L'Enciclopèdia, la wikipedia en valencià

Fotometria de fibra

La fotometria de fibra és una tècnica in viu de medició d'imàgens de calcio , i recentment neurotransmisores, que captura l'activitat del calcio (Ca 2+) a nivell de població celular o "en grup" [1] de diversos tipos celulars específics dins d'una regió cerebral o ret funcional per a estudiar circuits neuronals.[2] [3][4][5][6] L'activitat del calci a nivell de població es pot correlacionar en tasques conductuales, com l'aprenentage espacial, la memòria i conductes cognitives complexes.[7] La tècnica implica l'implantació quirúrgica de fibra òptica en el cervell dels animals per a poder fer múltiples medicions en el

temps. Els implants de fibra òptica presenten numerosos beneficis per als investigadors. Són més senzilles d'implantar, menys invasivos, més llaugers i més barats que atres métodos de medició de calci com els miniscopios. També permeten obtindre imàgens de múltiples regions cerebrals que interactuen i integrar eixa informació en atres tècniques neurocientífiques. Les llimitacions de la fotometria de fibra són la baixa resolució celular i espacial i el fet de que els animals deuen ser conectats a un fes de fibres rígit, que pot llimitar el seu moviment i afectar el comportament natural dels animals més chicotets com les rates.

Descripció tècnica

La fotometria de fibra es basa en l'expressió d'indicadors de calci codificats genèticament (GECIs per les seues sigles en anglés genetically encoded calcium indicators), com GCaMP o RCaMP. Estos poden expressar-se de forma específica en distints tipos celulars per mig de l'us de promotors específics per a cada tipo celular com la proteïna quinasa II dependent de Ca2+/calmodulina (CaMKII) i la sinapsina humana (hSyn, per les seues sigles en anglés human synapsin) que conferixen expressió neuronal excitatoria i panneuronal, respectivament,[1] o utilisant el promotorrde la proteïna àcida fibrilar glial (GFAP), per a cèlules no neuronals com els astròcits. [8][9][10][11]


Tant en neurones com en astròcits l'activitat celular en forma de potencials d'acció, exocitósis de neurotransmisores, canvis en la plasticidad sináptica i transcripció genètica estan associats a l'entrada d'ions de calci a la cèlula.[5] Els canvis en els nivells de calci intracelular dependents de l'activitat poden ser monitoreados expressant un GECI en la cèlula. Els GECI emeten fluorescència en unir-se en els ions de calci i la diferència en la fluorescència correspon proporcionalment als canvis en els nivells intracelulars de calcio.[12] L'indicador de calci més utilisat per a la fotometria de fibra (i atres métodos d'imàgens in viu ) és GCaMP6, encara que se seguixen desenrollant nous GECI en espectres de fluorescència, cinètica, relaciones senyal-soroll i sensibilitats al calci diferents. [13] [14] Estos indicadors poden expressar-se en el cervell de dos formes: expressió viral [15] i llínees de rates transgèniques.[16] Els indicadors s'exciten en una font de llum a una llongitut d'ona òptima i emeten la seua pròpia llum a canvi, lo que permet registrar la dinàmica del calci a

lo llarc del temps.[3][15][17][13][18][19]Recentment, la llista d'indicadors ha creixcut substancialment, afegint indicadors per a atres senyals químiques com per eixemple dLight per a registrar nivells de dopamina i OxLight per a registrar orexina [15] [20] [21]


