Özgürce Davranan Farenin Amigdalasında Kafaya Monte Minyatür Mikroskop ile Başarılı In vivo Kalsiyum Görüntüleme
Summary
In vivo mikroendoskopik kalsiyum görüntüleme, özgürce davranan hayvanlarda nöronal aktivitelerin gerçek zamanlı izlenmesini sağlayan paha biçilmez bir araçtır. Ancak bu tekniği amigdalaya uygulamak zor olmuştur. Bu protokol, farelerde minyatürleştirilmiş bir mikroskopla amigdala hücrelerini başarıyla hedeflemek için yararlı bir kılavuz sağlamayı amaçlamaktadır.
Abstract
In vivo serbestçe hareket eden hayvanlarda nöronal aktivitelerin gerçek zamanlı izlenmesi, nöronal aktiviteyi davranışa bağlamak için temel yaklaşımlardan biridir. Bu amaçla, genetik olarak kodlanmış kalsiyum göstergeleri (GECI’ler), minyatürleştirilmiş bir floresan mikroskobu ve gradyan refraktif indeks (GRIN) lensi kullanarak nöronlardaki kalsiyum geçicilerini tespit eden bir in vivo görüntüleme tekniği geliştirilmiş ve birçok beyinyapısına 1, 2,3,4,5,6başarıyla uygulanmıştır. Bu görüntüleme tekniği özellikle güçlüdür, çünkü genetik olarak tanımlanmış hücre popülasyonlarının birkaç haftaya kadar uzun süreli kronik eşzamanlı görüntülenmesini sağlar. Yararlı olmasına rağmen, bu görüntüleme tekniği, duygusal işlem ve ilişkilendirilebilir korku hafızası için gerekli bir beyin yapısı olan amigdala gibi beynin derinliklerine yer alan beyin yapılarına kolayca uygulanmamıştır7. Görüntüleme tekniğinin amigdalaya uygulanmasını zorlaştırıcı birkaç faktör vardır. Örneğin, hareket eserleri genellikle daha derin beyin bölgelerinde yapılan görüntüleme sırasında daha sık ortaya çıkar, çünkü beynin derinliklerine yerleştirilen bir kafaya monte mikroskop nispeten kararsızdır. Diğer bir sorun ise lateral ventrikülün implante grin lense yakın konumlandırılması ve solunum sırasındaki hareketinin kolayca düzeltilemeyen son derece düzensiz hareket yapıtlarına neden olmasıdır, bu da kararlı bir görüntüleme görünümü oluşturmayı zorlaştırır. Ayrıca, amigdaladaki hücreler genellikle dinlenme veya uyuşturulma durumunda sessiz olduğundan, daha sonraki görüntüleme için temelleme prosedürü sırasında amigdalada GECI’yi ifade eden hedef hücreleri bulmak ve odaklamak zordur. Bu protokol, bu kadar derin bir beyin bölgesinde başarılı in vivo kalsiyum görüntüleme için kafa montajlı minyatür mikroskop ile amigdaladaki GECI’yi ifade eden hücrelerin nasıl verimli bir şekilde hedeflenerek hedeflendirılacağına dair yararlı bir kılavuz sağlar. Bu protokolün belirli bir sisteme (örneğin, Inscopix) dayandığı, ancak bununla sınırlı olmadığı belirtilmiştir.
