El reciente desarrollo de herramientas de la neurociencia, que combinan la genética y la óptica, denominada "optogenética", permite el control sobre la actividad de circuitos neuronales con un nivel sin precedentes de la resolución espacial y temporal. Aquí les ofrecemos un protocolo para la integración en la grabación vivo con la manipulación optogenética de subconjuntos definidos genéticamente las neuronas piramidales corticales y subicular prefrontales.
Métodos optogenética se han convertido en una herramienta poderosa para la aclaración de la actividad del circuito neural que subyace a un conjunto diverso de conductas a través de una amplia gama de especies. Herramientas optogenética de origen microbiano se componen de proteínas de la membrana sensible a la luz que son capaces de activar (por ejemplo, canalrodopsina-2, ChR2) o silencio (por ejemplo, halorhodopsina, NpHR) actividad neuronal tipos de células definidas ingenetically-en escalas de tiempo conductualmente relevantes. En primer lugar, demostramos un enfoque simple para la entrega mediada por virus adeno-asociado de Chr2 y NpHR los transgenes a la subículo dorsal y región prelimbic de la corteza prefrontal en la rata. Debido a ChR2 y NpHR son genéticamente objeto de orientación, se describe el uso de esta tecnología para controlar la actividad eléctrica de poblaciones específicas de neuronas (es decir, las neuronas piramidales) incrustados en el tejido heterogéneo con alta precisión temporal. Se describe en el presente documento el hardware, software a medidainterfaz de usuario y los procedimientos que permitan la entrega simultánea de luz y de registro eléctrico de las neuronas piramidales transducidas en un anestesiado en preparación vivo. Estas herramientas responde a la luz proporcionan la oportunidad para identificar las contribuciones causales de los diferentes tipos de células en el procesamiento de la información y la conducta.
La capacidad de activar o silenciar un tipo celular específico dentro de un circuito neuronal de una manera temporal precisa es crítica para la comprensión de cómo los circuitos neuronales procesan diferentes tipos de información subyacentes emoción y la cognición. El control experimental sobre la actividad neural intacto ha empleado herramientas loss-/gain-of-function (por ejemplo, la estimulación eléctrica, la modulación farmacológica, lesión) que no proporcionan la necesaria selectivamente para controlar poblaciones específicas de neuronas, ya sea en una escala temporal o espacial. Dirigiéndose directamente estos retos tecnológicos, el desarrollo y la aplicación de herramientas sensibles a la luz genéticamente codificables ha permitido a los neurocientíficos para controlar la actividad eléctrica de selectos tipos de células durante los eventos de conducta bien definidos. Muchas de estas proteínas sensibles a la luz son de origen microbiano, con el canal de la luz-ción cerrada, canalrodopsina-2 (ChR2) 1, y la bomba de cloruro impulsada por la luz, halorhodopsin (NpHR) 2,3, de uso generalizado.
Una ventaja importante de la optogenética es la capacidad de poblaciones específicas de células genéticamente-diana en regiones del cerebro heterogéneos y la técnica se ha aplicado con éxito a un número de organismos modelo (invertebrados a los primates no humanos) 4-6. Muchos animales transgénicos optogenetic se han generado y se encuentran disponibles comercialmente 7,8, sin embargo el establecimiento de líneas transgénicas pueden ser mano de obra intensiva y el costo prohibitivo. Aquí se describe un protocolo para la entrega mediada por virus-de los genes Chr2 y NpHR bajo el promotor CaMKIIα en la rata corteza prelimbic y subículo dorsal usando un virus adeno-asociado recombinante (AAV). Dentro del cerebro anterior, la expresión CaMKIIα es exclusiva de las neuronas piramidales glutamatérgicas 9. AAV se utiliza comúnmente para la investigación básica debido a su relativa facilidad de la producción y la falta de patogenicidad, así como la fuerte y Persila expresión del transgen stent que se ha conseguido con estos vectores 10. Además delineamos los pasos y hardware para la entrega de la luz y grabación simultánea en ratas cabeza-fijo anestesiados.
Una amplia gama de técnicas disponibles para la genética de metas de genes opsina microbianas a regiones discretas del cerebro en los roedores. La entrega de genes viral proporciona un enfoque relativamente barata y rápida para mediar ChR2 y NpHR expresión con especificidad de tipo celular. Sistemas de vectores de AAV son una opción común para uso en experimentos optogenetic debido a títulos altos de producción que permanecen estables durante el almacenamiento, su falta de patogenicidad, y su capacidad de producir la expresión génica a largo plazo 10. Muchas de las construcciones opsina con promotores específicos de células de tipo están comercialmente disponibles en una variedad de serotipos de AAV de instalaciones básicas de vectores, tales como la Universidad de Pennsylvania ( http://www.med.upenn.edu/gtp/vectorcore ) o la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill ( http://genetherapy.unc.edu ). Un inconveniente de la tecnología de AAV es lacapacidad limitada de embalaje (~ 4,7 kb), que impone una restricción en el tamaño de la casete del transgén que puede ser utilizado para la orientación específica de la célula. Como alternativa, los vectores lentivirales, que tienen una capacidad de envasado más grande, son capaces de acomodar opsina dirigidos bajo el control de secuencias promotoras más grandes.