Els sistemes de fotometria de fibra estan dissenyats per a proporcionar llongituts d'ona d'excitació precises que són específiques per a cada indicador de calci (per eixemple, GCaMP) o neurotransmissor (per eixemple, dLight).[3] La llum viaja a través d'una fibra òptica des de la font de llum fins al terminal implantat en la regió o regions del cervell que són d'interés. L'indicador de calcio, expressat de forma específica en un tipo celular, és excitat per la llum, i a la seua volta, emet la seua pròpia senyal que viaja de tornada per mig de la mateixa fibra fins al detector.[3][4][22] Les senyals recolectades són separades espectralment per mig d'un espill dicroico, filtrades i enfocades a un fotodetector, cambra científica o fotomultiplicador (PMT).[3] La senyal recolectada representa la delta de la fluorescència (ΔF) en relació en la fluorescència basal (F), permetent als investigadors observar la senyal corresponent als canvis transitoris de calci (ΔF/F). Estes séries temporals de senyes es poden analisar usant una varietat de rutines de còdic obert, com pMAT, [23] pyPhotometry [24] i GuPPy . [25]

És important tindre en conte la contribució de les senyals isosbésticas a l'hora d'interpretar les senyals de fluorescència. Els indicadors de calci poden presentar dos estats: units i no units a calcio. Estes dos conformació tenen un espectre d'excitació i emissió únics per a cada indicador. La llongitut d'ona d'excitació a on l'indicador té la mateixa absorbancia en i sense calci constituïx el punt isosbéstico i determina la fluorescència basal independent de calcio. El moviment de l'animal i la autofluorescencia del teixit influencien esta senyal independent de calci i poden ser restades per a revelar el verdader canvi en la fluorescència.[26]

 
Estructura de GCaMP, un indicador de calci codificat genèticament utilisat comunament en métodos d'imàgens de calcio, com la fotometria de fibra i la microscopía d'un i dos fotons.

Indicadors de calci codificats genèticament (GECI)

Expressió celular

L'expressió celular dels indicadors de calci codificats genèticament (GECI) es pot conseguir de dos maneres: usant vectores virals adenoasociados i llínees de rates transgèniques.[15][16] L'us de vectores virals requerix l'infusió del virus que conté el GECI en la regió cerebral d'interés.[15] Per a infectar tipos celulars específics, este virus deu contindre un promotor específic per al tipo celular d'interés, com per eixemple, CaMKII i GFAP per a infectar neurones excitatorias o astròcits, respectivament. D'esta forma es pot registrar l'activitat celular d'una població celular específica en la regió particular del cervell a on la fibra òptica va ser implantada.[1] L'expressió celular òptima del virus requerix la titulació de la concentració viral injectada lo que generalment és determinat de forma empírica per a cada combinació de virus, tipo celular i regió del cervell. Per la seua banda, l'expressió de GECI també pot conseguir-se per mig de l'us de llínees d'animals transgènics que presenten una expressió ubiqua en el cervell en un tipo celular particular, com per eixemple, l'us de la llínea Thy1-GCaMP6, a on l'indicador de calci GCaMP6 és expressat de forma ubiqua pel promotor Thy1 present en neurones madures. Depenent del cep de rata o rata transgènica, l'expressió pot variar a lo llarc de distintes regions cerebrals, lo que pot presentar desafius tècnics durant l'obtenció del registre.[16]

GCaMP

GCaMP és un dels indicador de calci codificat genèticament (GECI) més utilisats, principalment en combinació en atres métodos d'imàgens.[17] GCaMP emet fluorescència quan l'indicador està unit a un ion calcio, indicant la presència de l'ion en el compartiment intracelular. Estes senyals de calci han segut directament relacionades en els patrons de resposta neuronal, la lliberació de neurotransmisores i la excitabilidad de la membrana. [27] Durant el registre, l'objectiu és fotoexcitar els punts d'absorció màxima i isosbésticos de l'indicador per a poder determinar la delta de fluorescència. Els indicadors de calci poden presentar dos estats: units i no units a calcio. Estes dos conformació tenen un espectre d'excitació i emissió únics per a cada indicador. La llongitut d'ona d'excitació a on l'indicador té la mateixa absorbancia en i sense calci constituïx el punt isosbéstico i determina la fluorescència basal independent de calcio. Les llongituts d'ona d'excitació per a GCaMP i la seua senyal isosbéstica són aproximadament 470 nm i 415 nm (blava), respectivament; i la llongitut d'ona d'emissió del GCaMP és aproximadament 525 nm (vert). El moviment de l'animal i la autofluorescencia del teixit influencien esta senyal independent de calci i poden ser restades per a revelar el verdader canvi en la fluorescència.[26]