Introduction
Kalsiyum her yerde bulunan ikinci bir habercidir, hemen hemen her hücresel işlevde çok önemli bir rol oynar8. Nöronlarda, eylem potansiyeli ateşleme ve sinaptik giriş hücre içi serbest [Ca2+]9,10’unhızlıdeğişmesineneden olur. Bu nedenle, kalsiyum geçicilerini izlemek nöronal aktiviteyi izlemek için bir fırsat sağlar. GECI’ler, tanımlanmış hücre popülasyonlarında ve hücre içi bölmelerde[Ca 2+] izlenmesine izin veren güçlü araçlardır11,12. Protein bazlı kalsiyum göstergesinin birçok farklı türü arasında, tek bir GFP molekülü13’edayanan bir Ca2+ probu olan GCaMP, en optimize edilmiş ve bu nedenle yaygın olarak kullanılan GECI’dir. Birden fazla mühendislik turu sayesinde, GCaMP’nin bir dizi çeşidigeliştirilmiştir 12,14,15,16. Son geliştirilen GCaMPP’lerden birini kullanıyoruz, GCaMP7b, bu protokolde16. GCaMP sensörleri, geliştirme sırasında Ca2+ geçicilerinin görüntülenmesi, belirli bir kortikal tabakada in vivo görüntüleme18, motor görev öğreniminde devre dinamiklerinin ölçümü19ve hipokampus ve amigdala 20,21’deki ilişkisel korku hafızası ile ilgili hücre topluluğu aktivitesinin görüntülenmesi gibi bir dizi model organizmadanöraldevre fonksiyonlarının incelenmesine büyük katkıda bulunmuştur.
GECI’lerin optik görüntülemesinin çeşitli avantajları vardır22. Genetik kodlama, GECI’lerin genetik profil veya belirli anatomik bağlantı kalıpları ile tanımlanan belirli bir hücre alt kümesinde uzun süreli bir süre boyunca saptanmasını sağlar. Optik görüntüleme, canlı hayvanlarda yüzlerce ila binlerce nöronun in vivo kronik eşzamanlı izlenmesini sağlar. Kafa montajlı minyatür floresan mikroskoplar21, 23,24,25ile serbestçe davranan farelerin beynindeki GECI’lerin in vivo görüntüleme ve analizi için birkaç optik görüntüleme sistemi geliştirilmiştir. GECI’lere dayanan in vivo optik görüntüleme tekniğine, GRIN lense ve kafaya monte minyatür mikroskobun nöral devre aktivitesi ve davranışı arasındaki bağlantıyı incelemek için güçlü bir araç olmasına rağmen, bu teknolojinin amigdalaya uygulanması, GÖRÜNTÜ alma kalitesini ciddi şekilde azaltan hareket yapıtlarına neden olmadan amigdaladaki GECI’leri ifade eden hücrelere GRIN lensin hedef alınmasıyla ilgili çeşitli teknik sorunlar nedeniyle zor olmuştur. Bu protokol, amigdalada başarılı in vivo optik kalsiyum görüntüleme için kritik adımlar olan baseplate eki ve GRIN lens implantasyonunun cerrahi prosedürleri için yararlı bir kılavuz sağlamayı amaçlamaktadır. Bu protokol amigdalayı hedeflemesine rağmen, burada açıklanan çoğu prosedür genellikle diğer derin beyin bölgeleri için geçerlidir. Bu protokol belirli bir sisteme (örneğin Inscopix) dayansa da, aynı amaca diğer alternatif sistemlerle kolayca ulaşılabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada anlattığımız gibi amigdala gibi daha derin beyin bölgelerinde kafaya monte minyatür mikroskopi ile in vivo optik kalsiyum görüntülemede başarılı olmak için ustaca cerrahi teknikleri şarttır. Bu nedenle, bu protokol temel ataşman ve GRIN lens implantasyonunun optimize edilmiş cerrahi süreçleri için bir kılavuz sağlasa da, kritik adımlar için ek optimizasyon süreçleri gerekebilir. Protokol bölümünde belirtildiği gibi, cerrahide amigdala koordinatları, taban plakası ek adımında hava …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Samsung Bilim ve Teknoloji Vakfı’nın (Proje Numarası SSTF-BA1801-10) hibeleri ile desteklendi.
