Минископ in vivo кальциевая визуализация является мощным методом для изучения динамики нейронов и микросхем у свободно ведущих себя мышей. Этот протокол описывает выполнение операций на головном мозге для достижения хорошей визуализации кальция in vivo с использованием минископа.
Миниатюрный флуоресцентный микроскоп (минископ) является мощным инструментом для визуализации кальция in vivo от свободно ведущих себя животных. Он предлагает несколько преимуществ по сравнению с обычными многофотонными системами визуализации кальция: (1) компактный; 2) легкие; 3) доступные; и (4) позволяет вести запись от свободно ведущих себя животных. Этот протокол описывает операции на головном мозге для глубокой визуализации кальция in vivo с использованием специально разработанной системы записи минископа. Процедура подготовки состоит из трех этапов, включая (1) стереотаксическое введение вируса в желаемую область мозга мыши для маркировки определенной подгруппы нейронов генетически закодированным датчиком кальция; (2) имплантация линзы с градиентным индексом (GRIN), которая может передавать изображение кальция из глубокой области мозга в систему минископа; и (3) прикрепление держателя минископа к черепу мыши, где минископ может быть прикреплен позже. Для выполнения визуализации кальция in vivo минископ крепится к держателю, и нейронные изображения кальция собираются вместе с одновременными записями поведения. Настоящий протокол операции совместим с любыми коммерческими или специально созданными однофотонными и двухфотонными системами визуализации для глубокой визуализации мозга in vivo кальцием.
Внутриклеточная передача сигналов Ca2+ является важным регулятором роста клеток, пролиферации, дифференцировки, миграции, транскрипции генов, секреции и апоптоза1. В нейронах передача сигналов Ca2+ точно контролируется, поскольку ее пространственно-временная картина связана с важнейшими функциями, такими как возбудимость мембраны, высвобождение нейротрансмиттера и синаптическая пластичность2.
Визуализация кальция in vivo является мощным методом, который может быть использован для декодирования элементального представления нейронной цепи для нормального поведения животных, выявления аберрантной нейронной активности в животных моделях расстройств головного мозга и разгадки потенциальных терапевтических целей, которые могут нормализовать эти измененные схемы. Двумя распространенными системами визуализации кальция in vivo являются двухфотонная лазерная сканирующая флуоресцентная микроскопия 3,4,5,6 и головная миниатюрная микроэндоскопия (минископ)7,8,9,10,11,12,13 . Обычная двухфотонная микроскопия предлагает такие преимущества, как лучшее разрешение, более низкий уровень шума и более низкое фотоотбеливание; тем не менее, экспериментальные животные должны быть зафиксированы головой, ограничивая исследования поведения, которые могут быть выполнены 3,4,5,6. Напротив, головная минископическая система является небольшой и портативной, что позволяет изучать широкий спектр поведенческих тестов с использованием свободно ведущих себя животных 7,8,9,10,11,12,13.
Есть два ведущих индикатора Ca2+, химические показатели 5,14 и генетически закодированные показатели кальция (GECI)15,16. Визуализация Ca2+ была облегчена за счет использования высокочувствительных GECI, доставленных с вирусными векторами, которые позволяют специфическую маркировку нейронов в целевой цепи. Постоянные усилия по повышению чувствительности, долговечности и способности маркировать даже субклеточные компартменты делают GECI идеальными для различных исследований визуализации кальция in vivo 17,18,19.
Рассеяние света в ткани мозга во время визуализации ограничивает глубокое оптическое проникновение, даже при двухфотонной микроскопии. Тем не менее, линза Gradient Index (GRIN) преодолевает эту проблему, поскольку линза GRIN может быть непосредственно встроена в биологические ткани и передавать изображения из глубокой области мозга на объектив микроскопа. В отличие от обычной линзы, изготовленной из оптически однородного материала и требующей сложной формы поверхности для фокусировки и создания изображений, характеристики объектива GRIN основаны на постепенном изменении показателя преломления в материале линзы, которое достигает фокусировки с плоской поверхностью20. Объектив GRIN может быть изготовлен диаметром до 0,2 мм. Таким образом, миниатюрная линза GRIN может быть имплантирована в глубокий мозг, не причиняя слишком большого ущерба.
