İn Vivo Yetenekli Motor Davranışın Kablosuz Optogenetik Kontrolü
Summary
Mevcut protokol, serbest hareket eden farelerde yetenekli motor davranışın performansında yer alan nöral devreleri karakterize etmek için tek bir pelet ulaşma-kavrama görevinde yüksek hızlı videografi ile birleştirilmiş kablosuz optogenetiğin nasıl kullanılacağını açıklamaktadır.
Abstract
İnce motor becerileri günlük yaşamda esastır ve çeşitli sinir sistemi bozukluklarında tehlikeye girebilir. Bu görevlerin kazanılması ve yerine getirilmesi duyusal-motor entegrasyonu gerektirir ve iki taraflı beyin devrelerinin hassas kontrolünü içerir. Hayvan modellerinde tek elle yapılan davranışsal paradigmaların uygulanması, striatum gibi beyin yapılarının, görevin yerine getirilmesi sırasında kontrol koşullarında ve hastalıkta belirli çekirdeklerin sinirsel aktivitesinin manipülasyonuna ve kaydedilmesine izin verdiği için karmaşık motor davranışa katkısının anlaşılmasını geliştirecektir.
Kuruluşundan bu yana, optogenetik, nöronal popülasyonların seçici ve hedefli aktivasyonunu veya inhibisyonunu sağlayarak beyni sorgulamak için baskın bir araç olmuştur. Optogenetiğin davranışsal tahlillerle kombinasyonu, spesifik beyin fonksiyonlarının altında yatan mekanizmalara ışık tutmaktadır. Minyatür ışık yayan diyotlara (LED’ler) sahip kablosuz başa monte sistemler, tamamen serbest hareket eden bir hayvanda uzaktan optogenetik kontrole izin verir. Bu, kablolu bir sistemin sınırlamalarının, ışık emisyon verimliliğinden ödün vermeden hayvanların davranışları için daha az kısıtlayıcı olmasını önler. Mevcut protokol, belirli nöronal popülasyonların ince motor davranışa katkısını incelemek için kablosuz optogenetik yaklaşımı yüksek hızlı videografi ile tek manuel bir el becerisi görevinde birleştirmektedir.
Introduction
Motor yetenekli davranış, tarafımızdan gerçekleştirilen çoğu hareket sırasında mevcuttur ve çeşitli beyin bozukluklarında etkilendiği bilinmektedir 1,2,3,4,5,6. Yetenekli hareketlerin gelişimini, öğrenimini ve performansını incelemeye izin veren görevlerin uygulanması, özellikle beyin hasarı, nörodejeneratif ve nörogelişimsel bozukluklar modellerinde motor fonksiyonun nörobiyolojik temellerini anlamak için çok önemlidir 2,7,8,9,10,11,12,13 . Nesnelere ulaşmak ve onları geri almak, günlük yaşam eylemlerinde rutin olarak yapılır ve erken gelişim sırasında edinilen ve daha sonra 5,6 yılları boyunca rafine edilen ilk motor becerilerden biridir. Nesnenin özelliklerinin algılanması, hareket planlaması, eylem seçimi, hareket yürütme, vücut koordinasyonu ve hız modülasyonu7,14,15,16 gibi duyusal-motor süreçler gerektiren karmaşık bir davranışı içerir. Bu nedenle, tek manuel yüksek el becerisi görevleri, her iki yarımkürenin birçok beyin yapısının katılımını gerektirir 16,17,18,19,20,21,22. Farelerde, tek pelet kavrama ulaşma görevi, ayrı ayrı kontrol edilebilen ve analiz edilebilen birkaç aşama için karakterize edilir 7,13,23. Bu özellik, edinim ve davranış performansının farklı aşamalarında spesifik nöronal alt popülasyonların katkısını incelemeye izin verir ve motor sistemlerin ayrıntılı çalışmaları için bir platform sağlar13,23,24. Hareket birkaç saniye içinde gerçekleşir; Bu nedenle, yetenekli motor yörüngesi 7,25’in farklı aşamalarında kinematik analiz için yüksek hızlı videografi kullanılmalıdır. Videolardan vücut duruşu, yörünge, hız ve hata türü25 dahil olmak üzere çeşitli parametreler çıkarılabilir. Kinematik analiz, kablosuz optogenetik manipülasyon 7,23 sırasında ince değişiklikleri tespit etmek için kullanılabilir.
