小鼠主视觉皮质中的单眼视觉剥夺和眼部优势可塑性测量
1The Clinical Hospital of Chengdu Brain Science Institute, MOE Key Lab for NeuroInformation,University of Electronic Science and Technology of China, 2Sichuan Institute for Brain Science and Brain-inspired Intelligence, 3Department of Electronic Engineering,City University of Hong Kong, 4Centre for Biosystems, Neuroscience, and Nanotechnology,City University of Hong Kong
Özet
本文提出了单眼视觉剥夺和眼主导性可塑性分析的详细方案，是研究关键时期视觉可塑性的神经机制和特定基因对视觉发展。
Abstract
单目视觉剥夺是诱导原发性视觉皮质反应可塑性的一个很好的实验范式。一般来说，皮层对反向眼睛对刺激的反应比小鼠主要视觉皮层（V1）的双目部分的侧边眼的反应要强得多。在哺乳动物的关键时期，缝合反向眼睛将导致V1细胞对反向眼部刺激的反应迅速丧失。随着转基因技术的不断发展，越来越多的研究利用转基因小鼠作为实验模型，研究特定基因对眼部支配力（OD）可塑性的影响。在这项研究中，我们介绍了单目视觉剥夺的详细方案，并计算了小鼠V1中OD可塑性的变化。在关键时期单眼剥夺（MD）4天后，测量每个神经元的方向调谐曲线，并比较V1中第四层神经元的调谐曲线。可使用每个细胞的眼部 OD 评分来计算反向偏置指数 （CBI），以指示 OD 可塑性的程度。该实验技术对于研究关键时期OD可塑性的神经机制和特定基因在神经发育中的作用具有重要意义。主要局限性是，急性研究无法研究同一小鼠在不同时间的神经可塑性变化。
Introduction
单目视觉剥夺是检验V1可塑性的绝佳实验范例。为了研究视觉体验在神经发育中的重要性，大卫·胡贝尔和托斯滕·威塞尔1，2在不同时间点和不同时间段的一只眼睛中剥夺正常视力的小猫。然后，他们观察了贫困和非贫困眼睛V1反应强度的变化。他们的结果显示，在头三个月里，对眼睛有异常低反应的神经元数量是被缝合的。然而，小猫的神经元在各方面的反应仍然与正常成年猫的眼睛的反应相同，而正常成年猫的眼睛被缝合了一年，小猫没有恢复。MD在成年猫不能诱导OD可塑性。因此，视觉体验对 V1 布线的影响在短暂、明确定义的开发阶段非常强烈，前后相同的刺激影响较小。这种对视觉输入的易感性增加的阶段被称为视觉皮层的关键时期。
虽然小鼠是夜间动物，但小鼠V1中的单个神经元具有与猫3、4、5的神经元相似的特性。近年来，随着转基因技术的飞速发展，越来越多的视觉神经科学研究将小鼠作为实验模型6、7、8。在小鼠视觉研究中，神经科学家使用突变体和敲除小鼠线，从而控制小鼠的基因组成。尽管小鼠 V1 缺少 OD 柱，但 V1 双目区域中的单个神经元显示出显著的 OD 属性。例如，大多数细胞对反向刺激的反应比对边侧刺激的反应更强烈。在关键时期暂时关闭一只眼睛，导致OD指数分布9、10、11发生显著变化。因此，MD可用于建立OD可塑性模型，以研究神经发育障碍中涉及的基因如何影响体内皮质可塑性。
本文介绍了一种医学实验方法，并推荐了一种常用的方法（电生理记录），用于分析单眼视觉剥夺期间OD可塑性的变化。该方法已广泛应用于许多实验室超过20年12，13，14，15，16。在测量OD可塑性时也使用其他方法，如慢性视觉唤起电位（VEP）记录17，和内在光学成像（IOI）18 。这种急性方法的显著优点是易于遵循，结果非常可靠。
Protocol
本方案从四川省医学科学院实验动物研究所和四川省人民医院获得雄性C57Bl/6小鼠。所有动物护理和实验程序均获得中国电子科技大学动物护理与使用委员会的批准。 1. 小鼠产后第28天的单眼剥夺（MD） 将手术工具、缝合针（直径0.25毫米，弦直径0.07毫米）和棉签放入铝盒中，在120°C下高压灭菌，用75%乙醇消毒发动机罩。在干燥炉中干燥手术工具。 制备2%的甘蔗?…
Representative Results
此处描述的实验结果使被剥夺和非剥夺小鼠在关键时期（P19_P32）成功进行了MD和OD可塑性测量。图 1显示了如何在 V1 的双目区域的第 4 层中执行单单元录像，以比较 MD 后 4 天在益边眼和反向眼中的响应。图 2显示了用于刺激侧边和反向眼睛的尖峰排序和方向调谐测量值。对于尖峰排序，通过聚类尖峰的主要组件权重建立了尖峰模板。例如（<strong class="xf…
Discussion
我们提出了一个详细的协议，MD和测量OD可塑性通过单单元记录。该协议在视觉神经科学中得到了广泛的应用。虽然MD协议并不复杂，但有一些关键的外科手术必须小心遵循。首先，有两个重要的细节，以确保缝合的质量。如果缝合集中在眼睑的中段，缝合线就足够稳定。此外，3 μL的胶水被涂在结的头部，以增加结的稳定性，以防止眼睛重新开放。其次，应采取一些关键步骤改善伤口愈合，减少?…
Açıklamalar
