Zwei-Photonen-Calcium Imaging in Mäuse Navigieren in einer Virtual-Reality-Umgebung
Summary
Hier beschreiben wir die in Zwei-Photonen-Bildgebung von Maus Cortex während Verhalten in einer Umgebung der virtuellen Realität beteiligt experimentellen Verfahren.
Abstract
In den letzten Jahren hat Zwei-Photonen-Imaging ist ein wertvolles Werkzeug in den Neurowissenschaften, wie es für chronische Messung der Aktivität von genetisch identifizierten Zellen während Verhalten 6.1. Hier beschreiben wir Methoden, um Zwei-Photonen-Imaging in Maus Kortex, während das Tier navigiert ein Virtual-Reality-Umgebung. Wir konzentrieren uns auf die Aspekte der experimentellen Verfahren, die Schlüssel in einem Tier verhalten in einem hell erleuchteten virtuellen Umgebung Bildgebung sind. Die wichtigsten Probleme, die in diesem Versuchsaufbau, dass wir hier sind, entstehen Adresse: Minimierung Gehirn Bewegung bezogenen Artefakte minimiert Lichtaustritt aus der virtuellen Realität Projektionssystem und der Minimierung der laserinduzierten Gewebeschäden. Wir bieten auch Beispiel-Software, um die Virtual-Reality-Umgebung zu steuern und Schüler Tracking zu tun. Mit diesen Verfahren und Mittel sollte es möglich sein, einen herkömmlichen Zwei-Photonen-Mikroskop zur Verwendung in Mäusen verhalten konvertieren.
Introduction
Zwei-Photonen-Imaging von Calcium-Indikatoren (genetisch wie GCaMP5 7 oder R-GECO 8, oder synthetische Farbstoffe wie OGB oder Fluo4 kodiert) als leistungsfähige Methode zur Messung der neuronalen Aktivität in Mäusen verhält 6.1 entstanden. Sie ermöglicht die gleichzeitige Messung der Aktivität von Hunderten von Zellen mit nahezu einzelnes Aktionspotential Auflösung, bis zu etwa 800 &mgr; m unter der Hirnoberfläche 9,10. Darüber hinaus mit genetisch kodierte Kalzium-Indikatoren (GeCIS) neuronale Aktivität gemessen werden kann chronisch 5,11,12 und in genetisch definierten Zelltypen 13. Zusammen bieten diese Methoden einen Grad an zeitlicher und räumlicher Auflösung, die sich eröffnen eine Vielzahl neuer Möglichkeiten bei der Untersuchung von neuronalen Berechnung in vivo.
Der chirurgische Eingriff ist notwendig, um für die Bildgebung aussetzen und beschriften Sie die Maus Gehirn. Zellen werden typischerweise unter Verwendung eines rekombinanten Adeno-assoziierten vir transfizierten us (AAV)-System für GECI Lieferung und kranial Fenster auf die Injektionsstelle implantiert, um einen optischen Zugang zum Gehirn zu erhalten. Ein Kopfleiste wird dann an den Schädel für Kopf-Fixierung unter der Zwei-Photonen-Mikroskop angebracht. Das Design und die Implementierung dieser Schritte ist kritisch, da die meisten der Probleme, wach Bildgebung ergeben sich Instabilitäten bei der Herstellung. Idealerweise sollte für chronische Abbildung von bis zu mehreren Monaten nach der Operation die hier beschriebene Vorgehensweise zu ermöglichen.
Um visuell geführte Verhalten während der Zwei-Photonen-Imaging ermöglichen, sitzt der Kopf fixiert Maus auf einem Luft unterstützt Kugellaufband, die sie verwenden können, um eine virtuelle Realität Umgebung zu navigieren. Locomotion der Maus auf dem Laufband ist, um die Bewegung in der virtuellen Umgebung, die auf einem Ring Bildschirm rund um die Maus 14,15 angezeigt wird, gekoppelt. Verhaltensvariablen, wie Fortbewegung, visuellen Reiz und Pupillenposition aufgezeichnet 6 werden.
t "> Wir beschreiben die Verfahren bei chronischen Zwei-Photonen-Imaging bei Mäusen Erforschung einer virtuellen Umgebung beteiligt Die wichtigsten Punkte angesprochen werden:. Reduzierung von Bewegungsartefakten, Reduzierung der Licht Leck, Maximierung der Anzahl der gleichzeitig aufgenommenen Zellen, und die Minimierung der Foto Schäden. Wir bieten auch Informationen über die Einrichtung des luftgestützten Laufband, Schüler-Tracking und die Umgebung der virtuellen Realität. Die hier beschriebenen Verfahren können zur Abbildung fluoreszenzmarkierten Zellpopulationen im Kopf fixiert Mäuse in einer möglicherweise Vielzahl von Verhaltensparadigmen verwendet werden .Protocol
Representative Results
Discussion
Der Schlüssel zum Erfolg des Verhaltens Zwei-Photonen-Bildgebung ist die Stabilität der Zubereitung in zwei Arten:
- Im Laufe der Tage nach der Implantation Fenster können entzündliche Reaktionen des Gewebes auf die Verbesserung der Bildung von Granulationsgewebe und Knorpel, behindern oder sogar verhindern Bildgebung führen wird.
- Während des Experiments das Gehirn ausreichend stabil, um Bewegungsartefakte zu korrumpieren neuronalen Aktivität verbunden Fluoreszenzsignals zu verhindern. <…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von der Friedrich-Miescher-Institut für biomedizinische Forschung der Max-Planck-Gesellschaft, und der Human Frontiers Science Program unterstützt.