Kablosuz kafaya monte edilmiş bir sistem aracılığıyla ışık iletmek için minyatür ışık yayan diyotların (LED’ler) kullanılması, hayvan görevi yerine getirirken uzaktan optogenetik kontrole sahip olmayı mümkün kılar. Kablosuz optogenetik kontrolör, bir uyarıcıdan gelen tek darbeli veya sürekli tetikleme komutlarını kabul eder ve minyatür LED 23,26’ya bağlı bir alıcıya kızılötesi (IR) sinyaller gönderir. Mevcut protokol, bu kablosuz optogenetik yaklaşımı, ince motor davranışın performansı sırasında spesifik nöronal popülasyonların rolünü incelemek için bir el becerisi görevinin yüksek hızlı videografisi ile birleştirmektedir23. Tek manuel bir görev olduğundan, her iki yarımküredeki yapıların katılımını değerlendirmeye izin verir. Geleneksel olarak, beyin vücut hareketini oldukça asimetrik bir şekilde kontrol eder; Bununla birlikte, yüksek el becerisine sahip görevler, ipsilateral çekirdekler ve 10,20,21,22,23 çekirdekleri içindeki nöronal alt popülasyonların diferansiyel katkısı da dahil olmak üzere birçok beyin yapısından dikkatli koordinasyon ve kontrol gerektirir. Bu protokol, her iki yarımküreden subkortikal yapıların ön ayak23’ün yörüngesini kontrol ettiğini göstermektedir. Bu paradigma, diğer beyin bölgelerini ve beyin hastalığı modellerini incelemek için uygun olabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
İyi tanımlanmış davranışsal paradigmalarda nöronal popülasyonların optogenetik manipülasyonunun kullanılması, motor kontrolün altında yatan mekanizmalar hakkındaki bilgilerimizi ilerletmektedir 7,23. Kablosuz yöntemler özellikle birden fazla hayvan üzerinde test veya serbest dolaşım gerektiren görevler için uygundur34,35. Bununla birlikte, teknikler ve cihazlar rafine edildiğinden, …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma UNAM-PAPIIT projesi IA203520 tarafından desteklenmiştir. IFC hayvan tesisine, fare kolonilerinin bakımı konusundaki yardımları ve BT desteği için hesaplama birimine, özellikle Francisco Perez-Eugenio’ya teşekkür ederiz.
Materials
| Anaesthesia machine | RWD | R583S | Isoflurane vaporizer |
| Anesket | PiSA | Ketamine | |
| Breadboard | Thorlabs | MB3090/M | Solid aluminum optical breadboard |
| Camera lense | Canon | 50mmf/ 1.4 manual focus lenses (c-mount) | |
| Camera system | BrainVision | MiCAM02 | Camera controller and synchronizer |
| Cotton swabs | |||
| CS solution | PiSA | Sodium chloride solution 9% | |
| Customized training chamber | In house | ||
| Drill bit #105 | Dremel | 2 615 010 5AE | Engraving cutter |
| Dustless precission chocolate pellets | Bio-Serv | F05301 | |
| Ethyl Alcohol | J.T. Baker | 9000-02 | Ethanol |
| Eyespears | Ultracell | 40400-8 | Eyespears of absorbent PVA material |
| Fluriso | VetOne | V1 502017-250 | Isoflurane |
| Glass capillaries | Drumond Scientific | 3-000-203-G/X | Pipettes for NanoJect II |
| Hidrogen peroxide | Farmacom | Antiseptic | |
| High-speed camera | BrainVision | MiCAM02-CMOS | Monochrome high-speed cameras |
| Infrared emmiter | Teleopto | ||
| Insulin syringe | |||
| LED cannula | Teleopto | TelC-c-l-d | LED cannula 250um 487nm light |
| Micropipette 10 uL | Eppendorf | Z740436 | |
| Micro-pipette puller | Sutter | P-87 | Horizontal puller |
| Microscope LSM780 | Zeiss | Confocal microscope | |
| Microtome | |||
| Mock receiver | Teleopto | ||
| NanoJect II | Drumond Scientific | 3-000-204 | Micro injector |
| Oxygen tank | Infra | na | |
| pAAV-EF1a-double.floxed-hChR2(H134R)-mCherry-WPRE- HGHpA | Addgene | 20297 | Viral vector for ChR-2 expression |
| Parafilm | |||
| Paraformaldehyde | Sigma | P-6148 | |
| Phosphate saline buffer | Sigma | P-4417 | Phosphate saline buffer tablets |
