Wir präsentieren ein Protokoll, um das Hirnstamm der erwachsenen Maus von der ventralen Seite zu entlarven. Durch die Verwendung einer Gradienten-Refraktiven Indexlinse mit einem Miniaturmikroskop kann die Kalzium-Bildgebung verwendet werden, um die Aktivität von minderwertigen oliv-neuralen Somata nin vivo zu untersuchen.
Untere Olive (IO), ein Kern im ventralen Medulla, ist die einzige Quelle von Kletterfasern, die einen der beiden Eingangswege bilden, die in das Kleinhirn eindringen. IO wurde seit langem vorgeschlagen, entscheidend für die Motorsteuerung zu sein und seine Aktivität wird derzeit als das Zentrum vieler Hypothesen der motorischen und kognitiven Funktionen des Kleinhirns betrachtet. Während seine Physiologie und Funktion relativ gut auf einzelliger Ebene in vitrountersucht wurden, gibt es derzeit keine Berichte über die Organisation der Aktivitäten des IO-Netzwerks bei lebenden Tieren. Dies ist vor allem auf die extrem herausfordernde anatomische Lage der IO zurückzuführen, was es schwierig macht, konventionellefluoreszierende Bildgebungsverfahren zu unterziehen, bei denen ein optischer Pfad durch das gesamte Gehirn geschaffen werden muss, das sich dorsal in der Region des Interesses befindet.
Hier beschreiben wir eine alternative Methode zur Gewinnung modernster Kalzium-Bildgebungsdaten aus dem IO-Netzwerk. Das Verfahren nutzt die extreme ventrale Lage der IO und beinhaltet ein chirurgisches Verfahren zum Einsetzen einer Gradienten-Refraktiven Index-Linse (GRIN) durch die Halsviszera, um mit der ventralen Oberfläche des Calciumsensors GCaMP6s-exzierende IO bei anästhesierten Mäusen in Kontakt zu kommen. Eine repräsentative Kalzium-Bildaufnahme zeigt die Machbarkeit, die IO-Neuronenaktivität nach der Operation aufzuzeichnen. Während dies eine nicht-überlebende Operation ist und die Aufnahmen unter Narkose durchgeführt werden müssen, vermeidet es Schäden an lebenskritischen Hirnkernen und ermöglicht die Durchführung einer Vielzahl von Experimenten, die räumzeitliche Aktivitätsmuster und Inputintegration in der IO untersuchen. Dieses Verfahren mit Modifikationen könnte für Aufnahmen in anderen, angrenzenden Regionen des ventralen Hirnstamms verwendet werden.
Das Hauptziel der Systemneurowissenschaften ist es zu verstehen, wie raumzeitliche Aktivitätsmuster neuronaler Netzwerke zur Erzeugung von Tierverhalten beitragen. So hat sich die fluoreszierende Bildgebungsmethodik unter Verwendung von kalziumempfindlichen Sonden in den letzten zehn Jahren zu einem Hauptwerkzeug für die Untersuchung der neuronalen Netzwerkaktivität bei lebenden Tieren1,2, entwickelt, da sie die Visualisierung solcher Dynamiken über räumliche Skalen von einzelnen Zellen bis hin zu mesoskalien Schaltkreisen ermöglicht. In den letzten Jahren wurde der gemeinsame Ansatz, bei dem neuronale Schaltkreise in oberflächlichen Gehirnstrukturen (wie zerebrale oder kleinhirnige Kortizes) durch ein transparentes Schädelfenster3 abgebildet werden, durch die Verwendung von Gradienten-Refraktiven Index(GRIN)-Objektiven4 ergänzt, die eine Untersuchung der Netzwerkdynamik in tiefen Gehirnstrukturen ermöglichen. Derzeit verfügbare GRIN-Objektive ermöglichen das Greifen in Strukturen von mehreren Millimetern Tiefe, wie die Maus-Amygdala, Hippocampus und Basalganglien5. Viele Interessensgebiete wie verschiedene Kerne im ventralen Medulla liegen jedoch deutlich tiefer und platzieren sie am Äußersten der GRIN-Linse.
Hier beschreiben wir, wie man diese Schwierigkeit überwinden kann, indem wir die relativ einfache Zugänglichkeit von Medulla durch den ventralen Aspekt des Gehirns nutzen. Mit erwachsenen Mäusen, bei denen die minderwertige Olive (IO), ein Kern in der ventralen Medulla, viral mit einem Kalziumsensor GCaMP6s transfiziert wurde, beschreiben wir die chirurgischen Schritte (modifiziert von der Methode, die ursprünglich in Khosrovani et al. 20076beschrieben wurde), um eine GRIN-Linse auf der ventralen Oberfläche des Gehirns einer anästhetisierten Maus zu platzieren. Mit einem Miniaturmikroskop zeigen wir die Machbarkeit der Aufzeichnung neuronaler Aktivität in solchen extrem ventralen Hirnregionen. Während das Verfahren notwendigerweise eine Nicht-Überlebensoperation ist und keine Experimente an wachen Tieren durchgeführt werden können, ermöglicht das Verfahren die Untersuchung einer intakten Netzwerkdynamik im Kontext einer sensorischen oder anderen affeken Signalwegstimulation, was klare Vorteile gegenüber Ex-vivo-Ansätzen wie der Verwendung akuter Scheibenpräparate bietet.
