Summary

Verwendung von Baseplating und einem Miniskop, das mit einer Objektivlinse vorverankert ist, für die Calcium-Transienten-Forschung bei Mäusen

Published: June 05, 2021
doi:

Summary

Durch das Schrumpfen von Zahnzement während der Aushärtung wird die Grundplatte verdrängt. Dieses Protokoll minimiert das Problem, indem es ein erstes Fundament des Zahnzements schafft, das Platz für die Zementierung der Grundplatte lässt. Wochen später kann die Bodenplatte mit wenig neuem Zement auf diesem Gerüst zementiert werden, wodurch die Schwindung reduziert wird.

Abstract

Neurowissenschaftler verwenden Miniaturmikroskope (Miniskope), um die neuronale Aktivität in frei agierenden Tieren zu beobachten. Das Miniscope-Team der University of California, Los Angeles (UCLA) stellt Forschern offene Ressourcen zur Verfügung, mit denen sie Miniskope selbst bauen können. Das V3 UCLA Miniscope ist eines der beliebtesten Open-Source-Miniskope, die derzeit im Einsatz sind. Es ermöglicht die Bildgebung der Fluoreszenztransienten, die von genetisch veränderten Neuronen emittiert werden, durch eine Objektivlinse, die in den oberflächlichen Kortex implantiert wird (ein Ein-Linsen-System), oder in tiefen Hirnbereichen durch eine Kombination aus einer Relaislinse, die in das tiefe Gehirn implantiert wird, und einer Objektivlinse, die im Miniskop vorverankert ist, um das weitergeleitete Bild zu beobachten (ein Zwei-Linsen-System). Selbst unter optimalen Bedingungen (wenn Neuronen Fluoreszenzindikatoren exprimieren und die Relaislinse ordnungsgemäß implantiert wurde) kann eine Volumenänderung des Zahnzements zwischen der Grundplatte und ihrer Befestigung am Schädel bei der Zementhärtung zu einer Fehlausrichtung mit einem veränderten Abstand zwischen Objektiv und Relaislinse führen, was zu einer schlechten Bildqualität führt. Eine Grundplatte ist eine Platte, die hilft, das Miniskop auf dem Schädel zu befestigen und den Arbeitsabstand zwischen dem Objektiv und dem Relaisobjektiv zu fixieren. So verändern Änderungen des Volumens des Zahnzements um die Grundplatte herum den Abstand zwischen den Linsen. Das vorliegende Protokoll zielt darauf ab, das Problem der Fehlausrichtung, das durch Volumenänderungen im Zahnzement verursacht wird, zu minimieren. Das Protokoll reduziert die Fehlausrichtung, indem es während der Implantation der Relaislinse ein erstes Fundament aus Zahnzement bildet. Die Rekonvaleszenzzeit nach der Implantation reicht aus, damit das Fundament aus Zahnzement die Grundplatte vollständig aushärten kann, so dass die Grundplatte mit möglichst wenig neuem Zement auf diesem Gerüst zementiert werden kann. Im vorliegenden Artikel beschreiben wir Strategien für die Baseplattierung bei Mäusen, um die Abbildung der neuronalen Aktivität mit einer im Miniskop verankerten Objektivlinse zu ermöglichen.

Introduction

Fluoreszierende Aktivitätsreporter sind ideal für die Bildgebung der neuronalen Aktivität, da sie empfindlich sind und große Dynamikbereiche 1,2,3 haben. Daher wird in immer mehr Experimenten die Fluoreszenzmikroskopie verwendet, um die neuronale Aktivitätdirekt zu beobachten 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15 ,16. Das erste miniaturisierte Ein-Photonen-Fluoreszenzmikroskop (Miniskop) wurde 2011 von Mark Schnitzer et al.5 entwickelt. Dieses Miniskop ermöglicht es den Forschern, die Fluoreszenzdynamik von Kleinhirnzellen in sich frei verhaltenden Tieren5 zu überwachen (d.h. ohne physische Fesselung, Kopfstütze, Sedierung oder Anästhesie der Tiere). Derzeit kann die Technik angewendet werden, um oberflächliche Hirnareale wie den Cortex 6,8,15,16 zu überwachen; subkortikale Bereiche wie der dorsale Hippocampus 8,11,13,14 und Striatum 6,17; und tiefe Hirnareale wie der ventrale Hippocampus 14, die Amygdala 10,18 und der Hypothalamus 8,12.