| Pipette tips 10 uL | ThermoFisher | AM12635 | 0.5-10 uL volume |
| Pisabental | PiSA | Sodium pentobarbital | |
| Plexiglass | commercial | Acrylic sheet | |
| Povidone iodine | Farmacom | Antiseptic | |
| Procin | PiSA | Xylacine | |
| Puralube | Perrigo pharma | 1228112 | Eye lubricant 15% mineral oil/85% petrolatum |
| Rotary tool | Kmoon | Mini grinder | Standard |
| Scalpel | |||
| Scalpel blade | |||
| Stereotaxic apparatus | Stoelting | 51730D | Digital apparatus |
| Super-Bond C&B | Sun Medical | Dental cement | |
| Surgical dispossable cap | |||
| Teleopto remote controller | Teleopto | ||
| Tg Drd1-Cre mouse line | Gensat | 036916-UCD | Transgene insertion FK150Gsat |
| Tissue adhesive | 3M Vetbond | 1469SB | |
| TPI Vibratome 1000 plus | Peico | Microtome | |
| Vectashield mounting media with DAPI | Vector laboratories | H-1200 | Mounting media |
| Wireless receiver | Teleopto | TELER-1-P |
Riferimenti
- Balbinot, G., et al. Post-stroke kinematic analysis in rats reveals similar reaching abnormalities as humans. Scientific Report. 8 (1), 8738 (2018).
- Klein, A., Sacrey, L. A., Whishaw, I. Q., Dunnett, S. B. The use of rodent skilled reaching as a translational model for investigating brain damage and disease. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 36 (3), 1030-1042 (2012).
- MacLellan, C. L., Gyawali, S., Colbourne, F. Skilled reaching impairments follow intrastriatal hemorrhagic stroke in rats. Behavioural Brain Research. 175 (1), 82-89 (2006).
- Evenden, J. L., Robbins, T. W. Effects of unilateral 6-hydroxydopamine lesions of the caudate-putamen on skilled forepaw use in the rat. Behavioural Brain Research. 14 (1), 61-68 (1984).
- Rodgers, R. A., Travers, B. G., Mason, A. H. Bimanual reach to grasp movements in youth with and without autism spectrum disorder. Frontiers in Psychology. 9, 2720 (2019).
- Sacrey, L. A. -. O., Zwaigenbaum, L., Bryson, S., Brian, J., Smith, I. M. The reach-to-grasp movement in infants later diagnosed with autism spectrum disorder: a high-risk sibling cohort study. Journal of Neurodevelopmental Disorders. 10 (1), 41 (2018).
- Azim, E., Jiang, J., Alstermark, B., Jessell, T. M. Skilled reaching relies on a V2a propriospinal internal copy circuit. Nature. 508 (7496), 357-363 (2014).
- Marques, J. M., Olsson, I. A. Performance of juvenile mice in a reach-to-grasp task. Journal of Neuroscience Methods. 193 (1), 82-85 (2010).
- Miklyaeva, E. I., Castaneda, E., Whishaw, I. Q. Skilled reaching deficits in unilateral dopamine-depleted rats: Impairments in movement and posture and compensatory adjustments. The Journal of Neuroscience. 14 (11), 7148-7158 (1994).
- Vaidya, M., Kording, K., Saleh, M., Takahashi, K., Hatsopoulos, N. G. Neural coordination during reach-to-grasp. Journal of Neurophysiology. 114 (3), 1827-1836 (2015).
- Wang, X., et al. Deconstruction of corticospinal circuits for goal-directed motor skills. Cell. 171 (2), 440-455 (2017).
- Xu, T., et al. Rapid formation and selective stabilization of synapses for enduring motor memories. Nature. 462 (7275), 915-919 (2009).
- Ian, Q. W., Sergio, M. P. The structure of skilled forelimb reaching in the rat: A proximally driven movement with a single distal rotatory component. Behavioural Brain Research. 41 (1), 49-59 (1990).
- Proske, U., Gandevia, S. C. The proprioceptive senses: their roles in signaling body shape, body position and movement, and muscle force. Physiological Reviews. 92 (4), 1651-1697 (2012).
- Yttri, E. A., Dudman, J. T. Opponent and bidirectional control of movement velocity in the basal ganglia. Nature. 533 (7603), 402-406 (2016).
