インビボカルシウムイメージングのミニスコープは、自由に行動するマウスのニューロンダイナミクスとマイクロサーキットを研究するための強力な技術です。このプロトコルは、ミニスコープを使用して良好なin vivoカルシウムイメージングを達成するために脳手術を行うことを記載しています。
小型蛍光顕微鏡(ミニスコープ)は、自由に行動する動物からの 生体内 カルシウムイメージングのための強力なツールです。従来の多光子カルシウムイメージングシステムに比べていくつかの利点があります:(1)コンパクト。(2)軽量;(3)手頃な価格。(4)自由に行動する動物からの記録を可能にする。このプロトコルは、カスタム開発のミニスコープ記録システムを使用した脳深部 in vivo カルシウムイメージングのための脳外科手術を記述しています。調製手順は、(1)マウス脳の所望の脳領域にウイルスを定位的に注入し、ニューロンの特定のサブグループを遺伝的にコードされたカルシウムセンサーで標識することを含む3つのステップからなる。(2)脳深部領域からミニスコープシステムにカルシウム像を中継できるグラジエントインデックス(GRIN)レンズの移植;(3)ミニスコープホルダーをマウスの頭蓋骨の上に貼り付け、後でミニスコープを取り付けることができます。 インビボ カルシウムイメージングを行うために、ミニスコープをホルダーに固定し、同時に行動記録とともにニューロンカルシウム画像を収集します。本手術プロトコルは、 インビボ カルシウムイメージングのための任意の市販またはカスタムビルドの単一光子および2光子イメージングシステムと互換性がある。
細胞内Ca2+ シグナル伝達は、細胞増殖、増殖、分化、遊走、遺伝子転写、分泌、およびアポトーシス1の必須調節因子である。ニューロンでは、Ca2+ シグナル伝達は、その時空間パターンが膜興奮性、神経伝達物質放出、シナプス可塑性などの重要な機能に関連しているため、正確に制御されています2。
インビボカルシウムイメージングは、正常な動物の行動に元素的な神経回路表現を解読し、脳障害の動物モデルにおける異常なニューロン活動を特定し、これらの変更された回路を正常化する可能性のある潜在的な治療標的を解明するために利用できる強力な技術です。2つの一般的なインビボカルシウムイメージングシステムは、2光子レーザー走査蛍光顕微鏡3、4、5、6およびヘッドマウント小型内視鏡(miniscope)7、8、9、10、11、12、13である。.従来の2光子顕微鏡は、より良い解像度、低ノイズ、およびより低いフォトブリーチングなどの主要な利点を提供する。しかし、実験動物は頭を固定する必要があり、3、4、5、6を行うことができる行動研究が制限されています。これに対して、ヘッドマウント型ミニスコープシステムは小型で持ち運びが容易であり、自由に行動する動物7、8、9、10、11、12、13を用いた多種多様な行動試験の研究を可能にする。
2つの主要なCa2+指標、化学指標5,14および遺伝的にコードされたカルシウム指標(GECI)15,16がある。Ca2+イメージングは、標的回路内のニューロンの特異的標識を可能にするウイルスベクターと共に送達される高感度GECIを使用することによって促進されてきた。感度、寿命、および細胞下区画でさえも標識する能力を高めるための継続的な努力により、GECIは様々なin vivoカルシウムイメージング研究に理想的です17,18,19。
イメージング中の脳組織における光の散乱は、2光子顕微鏡を用いても、深さの光学的浸透を制限する。しかし、グラジエントインデックス(GRIN)レンズは、GRINレンズを生体組織に直接埋め込み、脳深部領域から顕微鏡対物レンズに画像を中継することができるため、この問題を克服します。光学的に均質な材料で作られ、焦点を合わせて画像を作成するために複雑な形状の表面を必要とする従来のレンズとは異なり、GRINレンズの性能は、平面面20との焦点を達成するレンズ材料内の緩やかな屈折率変化に基づいている。GRINレンズは直径0.2mmまで製作可能です。そのため、微細化されたGRINレンズを、あまりダメージを与えることなく脳深部に埋め込むことができます。
この記事では、脳深部のin vivoカルシウムイメージングのための完全な手術プロトコルを提示する。実証の目的で、マウス脳の内側前頭前野(mPFC)を特異的に標的とした脳手術と、国立薬物乱用研究所(NIDA/IRP)のLin博士のグループが開発したカスタムメイドのミニスコープシステムによる生体内カルシウムイメージング記録について説明します7,12。実験手順には、2つの主要な脳手術が含まれます。最初の手術は、GCaMP6f(GECI)を発現するウイルスベクターをmPFCに定位的に注入することである。2番目の手術は、GRINレンズを同じ脳領域に移植することです。これらの脳手術からの回復後、その後の手順は、歯科用セメントを使用してマウスの頭蓋骨にミニスコープホルダー(ベース)を貼り付けることである。インビボでCa2+イメージングは、ミニスコープをベースに取り付けた後、いつでも実行できます。ウイルス注射およびGRINレンズ移植のための手術プロトコルは、インビボカルシウムイメージングにおける深部脳のための市販またはカスタムビルドの単一光子および2光子イメージングシステムと互換性があります。
