נפח גדול, תאורה בהתנהגותו רלוונטיות עבור Optogenetics אנושיות פרימטים
Summary
פרוטוקול לבנות של המאייר חודר לרקמות להעברת האור מעל בנפחים גדולים בקוטר מינימלי מוצג.
Abstract
פרוטוקול זה מתאר של המאייר בנפח גדול, אשר פותחה עבור optogenetic מניפולציות במוח אנושיות הפרימטים. המאיר הוא ששונה סיב אופטי פלסטיק עם טיפ חרוט, כזה הוא האור emitting שטח > 100 x של סיבים קונבנציונלי. בנוסף מתאר את בניית המאיר בנפח גדול, פרוטוקול זה מפרט את כיול בקרת איכות להשתמש כדי להבטיח הפצה אפילו אור. יתר על כן, פרוטוקול זה מתאר שיטות עבור הוספת והסרה המאיר נפח גדול. שטחי ועמוק מבנים עשויים להיות מואר. המאייר נפח גדול זה אינו צריך להיות פיזית מצמידים אלקטרודה, כי המאיר עשוי פלסטיק, לא זכוכית, זה פשוט יתכופף בנסיבות כאשר סיבים אופטיים המסורתי היה מנפץ. כי המאייר הזה מספק אור על רקמות בהתנהגותו רלוונטיות עבור אמצעי אחסון (≈ 10 מ מ3) עם אין נזק חדירה גדולה יותר מאשר סיב אופטי רגיל, זה מקל על מחקרים התנהגותיים באמצעות optogenetics אנושיות פרימטים.
Introduction
כלי Optogenetic, המאפשרים שליטה עצביים אלפית שנייה מדוייק, מונחה אור נמצאים בשימוש נרחב ללמוד פונקציונלי פיזיולוגיה והתנהגות מכרסמים, חסרי חוליות. עם זאת, האתגרים הטכניים מוגבלת על השימוש optogenetics במוח אנושיות הפרימטים, אשר עוצמה ~ 100 x גדול יותר המוח מכרסמים 1.
כדי להקל על מחקרים optogenetics קופים, מאייר היה שנועדה לתת מענה מתחרות שתי מטרות: נפח גדול תאורה ונזק חדירה מינימלי. ניסיונות קודמים לכתובת אחת הדאגות האלה הגיעו סוף יקר של האחר. חבילות של סיבים מאירות אחסון גדולים יותר אבל עם קוטר מוגברת, ולפיכך, נזק2,3. סיבי זכוכית מחודדות להפחית נזק חדירה, אבל בקושי מיקוד האור כדי פולטות אור פני שטחים < 100 מיקרומטר2 4,5. תאורה חיצוניים המוח דרך חלון בדורא עוקף את האתגר של חדירה נזק, עשוי לאפשר לתאורת נפח גדול, אבל זה יכול לשמש רק המוח שטחי מספר אזורים6.
כדי ליצור של המאייר קוטר בנפח גדול, קטן (איור 1 א’), קצה אופטי סיבים חום צמצום, את הליבה ואת חיפוי פלסטיק חרוט (איור 1bג). בניגוד סיבים אחרים מחודדות זה למקד את האור בנקודה צרה, מאפשר החריטה אור לברוח באופן שווה הצדדים של הטיפ, לפיכך, הפצת אור בהרחבה מעל שטח גדול (איור 1-de). מפני חדירה נזק הוא יחסי חדירה קוטר, המאייר הזה יש אין חדירה יותר נזק מאשר בד קונבנציונאלי, עדיין יש לו > 100 x האור פליטת אור ואזור מספק משטח להפכה עם 1/100th כוח אור צפיפות מוח פנטום (1.75% agarose) (איור 1e). דגם מונטה קרלו (איור 1f) ממחיש את ההבדל בהתפשטות אור בין סיבים קונבנציונאלי המאיר נפח גדול כאשר יש להם כוח אור שווה צפיפויות כאור שלהם פולטות משטחים. המאייר כל אחד בנפרד מכויל באמצעות כדור של שילוב (איור 2 א, ב’) כדי להבטיח הפצה אפילו אור לאורך הקצה (איור 2 c).
המאייר נפח גדול זו אומתה עם optogenetic מניפולציה של התנהגות והן ירי עצביים פרימטים אנושיות. עשוי להתאים אישית את האורך עצה סיבים לכל אזור במוח, מפת שדה קלט בודדים של כל בעל חיים. המאיר יכול לזווג עם אלקטרודת חדירה להקלטות עצביים המתפרסים על האורך של תאורה. עוד, כי הסיבים יכולים לשאת בכל צבעי האור הנראה, זה ניתן לזווג עם כל של מולקולות optogenetic הזמינים הזמינים.
Protocol
Representative Results
Discussion
בעוד optogenetic כלים נמצאים בשימוש נרחב לחקר מחלת ופיזיולוגיה של מכרסמים, האתגר הטכני של אמצעי אחסון מוח גדולה זרחני מוגבל השימוש optogenetics אנושיות פרימטים. חלוצי מחקרים בקופים בשימוש צפיפות מטען גדול (~ 100 מ”מ/mW2 מ”מ/W 202) כדי להאיר כרכים קטנים, אולי < 1 מ3ודווח על תופעות התנהגותיו?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
LCA מאשר מימון של אחוות NDSEG את GRFP ה-NSF, החברים של מכון מק’גוברן. EP מאשר מימון את הארי ואת יוניס Nohara UROP קרן מחלקת MIT של קרן UROP 1995, הקרן UROP MIT. ESB מאשר מימון 2R44NS070453-03A1 NIH, בפרס הארווי בוא ו בפרס קרן-רוברטסון בתאי גזע בניו יורק. RD מאשר מימון NIH EY017292. מייקל וויליאמס עזר הקבוצה לארגן לאסוף חומרים לפני הצילומים.
