Calciumbeeldvorming met twee fotonen van de activiteit van de voorhersenen bij zich gedragende volwassen zebravissen
Summary
Hier presenteren we een protocol om twee-foton calciumbeeldvorming uit te voeren in de dorsale voorhersenen van volwassen zebravissen.
Abstract
Volwassen zebravissen (Danio rerio) vertonen een rijk repertoire aan gedragingen voor het bestuderen van cognitieve functies. Ze hebben ook een miniatuurbrein dat kan worden gebruikt voor het meten van activiteiten in hersengebieden door middel van optische beeldvormingsmethoden. Rapporten over de registratie van hersenactiviteit bij zich gedragende volwassen zebravissen zijn echter schaars. De huidige studie beschrijft procedures om twee-foton calciumbeeldvorming uit te voeren in de dorsale voorhersenen van volwassen zebravissen. We richten ons op stappen om te voorkomen dat volwassen zebravissen hun kop bewegen, wat zorgt voor stabiliteit die laserscanning van de hersenactiviteit mogelijk maakt. De dieren met hun hoofd kunnen hun lichaamsdelen vrij bewegen en ademen zonder hulpmiddelen. De procedure heeft tot doel de tijd van een hoofdsteunoperatie te verkorten, de hersenbeweging te minimaliseren en het aantal geregistreerde neuronen te maximaliseren. Hier wordt ook een opstelling beschreven voor het presenteren van een meeslepende visuele omgeving tijdens calciumbeeldvorming, die kan worden gebruikt om neurale correlaten te bestuderen die ten grondslag liggen aan visueel getriggerd gedrag.
Introduction
Calciumfluorescentiebeeldvorming met genetisch gecodeerde indicatoren of synthetische kleurstoffen is een krachtige methode geweest om neuronale activiteit te meten bij zich gedragende dieren, waaronder niet-menselijke primaten, knaagdieren, vogels eninsecten. De activiteit van honderden cellen, tot ongeveer 800 μm onder het hersenoppervlak, kan tegelijkertijd worden gemeten met behulp van multi-fotonbeeldvorming 2,3. De activiteit van specifieke celtypen kan ook worden gemeten door calciumindicatoren tot expressie te brengen in genetisch gedefinieerde neuronale populaties. Toepassing van de beeldvormingsmethode voor kleine gewervelde modellen opent nieuwe mogelijkheden op het gebied van neuronale berekeningen over hersengebieden.
Zebravissen zijn een veelgebruikt modelsysteem in neurowetenschappelijk onderzoek. Larvale zebravissen zijn ongeveer 6 dagen na de bevruchting gebruikt voor calciumbeeldvorming vanwege hun miniatuurhersenen en transparante lichaam4. Juveniele zebravissen (3-4 weken oud) worden ook gebruikt voor het bestuderen van de neurale mechanismen die ten grondslag liggen aan sensomotorische routes 5,6. Het maximale prestatieniveau voor complex gedrag, waaronder associatief leren en sociaal gedrag, wordt echter bereikt op een oudere leeftijd 7,8 jaar. Er is dus een betrouwbaar protocol nodig om meerdere cognitieve functies in de hersenen van volwassen zebravissen te bestuderen met behulp van beeldvormingsmethoden. Terwijl zebravislarven en juveniele zebravissen kunnen worden ingebed in agarose voor in vivo beeldvorming, lijden volwassen zebravissen van 2 maanden of ouder in dergelijke omstandigheden aan hypoxie en zijn ze fysiek te sterk om door agarose te worden tegengehouden. Daarom is een chirurgische ingreep nodig om de hersenen te stabiliseren en het dier vrij door de kieuwen te laten ademen.
Hier beschrijven we een hoofdsteunprotocol dat een nieuw ontwerp van een enkele hoofdbeugel omvat. De verkorte operatietijd van 25 minuten is twee keer zo snel als de vorige methode9. We beschrijven ook het ontwerp van de opnamekamer (semi-zeshoekige tank), de hoofdtrap en een snelvergrendelingsmechanisme om de twee delen te combineren9. Ten slotte wordt ook de opstelling beschreven om een meeslepende visuele stimulus te presenteren om visueel getriggerde hersenactiviteit en -gedrag te bestuderen. Over het algemeen kunnen de hier beschreven procedures worden gebruikt om calciumbeeldvorming met twee fotonen uit te voeren in genetisch gedefinieerde celpopulaties in een volwassen zebravis met een hoofd, waardoor hersenactiviteiten tijdens verschillende gedragsparadigma’s kunnen worden onderzocht.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hier beschrijven we een gedetailleerd protocol om de kop van volwassen zebravissen in bedwang te houden voor calciumbeeldvorming met twee fotonen. Er zijn twee cruciale stappen om een hoofdsteun te krijgen die stabiel genoeg is voor laserscanning. Eerst moet de hoofdbalk op de specifieke bevestigingsplaatsen van de schedels worden gelijmd. Andere delen van de schedel zijn vaak te dun om mechanische stabiliteit te bieden en kunnen zelfs worden gebroken tijdens sterke lichaamsbewegingen. Ten tweede moet de huid boven de aa…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door het Institute of Molecular Biology, Academia Sinica, en de National Science and Technology Council, Taiwan. De machinewerkplaats van het Institute of Physics, Academia Sinica, hielp bij het vervaardigen van op maat ontworpen onderdelen. We willen ook P. Argast (Friedrich Miescher Instituut voor Biomedisch Onderzoek, Basel, Zwitserland) bedanken voor het ontwerp van het snelsluitmechanisme van de hoofdstage.