В этой статье представлен полный протокол операции для глубокой визуализации мозга in vivo кальцием. Для демонстрационной цели мы описываем операции на головном мозге, специально нацеленные на медиальную префронтальную кору (mPFC) мозга мыши и запись визуализации кальция in vivo с помощью специально разработанной системы минископа, разработанной группой доктора Лина в Национальном институте по злоупотреблению наркотиками (NIDA / IRP) 7,12. Экспериментальная процедура включает в себя две крупные операции на головном мозге. Первая операция заключается в стереотаксическом введении вирусного вектора, экспрессирующего GCaMP6f (GECI) в mPFC. Вторая операция заключается в имплантации хрусталика GRIN в ту же область мозга. После восстановления после этих операций на головном мозге последующая процедура заключается в прикреплении держателя минископа (основания) к черепу мыши с помощью зубного цемента. In vivo Визуализация Ca2+ может быть выполнена в любое время после установки минископа на его основание. Хирургический протокол для вирусных инъекций и имплантации линз GRIN совместим с любыми коммерческими или специально созданными однофотонными и двухфотонными системами визуализации для глубокой визуализации мозга in vivo кальция.
Центральным вопросом в нейробиологии является понимание того, как нейронная динамика и схемы кодируют и хранят информацию, и как они изменяются при заболеваниях мозга. Используя систему визуализации miniscope in vivo Ca2+, индивидуальная нейронная активность нескольких сотен нейронов в локальной микросхеме может одновременно контролироваться от свободно ведущего себя животного. Здесь описан подробный хирургический протокол для вирусной инъекции и имплантации линзы GRIN для подготовки грызунов к глубокой визуализации мозга in vivo Ca2 + с помощью специально разработанной системы записи минископа. В таблице 1 показаны сравнения нашей минископической системы с другими коммерчески доступными и изготовленными на заказ системами минископов 7,8,9,10,11,13,25,26. Стоит отметить, что имплантация хрусталика GRIN с использованием настоящего хирургического протокола совместима с любыми коммерческими или изготовленными на заказ однофотонными и двухфотонными системами визуализации для глубокой визуализации мозга in vivo кальцием.
От вирусной инъекции до получения данных минископом in vivo кальциевой визуализации, вся экспериментальная процедура занимает не менее 2 месяцев. Это сложный и трудоемкий процесс. Конечный успех эксперимента зависит от множества факторов, включая правильный выбор GECI, точную инъекцию вируса в целевую область мозга, достаточную вирусную экспрессию в желаемой нейронной популяции, имплантацию хрусталика GRIN точно в нужное место, адекватное восстановление после операций, а также, возникает ли тяжелое воспаление после операции, и серьезно ли поведение животного влияет на операции, и так далее.
Два критических этапа включают стереотаксическую инъекцию вируса и имплантацию хрусталика GRIN. Для демонстрационной цели стереотаксическую микроинъекцию выполняли в мышином mPFC, с аденоассоциированным вирусом (AAV1), кодирующим GCaMP6f под контролем промотора CaMKII, который избирательно маркирует пирамидальные нейроны в mPFC. GCaMP6f был выбран, так как это один из самых быстрых и чувствительных показателей кальция со временем полураспада 71 мс15. Кроме того, вирусная экспрессия AAV GCaMP6f является длительной (т.е. несколько месяцев), что делает ее идеальной для выполнения повторяющейся визуализации in vivo Ca2+ в течение длительного периода для продольных исследований на мышиных моделях нейродегенеративных заболеваний27. Текущий протокол операции может быть адаптирован для нацеливания на различные клеточные популяции в любой другой области мозга. Различные доступные вирусные инструменты позволяют селективно маркировать конкретные нейронные популяции в нужной области мозга в нужном возрасте. Кроме того, исследователи могут воспользоваться системой рекомбинации Cre-LoxP и различными доступными трансгенными моделями мышей для проведения генетических модификаций и изучения поведенческих и нейронных схем28,29.