Fotometria de fibra de múltiples colors

Per a observar la dinàmica de calci en múltiples tipos de cèlules de forma simultànea, els investigadors han combinat dos o més GECI en una sola regió del cervell. [3] [28] Per eixemple, un grup d'investigadors va registrar la fluorescència dels GECI verts i rojos, GCaMP6f i jRGECO1a, que es varen expressar de manera diferencial en les neurones de proyecció espinosa de les vies directa i indirecta del núcleu estriatal en rates que es movien lliurement.[29] L'expressió de múltiples GECI en la mateixa regió del cervell no està restringida a l'estudi de dos subtipos de neurones, com en l'estudi mencionat anteriorment, sino que també poden realisar-se en tipos celulars distints com a neurones i astròcits, usant els promotors adequats per a cada tipo celular, com es va demostrar en un estudi a on es va utilisar fotometria de fibra en dos colors usant promotors específics per a astròcits i neurones i es va analisar el comportament d'una rata realisant una tasca cognitiva de memòria.[30] Archiu:Imaging-activity-in-astrocytes-and-neurons-with-genetically-encoded-calcium-indicators-following-in-Video1.ogv


Referències

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 Cui, Guohong; Jun, Sang Beom; Jin, Xin; Luo, Guoxiang(June 2014).«Deep brain optical measurements of cell type–specific neural activity in behaving mice».Nature Protocols.9(6): 1213–1228.ISSN 1750-2799.doi:10.1038/nprot.2014.080.(en en)
  2. ↑ Kim, Christina K.; Yang, Samuel J.; Pichamoorthy, Nandini; Young, Noah P.(April 2016).«Simultaneous fast measurement of circuit dynamics at multiple sites across the mammalian brain».Nature Methods.13(4): 325–328.ISSN 1548-7105.doi:10.1038/nmeth.3770.(en en)
  3. ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 Wang, Yuanmo; DeMarco, Emily M.; Witzel, Lisa Sophia; Keighron, Jacqueline D.(2021-02-01).«A selected review of recent advances in the study of neuronal circuits using fiber photometry».Pharmacology Biochemistry and Behavior.201: 173113.ISSN 0091-3057.doi:10.1016/j.pbb.2021.173113.(en en)
  4. ↑ 4,0 4,1 Gunaydin, Lisa A.; Grosenick, Logan; Finkelstein, Joel C.; Kauvar, Isaac V.(2014-06-19).«Natural neural projection dynamics underlying social behavior».Cell.157(7): 1535–1551.ISSN 1097-4172.doi:10.1016/j.cell.2014.05.017.
  5. ↑ 5,0 5,1 Resendez, Shanna L; Stuber, Garret D(January 2015).«In viu Calcium Imaging to Illuminate Neurocircuit Activity Dynamics Underlying Naturalistic Behavior».Neuropsychopharmacology.40(1): 238–239.ISSN 0893-133X.doi:10.1038/npp.2014.206.
  6. ↑ Sych, Yaroslav; Chernysheva, Maria; Sumanovski, Lazar T.; Helmchen, Fritjof(June 2019).«High-density multi-fiber photometry for studying large-scale brain circuit dynamics».Nature Methods.16(6): 553–560.ISSN 1548-7105.doi:10.1038/s41592-019-0400-4.(en en)