El uso de un Optrode permite la detección fiable de señales electrofisiológicas en combinación con la entrega de luz temporalmente-precisa. Como se describió anteriormente, sin embargo, es necesario tener cuidado suficiente en su construcción. Dado que la fibra óptica escindido es frágil, atar el hilo de sutura con demasiada fuerza puede hacer que la fibra se rompa. A pesar de que la Optrode se puede utilizar para realizar varias grabaciones, el electrodo y la fibra óptica se deben limpiar (o manualmente troceados en el caso de la extremo desnudo de la fibra óptica) antes de la inserción debido a que la impedancia del electrodo y la calidad de la luz entregada se degradará con el uso repetido.
Durante elegrabaciones ctrophysiological es importante que el Optrode ser avanzado lentamente. El Optrode utilizado aquí tiene aproximadamente 350 micras de espesor (electrodo de tungsteno: 125 micras; núcleo de fibra óptica: 200 m) y el descenso rápido podría conducir a un movimiento de tejido cerebral. Artefactos inducidos por luz también se pueden considerar con especial registro y entrega de la luz reglajes 11-12. Aunque no se encontraron artefacto inducido por la luz en nuestra condición experimental, grabaciones fuera de la zona del cerebro transducidas potencialmente se pueden utilizar como un control para los artefactos de luz. Otra consideración durante el proceso de grabación es la intensidad de la luz necesaria para observar los cambios en las neuronas CHR2 o NpHR expresan, especialmente para largas grabaciones de duración. Intensidad del láser fuerte y la iluminación láser de largo podría resultar en el daño tisular y / o una disminución de la respuesta a la luz posterior entrega 12-13. Para la experimentación del comportamiento se requiere el uso de un vector viral de control para eliminating ningún efecto debido al calor emitido desde la fibra. Para muchas de las construcciones optogenetic disponibles comercialmente existen construcciones de control complementarios en los que se ha eliminado la secuencia del gen de la opsina.
Cabe señalar que diseñado ChR2 variantes con propiedades mejoradas y la cinética se han desarrollado junto con otros opsinas de silenciamiento que pueden ser más adecuados para ciertos preguntas experimentales 14-15. Por ejemplo, una nueva variante ChR2 establecido a través de mutagénesis dirigida, denominada "Cheta", puede conducir de alta fidelidad Rematar neuronal en las frecuencias (hasta al menos 200 Hz) por encima de la del original ChR2 14.
La combinación de in vivo de suministro de luz y la grabación simultánea de las respuestas neuronales es un paso crítico en el establecimiento de relaciones de causalidad entre la actividad con dibujos en las poblaciones de células genéticamente específicos y eventos de comportamiento en el tiempo de bloqueo correspondientes. Los procedimientos y hardware descrito aquí proporciona un enfoque directo para la aplicación de la optogenética para Vivo grabaciones cabeza-fija en en roedores.
The authors have nothing to disclose.
Este trabajo fue apoyado por el Instituto Nacional sobre el Abuso de Drogas (NIDA) de subvención R01 DA24040 (DCC) de la Universidad de Colorado Fondo Semilla Innovador (DCC), y NIDA beca de formación T32 DA017637 (MVB).
Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
Syringe | Hamilton | 7653-01 | 10 μl |
Removable Needle | Hamilton | 7803-03 | 31 gauge, beveled tip |
Microinjector Pump | World Precision Instruments | UMP3 | |
Pump Controller | World Precision Instruments | SYS-MICRO4 | |
Silicone Oil | Alfa Aesar | A12728 | |
Laser Protective Eyeware | Kentek | KMT-4501 | |
Multimode Optical Fiber | Thorlabs | BFL37-200 | 200 μm diameter core, 0.37 NA |
Fiber Stripping Tool | Thorlabs | T12S21 | for 200 μm diameter core multimode fiber |
Optical Power Meter | Lumiphy LLC | www.lumiphy.com | |
Photodetector | Newport | 818-SL/DB | |
Blue Laser (445-473 nm, 100-200 mW) | Lumiphy LLC | www.lumiphy.com | coupled to a 200 μm multimode fiber with FC/PC adapter |
Green Laser (532 nm, 100-200 mW) | Lumiphy LLC | www.lumiphy.com | coupled to a 200 μm multimode fiber with FC/PC adapter |
Tungsten/Fiber Optrode | Lumiphy LLC | www.lumiphy.com | Lumitrode |
Glass Capillary Tube | Fisher Scientific | 22-362-566 | |
Hydraulic Micromanipulator | Narishige | MO-22 | |
Amplifier | Kation Scientific | ExAmp-20K | |
Data Acquistion Device | National Instruments | NI USB-6009 | |
Rodent Head Restraint for Recording | Lumiphy LLC | www.lumiphy.com | |
Small Animal Stereotaxic Unit | David Kopf Instruments | Model 963 |