Summary

Ett stort Lateral Kraniotomi Förfarande för Mesoskalig Wide-field optisk avbildning av hjärnans aktivitet

Published: May 07, 2017
doi:

Summary

Detta protokoll presenterar en metod för att skapa en stor ensidig kraniotomi under de temporala och parietala områdena av mus-cerebral cortex. Detta är särskilt användbart för realtidsavbildning över ett expansivt område med en kortikal halvklotet.

Abstract

Kraniotomi är ett vanligt utfört förfarande för att exponera hjärnan för in vivo-experiment. I mus forskning, de flesta laboratorium utnyttjar en liten kraniotomi, typiskt 3 mm x 3 mm. Detta protokoll introducerar en metod för att skapa en väsentligen större 7 mm x 6 mm kraniala fönster exponerar det mesta av en cerebrala hemisfären över mus temporala och parietala cortex (t.ex. bregma under 2,5 – 4,5 mm, lateralt till 0 – 6 mm). Att utföra denna operation, måste huvudet lutas cirka 30 ° och mycket av den temporala muskeln måste dras tillbaka. Grund av den stora mängden av avlägsnande ben, är detta förfarande endast avsett för akuta experiment med djuret bedövades under hela operationen och experiment.

Den största fördelen med denna innovativa stora laterala kraniell fönster är att ge samtidig tillgång till både mediala och laterala delar av hjärnbarken. Denna stora ensidiga kraniell fönster kan användas för att studera neurala dynamiken mellan celler,såväl som mellan olika kortikala områden genom att kombinera flerelektrodelektrofysiologiska inspelningar, avbildning av neuronal aktivitet (t.ex. inre eller yttre avbildning), och optogenetic stimulering. Dessutom denna stora kraniotomi utsätter också ett stort område av kortikala blodkärl, vilket möjliggör direkt manipulation av den laterala kortikala kärl.

Introduction

Kraniotomi är en standardprocedur som används av neuroforskare för att avslöja en del av hjärnan. Sedan början av elektro har kraniotomi tillåts utan motstycke genombrott inom neurovetenskap. Tät kartläggning av hjärnbarken med elektroder har lett till försök att testa hypoteser och teorier baserade på dessa kartor. Vi har nyligen gått in i en ny era där kraniotomi är utnyttjas för in vivo avbildning av kortikalt blodflöde 1, 2, 3 och neurovaskulära arkitektur 4, som möjliggör realtidsvisualisering av kortikalt aktivitet inom de exponerade områdena 5, 6, 7. Även om många studier använder craniotomies kombinerat med in vivo optiska avbildningstekniker för att studera strukturen och funktionen av kortikala neuroner, glia, och cortiska vaskulatur 8, 9, är ytterligare undersökningar begränsas av små områden av exponerat cortex (men se 10).

Syftet med detta protokoll är att tillhandahålla en metod för att skapa en stor lateral kraniotomi, utsätta hjärnbarken från mittlinjen till squamosal benet, och som sträcker sig bortom bregma och lambda. Denna stora kraniotomi möjliggör samtidig visning av associations cortex (retrosplenial, cingulate, och parietal), primär och sekundär motor, somatosensoriska, visuell och hörselbarken. Denna metod har tidigare tillsammans med spänningskänsligt färgämne imaging (VSDI) för att undersöka hur flera kortikala områden interagerar med varandra under spontan och stimulus-inducerad kortikal aktivitet 5, 11, 12. De mest utmanande aspekterna av detta förfarande inkluderar att placera huvudethos djuret, fixering av huvudplattan, och att undvika blödning medan separera den temporala muskeln från parietala benet. Försiktighet måste också tas under borrning och skallen borttagningsprocesser som skallen kurvor vid en sned vinkel.

Protocol

Följande protokoll följer University of Lethbridge Djurvård kommittén (ACC) riktlinjer och genomförs i enlighet med normerna i den kanadensiska rådet om Animal Care (CCAC). 1. Framställning Under långa studieperioder, autoklav alla öppnade kirurgiska förnödenheter och se till att sterilitet upprätthålls under hela operationen. Om flera operationer krävs autoklav mellan operationer. Se till att det finns gott om hjärnan buffert på hand (minst 50 ml)….

Representative Results

Att studera interaktioner mellan kortikala områden inom en enda halvklotet, använde vi en stor kraniotomi sträcker sig tvärs över sinus sagittalis och 5 – 6 mm lateral. Denna kraniell fönster ingår primära (motor, somatosensoriska, visuell, auditiv), sekundär (motor, visuell), och förenings (retrosplenial, cingulate, parietal association) cortex av högra hjärnhalvorna (Figur 3A). För detta arbete har vi använt spänningskänsligt färgäm…

Discussion

Denna innovativa protokoll för en stor kraniell fönster möjliggör samtidig avbildning över de temporala och parietala områden av hjärnbarken. Kombinerat med optisk avbildning, kan det hjälpa att avslöja neurala dynamiken i kortikala områden under spontan och stimulus-inducerad aktivitet. Denna expansiva kraniotomi exponerar också ett stort förlängning av den kortikala vaskulaturen nätverket, inklusive den proximala änden av den mellersta hjärnartären (MCA), som möjliggör in vivo-avbildning av…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Detta arbete stöddes av en naturvetenskaplig och teknisk forskning Council of Canada (NSERC) Discovery Grant # 40352, Campus Alberta för innovation Chair, Alberta Alzheimer Research Program till MHM och NSERC SKAPA i BIF doktorandstipendium och AIHS forskarutbildning gemenskap till MK. Vi tackar Pu Min Wang för utvecklingen av detta protokoll och för kirurgisk utbildning och Behroo Mirza Agha och Di Shao för djurhållning.

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

  1. 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).
  2. 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).
  3. Grinvald, A., Hildesheim, R. VSDI: a new era in functional imaging of cortical dynamics. Nat Rev Neurosci. 5 (11), 874-885 (2004).
  4. 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).
  5. Mohajerani, M. H., et al. Spontaneous cortical activity alternates between motifs defined by regional axonal projections. Nat Neurosci. 16 (10), 1426-1435 (2013).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Misgeld, T., Kerschensteiner, M. In vivo imaging of the diseased nervous system. Nat Rev Neurosci. 7 (6), 449-463 (2006).
  9. Kerr, J. N., Denk, W. Imaging in vivo: watching the brain in action. Nat Rev Neurosci. 9 (3), 195-205 (2008).
  10. Aronoff, R., et al. Long-range connectivity of mouse primary somatosensory barrel cortex. Eur J Neurosci. 31 (12), 2221-2233 (2010).
  11. 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).
  12. Sweetnam, D., et al. Diabetes impairs cortical plasticity and functional recovery following ischemic stroke. J Neurosci. 32 (15), 5132-5143 (2012).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Kyweriga, M., Mohajerani, M. H., Kianianmomeni, A. Optogenetics: Methods and Protocols. Methods in Molecular Biology. 1408, 251-265 (2016).
  16. Grutzendler, J., Gan, W. B. . Imaging in neuroscience and development : a laboratory manual. , (2005).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Ferezou, I., et al. Spatiotemporal dynamics of cortical sensorimotor integration in behaving mice. Neuron. 56 (5), 907-923 (2007).
  22. 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).
  23. 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).
check_url/pt/52642?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Kyweriga, M., Sun, J., Wang, S., Kline, R., Mohajerani, M. H. A Large Lateral Craniotomy Procedure for Mesoscale Wide-field Optical Imaging of Brain Activity. J. Vis. Exp. (123), e52642, doi:10.3791/52642 (2017).

View Video