神経科学における中心的な問題は、神経ダイナミクスと回路がどのように情報をエンコードして保存し、脳疾患でどのように変化するかを理解することです。ミニスコープin vivo Ca2+イメージングシステムを使用して、局所微小回路内の数百のニューロンからの個々の神経活動を、自由に行動する動物から同時に監視することができる。ここでは、カスタム開発のミニスコープ記録システムを介して、脳深部in vivo Ca2+イメージング用のげっ歯類を調製するためのウイルス注射およびGRINレンズ移植のための詳細な手術プロトコルが記載されている。表1は、当社のミニスコープシステムと他の市販およびカスタムメイドのミニスコープシステム7、8、9、10、11、13、25、26との比較を示しています。本外科的プロトコルを用いたGRINレンズ移植は、脳深部in vivoカルシウムイメージングのための商業的またはカスタムメイドの単一光子および2光子イメージングシステムと互換性があることは注目に値します。
ウイルス注射から インビボ カルシウムイメージングのミニスコープのデータ取得まで、実験手順全体が完了するまでに少なくとも2ヶ月かかります。これは複雑で労働集約的なプロセスです。実験の最終的な成功は、GECIの適切な選択、標的脳領域におけるウイルスの正確な注入、所望の神経集団における十分なウイルス発現、所望の位置へのGRINレンズの正確な移植、手術からの適切な回復、ならびに、手術後に重度の炎症が起こるかどうか、および動物の行動が手術によって重篤に影響を受けるかどうかを含む複数の要因に依存する。 などなど。
2つの重要なステップには、ウイルスの定位注射とGRINレンズ移植が含まれる。実証の目的のために、立体マイクロインジェクションをマウスmPFCにおいて、mPFC中の錐体ニューロンを選択的に標識するCaMKIIプロモーターの制御下でGCaMP6fをコードするアデノ随伴ウイルス(AAV1)を用いて実施した。GCaMP6fは、71ms15の半減衰時間を有する最速かつ最も敏感なカルシウム指標の1つであるため、選択された。さらに、GCaMP6fのAAVウイルス発現は長期間(すなわち、数ヶ月)持続するため、神経変性疾患のマウスモデルにおける縦断的研究のために、長期間にわたって反復的なin vivo Ca2+イメージングを行うのに理想的である27。現在の手術プロトコルは、他の任意の脳領域における異なる細胞集団を標的とするために適合させることができる。様々な利用可能なウイルスツールは、所望の年齢で所望の脳領域における特定の神経集団の選択的標識を可能にする。さらに、研究者らは、Cre-LoxP組換えシステムおよび利用可能な様々なトランスジェニックマウスモデルを利用して、遺伝子改変を行い、行動および神経回路の結果を研究することができる28,29。
提示されたプロトコルのユニークな特徴の1つは、GRINレンズ(直径1mm)移植の前に、自動化された層ごとの脳組織吸引が行われたことである。これは、カスタムメイドのロボットアームとソフトウェア23によって制御される真空システムに接続された27G針を介して達成される。我々の経験に基づいて、この方法は、GRINレンズが接触するための均一な表面を生成し、手動組織吸引23よりも隣接する組織への損傷が少ない。このため、この手順は、比較的広い直径(例えば、1mm)を有するGRINレンズに明らかな利点をもたらす。しかし、より小さな直径(0.5mmまたは0.25mm)のGRINレンズを移植するために、組織吸引は必要ないかもしれない。代わりに、30Gニードル21で作られた先行トラックに沿って直接植えることができます。
上記で説明した 2 つの重要な手順に加えて、操作を成功させるには、他の多くの要因を慎重に検討する必要があります。(1)脳に接触する器具はすべて滅菌して感染を予防してください。(2)さらなる炎症および過剰な瘢痕組織形成を防ぐために、脳への損傷を最小限に抑えるために、すべての手術ステップを実行する必要があります。(3)最初に与えられ、手術中に維持された麻酔用量、特に腹腔内投与された麻酔用量は、慎重に検討する必要がある。麻酔用量は、異なるマウス系統に応じて変更することができ、いくつかはより感受性であり得る。(4)マウスの状態は、手術中に常に監視する必要があります。最後に、(5)手術後に多くの合併症が発生する可能性があるため、マウスは手術後に定期的に監視する必要があります。
脳組織の塊はGRINレンズ移植ステップ中に一方的に除去されるが、我々はいかなる明白な行動欠損も観察しなかった7、12。ミニスコープの重量は約2グラムで、ケーブルは軽くし、マウスが簡単に持ち運べるようにカスタム設計されています。ミニスコープとケーブルは、in vivoイメージングの前に動物にのみ取り付けられ、イメージング後に取り外しられます。イメージングプロセス全体は、通常、30分以上かかりません。したがって、これらのインストルメンテーションは、マウスが自由に動作することを妨げるものではありません。ミニスコープの取り付けと取り外しの手順では、動物の拘束を目的として、イソフルランによる簡単な麻酔(2分未満)が必要です。我々は通常、インビボイメージングを行う前に、マウスをイソフルランの短い曝露から30分間回復させる。我々は、マウスの健康状態およびマウスの社会的行動への影響に気付かずに、数週間にわたって週に1回、ミニスコープのin vivoカルシウムイメージングを実施した12。
現在のミニスコープ記録システムの主な制限の1つは、データ収集のために顕微鏡をケーブルに接続する必要があることです。ケーブルの存在は時々マウスのタスクのパフォーマンスを制限し、一度に1匹の動物の記録を制限します。最近、ワイヤレスミニスコープが開発されました25,26.これにより、タスクのパフォーマンスが広がり、グループ内の複数の動物からの同時in vivoイメージングが可能になります。さらに、スペクトル的に分離可能な波長とデュアルカラーミニスコープを組み合わせた、より高感度なGECIを開発することは、神経科学研究にとってよりエキサイティングな可能性を提供します。
