Fare Superior Colliculus'ta Kalsiyum Görüntüleme
Summary
Bu protokol, vahşi tip farelerde korteksi bozulmadan bırakırken iki foton mikroskobu ile tek nöron aktivitesinin görüntülenmesi ve kısmi korteks mutant farelerde geniş alan mikroskobu ile tüm SC’nin görüntülenmesi dahil olmak üzere, uyanık farelerin superior colliculus’unda (SC) kalsiyum yanıtlarını görüntüleme prosedürünü detaylandırır.
Abstract
Tüm omurgalılarda evrimsel olarak korunmuş bir orta beyin yapısı olan superior colliculus (SC), serebral korteksin ortaya çıkmasından önceki en karmaşık görsel merkezdir. Her biri belirli bir görsel özelliği kodlayan ~30 tip retinal ganglion hücresinden (RGC’ler) doğrudan girdiler alır. SC’nin sadece retinal özellikleri miras alıp almadığı veya SC’de ek ve potansiyel olarak de novo işlemenin meydana gelip gelmediği belirsizliğini koruyor. SC’deki görsel bilginin nöral kodlamasını ortaya çıkarmak için, burada uyanık farelerde iki tamamlayıcı yöntemle görsel yanıtları optik olarak kaydetmek için ayrıntılı bir protokol sunuyoruz. Bir yöntem, üst üste binen korteksi kesmeden tek hücre çözünürlüğünde kalsiyum aktivitesini görüntülemek için iki foton mikroskobu kullanırken, diğeri korteksi büyük ölçüde gelişmemiş bir mutant farenin tüm SC’sini görüntülemek için geniş alan mikroskobu kullanır. Bu protokol, hayvan hazırlama, viral enjeksiyon, başlık plakası implantasyonu, fiş implantasyonu, veri toplama ve veri analizi dahil olmak üzere bu iki yöntemi detaylandırır. Temsili sonuçlar, iki fotonlu kalsiyum görüntülemenin, tek hücre çözünürlüğünde görsel olarak uyarılmış nöronal tepkileri ortaya çıkardığını ve geniş alanlı kalsiyum görüntülemenin tüm SC boyunca nöral aktiviteyi ortaya çıkardığını göstermektedir. Bu iki yöntem birleştirilerek SK’deki nöral kodlama farklı ölçeklerde ortaya çıkarılabilir ve bu kombinasyon beynin diğer bölgelerine de uygulanabilir.
Introduction
Superior colliculus (SC) tüm omurgalılarda önemli bir görme merkezidir. Memelilerde, retinadan ve görsel kortekstendoğrudan girdi alır 1. Optik kayıt, korteks 2,3,4,5’e yaygın olarak uygulanırken, SC’deki uygulaması zayıf optik erişimler tarafından engellenmektedir 6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17 ,18,19. Bu protokolün amacı, SC’deki nöral aktivitenin optik kaydı için iki tamamlayıcı yöntem hakkında ayrıntılı bilgi sağlamaktır.
SC, kolliküler nöronlara optik erişimi sınırlayan korteks ve transvers sinüsün altında bulunur. Bu sınırlamanın üstesinden gelmek için bir yaklaşım, üst üste binen korteksi aspire etmek ve ön-lateral SC 7,9,10,13,14,19’u ortaya çıkarmaktır. Bununla birlikte, SC kortikal girdiler aldığından, böyle bir işlem SC nöronlarının görsel uyaranlara nasıl tepki verdiğini etkileyebilir. Bu sınırlamanın üstesinden gelmek için, korteksi sağlam bırakırken posterior-medial SC’nin yüzeysel tabakasını silikon bir tıkaç ile görüntülemek için alternatif bir protokolü burada detaylandırıyoruz 8,11. Spesifik olarak, tek hücreli çözünürlük elde etmek için, vahşi tip farelerin posterior-medial SC’sindeki kalsiyum tepkilerini görüntülemek için iki foton mikroskobu uyguladık. Ek olarak, geniş kapsama alanı elde etmek için, posterior korteksigelişmemiş bir mutant farenin tüm SC’sini görüntülemek için geniş alan mikroskobu uyguladık 20.