In den letzten Jahren wurden mehrere Open-Source-Miniskope entwickelt4,5,6,7,11,13,17,19. Das Miniskop kann von Forschern kostengünstig zusammengebaut werden, wenn sie die Schritt-für-Schritt-Richtlinien des Miniscope-Teams der University of California, Los Angeles (UCLA) befolgen4,7,11,13. Weil die optische Überwachung der neuronalen Aktivität durch die Grenzen der Lichtdurchlässigkeit eingeschränkt ist7 Zu und von der interessierenden neuronalen Population wurde ein Miniskop entwickelt, bei dem eine GRIN-Linse (oder Objektivlinse) mit objektivem Gradientenbrechungsindex (oder Objektiv) an der Unterseite des Miniskops vorverankert werden muss, um das Sichtfeld zu vergrößern, das von einer Relais-GRIN-Linse (oder Relaislinse) weitergeleitet wird6,7,8,10,16,17. Diese Relaislinse wird in die Zielhirnregion implantiert, so dass die Fluoreszenzaktivität der Zielhirnregion auf die Oberfläche der Relaislinse übertragen wird6,7,8,10,16,17. Ungefähr 1/4 einer vollen sinusförmigen Lichtperiode wandert durch das GRIN-Objektiv (~ 0,25 Tonhöhe) (Abbildung 1A1), was zu einem vergrößerten Fluoreszenzbild führt6,7. Das Objektiv ist nicht immer an der Unterseite des Miniskops befestigt und die Implantation der Relaislinse ist nicht immer notwendig6,7,11,13,15. Konkret gibt es zwei Konfigurationen: eine mit einem festen Objektiv im Miniskop und eine Relaislinse, die in das Gehirn implantiert wird8,10,12,14,16 (Abbildung 1B1) und eine weitere mit nur einem abnehmbaren Objektiv6,7,11,13,15 (Abbildung 1B2). In dem Design, das auf der Kombination aus festem Objektiv und implantierter Relaislinse basiert, werden die Fluoreszenzsignale aus dem Gehirn auf die Oberseite der Relaislinse gebracht (Abbildung 1A1)7,8,10,12,14,16. Anschließend kann die Objektivlinse das Gesichtsfeld von der Oberseite der Relaislinse (Abbildung 1A2). Auf der anderen Seite ist das Design der abnehmbaren GRIN-Objektivlinse flexibler, was bedeutet, dass die Präimplantation einer Relaislinse in das Gehirn nicht zwingend erforderlich ist (Abbildung 1B2)6,7,11,13,15. Bei der Verwendung eines Miniskops, das auf einem abnehmbaren Objektivdesign basiert, müssen die Forscher immer noch eine Linse in die Zielregion des Gehirns implantieren, aber sie können entweder eine Objektivlinse implantieren6,7,11,13,15 oder eine Relaislinse im Gehirn6,7. Die Wahl eines Objektivs oder einer Relaislinse für die Implantation bestimmt die Miniskop-Konfiguration, die der Forscher verwenden muss. Zum Beispiel basiert das V3 UCLA Miniscope auf einem abnehmbaren GRIN-Objektivdesign. Die Forscher können entweder eine Objektivlinse direkt in die interessierende Hirnregion implantieren und das “leere” Miniskop auf das Objektiv montieren6,7,11,13,15 (ein Ein-Linsen-System; Abbildung 1B2) oder um eine Relaislinse in das Gehirn zu implantieren und ein Miniskop zu montieren, das mit einer Objektivlinse vorverankert ist6,7 (ein System mit zwei Linsen; Abbildung 1B1). Das Miniskop arbeitet dann als Fluoreszenzkamera, um Livestream-Bilder der neuronalen Fluoreszenz aufzunehmen, die von einem genetisch kodierten Kalziumindikator erzeugt wird1,2,3. Nachdem das Miniskop an einen Computer angeschlossen wurde, können diese Fluoreszenzbilder auf den Computer übertragen und als Videoclips gespeichert werden. Forscher können die neuronale Aktivität untersuchen, indem sie die relativen Veränderungen der Fluoreszenz mit einigen Analysepaketen analysieren20,21 Oder schreiben Sie ihre Codes für zukünftige Analysen.