Materials
| cover slips (d = 3-5 mm) | Menzel | window implant | |
| InSight DeepSee laser | Spectra-Physics | microscope | |
| 12kHz resonance scanner | Cambridge Technology | G1-003-30026 | microscope |
| Galvometer | Cambridge Technology | G6215H | microscope |
| Digitizer | National Instruments | NI 5772 | microscope |
| FPGA | National Instruments | PXIe 7965R | microscope |
| Acquisition card | National Instruments | PCIe 6363 | microscope |
| Emission filter 525/50 | Semrock | FF03-525/50-25 | microscope |
| Piezo-electric z-drive | Physikinstrumente | P-726.1CD | microscope |
| Controller for piezo-electric drive | Physikinstrumente | E665 LVPZT | microscope |
| Objective 16x, 0.8NA | Nikon | CFI75 | microscope |
| Current amplifier | Femto | DHPCA-100 | microscope |
| Photomultiplier tube | Hamamatsu | microscope | |
| USB Camera without IR filter | ImagingSource | DMK22BUC03 | pupil tracking |
| Objective 50 mm | ImagingSource | M5018-MP | pupil tracking |
| Macro adapter rings | ImagingSource | LAexSet | pupil tracking |
| Optical computer mouse | Logitech | G500 | motion tracking |
| Styrofoam ball 20 cm | e.g. idee-shop.de | 08797.00.15 | virtual environment |
| LED projector | Samsung | SP-F10M | virtual environment |
| Acquisition card | National Instruments | NI 6009 | virtual environment |
| Panda3D game engine | www.panda3d.org | virtual environment | |
| Numpy library for Python | www.scipy.org | virtual environment | |
| Scipy library for Python | www.scipy.org | virtual environment | |
| NI-DAQmx driver | National Instruments | www.ni.com | virtual environment |
| Ultrasound gel | Dahlhausen | 5701.0342.10 | imaging |
References
- Helmchen, F., Fee, M. S., Tank, D. W., Denk, W. A Miniature Head-Mounted Two-Photon MicroscopeHigh-Resolution Brain Imaging in Freely Moving Animals. Neuron. 31 (6), 903-912 (2001).
- 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, 43-57 (2007).
- Dombeck, D. A., Harvey, C. D., Tian, L., Looger, L. L., Tank, D. W. Functional imaging of hippocampal place cells at cellular resolution during virtual navigation. Nat. Neurosci. 13 (11), 1433-1440 (2010).
- Harvey, C. D., Coen, P., Tank, D. W. Choice-specific sequences in parietal cortex during a virtual-navigation decision task. Nature. 484 (7395), 62-68 (2012).
- Huber, D., Gutnisky, D. A. Multiple dynamic representations in the motor cortex during sensorimotor learning. Nature. 484 (7395), 473-478 (2012).
- Keller, G. B., Bonhoeffer, T., Hübener, M. Sensorimotor mismatch signals in primary visual cortex of the behaving mouse. Neuron. 74 (5), 809-815 (2012).
- Akerboom, J., Chen, T. -. W. Optimization of a GCaMP Calcium Indicator for Neural Activity Imaging. J. Neurosci. 32 (40), 13819-13840 (2012).
- Zhao, Y., Araki, S. An expanded palette of genetically encoded Ca2+ indicators. Science. 333 (6051), 1888-1891 (2011).
- Mittmann, W., Wallace, D. J. Two-photon calcium imaging of evoked activity from L5 somatosensory neurons in vivo. Nat. Neurosci. 14 (8), 1089-1893 (2011).
- Katona, G., Szalay, G. Fast two-photon in vivo imaging with three-dimensional random-access scanning in large tissue volumes. Nat. Methods. 9 (2), 201-208 (2012).
- Mank, M., Santos, A. F. A genetically encoded calcium indicator for chronic in vivo two-photon imaging. Nat. Methods. 5 (9), 805-811 (2008).
- Margolis, D. J., Lütcke, H. Reorganization of cortical population activity imaged throughout long-term sensory deprivation. Nat. Neurosci. 15 (11), 1539-1546 (2012).
- Zariwala, H. A., Borghuis, B. G. A Cre-dependent GCaMP3 reporter mouse for neuronal imaging in vivo. J. Neurosci. 32 (9), 3131-3141 (2012).
- Harvey, C. D., Collman, F., Dombeck, D. A., Tank, D. W. Intracellular dynamics of hippocampal place cells during virtual navigation. Nature. 461 (7266), 941-946 (2009).
- Hölscher, C., Schnee, A., Dahmen, H., Setia, L., Mallot, H. A. Rats are able to navigate in virtual environments. J. Exp. Biol. 208, 561-5519 (2005).
- Borlinghaus, R. T. MRT letter: high speed scanning has the potential to increase fluorescence yield and to reduce photobleaching). Microsc. Res. Tech. 69 (9), 689-692 (2006).
- Reiff, D. F., Plett, J., Mank, M., Griesbeck, O., Borst, A. Virtual Reality for Mice, mousevr.blogspot.com. Nat. Neurosci. 13, 973-978 (2010).
- Sakatani, T., Isa, T. Quantitative analysis of spontaneous saccade-like rapid eye movements in C57BL/6 mice. Neurosci. Res. 58, 324-331 (2007).
- Golshani, P., Portera-Cailliau, C. In vivo 2-photon calcium imaging in layer 2/3 of mice. J. Vis. Exp. (13), (2008).
- Holtmaat, A., Bonhoeffer, T. Long-term, high-resolution imaging in the mouse neocortex through a chronic cranial window. Nat. Protoc. 4 (8), 1128-1144 (2009).
- Schmidt-Hieber, C., Häusser, M. Cellular mechanisms of spatial navigation in the medial entorhinal cortex. Nat. Neurosci. 16 (3), 325-331 (2013).
