Ein Großer Lateral Craniotomy Verfahren für Mesoskalige Breitfeld Optical Imaging von Hirnaktivität
Summary
Dieses Protokoll stellt eine Methode zur Schaffung einer großen einseitigen Kraniotomie über die zeitlichen und parietalen Regionen der Maus Hirnrinde. Dies ist besonders nützlich für die Echtzeit-Bildgebung über einen expansiven Bereich einer kortikalen Hemisphäre.
Abstract
Die Kraniotomie ist ein häufig durchgeführtes Verfahren , das Gehirn für de – vivo – Experimente zu belichten. In Maus-Forschung verwenden die meisten Labors eine kleine Kraniotomie, typischerweise 3 mm x 3 mm. Dieses Protokoll stellt ein Verfahren zur Herstellung eines wesentlich größeren 7 mm x 6 mm kranialen Fenster zu schaffen meist eine zerebralen Hemisphäre über die Maus temporale und parietale Kortex aussetzt (zB Bregma 2,5 bis 4,5 mm, lateral 0-6 mm). Um diese Operation auszuführen, muss der Kopf gekippt werden etwa 30 ° und ein großer Teil der Schläfenmuskel muss zurückgezogen werden. Aufgrund der großen Menge an Knochenentfernung wird dieses Verfahren für die akute Experimente mit dem Tier während der Operation und Experiment betäubt nur gedacht.
Der Hauptvorteil dieses innovativen großen seitlichen Schädelfenster gleichzeitigen Zugang zu den beiden medialen und lateralen Bereichen der Hirnrinde zu liefern. Dieses große einseitige Schädelfenster kann verwendet werden, um die neuronale Dynamik zwischen Zellen zu untersuchen,sowie zwischen verschiedenen kortikalen Bereichen von Multi-Elektroden – elektrophysiologische Aufzeichnungen, Bildgebung neuronaler Aktivität (zB intrinsische oder extrinsische imaging) und optogenetische Stimulation kombiniert. Zusätzlich bietet diese große Craniotomie macht auch einen großen Bereich der kortikalen Blutgefäße, für die direkte Manipulation der lateralen kortikalen Gefäße ermöglicht.
Introduction
Die Kraniotomie ist ein Standardverfahren von Neurowissenschaftlern verwendet, um einen Teil des Gehirns zu zeigen. Seit Anbeginn der Elektrophysiologie hat die Kraniotomie beispiellos Durchbrüche auf dem Gebiet der Neurowissenschaften erlaubt. Dichte Abbildung der Hirnrinde mit Elektroden führte zu Experimenten Überprüfung von Hypothesen und Theorien auf der Grundlage dieser Karten. Wir haben vor kurzem in eine neue Ära , in der die Kraniotomie für in vivo Bildgebung von kortikalem Blutfluß 1, 2, 4, 3 und Gefäß – Nerven – Architektur ermöglichte die Visualisierung der kortikalen Aktivität in Echtzeit in den belichteten Bereichen 5, 6, 7 verwendet wird. Obwohl viele Studien verwenden Kraniotomien mit in vivo optischen Bildgebungstechniken kombiniert , um die Struktur und Funktion von kortikalen Neuronen zu untersuchen, Glia und cortische Vaskulatur 8, 9, werden weitere Untersuchungen von kleinen Bereichen des exponierten cortex begrenzt (siehe aber 10).
