マウス上結腸におけるカルシウムイメージング
概要
このプロトコルは野生型マウスの皮質をそのまま残している間2光子の顕微鏡検査との単一ニューロンの活動をイメージ投射すること、および部分皮質の突然変異体のマウスの広視野顕微鏡検査が付いている全体のSCをイメージ投射することを含む目がさめているマウスの優秀なcolliculus (SC)のカルシウム応答を、イメージ投射するためのプロシージャを詳述する。
Abstract
すべての脊椎動物で進化的に保存された中脳構造である上結腸(SC)は、大脳皮質が出現する前の最も洗練された視覚中枢です。~30種類の網膜神経節細胞(RGC)から直接入力を受け、それぞれが特定の視覚的特徴をコード化しています。SCが単に網膜の特徴を継承するのか、それとも追加の潜在的に de novo プロセシングがSCで起こるのかは、とらえどころのないままです。SCにおける視覚情報の神経コーディングを明らかにするために、ここでは、覚醒マウスの2つの相補的な方法で視覚応答を光学的に記録するための詳細なプロトコルを提供します。1つは、2光子顕微鏡を用いて、重なり合う皮質を切除することなく、1細胞の分解能でカルシウム活性を画像化する方法であり、もう1つは、広視野顕微鏡を用いて、皮質がほとんど発達していない変異マウスのSC全体を画像化する方法です。このプロトコルでは、動物調製、ウイルス注入、ヘッドプレート移植、プラグ移植、データ収集、データ解析など、これら2つの方法を詳しく説明します。代表的な結果は、2光子カルシウムイメージングが1細胞分解能で視覚的に誘発された神経応答を明らかにし、広視野カルシウムイメージングがSC全体の神経活動を明らかにすることを示しています。この2つの方法を組み合わせることで、異なるスケールでのSCの神経コードを明らかにすることができ、そのような組み合わせは他の脳領域にも適用できます。
Introduction
上結腸(SC)は、すべての脊椎動物において重要な視覚中枢です。哺乳類では、網膜および視覚野1から直接入力を受ける。光記録は皮質2,3,4,5に広く適用されているが、SCでの応用は光アクセスの悪さによって妨げられている6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17 、18,19。このプロトコルの目的はSCの神経活動の光学記録のための2つの相補的な方法についての細部を提供することである。
SCは皮質と横洞の下に位置し、結腸ニューロンへの光アクセスを制限します。この制限を克服する1つのアプローチは、重なり合う皮質を吸引し、前外側SC 7,9,10,13,14,19を露出させることです。しかし、SCは皮質入力を受け取るため、このような操作はSCニューロンが視覚刺激にどのように反応するかに影響を与える可能性があります。この制限を克服するために、皮質をそのまま残しながら、シリコンプラグで後内側SCの表層を画像化する代替プロトコルをここで詳しく説明します8,11。具体的には、単一細胞の分解能を達成するために、2光子顕微鏡を適用して、野生型マウスの後内側SCにおけるカルシウム応答を画像化しました。さらに、広い範囲をカバーするために、広視野顕微鏡を適用して、後皮質が発達していない変異マウスのSC全体を画像化しました20。
このプロトコルで説明されている2つの方法は、互いに補完的です。皮質を切除しない2光子カルシウムイメージングは、皮質入力が無傷の単一細胞分解能で神経活動を記録するのに適しています。広視野カルシウムイメージングは、空間分解能を犠牲にしながら、SC全体の神経活動を記録するのに適しています。
Protocol
Representative Results
Discussion
プロトコルの重要なステップ
最も重要なステップは、ステップ5.2と5.3の開頭手術です。まず、ラムダの後0.5mmの骨は太く、内部に血管があるため、穴あけプロセス中に出血する可能性があります。出血を止めるために適切なジェルフォームを準備する必要があります。.第二に、横洞のすぐ上の骨を取り除くと、血管性動脈硬化症の可能性が高くなります。トラブルシューティ?…
開示
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、中国国家自然科学基金会(32271060)の支援を受けています。Y.-t.L.は、研究をデザインし、実験を行い、データを解析し、原稿を書きました。Z.L.とR.W.が実験を行った。
Materials
| 16x objective | Nikon | ||
| 50-mm lens | Computar | M5018-MP2 | |
| 5-mm coverslip | Warner instruments | CS-5R | |
| bandpass filter | Chroma Technology | HQ575/250 m-2p | |
| butyl cyanoacrylate | Vetbond, World Precision Instruments | ||
| camera for monitoring pupil | FLIR | BFS-U3-04S2M-CS | |
| camera for widefield imaging | Basler | acA2000-165µm | |
| corona treater | Electro-Technic Products | BD-20AC | |
| dichroic | Chroma Technology | T600/200dcrb | |
| galvanometers | Cambridge Technology | ||
| glass bead sterilizer | RWD | RS1502 | |
| microdrill | RWD | 78001 | |
| micromanipulator | Sutter Instruments | QUAD | |
| photomultiplier tube | Hamamatsu | R3896 | |
| rotory encoder | USdigital | MA3-A10-125-N | |
| self-curing dental adhesive resin cement | SuperBond C&B, Sun Medical Co, Ltd. Moriyama, Japan | ||
| thermostatic heating pad | RWD | 69020 | |
| Ti:Sapphire laser | Spectra-Physics | Mai Tai HP DeepSee | |
| translucent silicone adhesive | Kwik-Sil, World Precision Instruments | ||
| treadmill | Xinglin Biology | ||
| Virus Strains | |||
| rAAV2/9-hsyn-Gcamp6m | Vector Core at Chinese Institute for Brain Research, Beijing | ||
| Animals | |||
| C57BL/6J wild type | Laboratory Animal Resource Center at Chinese Institute for Brain Research, Beijing | ||
| Emx1-Cre | The Jackson Laboratory | 5628 | |
| Pals1flox/wt | Christopher A. Walsh Lab | ||
| Software | |||
| ImageJ | NIH Image | ||
| Labview | National Instruments | ||
| MATLAB | Mathworks |
参考文献
- May, P. J. The mammalian superior colliculus: laminar structure and connections. Progress in Brain Research. 151, 321-378 (2006).