Da der chirurgische Eingriff Operationen im Halsbereich mit zahlreichen vital kritischen Strukturen (Arterien, Nerven) umfasst, ist es wichtig, dass es von einem Forscher mit hohen chirurgischen Fähigkeiten durchgeführt wird. Im Folgenden weisen wir auf einige Kernpunkte des Verfahrens hin und kommentieren sie; es muss jedoch daran erinnert werden, dass keine Menge schriftlicher Ratschläge die Erfahrung, Geschicklichkeit und Intuition des Forschers verdrängen kann.
Der kritischste Schritt in der Operation ist die Tracheotomie. Es geht darum, die Luftröhre zu schneiden, Isoflurane vom Nasenkegel zum Intubationsrohr zu wechseln, die Luftröhre an der Brusthaut zu sichern und die Luftröhre und das Intubationsrohr miteinander zu verbinden. Alle diese Operationen müssen reibungslos und schnell durchgeführt werden, um Unfälle wie unzureichende Anästhesie, Flüssigkeitszufluss in Luftröhre oder Ausrutscher von Intubationsrohren zu vermeiden. Man muss das Protokoll klar im Auge behalten, bevor man die Luftröhre schneidet.
Blutungen sind eine der Hauptursachen für den Tod von Tieren in dieser Operation. Da der Halsbereich mit Blutgefäßen dicht ist, sollte der Schnitt nur ausgeführt werden, wenn die Sichtlinie klar ist, um ungesehene Venen und Arterien zu vermeiden. Daher müssen Muskeln und Bindegewebe, die das Sehvermögen verschleiern, entfernt werden, und Blut aus gebrochenen Kapillaren muss vor dem Fortschreiten gereinigt werden.
Tier kann lange (mehr als 8 Stunden) ab Beginn der Operation am Leben gehalten werden. Jedoch, Es ist wichtig, den chirurgischen Eingriff schnell zu beenden, so gibt es mehr Zeit, um Hirnstamm Neuronen zu untersuchen, wenn tierischephysiologischeN Zustand ist gut. Ein erfahrener Forscher kann das ganze Verfahren in 70 min beenden.
Während die Methode eine saubere Ansicht der ventralen Gehirnoberflächen bietet, ist es leider unmöglich, dies ohne eine Tracheotomie zu tun sowie erhebliche Menge an Gewebe im Halsbereich zu entfernen. Daher darf das Tier nicht aus der Anästhesie aufwachen. Auch wenn es möglich ist, das Tier viele Stunden mit sorgfältiger Einstellung der Anästhesiezufuhr, Aufrechterhaltung der Körpertemperatur und Hydratation am Leben zu erhalten, ist es unvermeidlich, dass längere Experimente schließlich zu einer Schwächung des tierischen Zustandes führen. Es bleibt der Expertise des Forschers überlassen, die maximale Dauer stabiler Aufnahmen zu berücksichtigen.
Eine weitere mögliche Einschränkung der hier beschriebenen Methode besteht darin, dass, da die GRIN-Linse nicht in das Parenchym des Gehirns eingeführt wird, nur relativ oberflächliche Neuronen (ca. 150-200 m) untersucht werden können. Während eine chirurgische Implantation der GRIN-Linse technisch möglich ist, lässt die akut operierende Methode den Neuronen nicht genügend Zeit, sich von oxidativem Stress zu erholen, und das Vorhandensein von Blut nach der Implantation wird wahrscheinlich die Bildqualität über das akzeptable hinaus verschlechtern.
Trotz der oben genannten Bedenken glauben wir, dass dies das erste Mal ist, dass eine Methode zur In-vivo-Bildgebung von IO-Neuronen vorgestellt wird. Es ermöglicht die Untersuchung der raumzeitlichen Aktivität in den IO-Neuronen im Kontext in vivo in Gegenwart intakter affemitischer Eingänge aus sensorischen Systemen sowie der Signale der Kleinhirnkerne und der mesodiencephalischen Kreuzung22, eine Leistung, die bisher nicht möglich war. Mit dieser Methode kann die Funktion der IO nun mit einer Kombination von sensorischer und optogenetischer Stimulation vertieft untersucht werden. Insbesondere mit der Entwicklung der Spannungsbildgebung (wie unsere jüngste Methode zur Spannungsbildgebung im IO 23) hoffen wir, dass die vorgestellte chirurgische Methode zahlreiche Forscher dazu inspirieren wird, die Herausforderung anzunehmen, zu untersuchen, wie die IO zur Erzeugung von Kleinhirnkomplexen beiträgt.