Materials
| 26G needle | BD | 302002 | Surgery |
| AAV1-Syn-GCaMP7b-WPRE | Addgene | 104493-AAV1 | Surgery |
| AAV2/1-CaMKiiα-GFP | custom made | Surgery | |
| Acrylic-Dental cement (Ortho-jet Acrylic Pink) | Lang | 1334-pink | Surgery & Baseplate Attachment |
| Air flow manipulator | Neurotar | NTR000253-04 | Baseplate Attachment |
| Amoxicillin | SIGMA | A8523-5G | Surgery |
| Baseplate | INSCOPIX | 1050-002192 | Baseplate Attachment |
| Baseplate cover | INSCOPIX | 1050-002193 | Baseplate Attachment |
| Behavioral apparatus (chamber) | Coulbourn Instrument | Testcage | Behavior test |
| Behavioral apparatus (software) | Coulbourn Instrument | Freeze Frame | Behavior test |
| Carbon cage | Neurotar | 180mm x 70mm | Baseplate Attachment |
| Carprofen | SIGMA | PHR1452-1G | Surgery |
| Data processing software | INSCOPIX | INSCOPIX Data Processing Software | Baseplate Attachment & Behavior test |
| Dexamethasone | SIGMA | D1756-500MG | Surgery |
| Drill | Seyang | marathon-4 | Surgery |
| Drill bur | ELA | US1/2, Shank104 | Surgery |
| Glass needle | WPI | PG10165-4 | Surgery |
| GRIN lens (INSCOPIX Proview Lens Probe) | INSCOPIX | 1050-002208 | Surgery |
| Hamilton Syringe | Hamilton | 84875 | Surgery |
| Head plate | Neurotar | Model 5 | Surgery |
| Hex-key | INSCOPIX | 1050-004195 | Baseplate Attachment |
| Laptop computer | Samsung | NT950XBV | Surgery & Baseplate Attachment |
| Lens holder, Stereotaxic rod (INSCOPIX proview implant kit) | INSCOPIX | 1050-004223 | Surgery |
| Microscope gripper | INSCOPIX | 1050-002199 | Baseplate Attachment |
| Microscope, DAQ software, hardware | INSCOPIX | nVista 3.0 | Baseplate Attachment & Behavior test |
| Mobile homecage | Neurotar | MHC V5 | Baseplate Attachment |
| Moterized arm | Neurostar | Customized | Surgery |
| Moterized arm software | Neurostar | Customized | Surgery |
| NI board | National instrument | Behavior test | |
| Removable epoxy bond | WPI | Kwik-Cast | Surgery |
| Resin cement (Super-bond) | Sun medical | Super bond C&B | Surgery |
| Skull screw | Stoelting | 51457 | Surgery |
| Stereotaxic electrode holder | ASI | EH-600 | Surgery |
| Stereotaxic frame | Stoelting | 51600 | Surgery |
| Stereotaxic manipulator | Stoelting | 51600 | Baseplate Attachment |
References
- Gonzalez, W. G., Zhang, H., Harutyunyan, A., Lois, C. Persistence of neuronal representations through time and damage in the hippocampus. Science. 365 (6455), 821-825 (2019).
- Ghandour, K., et al. Orchestrated ensemble activities constitute a hippocampal memory engram. Nature Communications. 10 (1), 2637 (2019).
- Grundemann, J., et al. Amygdala ensembles encode behavioral states. Science. 364 (6437), (2019).
- Krabbe, S., et al. Adaptive disinhibitory gating by VIP interneurons permits associative learning. Nature Neuroscience. 22 (11), 1834-1843 (2019).
- Betley, J. N., et al. Neurons for hunger and thirst transmit a negative-valence teaching signal. Nature. 521 (7551), 180-185 (2015).
- Jennings, J. H., et al. Visualizing hypothalamic network dynamics for appetitive and consummatory behaviors. Cell. 160 (3), 516-527 (2015).
- LeDoux, J. E. Emotion circuits in the brain. Annual Review of Neuroscience. 23, 155-184 (2000).
- Burgoyne, R. D. Neuronal calcium sensor proteins: generating diversity in neuronal Ca2+ signalling. Nature Reviews Neuroscience. 8 (3), 182-193 (2007).