Bu protokolde açıklanan iki yöntem birbirini tamamlayıcı niteliktedir. Korteks kesilmeden iki fotonlu kalsiyum görüntüleme, sağlam kortikal girdilerle tek hücre çözünürlüğünde nöral aktiviteyi kaydetmek için uygundur. Geniş alanlı kalsiyum görüntüleme, uzamsal çözünürlükten ödün verirken tüm SC’deki nöral aktiviteyi kaydetmek için uygundur.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokoldeki kritik adımlar
En kritik adım, 5.2 ve 5.3 adımlarındaki kraniyotomidir. İlk olarak, lambdanın 0,5 mm arkasındaki kemik kalındır ve içinde kan damarları vardır, bu da delme işlemi sırasında kanamaya neden olabilir. Kanamayı durdurmak için yeterli jel köpük hazırlanmalıdır. İkincisi, transvers sinüsün hemen üzerindeki kemiği çıkarırken iyi bir anjiorreksi olasılığı vardır. Sorun giderme için alternatif bir yaklaşım, ovalin içindeki kemiği inceltmek ve…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (32271060) tarafından desteklenmektedir. Y.-t.L. araştırmayı tasarladı, deneyi gerçekleştirdi, verileri analiz etti ve makaleyi yazdı. Deneyi Z.L. ve R.W. gerçekleştirdi.
Materials
| 16x objective | Nikon | ||
| 50-mm lens | Computar | M5018-MP2 | |
| 5-mm coverslip | Warner instruments | CS-5R | |
| bandpass filter | Chroma Technology | HQ575/250 m-2p | |
| butyl cyanoacrylate | Vetbond, World Precision Instruments | ||
| camera for monitoring pupil | FLIR | BFS-U3-04S2M-CS | |
| camera for widefield imaging | Basler | acA2000-165µm | |
| corona treater | Electro-Technic Products | BD-20AC | |
| dichroic | Chroma Technology | T600/200dcrb | |
| galvanometers | Cambridge Technology | ||
| glass bead sterilizer | RWD | RS1502 | |
| microdrill | RWD | 78001 | |
| micromanipulator | Sutter Instruments | QUAD | |
| photomultiplier tube | Hamamatsu | R3896 | |
| rotory encoder | USdigital | MA3-A10-125-N | |
| self-curing dental adhesive resin cement | SuperBond C&B, Sun Medical Co, Ltd. Moriyama, Japan | ||
| thermostatic heating pad | RWD | 69020 | |
| Ti:Sapphire laser | Spectra-Physics | Mai Tai HP DeepSee | |
| translucent silicone adhesive | Kwik-Sil, World Precision Instruments | ||
| treadmill | Xinglin Biology | ||
| Virus Strains | |||
| rAAV2/9-hsyn-Gcamp6m | Vector Core at Chinese Institute for Brain Research, Beijing | ||
| Animals | |||
| C57BL/6J wild type | Laboratory Animal Resource Center at Chinese Institute for Brain Research, Beijing | ||
| Emx1-Cre | The Jackson Laboratory | 5628 | |
| Pals1flox/wt | Christopher A. Walsh Lab | ||
| Software | |||
| ImageJ | NIH Image | ||
| Labview | National Instruments | ||
| MATLAB | Mathworks |
References
- May, P. J. The mammalian superior colliculus: laminar structure and connections. Progress in Brain Research. 151, 321-378 (2006).
- Denk, W., Strickler, J. H., Webb, W. W. Two-photon laser scanning fluorescence microscopy. Science. 248 (4951), 73-76 (1990).
- Ohki, K., Chung, S., Ch’ng, Y. H., Kara, P., Reid, R. C. Functional imaging with cellular resolution reveals precise micro-architecture in visual cortex. Nature. 433 (7026), 597-603 (2005).
- Ratzlaff, E. H., Grinvald, A. A tandem-lens epifluorescence macroscope: Hundred-fold brightness advantage for wide-field imaging. Journal of Neuroscience Methods. 36 (2-3), 127-137 (1991).