The authors have nothing to disclose.
この研究は、国立衛生研究所(NIH)5P20GM121310、R61NS115161、およびUG3NS115608からの助成金によってサポートされています。
0.6mm and 1.2mm drill burrs | KF technology | 8000037800 | For craniotomy |
27-G and 30-G needle | BD PrecisionGlide Needle | REF 305109 and REF305106 | For both surgeries |
45 angled forceps | Fine Science tools | 11251-35 | For surgeries |
7.5% povidone-iodine solution (Betadine) | Purdue Products L.P. | NDC 67618-151-17 | Surface disinfectant |
Acetone | Sigma-Aldrich | 179124-1L | GRIN lens cleaner |
Agarose | Sigma-Aldrich | A9539-25G | For GRIN lens implantation |
Antibiotic ointment | HeliDerm Technology | 81073087 | For virus injection |
Anti-inflamatory drug (Ibuprofen) | Johnson & Johnson Consumer Inc | 30043308 | Acts as pain killer after surgeries |
AutoStereota | NIDA/IRP | github.com/liang-bo/autostereota | For GRIN lens implantation |
Behavior Recoding Software (Point Grey FlyCap2) | Point Grey | Point Grey Research Blackfly BFLY-PGE-12A2C | For recording behavior |
Brass hex nut | McMASTER-CARR | 92736A112 | For GRIN lens implantation |
Buprenorphine | Par Pharmaceuticals | NDC 4202317905 | For GRIN lens implantation |
Calcium chloride | Sigma | 10043-52-4 | For preparing aCSF |
Commutator | NIDA/IRP | Custom-designed | Component of image acquisition system |
Compressed Oxygen and Caxbondioxide tank | Rocky Mountain Air Solutions | BI-OX-CD5C-K | For GRIN lens implantation |
Compressed Oxygen tank | Rocky Mountain Air Solutions | OX-M-K | For virus injection |
Cordless Microdrill | KF technology | 8000037800 | For craniotomy |
Cyanoacrylate | Henkel Coorporation | # 1811182 | For GRIN lens implantation |
Data acquisition controller | NIDA/IRP | Custom-designed | Component of image acquisition system |
Data transmission cable | NIDA/IRP | Custom-designed | Component of image acquisition system |
Dental cement set | C&B Metabond and Catalyst | A00253revA306 and A00168revB306 | For GRIN lens implantation |
Dental cement set | Duralay | 2249D | For GRIN lens implantation |
Dexamethasone | VETone | NDC 1398503702 | For GRIN lens implantation |
Dextrose | Sigma | 50-99-7 | For preparing aCSF |
Diet gel | Clear H20 | 72-06-5022 | Diet Supplement for mouse |
GRIN lens | GRINTECH | NEM-100-25-10-860-S | For GRIN lens implantation |