Der Zweck dieses Protokolls ist es, ein Verfahren zum Erzeugen einer große seitliche Kraniotomie zu schaffen, die Hirnrinde von der Mittellinie auf das Schuppenbein aussetzt und darüber hinaus Bregma und Lambda erstreckt. Diese große Kraniotomie ermöglicht die gleichzeitige Betrachtung der Assoziationskortizes (retrosplenialen, cingulären und parietale), primären und sekundären Motor, somatosensorischen, visuelle und auditorischen Cortex. Dieses Verfahren wurde mit spannungsempfindliche Farbstoff imaging (VSDI) zu untersuchen , die zuvor gekoppelt , wie mehrere kortikalen Bereichen miteinander während der spontanen und Stimulus-induzierten kortikaler Aktivität 5, 11, 12 in Wechselwirkung treten. Die schwierigsten Aspekte dieses Verfahrens umfassen Positionierung des Kopfesdes Tieres, Fixieren der Kopfplatte, und die Vermeidung von Blutung während des Schläfenmuskel von dem parietalen Knochen trennt. Es muss auch während der Bohr- und Schädel-Entfernungsverfahren, wie die Schädel Kurven in einem schrägen Winkel aufgenommen werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieses innovative Protokoll für ein großes Schädelfenster ermöglicht die gleichzeitige Bildgebung über die zeitlichen und parietalen Bereiche der Hirnrinde. Kombiniert mit der optischen Bildgebung kann es helfen, die neuronale Dynamik innerhalb kortikaler Bereiche während der spontanen und stimulusinduzierten Aktivität aufzudecken. Diese expansive Craniotomie macht auch eine große Ausdehnung des kortikalen Gefäßnetzes aus, einschließlich des proximalen Endes der mittleren zerebralen Arterie (MCA), was eine <e…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wird von einer Natur- und Ingenieurwissenschaften Research Council of Canada (NSERC) Discovery-Grant-# 40352, Campus Alberta für Innovation Program Chair, Alberta Alzheimer-Forschungsprogramm zu MHM und NSERC CREATE in BIF Promotionsstipendium und Abchasisches Forschungsinstitut postgraduale Gemeinschaft zu MK unterstützt wurde. Wir danken Pu Min Wang für die Entwicklung dieses Protokolls und für die chirurgische Ausbildung und Behroo Mirza Agha und Di Shao für Haltung.
Materials
| Heating Pad | FHC | 40-90-2 | |
| Fine Scissors | Fine Science Tools | 14058-09 | |
| Forceps | Fine Science Tools | 11251-35 | 2 or more pairs are recommended |
| Spring scissors | Fine Science Tools | 15000-00, 15000-10 | 1 pair should be designated for dura removal |
| Jet tooth shade powder | LANG Dental | Jet Tooth Shade Powder | to be mixed with the Jet Liquid |
| Jet tooth shade liquid | LANG Dental | Jet Tooth Shade Liquid | to be mixed wihth the Jet Powder |
| Drill Heads – Carbide Burs FG 1/4 389 | Midwest Dental | 385201 | |
| Agarose Powder | Sigma-Aldrich | A9793 | |
| Gelfoam | Sinclair Dental Canada | Pfizer Gelfoam | |
| Isoflurane | Western Drug Distribution Centre Ltd | 124125 | |
| Lidocaine 2% Epinephrine | Western Drug Distribution Centre Ltd | 125299 | |
| Dexamethazone 5 mg/mL | Western Drug Distribution Centre Ltd | 125231 | |
| Butyl cyanoacrylate glue (VetBond) | Western Drug Distribution Centre Ltd | 12612 |
Referências
- Sigler, A., Mohajerani, M. H., Murphy, T. H. Imaging rapid redistribution of sensory-evoked depolarization through existing cortical pathways after targeted stroke in mice. Proc Natl Acad Sci U S A. 106 (28), 11759-11764 (2009).
- Shih, A. Y., et al. Two-photon microscopy as a tool to study blood flow and neurovascular coupling in the rodent brain. J Cereb Blood Flow Metab. 32 (7), 1277-1309 (2012).
- Grinvald, A., Hildesheim, R. VSDI: a new era in functional imaging of cortical dynamics. Nat Rev Neurosci. 5 (11), 874-885 (2004).
- Blinder, P., Shih, A. Y., Rafie, C., Kleinfeld, D. Topological basis for the robust distribution of blood to rodent neocortex. Proc Natl Acad Sci U S A. 107 (28), 12670-12675 (2010).