Das V3 UCLA Miniscope bietet Anwendern die Flexibilität, zu entscheiden, ob die neuronale Aktivität mit einem Ein- oder Zweilinsensystem abgebildet werden soll7. Die Wahl des Aufzeichnungssystems richtet sich nach der Tiefe und Größe des Zielhirnbereichs. Kurz gesagt, ein Ein-Linsen-System kann nur einen Bereich abbilden, der oberflächlich (weniger als ca. ca. 2,5 mm tief) und relativ groß (größer als ca. 1,8 x 1,8 mm2) ist, da die Hersteller nur eine bestimmte Größe des Objektivs herstellen. Im Gegensatz dazu kann ein Zwei-Linsen-System auf jedes Zielgebiet des Gehirns angewendet werden. Der Zahnzement zum Verkleben der Grundplatte neigt jedoch dazu, bei einem veränderten Abstand zwischen Objektiv und Relaislinse zu einer Fehlausrichtung zu führen, was zu einer schlechten Bildqualität führt. Wenn das Zwei-Linsen-System verwendet wird, müssen zwei Arbeitsabstände genau ausgerichtet werden, um die optimale Abbildungsqualität zu erzielen (Abbildung 1A). Diese beiden kritischen Arbeitsabstände befinden sich zwischen den Neuronen und der unteren Oberfläche der Relaislinse sowie zwischen der Oberseite der Relaislinse und der Unterseite der Objektivlinse (Abbildung 1A1). Jede Fehlausrichtung oder falsche Platzierung des Objektivs außerhalb des Arbeitsabstands führt zu einem Abbildungsfehler (Abbildung 1C2). Im Gegensatz dazu benötigt das Ein-Linsen-System nur einen präzisen Arbeitsabstand. Die Größe des Objektivs begrenzt jedoch seine Anwendung für die Überwachung von tiefen Hirnregionen (das Objektiv, das zum Miniskop passt, ist ungefähr 1,8 ~ 2,0 mm 6,11,13,15). Daher ist die Implantation einer Objektivlinse für die Beobachtung der Oberfläche und relativ großer Hirnregionen, wie z.B. des Cortex6,15 und der dorsalen Cornu ammonis 1 (CA1) bei Mäusen11,13 begrenzt. Darüber hinaus muss ein großer Bereich des Kortex abgesaugt werden, um das dorsale CA111,13 anzugreifen. Aufgrund der Einschränkung der Ein-Linsen-Konfiguration, die die Bildgebung tiefer Hirnregionen verhindert, bieten kommerzielle Miniskop-Systeme nur ein kombiniertes Objektiv-/Relaisobjektiv-Design (Zwei-Linsen-Design). Auf der anderen Seite kann das V3 UCLA Miniskop entweder in ein Ein- oder Zwei-Linsen-System umgewandelt werden, da das Objektiv abnehmbar ist 6,11,13,15. Mit anderen Worten, V3 UCLA Miniskop-Benutzer können die abnehmbare Linse nutzen, indem sie sie in das Gehirn implantieren (wodurch ein Ein-Linsen-System entsteht), wenn sie Experimente mit oberflächlichen Gehirnbeobachtungen (weniger als 2,5 mm Tiefe) durchführen oder indem sie sie im Miniskop vorverankern und eine Relaislinse in das Gehirn implantieren (wodurch ein Zwei-Linsen-System entsteht). bei der Durchführung von Experimenten mit Tiefenhirnbeobachtungen. Das Zwei-Linsen-System kann auch für die oberflächliche Beobachtung des Gehirns verwendet werden, aber der Forscher muss die genauen Arbeitsabstände zwischen der Objektivlinse und der Relaislinse kennen. Der Hauptvorteil des Ein-Linsen-Systems besteht darin, dass die Wahrscheinlichkeit, dass die Arbeitsabstände verfehlt werden, geringer ist als bei einem Zwei-Linsen-System, da zwei Arbeitsabstände genau ausgerichtet werden müssen, um eine optimale Abbildungsqualität im Zwei-Linsen-System zu erzielen (Abbildung 1A). Daher empfehlen wir die Verwendung eines Ein-Linsen-Systems für oberflächliche Gehirnbeobachtungen. Wenn das Experiment jedoch eine Bildgebung im Bereich des tiefen Gehirns erfordert, muss der Forscher lernen, eine Fehlausrichtung der beiden Linsen zu vermeiden.