- Miyakawa, H., et al. Synaptically activated increases in Ca2+ concentration in hippocampal CA1 pyramidal cells are primarily due to voltage-gated Ca2+ channels. Neuron. 9 (6), 1163-1173 (1992).
- Denk, W., Yuste, R., Svoboda, K., Tank, D. W. Imaging calcium dynamics in dendritic spines. Current Opinion in Neurobiology. 6 (3), 372-378 (1996).
- Mank, M., et al. A genetically encoded calcium indicator for chronic in vivo two-photon imaging. Nature Methods. 5 (9), 805-811 (2008).
- Akerboom, J., et al. Genetically encoded calcium indicators for multi-color neural activity imaging and combination with optogenetics. Frontiers in Molecular Neuroscience. 6, 2 (2013).
- Nakai, J., Ohkura, M., Imoto, K. A high signal-to-noise Ca(2+) probe composed of a single green fluorescent protein. Nature Biotechnology. 19 (2), 137-141 (2001).
- Akerboom, J., et al. Optimization of a GCaMP calcium indicator for neural activity imaging. Journal of Neuroscience. 32 (40), 13819-13840 (2012).
- Chen, T. W., et al. Ultrasensitive fluorescent proteins for imaging neuronal activity. Nature. 499 (7458), 295-300 (2013).
- Dana, H., et al. High-performance calcium sensors for imaging activity in neuronal populations and microcompartments. Nature Methods. 16 (7), 649-657 (2019).
- Zariwala, H. A., et al. A Cre-dependent GCaMP3 reporter mouse for neuronal imaging in vivo. Journal of Neuroscience. 32 (9), 3131-3141 (2012).
- Mittmann, W., et al. Two-photon calcium imaging of evoked activity from L5 somatosensory neurons in vivo. Nature Neuroscience. 14 (8), 1089-1093 (2011).
- Huber, D., et al. Multiple dynamic representations in the motor cortex during sensorimotor learning. Nature. 484 (7395), 473-478 (2012).
- Grewe, B. F., et al. Neural ensemble dynamics underlying a long-term associative memory. Nature. 543 (7647), 670-675 (2017).
- Cai, D. J., et al. A shared neural ensemble links distinct contextual memories encoded close in time. Nature. 534 (7605), 115-118 (2016).
- Lin, M. Z., Schnitzer, M. J. Genetically encoded indicators of neuronal activity. Nature Neuroscience. 19 (9), 1142-1153 (2016).
- Zhang, L., et al. Miniscope GRIN Lens System for Calcium Imaging of Neuronal Activity from Deep Brain Structures in Behaving Animals. Current Protocols in Neuroscience. 86 (1), 56 (2019).
- Jacob, A. D., et al. A Compact Head-Mounted Endoscope for In vivo Calcium Imaging in Freely Behaving Mice. Current Protocols in Neuroscience. 84 (1), 51 (2018).
- Ghosh, K. K., et al. Miniaturized integration of a fluorescence microscope. Nature Methods. 8 (10), 871-878 (2011).
- Xiong, B., et al. Precise Cerebral Vascular Atlas in Stereotaxic Coordinates of Whole Mouse Brain. Frontiers in Neuroanatomy. 11, 128 (2017).
- Mukamel, E. A., Nimmerjahn, A., Schnitzer, M. J. Automated analysis of cellular signals from large-scale calcium imaging data. Neuron. 63 (6), 747-760 (2009).
- Millhouse, O. E., DeOlmos, J. Neuronal configurations in lateral and basolateral amygdala. Neuroscience. 10 (4), 1269-1300 (1983).
- McDonald, A. J. Neuronal organization of the lateral and basolateral amygdaloid nuclei in the rat. Journal of Comparative Neurology. 222 (4), 589-606 (1984).
- McDonald, A. J. Neurons of the lateral and basolateral amygdaloid nuclei: a Golgi study in the rat. Journal of Comparative Neurology. 212 (3), 293-312 (1982).