- de Vries, S. E. J., et al. A large-scale standardized physiological survey reveals functional organization of the mouse visual cortex. Nature Neuroscience. 23 (1), 138-151 (2020).
- Mrsic-Flogel, T. D., et al. Altered map of visual space in the superior colliculus of mice lacking early retinal waves. The Journal of Neuroscience. 25 (29), 6921-6928 (2005).
- Cang, J., Wang, L., Stryker, M. P., Feldheim, D. A. Roles of ephrin-as and structured activity in the development of functional maps in the superior colliculus. The Journal of Neuroscience. 28 (43), 11015-11023 (2008).
- Feinberg, E. H., Meister, M. Orientation columns in the mouse superior colliculus. Nature. 519 (7542), 229-232 (2015).
- Ahmadlou, M., Heimel, J. A. Preference for concentric orientations in the mouse superior colliculus. Nature Communications. 6, 6773 (2015).
- de Malmazet, D., Kühn, N. K., Farrow, K. Retinotopic separation of nasal and temporal motion selectivity in the mouse superior colliculus. Current Biology. 28 (18), 2961-2969 (2018).
- Li, Y. T., Turan, Z., Meister, M. Functional architecture of motion direction in the mouse superior colliculus. Current Biology. 30 (17), 3304-3315 (2020).
- Gribizis, A., et al. Visual cortex gains independence from peripheral drive before eye opening. Neuron. 104 (4), 711-723 (2019).
- Inayat, S., et al. Neurons in the most superficial lamina of the mouse superior colliculus are highly selective for stimulus direction. The Journal of Neuroscience. 35 (20), 7992-8003 (2015).
- Barchini, J., Shi, X., Chen, H., Cang, J. Bidirectional encoding of motion contrast in the mouse superior colliculus. eLife. 7, 35261 (2018).
- Savier, E. L., Chen, H., Cang, J. Effects of locomotion on visual responses in the mouse superior colliculus. The Journal of Neuroscience. 39 (47), 9360-9368 (2019).
- Schröder, S., et al. Arousal modulates retinal output. Neuron. 107 (3), 487-495 (2020).
- Ge, X., et al. Retinal waves prime visual motion detection by simulating future optic flow. Science. 373 (6553), (2021).
- Chen, H., Savier, E. L., DePiero, V. J., Cang, J. Lack of evidence for stereotypical direction columns in the mouse superior colliculus. The Journal of Neuroscience. 41 (3), 461-473 (2021).
- Kasai, M., Isa, T. Effects of light isoflurane anesthesia on organization of direction and orientation selectivity in the superficial layer of the mouse superior colliculus. The Journal of Neuroscience. 42 (4), 619-630 (2022).
- Kim, S., et al. The apical complex couples cell fate and cell survival to cerebral cortical development. Neuron. 66 (1), 69-84 (2010).
- Kaifosh, P., Zaremba, J. D., Danielson, N. B., Losonczy, A. S. I. M. A. Python software for analysis of dynamic fluorescence imaging data. Frontiers in Neuroinformatics. 8, 80 (2014).
- Pnevmatikakis, E. A., Giovannucci, A. NoRMCorre: An online algorithm for piecewise rigid motion correction of calcium imaging data. Journal of Neuroscience Methods. 291, 83-94 (2017).
- Kerlin, A. M., Andermann, M. L., Berezovskii, V. K., Reid, R. C. Broadly tuned response properties of diverse inhibitory neuron subtypes in mouse visual cortex. Neuron. 67 (5), 858-871 (2010).
- Göbel, W., Helmchen, F. In vivo calcium imaging of neural network function. Physiology. 22 (6), 358-365 (2007).
- Dombeck, D. A., Khabbaz, A. N., Collman, F., Adelman, T. L., Tank, D. W. Imaging large-scale neural activity with cellular resolution in awake, mobile mice. Neuron. 56 (1), 43-57 (2007).
- Evans, D. A., et al. A synaptic threshold mechanism for computing escape decisions. Nature. 558 (7711), 590-594 (2018).