Das Basisprotokoll für die Zwei-Linsen-Konfiguration von Miniskopen für Experimente umfasst die Linsenimplantation und die Baseplattierung 8,10,16,17. Baseplating ist das Aufkleben einer Grundplatte auf den Kopf eines Tieres, so dass das Miniskop schließlich auf dem Tier montiert werden kann und die Fluoreszenzsignale von Neuronen auf Video aufzeichnen kann (Abbildung 1B). Bei diesem Verfahren wird die Grundplatte mit Zahnzement auf den Schädel geklebt (Abbildung 1C), aber das Schrumpfen des Zahnzements kann zu inakzeptablen Veränderungen des Abstands zwischen der implantierten Relaislinse und der Objektivlinseführen 8,17. Ist der verschobene Abstand zwischen den beiden Linsen zu groß, können Zellen nicht scharf gestellt werden.

Detaillierte Protokolle für Experimente zur Calcium-Bildgebung im tiefen Gehirn mit Miniskopen wurden bereits veröffentlicht8,10,16,17. Die Autoren dieser Protokolle haben das Inscopix-System verwendet8,10,16 oder andere kundenspezifische Designs17 und haben die experimentellen Verfahren für die Virusselektion, die Chirurgie und die Grundplattenbefestigung beschrieben. Ihre Protokolle können jedoch nicht präzise auf andere Open-Source-Systeme angewendet werden, wie z. B. das V3 UCLA Miniscope-System, NINscope6und Finchscope19. Eine Fehlausrichtung der beiden Linsen kann während der Aufnahme in einer Zwei-Linsen-Konfiguration mit einem UCLA Miniscope aufgrund der Art des Zahnzements, der verwendet wird, um die Grundplatte mit dem Schädel zu zementieren, auftreten8,17 (Abbildung 1C). Das vorliegende Protokoll ist erforderlich, da der Abstand zwischen der implantierten Relaislinse und der Objektivlinse aufgrund der unerwünschten Schrumpfung von Zahnzement während des Baseplating-Verfahrens anfällig für Verschiebungen ist. Während der Grundierung muss der optimale Arbeitsabstand zwischen der implantierten Relaislinse und der Objektivlinse gefunden werden, indem der Abstand zwischen dem Miniskop und der Oberseite der Relaislinse eingestellt wird, und die Grundplatte sollte dann an dieser idealen Stelle verklebt werden. Nachdem der richtige Abstand zwischen der Objektivlinse und der implantierten Relaislinse eingestellt wurde, können Längsmessungen mit zellulärer Auflösung (Abbildung 1B; in vivo Aufzeichnung). Da der optimale Arbeitsabstand eines Relaisobjektivs klein ist (50 – 350 μm)4,8kann es schwierig sein, das Objektiv und die implantierte Relaislinse im richtigen Bereich zu halten. Das übergeordnete Ziel dieses Berichts ist es, ein Protokoll zur Verringerung der Schrumpfungsprobleme bereitzustellen8,17 die während des Baseplating-Verfahrens auftreten und die Erfolgsrate von Miniscope-Aufnahmen von Fluoreszenzsignalen in einer Zwei-Linsen-Konfiguration erhöhen. Eine erfolgreiche Miniskop-Aufzeichnung ist definiert als die Aufzeichnung eines Livestreams von auffälligen relativen Veränderungen in der Fluoreszenz