  7. ↑ Girven, Kasey S.; Sparta, Dennis R.(2017-02-15).«Probing Deep Brain Circuitry: New Advances in in Viu Calcium Measurement Strategies».ACS Chemical Neuroscience.8(2): 243–251.doi:10.1021/acschemneuro.6b00307.
  8. ↑ Nimmerjahn, Axel; Bergles, Dwight I(2015-06-01).«Large-scale recording of astrocyte activity».Current Opinion in Neurobiology.32: 95–106.ISSN 0959-4388.doi:10.1016/j.conb.2015.01.015.(en en)
  9. ↑ Tsunematsu, Tomomi; Sakata, Shuzo; Sanagi, Tomomi; Tanaka, Kenji F.(2021-06-23).«Region-Specific and State-Dependent Astrocyte Ca2+ Dynamics during the Sleep-Wake Cycle in Mice».Journal of Neuroscience.41(25): 5440–5452.ISSN 0270-6474.doi:10.1523/JNEUROSCI.2912-20.2021.(en en)
  10. ↑ Paukert, Martin; Agarwal, Amit; Cha, Jaepyeong; Doze, Van A.(2014-06-18).«Norepinephrine controls astroglial responsiveness to local circuit activity».Neuron.82(6): 1263–1270.ISSN 1097-4199.doi:10.1016/j.neuron.2014.04.038.
  11. ↑ Corkrum, Michelle; Araque, Alfonso(October 2021).«Astrocyte-neuron signaling in the mesolimbic dopamine system: the hidden stars of dopamine signaling».Neuropsychopharmacology.46(11): 1864–1872.ISSN 1740-634X.doi:10.1038/s41386-021-01090-7.(en en)
  12. ↑ Wang, Wenjing; Kim, Christina K.; Ting, Alice Y.(February 2019).«Molecular tools for imaging and recording neuronal activity».Nature Chemical Biology.15(2): 101–110.ISSN 1552-4469.doi:10.1038/s41589-018-0207-0.(en en)
  13. ↑ 13,0 13,1 Chen, Tsai-Wen; Wardill, Trevor J.; Sun, Yi; Pulver, Stefan R.(July 2013).«Ultrasensitive fluorescent proteins for imaging neuronal activity».Nature.499(7458): 295–300.ISSN 1476-4687.doi:10.1038/nature12354.(en en)
  14. ↑ Vickstrom, Casey R.; Snarrenberg, Shana Terai; Friedman, Vladislav; Liu, Qing-song(2021-06-18).«Application of optogenetics and in viu imaging approaches for elucidating the neurobiology of addiction».Molecular Psychiatry.27(1): 640–651.ISSN 1476-5578.doi:10.1038/s41380-021-01181-3.(en en)
  15. ↑ 15,0 15,1 15,2 15,3 15,4 Leopold, Anna V.; Shcherbakova, Daria M.; Verkhusha, Vladislav V.(2019).«Fluorescent Biosensors for Neurotransmission and Neuromodulation: Engineering and Applications».Frontiers in Cellular Neuroscience.13: 474.ISSN 1662-5102.doi:10.3389/fncel.2019.00474.
  16. ↑ 16,0 16,1 16,2 Dana, Hod; Chen, Tsai-Wen; Hu, Amy; Shields, Brenda C.(2014-09-24).«Thy1-GCaMP6 Transgenic Mice for Neuronal Population Imaging In Viu».PLOS ONE.9(9): i108697.ISSN 1932-6203.doi:10.1371/journal.posa.0108697.(en en)
  17. ↑ 17,0 17,1 Tian, Lin; Hires, S. Andrew; Mao, Tianyi; Huber, Daniel(December 2009).«Imaging neural activity in worms, flies and mice with improved GCaMP calcium indicators».Nature Methods.6(12): 875–881.ISSN 1548-7105.doi:10.1038/nmeth.1398.(en en)
  18. ↑ Inoue, Masatoshi; Takeuchi, Atsuya; Horigane, Shin-ichiro; Ohkura, Masamichi(January 2015).«Rational design of a high-affinity, fast, ret calcium indicator R-CaMP2».Nature Methods.12(1): 64–70.ISSN 1548-7105.doi:10.1038/nmeth.3185.(en en)