Materials
| Plastic optical fiber | Industrial fiber optics | SK-10 | 250 micron diameter, Super Eska line |
| Wire stripper | Klein Tools | 11047 | 22 gauge |
| Vise Clamp | Wilton | 11104 | Generic table mount vice clamp |
| Dual temperature heat gun | Milwaukee | 8975-6 | 570 / 1000°F |
| Lab marker | VWR | 52877 | |
| Dissection microscope | VistaVision | 82027-156 | Stereo microscope w/ dual incandescent light, 2x/4x magnification, available from VWR |
| Lab tape | VWR | 89097-972 | 4 pack of violet color; however, tape color does not matter |
| Silicon carbide lapping sheet | ThorLabs | LF5P | 5 micron grit, 10 pack |
| Aluminum oxide lapping sheet | ThorLabs | LF3P | 3 micron grit, 10 pack |
| Aluminum oxide lapping sheet | ThorLabs | LF1P | 1 micron grit, 10 pack |
| Calcined alumina lapping sheet | ThorLabs | LF03P | 0.3 micron grit, 10 pack |
| Hot knife | Industrial fiber optics | IF370012 | 60 Watt, heavy duty |
| Fiber inspection scope | ThorLabs | FS201 | optional |
| Stainless Steel Ferrule | Precision fiber optics | MM-FER2003SS-265 | 265 micron inner diameter |
| 1 mL syringe | BD | 14-823-30 | Luer-lok tip is preferable to reduce risk of leakage, but not strictly needed |
| Plastic epoxy | Industrial fiber optics | 40 0005 | |
| 18 gauge blunt needle | BD | 305180 | 1.5 inch length |
| Lint-free wipe (KimWipe) | ThorLabs | KW32 | available from many vendors |
| Light absorbing foil | ThorLabs | BKF12 | |
| Electrical tape | 3M | Temflex 1700 | Optional, may substitute other brands / models |
| 26 gauge sharp needle | BD | 305111 | 0.5 inch length |
| Micromanipulator | Siskiyou | 70750000E | may substitute other brands/models |
| Steretactic arm | Kopf | 1460 | may substitute other brands/models |
| Laser safety goggles | KenTeK | KCM-6012 | must be selected based on the color of laser used, example given here |
| Laser or other light source | vortran | Stradus 473-50 | example of blue laser |
| Integrating sphere | ThorLabs | S142C | Attached power meter, also available from ThorLabs, item #PM100D |
| Ultem recording chamber | Crist instrument company | 6-ICO-J0 | Customized with alignment notch |
| Tower microdrive with clamps | NAN | DRTBL-CMS | |
| Guide tube | Custom | N/A | Made from 25 gauge spinal needle (BD) or blunt tubing |
| NAN driver system | NAN | NANDrive | |
| Custom grid design | custom | custom | plans available upon request |
| Blunt forceps | FischerScientific | 08-875-8A | generic stainless steel blunt forceps |
| Digital calipers | Neiko | 01407A | available on amazon.com. May select a finer resolution caliper for more precise measurements. |
| Patch cable | ThorLabs | FG200LCC-custom | This is one example of many possible patch cables. As long as the fiber diameter is less than or equal to the fiber diameter of the large volume illuminator and as long as the connectors interface, any patch cable (glass or plastic, vendor purchased or made in the lab) is fine for this application. |
| Clear plastic dust caps | ThorLabs | CAPF | Package of 25 |
| ceramic split mating sleeve | Precision Fiber Products, Inc. | SM-CS1140S |
References
- Herculano-Houzel, S. The human brain in numbers: a linearly scaled-up primate brain. Front Hum Neurosci. 3, 31 (2009).
- Tamura, K., et al. A glass-coated tungsten microelectrode enclosing optical fibers for optogenetic exploration in primate deep brain structures. J Neurosci Meth. 211 (1), 49-57 (2012).
- Diester, I., et al. An optogenetic toolbox designed for primates. Nat Neurosci. 14 (3), 387-397 (2011).
- Dai, J., Brooks, D. I., Sheinberg, D. L. Optogenetic and Electrical Microstimulation Systematically Bias Visuospatial Choice in Primates. Curr biol. 24 (1), 63-69 (2014).
- Ozden, I., et al. A coaxial optrode as multifunction write-read probe for optogenetic studies in non-human primates. J Neurosci Meth. 219 (1), 142-154 (2013).
- Ruiz, O., et al. Optogenetics through windows on the brain in the nonhuman primate. J Neurophysiol. 110 (6), 1455-1467 (2013).
- Chuong, A. S., et al. Noninvasive optical inhibition with a red-shifted microbial rhodopsin. Nat Neurosci. 17 (8), 1123-1129 (2014).
- Acker, L., Pino, E. N., Boyden, E. S., Desimone, R. FEF inactivation with improved optogenetic methods. Proc Natl Acad Sci U S A. 113 (46), 7297-7306 (2016).
- Jazayeri, M., Lindbloom-Brown, Z., Horwitz, G. D. Saccadic eye movements evoked by optogenetic activation of primate V1. Nat Neurosci. 15 (10), 1368-1370 (2012).
- Gerits, A., et al. Optogenetically Induced Behavioral and Functional Network Changes in Primates. Curr Biol. 22 (18), 1722-1726 (2012).
- Ohayon, S., Grimaldi, P., Schweers, N., Tsao, D. Y. Saccade modulation by optical and electrical stimulation in the macaque frontal eye field. J Neurosci. 33 (42), 16684-16697 (2013).
- Cavanaugh, J., et al. Optogenetic inactivation modifies monkey visuomotor behavior. Neuron. 76 (5), 901-907 (2012).