Одной из уникальных особенностей представленного протокола является то, что автоматизированная послойная аспирация мозговой ткани была выполнена перед имплантацией линзы GRIN (диаметром 1 мм). Это достигается с помощью иглы 27 G, подключенной к вакуумной системе, управляемой специально изготовленной роботизированной рукой и программным обеспечением23. Основываясь на нашем опыте, этот метод создает однородную поверхность для контакта линзы GRIN и наносит меньший ущерб соседней ткани, чем мануальная тканевая аспирация23. По этой причине эта процедура приносит очевидное преимущество для линз GRIN с относительно более широким диаметром (например, 1 мм). Однако тканевая аспирация может не потребоваться для имплантации линзы GRIN с меньшим диаметром (0,5 мм или 0,25 мм). Вместо этого он может быть непосредственно посажен вдоль ведущей дорожки, сделанной с помощью иглы30 G 21.
Помимо двух критических шагов, рассмотренных выше, многие другие факторы должны быть тщательно рассмотрены для успешной операции. (1) Все инструменты, которые контактируют с мозгом, должны быть стерилизованы для предотвращения инфекции. (2) Все хирургические шаги должны быть выполнены, чтобы свести к минимуму повреждение мозга, чтобы предотвратить дальнейшее воспаление и чрезмерное образование рубцовой ткани. (3) Дозы анестезии, вводимые первоначально и поддерживаемые во время операции, особенно те, которые вводятся внутрибрюшинно, должны быть тщательно рассмотрены. Дозы анестезии могут быть изменены в соответствии с различными штаммами мышей, так как некоторые из них могут быть более восприимчивыми. (4) Состояние мыши необходимо постоянно контролировать во время операции. Наконец, (5) мыши должны регулярно контролироваться после операции, так как после операции может возникнуть много осложнений.
Хотя кусок мозговой ткани удаляется в одностороннем порядке на этапе имплантации хрусталика GRIN, мы не наблюдали каких-либо очевидных дефицитов поведения 7,12. Вес минископа составляет около 2 граммов, а кабель специально разработан, чтобы сделать его легким и гарантировать, что мышь может легко его переносить. Минископ и кабель прикрепляются к животному только перед визуализацией in vivo и отсоединяются после визуализации. Весь процесс визуализации обычно занимает не более 30 минут. Поэтому эти приборы не мешают мыши свободно вести себя. Этапы установки и деинсталляции минископа требуют кратковременной анестезии (менее 2 минут) изофлураном с целью удержания животных. Обычно мы оставляем мышь оправиться от кратковременного воздействия изофлурана в течение 30 минут, прежде чем выполнять визуализацию in vivo. Мы проводили минископическую визуализацию кальция in vivo один раз в неделю в течение нескольких недель, не замечая какого-либо влияния на здоровье мышей и социальное поведение мыши12.
Одним из основных ограничений нынешней системы записи минископа является необходимость подключения микроскопа к кабелю для сбора данных. Наличие кабеля иногда ограничивает выполнение задач мыши и ограничивает запись одного животного за раз. Недавно был разработан беспроводной минископ25,26. Это расширит производительность задачи и позволит одновременно получать изображения in vivo от нескольких животных в группе. Кроме того, разработка более чувствительных GECI со спектрально разделяемыми длинами волн в сочетании с двухцветным минископом предложит более захватывающие возможности для исследований в области неврологии.
The authors have nothing to disclose.
Эта работа поддерживается грантами Национального института здравоохранения (NIH) 5P20GM121310, R61NS115161 и UG3NS115608.
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 |