einzelner Neuronen in einem sich frei verhaltenden Tier. Obwohl verschiedene Marken von Dentzement unterschiedliche Schrumpfungsraten haben, können Forscher eine Marke auswählen, die zuvor getestet wurde6,7,8,10,11,12,13,14,15,16,22. Allerdings ist nicht jede Marke in einigen Ländern/Regionen aufgrund der Einfuhrbestimmungen für medizinische Materialien leicht zu erhalten. Daher haben wir Methoden entwickelt, um die Schrumpfraten verfügbarer Zahnzemente zu testen und vor allem ein alternatives Protokoll bereitzustellen, das das Schrumpfungsproblem minimiert. Der Vorteil gegenüber dem derzeitigen Baseplating-Protokoll ist eine Erhöhung der Erfolgsrate der Calcium-Bildgebung mit Werkzeugen und Zement, die in Laboratorien leicht gewonnen werden können. Das UCLA-Miniskop wird als Beispiel verwendet, aber das Protokoll ist auch auf andere Miniskope anwendbar. In diesem Bericht beschreiben wir ein optimiertes Baseplating-Verfahren und empfehlen auch einige Strategien für den Einbau des UCLA Miniskop-Zweilinsensystems (Abbildung 2A). Sowohl Beispiele für erfolgreiche Implantation (n=3 Mäuse) als auch Beispiele für fehlgeschlagene Implantation (n=2 Mäuse) für die Zwei-Linsen-Konfiguration mit dem UCLA-Miniskop werden vorgestellt und die Gründe für die Erfolge und Misserfolge diskutiert.

Protocol

Alle in dieser Studie durchgeführten Verfahren wurden vom National Taiwan University Animal Care and Use Committee genehmigt (Zulassungsnummer: NTU-109-EL-00029 und NTU-108-EL-00158). 1. Beurteilung der Volumenveränderung von Zahnzement HINWEIS: Änderungen des Volumens von Zahnzement treten während des Aushärtungsprozesses auf. Testen Sie die Volumenänderungen von Zahnzement vor der Implantation und Baseplattierung. Forscher…

Representative Results

Beurteilung der Volumenveränderung des DentzementDa sich das Volumen des Zahnzement während des Aushärtungsprozesses ändert, kann dies die Abbildungsqualität erheblich beeinträchtigen, da der Arbeitsabstand einer GRIN-Linse etwa 50 bis 350 μm 4,8 beträgt. Daher wurden in diesem Fall zwei kommerziell erhältliche Zahnzemente, Tempron und Tokuso, vor der Implantation und Baseplattierung getestet (Abbildung 5</strong…

Discussion

Der vorliegende Bericht beschreibt ein detailliertes Versuchsprotokoll für Forscher, die das zweilinsige UCLA Miniscope-System verwenden. Die in unserem Protokoll entwickelten Werkzeuge sind relativ erschwinglich für jedes Labor, das die In-vivo-Calcium-Bildgebung ausprobieren möchte. Einige Protokolle, wie z. B. Virusinjektion, Linsenimplantation, Dummy-Baseplating und Baseplating, könnten auch für andere Versionen des Miniscope-Systems verwendet werden, um die Erfolgsrate der Kalzium-Bildgebung zu verbess…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Arbeit wurde vom Ministerium für Wissenschaft und Technologie, Taiwan (108-2320-B-002-074, 109-2320-B-002-023-MY2) unterstützt.