Materials
| Acquisition card | MBF Bioscience | Vidrio vDAQ | Microscope |
| Back-projection film | Kimoto | Diland screen – GSK | present visual stimulus |
| Band-pass filter (510/80 nm) | Chroma | ET510/80m | Microscope |
| Base plate for the semi-hexagonal tank | custom made | see supplemental files | recording chamber |
| Camera filter (<875 nm) | Edmund optics | #86-106 | Behavior recording |
| Camera filter (>700 nm) | Edmund optics | #43-949 | Behavior recording |
| Camera lens | Thorlabs | MVL50M23 | Behavior recording |
| Chameleon Vision-S | Coherent | Vision-S | Laser |
| Circular plate for the head stage | custom made | see supplemental files | recording chamber |
| Controller for piezo actuator | Physik Instrumente | E-665. CR | Microscope |
| Current amplifier | Thorlabs | TIA60 | Microscope |
| Elitedent Q-6 | Rolence Enterprise | Q-6 | Surgery: UV lamp |
| Emission Filter 510/80 nm | Chroma | ET510/80m | Microscope |
| Head bar | custom made | see supplemental files | recording chamber |
| Infrared light | Thorlabs | M810L3 | Behavior recording |
| LED projector | AAXA | P2B LED Pico Projector | present visual stimulus |
| Moist paper tissue (Kimwipe) | Kimtech Science | 34155 | Surgery: moist paper tissue |
| Motorized XY sample stage | Zaber | X-LRM050 | Microscope |
| Neutral Density Filters (50% Transmission) | Thorlabs | NE203B | present visual stimulus |
| Ø1/2" Post Holder | ThorLabs | PH1.5V | Surgery: hollow tube for cannon |
| Ø1/2" Stainless Steel Optical Post | ThorLabs | TR150/M | Surgery: fish loading module |
| Objective lens 16x, 0.8NA | Nikon | CF175 | Microscope |
| Oil-based modeling clay | Ly Hsin Clay | C4086 | Surgery: head bar holder |
| Optical adhesive | Norland Products | NOA68 | Surgery: UV curable glue |
| Photomultiplier tube | Hamamatsu | H11706P-40 | Microscope |
| Piezo actuator | Physik Instrumente | P-725.4CA PIFOC | Microscope |
| Pockels Cell | Conoptics | M350-80-LA-BK-02 | Microscope |
| Red Wratten filter (> 600 nm) | Edmund optics | #53-699 | present visual stimulus |
| Resonant-Galvo Scan System | INSS | RGE-02 | Microscope |
| Right-Angle Clamp for Ø1/2" Post | ThorLabs | RA90/M | Surgery: fish loading module |
| Rotating Clamp for Ø1/2" Post | ThorLabs | SWC/M | Surgery: fish loading module |
| ScanImage | MBF Bioscience | Basic version | Microscope |
| Semi-hexagonal tank | custom made | see supplemental files | recording chamber |
| Super-Bond C&B Kit | Sun Medical Co. | Super-Bond C&B | Surgery: dental cement |
| Tricaine methanesulfonate | Sigma Aldrich | E10521 | Surgery: anesthetic |
| USB Camera | FLIR | BFS-U3-13Y3M-C | Behavior recording |
| Vetbond | 3M | 1469SB | Surgery: tissue glue |
References
- Grienberger, C., Konnerth, A. Imaging calcium in neurons. Neuron. 73 (5), 862-885 (2012).
- Chow, D. M., et al. Deep three-photon imaging of the brain in intact adult zebrafish. Nature Methods. 17 (6), 605-608 (2020).
- Mittmann, W., et al. Two-photon calcium imaging of evoked activity from L5 somatosensory neurons in vivo. Nature Neuroscience. 14 (8), 1089-1093 (2011).
- Friedrich, R. W., Jacobson, G. A., Zhu, P. Circuit neuroscience in zebrafish. Current Biology. 20 (8), R371-R381 (2010).
- Kappel, J. M., et al. Visual recognition of social signals by a tectothalamic neural circuit. Nature. 608 (7921), 146-152 (2022).
- Bartoszek, E. M., et al. Ongoing habenular activity is driven by forebrain networks and modulated by olfactory stimuli. Current Biology. 31 (17), 3861-3874 (2021).
- Valente, A., Huang, K. H., Portugues, R., Engert, F. Ontogeny of classical and operant learning behaviors in zebrafish. Learning & Memory. 19 (4), 170-177 (2012).
- Buske, C., Gerlai, R. Maturation of shoaling behavior is accompanied by changes in the dopaminergic and serotoninergic systems in zebrafish. Developmental Psychobiology. 54 (1), 28-35 (2012).
- Huang, K. H., et al. A virtual reality system to analyze neural activity and behavior in adult zebrafish. Nature Methods. 17 (3), 343-351 (2020).
- Rupprecht, P., Prendergast, A., Wyart, C., Friedrich, R. W. Remote z-scanning with a macroscopic voice coil motor for fast 3D multiphoton laser scanning microscopy. Biomedical Optics Express. 7 (5), 1656-1671 (2016).
- Papadopoulos, I. N., Jouhanneau, J. -. S., Poulet, J. F. A., Judkewitz, B. Scattering compensation by focus scanning holographic aberration probing (F-SHARP). Nature Photonics. 11 (2), 116-123 (2017).
- Torigoe, M., et al. Zebrafish capable of generating future state prediction error show improved active avoidance behavior in virtual reality. Nature Communications. 12 (1), 5712 (2021).