- Donchin, O., Gribova, A., Steinberg, O., Bergman, H., Vaadia, E. Primary motor cortex is involved in bimanual coordination. Nature. 395 (6699), 274-278 (1998).
- Brus-Ramer, M., Carmel, J. B., Martin, J. H. Motor cortex bilateral motor representation depends on subcortical and interhemispheric interactions. The Journal of Neuroscience. 29 (19), 6196-6206 (2009).
- d’Avella, A., Saltiel, P., Bizzi, E. Combinations of muscle synergies in the construction of a natural motor behavior. Nature Neuroscience. 6 (3), 300-308 (2003).
- Fattori, P., et al. Hand orientation during reach-to-grasp movements modulates neuronal activity in the medial posterior parietal area V6A. The Journal of Neuroscience. 29 (6), 1928-1936 (2009).
- vanden Berg, F. E., Swinnen, S. P., Wenderoth, N. Excitability of the motor cortex ipsilateral to the moving body side depends on spatio-temporal task complexity and hemispheric specialization. PLoS One. 6 (3), 17742 (2011).
- vanden Berg, F. E., Swinnen, S. P., Wenderoth, N. Involvement of the primary motor cortex in controlling movements executed with the ipsilateral hand differs between left- and right-handers. Journal of Cognitive Neuroscience. 23 (11), 3456-3469 (2011).
- Verstynen, T., Diedrichsen, J., Albert, N., Aparicio, P., Ivry, R. B. Ipsilateral motor cortex activity during unimanual hand movements relates to task complexity. Journal of Neurophysiology. 93 (3), 1209-1222 (2005).
- Lopez-Huerta, V. G., et al. Striatal bilateral control of skilled forelimb movement. Cell Reports. 34 (3), 108651 (2021).
- Lopez-Huerta, V. G., et al. The neostriatum: two entities, one structure. Brain Structure and Function. 221 (3), 1737-1749 (2016).
- Becker, M. I., Calame, D. J., Wrobel, J., Person, A. L. Online control of reach accuracy in mice. Journal of Neurophysiology. 124 (6), 1637-1655 (2020).
- Jaidar, O., et al. Synchronized activation of striatal direct and indirect pathways underlies the behavior in unilateral dopamine-depleted mice. European Journal of Neuroscience. 49 (11), 1512-1528 (2019).
- Gong, S., et al. Targeting Cre recombinase to specific neuron populations with bacterial artificial chromosome constructs. The Journal of Neuroscience. 27 (37), 9817-9823 (2007).
- Rowland, N. E. Food or fluid restriction in common laboratory animals: balancing welfare considerations with scientific inquiry. Comparative Medicine. 57 (2), 149-160 (2007).
- Ullman-Culleré, M. H., Foltz, C. J. Body condition scoring: a rapid and accurate method for assessing health status in mice. Laboratory Animal Science. 49 (3), 319-323 (1999).
- Chen, C. C., Gilmore, A., Zuo, Y. Study motor skill learning by single-pellet reaching tasks in mice. Journal of Visualized Experiments. (85), e51238 (2014).
- Fink, A. J., et al. Presynaptic inhibition of spinal sensory feedback ensures smooth movement. Nature. 509 (7498), 43-48 (2014).
- Li, Q., et al. Refinement of learned skilled movement representation in motor cortex deep output layer. Nature Communication. 8, 15834 (2017).
- Overduin, S. A., d’Avella, A., Carmena, J. M., Bizzi, E. Microstimulation activates a handful of muscle synergies. Neuron. 76 (6), 1071-1077 (2012).
- Miyazaki, T., et al. Large Timescale interrogation of neuronal function by fiberless optogenetics using lanthanide micro-particles. Cell Reports. 26 (4), 1033-1043 (2019).
- Yang, Y., et al. Wireless multilateral devices for optogenetic studies of individual and social behaviors. Nature Neuroscience. 24 (7), 1035-1045 (2021).
- Kampasi, K., et al. Fiberless multicolor neural optoelectrode for in vivo circuit analysis. Scientific Reports. 6, 30961 (2016).
- Allen, B. D., Singer, A. C., Boyden, E. S. Principles of designing interpretable optogenetic behavior experiments. Learning & Memory. 22 (4), 232-238 (2015).
- Packer, A. M., et al. . Nature Methods. 9, 1202-1205 (2012).