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项研究得到了国家自然科学基金（81571770、81771925、81861128001）的支持。
Materials
| 502 glue | M&G Chenguang Stationery Co., Ltd. | AWG97028 | |
| Acquizition card | National Instument | PCI-6250 | |
| Agarose | Biowest | G-10 | |
| Amplifier | A-M system | Model 1800 | |
| Atropine | Aladdin Bio-Chem Technology Co., Ltd | A135946-5 | |
| Brain Stereotaxic Apparatus | RWD Life Science Co.,Ltd | 68001 | |
| Cohan-Vannas spring scissors | Fine Science Tools | 15000-02 | |
| Contact Lenses Solutions | Beijing Dr. Lun Eye Care Products Co., Ltd. | GM17064 | |
| Cotton swabs | Henan Guangderun Medical Instruments Co.,Ltd | ||
| Fine needle holder | SuZhou Stronger Medical Instruments Co.,Ltd | CZQ1370 | |
| Forcep | 66 Vision Tech Co., Ltd. | 53320A | |
| Forcep | 66 Vision Tech Co., Ltd. | 53072 | |
| Forcep | 66 Vision Tech Co., Ltd. | #5 | |
| Heating pad | Stryker | TP 700 T | |
| Illuminator | Motic China Group Co., Ltd. | MLC-150C | |
| Isoflurane | RWD Life Science Co.,Ltd | R510-22 | |
| LCD monitor | Philips (China) Investment Co., Ltd. | 39PHF3251/T3 | |
| Microscope | SOPTOP | SZMT1 | |
| Noninvasive Vital Signs Monitor | Mouseox | ||
| Oil hydraulic micromanipulator | NARISHIGE International Ltd. | PC-5N06022 | |
| Petrolatum Eye Gel | Dezhou Yile Disinfection Technology Co., Ltd. | 17C801 | |
| Spike2 | Cambridge Electronic Design, Cambridge, UK | Spike2 Version 9 | |
| Surgical scissors | 66 Vision Tech Co., Ltd. | 54010 | |
| Surgical scissors | 66 Vision Tech Co., Ltd. | 54002 | |
| Suture Needle | Ningbo Medical Co.,Ltd | 3/8 arc 2.5*8 | |
| Tungsten Electrode | FHC, Inc | L504-01B | |
| Xylocaine | Huaqing |
Referanslar
- Hubel, D. H., Wiesel, T. N. Effects of monocular deprivation in kittens. Naunyn-Schmiedebergs Archiv für experimentelle Pathologie und Pharmakologie. 248 (6), 492-497 (1964).
- Daw, N. W., Fox, K., Sato, H., Czepita, D. Critical period for monocular deprivation in the cat visual cortex. Journal of Neurophysiology. 67 (1), 197-202 (1992).
- Guire, E. S., Lickey, M. E., Gordon, B. Critical period for the monocular deprivation effect in rats: assessment with sweep visually evoked potentials. Journal of Neurophysiology. 81 (1), 121-128 (1999).