- Mohajerani, M. H., et al. Spontaneous cortical activity alternates between motifs defined by regional axonal projections. Nat Neurosci. 16 (10), 1426-1435 (2013).
- Mohajerani, M. H., McVea, D. A., Fingas, M., Murphy, T. H. Mirrored bilateral slow-wave cortical activity within local circuits revealed by fast bihemispheric voltage-sensitive dye imaging in anesthetized and awake mice. J Neurosci. 30 (10), 3745-3751 (2010).
- Lippert, M. T., Takagaki, K., Xu, W., Huang, X., Wu, J. Y. Methods for voltage-sensitive dye imaging of rat cortical activity with high signal-to-noise ratio. J Neurophysiol. 98 (1), 502-512 (2007).
- Misgeld, T., Kerschensteiner, M. In vivo imaging of the diseased nervous system. Nat Rev Neurosci. 7 (6), 449-463 (2006).
- Kerr, J. N., Denk, W. Imaging in vivo: watching the brain in action. Nat Rev Neurosci. 9 (3), 195-205 (2008).
- Aronoff, R., et al. Long-range connectivity of mouse primary somatosensory barrel cortex. Eur J Neurosci. 31 (12), 2221-2233 (2010).
- McVea, D. A., Mohajerani, M. H., Murphy, T. H. Voltage-sensitive dye imaging reveals dynamic spatiotemporal properties of cortical activity after spontaneous muscle twitches in the newborn rat. J Neurosci. 32 (32), 10982-10994 (2012).
- Sweetnam, D., et al. Diabetes impairs cortical plasticity and functional recovery following ischemic stroke. J Neurosci. 32 (15), 5132-5143 (2012).
- Yin, Y. Q., et al. In vivo field recordings effectively monitor the mouse cortex and hippocampus under isoflurane anesthesia. Neural Regeneration Research. 11 (12), 1951-1955 (2016).
- Sharp, P. S., et al. Comparison of stimulus-evoked cerebral hemodynamics in the awake mouse and under a novel anesthetic regime. Scientific Reports. 5, 12621 (2015).
- Kyweriga, M., Mohajerani, M. H., Kianianmomeni, A. Optogenetics: Methods and Protocols. Methods in Molecular Biology. 1408, 251-265 (2016).
- Grutzendler, J., Gan, W. B. . Imaging in neuroscience and development : a laboratory manual. , (2005).
- Vanni, M. P., Murphy, T. H. Mesoscale transcranial spontaneous activity mapping in GCaMP3 transgenic mice reveals extensive reciprocal connections between areas of somatomotor cortex. J Neurosci. 34 (48), 15931-15946 (2014).
- Xie, Y., et al. Resolution of High-Frequency Mesoscale Intracortical Maps Using the Genetically Encoded Glutamate Sensor iGluSnFR. J Neurosci. 36 (4), 1261-1272 (2016).
- Chan, A. W., Mohajerani, M. H., LeDue, J. M., Wang, Y. T., Murphy, T. H. Mesoscale infraslow spontaneous membrane potential fluctuations recapitulate high-frequency activity cortical motifs. Nat Commun. 6, 7738 (2015).
- Lim, D. H., et al. In vivo Large-Scale Cortical Mapping Using Channelrhodopsin-2 Stimulation in Transgenic Mice Reveals Asymmetric and Reciprocal Relationships between Cortical Areas. Front Neural Circuits. 6, (2012).
- Ferezou, I., et al. Spatiotemporal dynamics of cortical sensorimotor integration in behaving mice. Neuron. 56 (5), 907-923 (2007).
- Mohajerani, M. H., Aminoltejari, K., Murphy, T. H. Targeted mini-strokes produce changes in interhemispheric sensory signal processing that are indicative of disinhibition within minutes. Proc Natl Acad Sci U S A. 108 (22), E183-E191 (2011).
- Madisen, L., et al. Transgenic mice for intersectional targeting of neural sensors and effectors with high specificity and performance. Neuron. 85 (5), 942-958 (2015).
