Summary

Calciumbilleddannelse i mus overlegen colliculus

Published: April 21, 2023
doi:

Summary

Denne protokol beskriver proceduren for billeddannelse af calciumresponser i den overlegne colliculus (SC) hos vågne mus, herunder billeddannelse af enkeltneuronaktivitet med to-fotonmikroskopi, mens cortex efterlades intakt i vildtypemus, og billeddannelse af hele SC med vidvinkelmikroskopi i delvis cortex-mutante mus.

Abstract

Den overlegne colliculus (SC), en evolutionært bevaret midterhjernestruktur hos alle hvirveldyr, er det mest sofistikerede visuelle center før fremkomsten af hjernebarken. Den modtager direkte input fra ~ 30 typer retinale ganglionceller (RGC’er), hvor hver koder for en specifik visuel funktion. Det er fortsat uklart, om SC blot arver retinale træk, eller om der forekommer yderligere og potentielt de novo-behandling i SC. For at afsløre den neurale kodning af visuel information i SC giver vi her en detaljeret protokol til optisk registrering af visuelle reaktioner med to komplementære metoder i vågne mus. Den ene metode bruger to-fotonmikroskopi til at afbilde calciumaktivitet ved enkeltcelleopløsning uden at ablere den overliggende cortex, mens den anden bruger vidvinkelmikroskopi til at afbilde hele SC af en mutant mus, hvis cortex stort set er uudviklet. Denne protokol beskriver disse to metoder, herunder dyreforberedelse, viral injektion, hovedpladeimplantation, stikimplantation, dataindsamling og dataanalyse. De repræsentative resultater viser, at to-foton calciumbilleddannelse afslører visuelt fremkaldte neuronale reaktioner ved enkeltcelleopløsning, og wide-field calciumbilleddannelse afslører neural aktivitet på tværs af hele SC. Ved at kombinere disse to metoder kan man afsløre den neurale kodning i SC på forskellige skalaer, og en sådan kombination kan også anvendes på andre hjerneområder.

Introduction

Den overlegne colliculus (SC) er et vigtigt visuelt center hos alle hvirveldyr. Hos pattedyr modtager den direkte input fra nethinden og den visuelle cortex1. Mens optisk optagelse er blevet anvendt i vid udstrækning på cortex 2,3,4,5, hindres dens anvendelse i SC af dårlig optisk adgang 6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17 ,18,19. Målet med denne protokol er at give detaljer om to komplementære metoder til optisk optagelse af den neurale aktivitet i SC.

SC er placeret under cortex og tværgående sinus, hvilket begrænser optisk adgang til de kollikulære neuroner. En metode til at overvinde denne begrænsning er at aspirere den overliggende cortex og udsætte den forreste laterale SC 7,9,10,13,14,19. Men fordi SC modtager kortikale input, kan en sådan operation påvirke, hvordan SC-neuronerne reagerer på visuelle stimuli. For at overvinde denne begrænsning beskriver vi her en alternativ protokol til at afbilde det overfladiske lag af den bageste mediale SC med et siliciumstik, mens cortex forbliver intakt 8,11. Specifikt for at opnå enkeltcelleopløsning anvendte vi to-fotonmikroskopi til billedcalciumresponser i den bageste mediale SC hos vildtypemus. For at opnå bred dækning anvendte vi desuden vidvinkelmikroskopi til at afbilde hele SC af en mutant mus, hvis bageste cortex ikke har udviklet20.

De to metoder, der er beskrevet i denne protokol, supplerer hinanden. To-foton calciumbilleddannelse uden ablering af cortex er egnet til registrering af neural aktivitet ved enkeltcelleopløsning med intakte kortikale indgange. Wide-field calciumbilleddannelse er velegnet til registrering af neural aktivitet i hele SC, mens den rumlige opløsning ofres.

Protocol

Alle eksperimentelle procedurer blev udført i overensstemmelse med dyrevelfærdsretningslinjerne og godkendt af IACUC ved Chinese Institute for Brain Research, Beijing. BEMÆRK: Tidslinjen for denne protokol er som følger: 1) lav sugekoppen; 2) injicere virussen; 3) implanter hovedpladen; 4) implanter stikket efter 3 uger; 5) Efter en ~ 3 dages genopretning og tilvænning på løbebåndet skal du udføre to-foton / vidvinkelbilleddannelse. 1. Klargøring af …

Representative Results

Figur 1A,B viser, hvordan man fremstiller henholdsvis sugekoppen og propperne. Figur 2 viser, hvordan du implanterer stikket med succes. Efter implantering af stikket eksponeres den bageste mediale SC som vist i figur 2D. Figur 3 viser calciumresponser af SC-neuroner fra et eksempel på vildtypemus afbildet ved hjælp af to-fotonmikroskopi. Det trekantede prisme, som let fanges under mi…

Discussion

Kritiske trin i protokollen
Det mest kritiske trin er kraniotomien i trin 5.2 og 5.3. For det første er knoglen 0,5 mm bagved lambdaen tyk og har blodkar indeni, hvilket kan forårsage blødning under boreprocessen. Tilstrækkeligt gelskum bør være forberedt for at stoppe blødningen. For det andet er der en god chance for angiorrhexis, når knoglen fjernes lige over den tværgående sinus. Til fejlfinding er en alternativ tilgang at tynde knoglen inde i ovalen og fjerne den stykke for stykke. Et a…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde er støttet af National Natural Science Foundation of China (32271060). Y.-t.L. designede forskningen, udførte eksperimentet, analyserede dataene og skrev manuskriptet. Z.L. og R.W. udførte eksperimentet.

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

Referências

  1. May, P. J. The mammalian superior colliculus: laminar structure and connections. Progress in Brain Research. 151, 321-378 (2006).
  2. Denk, W., Strickler, J. H., Webb, W. W. Two-photon laser scanning fluorescence microscopy. Science. 248 (4951), 73-76 (1990).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Feinberg, E. H., Meister, M. Orientation columns in the mouse superior colliculus. Nature. 519 (7542), 229-232 (2015).
  9. Ahmadlou, M., Heimel, J. A. Preference for concentric orientations in the mouse superior colliculus. Nature Communications. 6, 6773 (2015).
  10. 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).
  11. Li, Y. T., Turan, Z., Meister, M. Functional architecture of motion direction in the mouse superior colliculus. Current Biology. 30 (17), 3304-3315 (2020).
  12. Gribizis, A., et al. Visual cortex gains independence from peripheral drive before eye opening. Neuron. 104 (4), 711-723 (2019).
  13. 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).
  14. Barchini, J., Shi, X., Chen, H., Cang, J. Bidirectional encoding of motion contrast in the mouse superior colliculus. eLife. 7, 35261 (2018).
  15. 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).
  16. Schröder, S., et al. Arousal modulates retinal output. Neuron. 107 (3), 487-495 (2020).
  17. Ge, X., et al. Retinal waves prime visual motion detection by simulating future optic flow. Science. 373 (6553), (2021).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Kim, S., et al. The apical complex couples cell fate and cell survival to cerebral cortical development. Neuron. 66 (1), 69-84 (2010).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Göbel, W., Helmchen, F. In vivo calcium imaging of neural network function. Physiology. 22 (6), 358-365 (2007).
  25. 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).
  26. Evans, D. A., et al. A synaptic threshold mechanism for computing escape decisions. Nature. 558 (7711), 590-594 (2018).
check_url/pt/65181?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Li, Z., Wu, R., Li, Y. Calcium Imaging in Mouse Superior Colliculus. J. Vis. Exp. (194), e65181, doi:10.3791/65181 (2023).

View Video