Inc Gelfoam Sponge 12cmx7mm) | Pfizer (Fisher Scientific) | NC9841478 | Surgery |
Dumont #5/45 forceps | Fine Science Tools | 11251-35 | Surgery |
Dumont #5 forceps | Fine Science Tools | 11251-30 | Surgery |
Dissecting knives | Fine Science Tools | 10055-12 | Surgery |
ProView Implant Kit | Inscopix | 100-000756 | Surgery and Imaging |
ProView Prism Probe 1.0mm-Dia. ~4.3mm Length | Inscopix | 100-000592 | Surgery and Imaging |
Kwik-Sil adhesive pack of 2 | World Precision Instruments | KWIK-SIL | Surgery |
Kwik-Cast Sealant | World Precision Instruments | KWIK-CAST | Surgery and Imaging |
Miniature Optical Mounting Post | Newport | M-TSP-3 | Imaging |
Microscope Baseplate | Inscopix | BPL-2 | Imaging |
Microscope Baseplate Cover | Inscopix | BPC-2 | Imaging |