  19. ↑ Patriarchi, Tommaso; Cho, Jounhong Ryan; Merten, Katharina; Howe, Mark W.(2018-06-29).«Ultrafast neuronal imaging of dopamine dynamics with designed genetically encoded sensors».Science.360(6396): eaat4422.ISSN 0036-8075.doi:10.1126/science.aat4422.
  20. ↑ Cosme, Caitlin V.; Palissery, Gates K.; Lerner, Talia N.(2018-09-01).«A dLight-ful New View of Neuromodulation».Trends in Neurosciences.41(9): 566–568.ISSN 0166-2236.doi:10.1016/j.tins.2018.07.004.(en en)
  21. ↑ Duffet, Loïc; Kosar, Seher; Panniello, Mariangela; Viberti, Bianca(February 2022).«A genetically encoded sensor for in viu imaging of orexin neuropeptides».Nature Methods.19(2): 231–241.ISSN 1548-7105.doi:10.1038/s41592-021-01390-2.(en en)
  22. ↑ Martianova, Ekaterina; Aronson, Sage; Proulx, Christophe D.(2019-10-20).«Multi-Fiber Photometry to Record Neural Activity in Freely-Moving Animals».Journal of Visualized Experiments.(152): i60278.ISSN 1940-087X.doi:10.3791/60278.
  23. ↑ Bruno, Carissa A.; O'Brien, Chris; Bryant, Svetlana; Mejaes, Jennifer I.(February 2021).«pMAT: An open-source software suite for the analysis of fiber photometry data».Pharmacology, Biochemistry, and Behavior.201: 173093.ISSN 1873-5177.doi:10.1016/j.pbb.2020.173093.
  24. ↑ Akam, Thomas; Walton, Mark E.(2019-03-05).«pyPhotometry: Open source Python based hardware and software for fiber photometry data acquisition».Scientific Reports.9(1): 3521.ISSN 2045-2322.doi:10.1038/s41598-019-39724-i.(en en)
  25. ↑ Sherathiya, Venus N.; Schaid, Michael D.; Seiler, Jillian L.; Lopez, Gabriela C.(2021-07-16).«GuPPy, a Python toolbox for the analysis of fiber photometry data».Scientific Reports.11(1): 2021.07.15.452555.doi:10.1038/s41598-021-03626-9.(en en)
  26. ↑ 26,0 26,1 Sicilià, Cody A.; Tye, Kay M.(2019-02-01).«Leveraging calcium imaging to illuminate circuit dysfunction in addiction».Alcohol.74: 47–63.ISSN 0741-8329.doi:10.1016/j.alcohol.2018.05.013.(en en)
  27. ↑ Grienberger, Christine; Konnerth, Arthur(2012-03-08).«Imaging calcium in neurons».Neuron.73(5): 862–885.ISSN 1097-4199.doi:10.1016/j.neuron.2012.02.011.
  28. ↑ Inoue, Masatoshi(2021-08-01).«Genetically encoded calcium indicators to probe complex brain circuit dynamics in viu».Neuroscience Research.169: 2–8.ISSN 0168-0102.doi:10.1016/j.neures.2020.05.013.(en en)
  29. ↑ Meng, Chengbo; Zhou, Jingheng; Papaneri, Amy; Peddada, Teixixca(2018-05-16).«Spectrally Resolgau Fiber Photometry for Multi-component Analysis of Brain Circuits».Neuron.98(4): 707–717.i4.ISSN 0896-6273.doi:10.1016/j.neuron.2018.04.012.(en en)
  30. ↑ Lin, Zhu; You, Feng; Li, Ting; Feng, Yijia(2021-10-26).«Entrainment of Astrocytic and Neuronal Ca2+ Population Dynamics During Information Processing of Working Memory in Mice».Neuroscience Bulletin.38(5): 474–488.ISSN 1995-8218.doi:10.1007/s12264-021-00782-w.(en en)
Obtingut de «https://lenciclopedia.org/w/index.php?title=Fotometria_de_fibra&oldid=1599372»