Heating Pad | Physitemp Instruments LLC. | #10023 | To keep the mouse body warm during surgeries |
Isoflurane | VETone | V1 502017 | Anesthesia |
Ketamine | VETone | V1 501072 | For GRIN lens implantation |
Lidocaine | WEST-WARD | NDC 0143-9575-01 | Local anesthesia |
Magnesium chloride hexahydrate | Sigma | 7791-18-6 | For preparing aCSF |
Microliter syringe (Hamilton) | Hamilton | 7653-01 | For virus injection |
MicroSyringe Pump Controller | World Precision Instrument | #178647 | For virus injection |
Miniscope | NIDA/IRP | Custom-designed | For imaging |
Miniscope base | Protolabs | Custom-designed | For mounting the base |
Miniscope holding arm | NIDA/IRP | Custom-designed | For mounting the base |
Miniscope protection cap | Protolabs | Custom-designed | For protecting the miniscope |
Motorized controller | Thorlabs | KMTS50E | For mounting the base |
NeuView | NIDA/IRP | https://github.com/giovannibarbera/miniscope_v1.0 | For in vivo imaging |
Ophthalmic ointment | Puralube Vet Ointment | NDC 17033-211-38 | Ophthalmic |
PCR tube | Thermo Scientific | AB-0622 | For GRIN lens implantation |
Pinch Clamp | World Precision Instrument | 14040 | For clamping the tubing |
Polytetrafluoroethylene (PTFE) tape | TegaSeal PTFE Tape | A-A-58092 | For fastening miniScope to the base |
Potassium chloride | Sigma | 7447-40-7 | For preparing aCSF |
Robotic arm | NIDA/IRP | Custom-designed | For GRIN lens implantation |
Saline | Hospira | RL 7302 | For both surgeries |
Set screw | DECORAH LLC. | 3BT-P9005-00-0025 | For screwing the brass hex nut in miniscope base |
Silicone Rubber tubing, 0.062”ID, 1/8”OD | McMaster | 2124T3 | For irrigation of aCSF |
Sodium bicarbonate | Sigma | 144-55-8 | For preparing aCSF |
Sodium chloride | Sigma | 7647-14-5 | For preparing aCSF |
Sodium phosphate monobasic | Sigma | 7558-80-7 | For preparing aCSF |
Stereotaxic stage | KOPF | Model 962 Dual Ultra Precise Small Animal Stereotaxic | For both surgeries |
Sterile cotton swab | Puritan | REF 806-WC | For both surgeries |
Surgical tools | Fine Science tools | 11251-35 | For surgeries |
Suture | Sofsilk | REF SS683 | For virus injection |
Syringe filter (0.22 µm) | Millex | SLGVR33RS | For filtering aCSF during GRIN lens implantation |
Viral suspension (AAV1-CamKII-GCamp6f) | Addgene | 100834-AAV1 | For virus injection |
Titre: 2.8 X 10^13 GC/ml | |||
Xylazine | VETone | V1 510650 | For GRIN lens implantation |