- Wang, L., Sarnaik, R., Rangarajan, K. V., Liu, X., Cang, J. Visual receptive field properties of neurons in the superficial superior colliculus of the mouse. Journal of Neuroscience. 30 (49), 16573-16584 (2010).
- Niell, C. M. Cell Types, circuits, and receptive fields in the mouse visual cortex. Annual Review of Neuroscience. 38 (1), 413-431 (2015).
- Lee, S. H., et al. Activation of specific interneurons improves V1 feature selectivity and visual perception. Nature. 488 (8), 379-383 (2012).
- Cossell, L., et al. Functional organization of excitatory synaptic strength in primary visual cortex. Nature. 518 (2), 399-403 (2015).
- Lacaruso, M. F., Gasler, L. T., Hofer, S. B. Synaptic organization of visual space in primary visual cortex. Nature. 547 (7), 449-452 (2017).
- Metin, C., Godement, P., Imbert, M. The primary visual cortex in the mouse: Receptive field properties and functional organization. Experimental Brain Research. 69 (3), 594-612 (1988).
- Marshel, J. H., Garrett, M. E., Nauhaus, I., Callaway, E. M. Functional specialization of seven mouse visual cortical areas. Neuron. 72 (6), 1040-1054 (2011).
- Gordon, J. A., Stryker, M. P. Experience-dependent plasticity of binocular responses in the primary visual cortex of the mouse. The Journal of Neuroscience. 16 (10), 3274-3286 (1996).
- McGee, A. W., Yang, Y., Fischer, Q. S., Daw, N. W., Strittmatter, S. M. Experience-driven plasticity of visual cortex limited by myelin and Nogo receptor. Science. 309 (5744), 2222-2226 (2005).
- Sawtell, N. B., et al. NMDA receptor-dependent ocular dominance plasticity in adult visual cortex. Neuron. 38 (6), 977-985 (2003).
- Hofer, S. B., Mrsic-Flogel, T. D., Bonhoeffer, T., Hubener, M. Prior experience enhances plasticity in adult visual cortex. Nature Neuroscience. 9 (12), 127-132 (2006).
- Crozier, R. A., Wang, Y., Liu, C., Bear, M. F. Deprivation-induced synaptic depression by distinct mechanisms in different layers of mouse visual cortex. Proceedings of the National Academy of Sciences. 104 (4), 1383-1388 (2007).
- Tagawa, Y., Kanold, P. O., Majdan, M., Shatz, C. J. Multiple periods of functional ocular dominance plasticity in mouse visual cortex. Nature Neuroscience. 8 (3), 380-388 (2005).
- Lickey, M. E., Pham, T. A., Gordon, B. Swept contrast visual evoked potentials and their plasticity following monocular deprivation in mice. Vision Research. 44, 3381-3387 (2004).
- Cang, J., Kalatsky, V. A., Lowel, S., Stryker, M. P. Optical imaging of the intrinsic signal as a measure of cortical plasticity in the mouse. Vision Neuroscience. 22 (5), 685-691 (2005).
- Khan, I. U., et al. Evaluation of different suturing techniques for cystotomy closure in canines. Journal of Animal & Plant Sciences. 23 (4), 981-985 (2013).
- Weisman, D. L., Smeak, D. D., Birchard, S. J., Zweigart, S. L. Comparison of a continuous suture pattern with a simple interrupted pattern for enteric closure in dogs and cats: 83 cases (1991-1997). Journal of the American Veterinary Medical Association. 214 (10), 1507-1510 (1999).
- Heneghan, C. P. H., Thornton, C., Navaratnarajah, M., Jones, J. G. Effect of isoflurane on the auditory evoked response in man. BJA: British Journal of Anaesthesia. 59 (3), 277-282 (1987).
- Mitzdorf, U. Current source-density method and application in cat cerebral cortex: investigation of evoked potentials and EEG phenomenal. Physiological Reviews. 65 (1), 37-100 (1985).
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Chen, K., Zhao, Y., Liu, T., Su, Z., Yu, H., Chan, L. L. H., Liu, T., Yao, D. Monocular Visual Deprivation and Ocular Dominance Plasticity Measurement in the Mouse Primary Visual Cortex. J. Vis. Exp. (156), e60600, doi:10.3791/60600 (2020).