Davranan Yetişkin Zebra Balıklarında Ön Beyin Aktivitesinin İki Fotonlu Kalsiyum Görüntülemesi
Summary
Burada, yetişkin zebra balıklarının dorsal ön beyninde iki fotonlu kalsiyum görüntüleme yapmak için bir protokol sunuyoruz.
Abstract
Yetişkin zebra balığı (Danio rerio) bilişsel işlevleri incelemek için zengin bir davranış repertuarı sergiler. Ayrıca, optik görüntüleme yöntemleriyle beyin bölgelerindeki aktiviteleri ölçmek için kullanılabilecek minyatür bir beyne sahiptirler. Bununla birlikte, yetişkin zebra balıklarında beyin aktivitesinin kaydedilmesine ilişkin raporlar azdır. Bu çalışma, yetişkin zebra balıklarının dorsal ön beyninde iki fotonlu kalsiyum görüntüleme gerçekleştirme prosedürlerini açıklamaktadır. Yetişkin zebra balıklarının başlarını hareket ettirmesini engellemeye yönelik adımlara odaklanıyoruz, bu da beyin aktivitesinin lazerle taranarak görüntülenmesini sağlayan stabilite sağlıyor. Kafası kısıtlanmış hayvanlar, vücut kısımlarını serbestçe hareket ettirebilir ve yardım almadan nefes alabilir. Prosedür, baş desteği ameliyatının süresini kısaltmayı, beyin hareketini en aza indirmeyi ve kaydedilen nöron sayısını en üst düzeye çıkarmayı amaçlamaktadır. Kalsiyum görüntüleme sırasında sürükleyici bir görsel ortam sunmak için bir kurulum da burada açıklanmıştır ve bu, görsel olarak tetiklenen davranışların altında yatan nöral bağıntıları incelemek için kullanılabilir.
Introduction
Genetik olarak kodlanmış göstergeler veya sentetik boyalarla kalsiyum floresan görüntüleme, insan olmayan primatlar, kemirgenler, kuşlar ve böcekler dahil olmak üzere davranan hayvanlarda nöronal aktiviteyi ölçmek için güçlü bir yöntem olmuştur1. Beyin yüzeyinin yaklaşık 800 μm altına kadar yüzlerce hücrenin aktivitesi, çoklu foton görüntüleme 2,3 kullanılarak aynı anda ölçülebilir. Spesifik hücre tiplerinin aktivitesi, genetik olarak tanımlanmış nöronal popülasyonlarda kalsiyum göstergelerinin eksprese edilmesiyle de ölçülebilir. Küçük omurgalı modelleri için görüntüleme yönteminin uygulanması, beyin bölgeleri arasında nöronal hesaplama alanında yeni olanaklar sunmaktadır.
Zebra balığı, sinirbilim araştırmalarında yaygın olarak kullanılan bir model sistemdir. Döllenmeden yaklaşık 6 gün sonra larva zebra balıkları, minyatür beyinleri ve şeffaf gövdeleri nedeniyle kalsiyum görüntüleme için kullanılmıştır4. Yavru zebra balığı (3-4 haftalık) ayrıca sensorimotor yolların altında yatan nöral mekanizmaları incelemek için kullanılır 5,6. Bununla birlikte, ilişkisel öğrenme ve sosyal davranışlar da dahil olmak üzere karmaşık davranışlar için maksimum performans düzeyinedaha büyük yaşta ulaşılır 7,8. Bu nedenle, görüntüleme yöntemlerini kullanarak yetişkin zebra balıklarının beyinlerindeki çoklu bilişsel işlevleri incelemek için güvenilir bir protokol gereklidir. Zebra balığı larvaları ve yavru zebra balıkları in vivo görüntüleme için agaroza gömülebilirken, 2 aylık veya daha büyük yetişkin zebra balıkları bu tür koşullarda hipoksiden muzdariptir ve fiziksel olarak agaroz tarafından sınırlandırılamayacak kadar güçlüdür. Bu nedenle, beyni stabilize etmek ve hayvanın solungaçlardan serbestçe nefes almasını sağlamak için cerrahi bir prosedür gereklidir.
Burada, tek bir baş çubuğunun yeni bir tasarımını içeren bir koltuk başlığı protokolünü açıklıyoruz. 25 dakikalık kısaltılmış ameliyat süresi, önceki yönteme göre iki kat daha hızlıdır9. Ayrıca kayıt odasının (yarı altıgen tank), kafa aşamasının ve iki parçayı birleştirmek için hızlı kilitleme mekanizmasının tasarımını da açıklıyoruz9. Son olarak, görsel olarak tetiklenen beyin aktivitesini ve davranışlarını incelemek için sürükleyici bir görsel uyaran sunma kurulumu da açıklanmaktadır. Genel olarak, burada açıklanan prosedürler, kafası kısıtlanmış yetişkin bir zebra balığında genetik olarak tanımlanmış hücre popülasyonlarında iki fotonlu kalsiyum görüntüleme gerçekleştirmek için kullanılabilir ve çeşitli davranışsal paradigmalar sırasında beyin aktivitelerinin araştırılmasını sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada, iki fotonlu kalsiyum görüntüleme için yetişkin zebra balığının kafasını dizginlemek için ayrıntılı bir protokol açıklıyoruz. Lazer tarama görüntüleme için yeterince stabil bir koltuk başlığı elde etmek için iki kritik adım vardır. İlk olarak, kafa çubuğu kafataslarının belirli bağlantı yerlerine yapıştırılmalıdır. Kafatasının diğer kısımları genellikle mekanik stabilite sağlamak için çok incedir ve hatta güçlü vücut hareketleri sırasında kırılabilir. İki…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Sinica Akademisi Moleküler Biyoloji Enstitüsü ve Tayvan Ulusal Bilim ve Teknoloji Konseyi tarafından desteklenmiştir. Fizik Enstitüsü’ndeki Makine Atölyesi, Academia Sinica, özel tasarım parçaların üretilmesine yardımcı oldu. Ayrıca P. Argast’a (Friedrich Miescher Biyomedikal Araştırma Enstitüsü, Basel, İsviçre) kafa aşamasının hızlı kilit mekanizmasının tasarımı için teşekkür etmek istiyoruz.
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).