The authors have nothing to disclose.
Wir danken Andrew Scott vom Medienzentrum von OIST für seine Hilfe bei der Videoaufzeichnung und -bearbeitung. Wir danken Hugo Hoedemaker für seine Hilfe bei der Entwicklung der Operation zur Enthüllung des Hirnstamms und Dr. Kevin Dorgans für seine Hilfe beim Zeichnen von Diagrammen für Figuren. Darüber hinaus vielen Dank an Salvatore Lacava für seine Voice-over-Erzählung, sowie alle nRIM Mitglieder und Haustiere für die kontinuierliche Unterstützung für das Wohlbefinden in den schwierigen Zeiten von COVID-19.
AAV.CAG.GCaMP6s.WPRE.SV40 | Addgene, USA | 100844-AAV9 | |
Absorbable suture with 6 mm half circle needle | Natume, Japan | L6-60N2 | hook needle with thread |
Absorption triangles | FST, Germany | 18105-03 | Surgical sponges |
Stereo microscopes | Leica, Germany | M50 | |
Castroviejo curved tip needle holder with lock | FST, Germany | 12061-01 | Surgery tool |
cotton swabs | Sanyo, Japan | HUBY-340 | |
Delicate suture tying forceps | FST, Germany | 11063-07 | Surgery tool |
Delicate Suture Tying Forceps | FST, Germany | 11063-07 | Surgery tool |
Dumont #5/45 forceps | FST, Germany | 11251-35 | Surgery tool |
Fine Iris scissors | FST, Germany | 14060-09 | Surgery tool |
Friedman-Pearson rongeur curved tip | FST, Germany | 16221-14 | Surgery tool |
Gelfoam absorbable gelatin sponge | Pfizer, USA | 0315-08 | Hemostatic gelatin sponge |
Glass-Capillary Nanoinjection | Neurostar, Germany | n/a | For virus vector injection |
Graefe Forceps with serrated tip | FST, Germany | 11052-10 | Surgery tool |
Implantation rod | Inscopix, USA | n/a | It is part of the nVoke2 system. It's designed to nVoke2 miniature microscpe and GRIN lens can be mounted on it |
IsoFlo | Zoetis, UK | n/a | Isoflurane |
KETALAR FOR INTRAMUSCULAR INJECTION | Daiichi Sankyo, Japan | n/a | Ketamine |
Kimwipes | Kimberly-Clark, USA | Cleaning tissue | |
Laser-Based Micropipette Puller | Sutter Instrument, USA | P-2000 | |
Micropipette Beveler | Sutter Instrument, USA | BV-10 | |
Motorized Stereotaxic based on Kopf, Model 900 | Neurostar, Germany | n/a | Stereotaxic frame |
mouseOxPlus with rectal temperature sensor and thigh clamp pulse oximeter | Starr Life Sciences, PA, USA | MouseOxPlus | Measures animal heart rate, arterial oxygen saturation (SpO2), breath rate, and temperature |
nVoke2 integrarted Calcium imaging micro camera system | Inscopix, USA | 1000-003026 | Miniature microscope |
Ohaus Compact Scales | Ohaus, USA | CS 200 | Scale used to weight animal |
Otsuka Normal Saline | Otsuka Pharmaceutical Factory, Japan | n/a | |
Physiological-biological temperature controller system | SuperTech Instruments, Hungary | TMP-5b | Thermal pad for mouse |
ProView Lens Probe 1.0 mm diameter, 9.0 mm length | Inscopix, USA | 1050-002214 | Gradient-refractive index (GRIN) lens |
Q114-53-10NP glass capillaries | Sutter Instrument, USA | 112017 | Customized quartz glass capillaries |
Safety IV Catheter 20G | B. Braun, Germany | 4251652-03 | 20 gauage catheter used to prepare intubation tube |
Sand paper | ESCO, Japan | EA366MC | Used to polish the tip of 25G needle to prepare curved and blunt needle |
Scalpel blade | Muromachi Kikai, Japan | 10010-00 | Used to cut the tip of quartz glass pipette |
SomnoSuite low flow inhalation anesthesia system | Kent Scientific, USA | SOMNO | Provides precise control of isoflurane flow |
Surgic XT Plus drill | NSK | Y1002774 | For virus vector injection |
Syringe 1 ml | Terumo, Japan | SS-01T | |
Syringe needle 25G | Top, Japan | 00819 | Used to make blunt and bended needle |
Syringe needle 26G | Terumo, Japan | NN-2613S | |
Thrive 2100 Professional Trimmer | Thrive, Japan | n/a | Shaver |
Vannas-Tübingen spring scissors | FST, Germany | 15004-08 | Surgery tool |
Vaseline | Hayashi Pure Chemical, Japan | 22000255 | |
Veet sensitive skin | Veet, Canada | n/a | Hair removal cream |
Xylocaine Jelly 2 % 30ml | Aspen Japan, Japan | 871214 |