- Denk, W., Strickler, J. H., Webb, W. W. Two-photon laser scanning fluorescence microscopy. Science. 248 (4951), 73-76 (1990).
- Ohki, K., Chung, S., Ch’ng, Y. H., Kara, P., Reid, R. C. Functional imaging with cellular resolution reveals precise micro-architecture in visual cortex. Nature. 433 (7026), 597-603 (2005).
- Ratzlaff, E. H., Grinvald, A. A tandem-lens epifluorescence macroscope: Hundred-fold brightness advantage for wide-field imaging. Journal of Neuroscience Methods. 36 (2-3), 127-137 (1991).
- de Vries, S. E. J., et al. A large-scale standardized physiological survey reveals functional organization of the mouse visual cortex. Nature Neuroscience. 23 (1), 138-151 (2020).
- Mrsic-Flogel, T. D., et al. Altered map of visual space in the superior colliculus of mice lacking early retinal waves. The Journal of Neuroscience. 25 (29), 6921-6928 (2005).
- Cang, J., Wang, L., Stryker, M. P., Feldheim, D. A. Roles of ephrin-as and structured activity in the development of functional maps in the superior colliculus. The Journal of Neuroscience. 28 (43), 11015-11023 (2008).
- Feinberg, E. H., Meister, M. Orientation columns in the mouse superior colliculus. Nature. 519 (7542), 229-232 (2015).
- Ahmadlou, M., Heimel, J. A. Preference for concentric orientations in the mouse superior colliculus. Nature Communications. 6, 6773 (2015).
- de Malmazet, D., Kühn, N. K., Farrow, K. Retinotopic separation of nasal and temporal motion selectivity in the mouse superior colliculus. Current Biology. 28 (18), 2961-2969 (2018).
- Li, Y. T., Turan, Z., Meister, M. Functional architecture of motion direction in the mouse superior colliculus. Current Biology. 30 (17), 3304-3315 (2020).
- Gribizis, A., et al. Visual cortex gains independence from peripheral drive before eye opening. Neuron. 104 (4), 711-723 (2019).
- Inayat, S., et al. Neurons in the most superficial lamina of the mouse superior colliculus are highly selective for stimulus direction. The Journal of Neuroscience. 35 (20), 7992-8003 (2015).
- Barchini, J., Shi, X., Chen, H., Cang, J. Bidirectional encoding of motion contrast in the mouse superior colliculus. eLife. 7, 35261 (2018).
- Savier, E. L., Chen, H., Cang, J. Effects of locomotion on visual responses in the mouse superior colliculus. The Journal of Neuroscience. 39 (47), 9360-9368 (2019).
- Schröder, S., et al. Arousal modulates retinal output. Neuron. 107 (3), 487-495 (2020).
- Ge, X., et al. Retinal waves prime visual motion detection by simulating future optic flow. Science. 373 (6553), (2021).
- Chen, H., Savier, E. L., DePiero, V. J., Cang, J. Lack of evidence for stereotypical direction columns in the mouse superior colliculus. The Journal of Neuroscience. 41 (3), 461-473 (2021).
- Kasai, M., Isa, T. Effects of light isoflurane anesthesia on organization of direction and orientation selectivity in the superficial layer of the mouse superior colliculus. The Journal of Neuroscience. 42 (4), 619-630 (2022).
- Kim, S., et al. The apical complex couples cell fate and cell survival to cerebral cortical development. Neuron. 66 (1), 69-84 (2010).
- Kaifosh, P., Zaremba, J. D., Danielson, N. B., Losonczy, A. S. I. M. A. Python software for analysis of dynamic fluorescence imaging data. Frontiers in Neuroinformatics. 8, 80 (2014).
- Pnevmatikakis, E. A., Giovannucci, A. NoRMCorre: An online algorithm for piecewise rigid motion correction of calcium imaging data. Journal of Neuroscience Methods. 291, 83-94 (2017).
- Kerlin, A. M., Andermann, M. L., Berezovskii, V. K., Reid, R. C. Broadly tuned response properties of diverse inhibitory neuron subtypes in mouse visual cortex. Neuron. 67 (5), 858-871 (2010).
- Göbel, W., Helmchen, F. In vivo calcium imaging of neural network function. Physiology. 22 (6), 358-365 (2007).
- Dombeck, D. A., Khabbaz, A. N., Collman, F., Adelman, T. L., Tank, D. W. Imaging large-scale neural activity with cellular resolution in awake, mobile mice. Neuron. 56 (1), 43-57 (2007).
- Evans, D. A., et al. A synaptic threshold mechanism for computing escape decisions. Nature. 558 (7711), 590-594 (2018).