Materials

0.7-mm drill bit  #19008-07 Fine Science Tools; USA for surgery
0.1–10 μl pipette tips 104-Q; QSP Fisher Scientific; Singapore for testing dental cement
20 G IV cathater #SR-OX2032CA Terumo Corporation; Tokyo, Japan for surgery
27 G needle AGANI, AN*2713R Terumo Corporation; Tokyo, Japan for surgery
AAV9-syn-jGCaMP7s-WPRE #104487-AAV9; 1.5*10^13 Addgene viral prep; MA, USA for viral injection
Atropine sulfate Astart; Hsinchu, Taiwan for surgery/dummy baseplating/baseplating
Baseplate V3 http://miniscope.org for dummy baseplating/baseplating
BLU TACK #30840350 Bostik; Chelsea, Massachusetts, USA Reusable adhesive clay; for surgery/dummy baseplating/baseplating
Bone Rongeur Friedman 13 cm Diener; Tuttlingen, Germany for baseplating
Buprenorphine INDIVIOR; UK for surgery
Carprofen Rimadyl Zoetis; Exton, PA analgesia
Ceftazidime Taiwan Biotech; Taiwan prevent infection
Data Acquisition PCB for UCLA Miniscope purchased on https://www.labmaker.org/collections/neuroscience/products/data-aquistion-system-daq for baseplating
Dental cement set Tempron GC Corp; Tokyo, Japan for testing dental cement
Dental cement set Tokuso Curefast Tokuyama Dental Corp.; Tokyo, Japan for testing dental cement/surgery/dummy baseplating/baseplating
Dual Lab Standard with Mouse and Rat Adaptors #51673 Stoelting Co; Illinois, USA for surgery/dummy baseplating/baseplating
Duratear ointment Alcon; Geneva, Switzerland for surgery/dummy baseplating/baseplating
Ibuprofen YungShin; Taiwan analgesia
Isoflurane Panion & BF Biotech INC.; Taoyuan, Taiwan for surgery/dummy baseplating/baseplating
Inscopix nVista System Inscopix; Palo Alto, CA for comparison with V3 UCLA Miniscope
Ketamine Pfizer; NY, NY for euthanasia
Normal saline for surgery
Micro bulldog clamps #12.102.04 Dimedo; Tuttlingen, Germany for lens implantation
Microliter Microsyringes, 2.0 µL, 25 gauge #88400 Hamilton; Bonaduz, Switzerland for viral injection
Molding silicone rubber ZA22 Thixo Zhermack; Badia Polesine, Italy for dummy baseplating
Objective Gradient index (GRIN) lens #64519 Edmund Optics; NJ, USA for dummy baseplating/baseplating
Parafilm #PM996 Bemis; Neenah, USA for dummy baseplating
Portable Suction #DF-750 Doctor's Friend Medical Instrument Co., Inc., Taichung, Taiwan for surgery
Relay GRIN lens #1050-002177 Inscopix; Palo Alto, CA, USA for dummy baseplating/baseplating
Stainless steel anchor screws 1.00 mm diameter, total length 3.00 mm for surgery
Stereo microscope #SL720 Sage Vison; New Taipei City, Taiwan for surgery/dummy baseplating/baseplating
Stereotaxic apparatus #51673 Stoelting; IL, USA for surgery/dummy baseplating/baseplating
UV Cure Adhesive #3321 Loctite; Düsseldorf, Germany for testing dental cement
V3 UCLA Miniscope purchased on https://www.labmaker.org/products/miniscope-complete-set-of-components for surgery/dummy baseplating/baseplating
Xylazine X1126 Sigma-Aldrich; St. Louis, MO for euthanasia
Xylocaine pump spray 10% AstraZeneca; Södertälje, Sweden for surgery

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Hsiao, Y., Wang, A. Y., Lee, T., Chang, C. Using Baseplating and a Miniscope Preanchored with an Objective Lens for Calcium Transient Research in Mice. J. Vis. Exp. (172), e62611, doi:10.3791/62611 (2021).

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