Optogenetic Analysis of ON and OFF Response in the Rodent Visual Cortex (V1): Effects on Receptive Field size and Signal-To-Noise Ratio
Kozal, Jonathan |
Recenzentas / Reviewer |
Autorius: Jonathan Kozal Magistro baigiamasis darbas: ‘Žiurkės regos žievės (V1) ON ir OFF atsakų optogenetinė analizė: pokyčiai receptinio lauko dydyje ir signalo su triukšmu santykyje’. Tyrimo tikslas: ištirti ar optogenetinės CaMKII žymėtų neuronų stimuliacija gali pagerinti regos stimulo vietos nustatymą ir sumažinti triukšmo įtaką OFF atsakams registruotiems žiurkės V1 srityje. Be to, nustatyti, ar atskiro neurono lygyje šie pokyčiai yra susiję su analogiškais pokyčiais ON atsakuose. Uždaviniai: 1. Nustatyti receptinio lauko dydžio pokytį sukeltą OFF atsakams pyramidinių neuronų stimuliacijos metu. 2. Nustatyti signalo su triukšmu santykio pokytį sukeltą OFF atsakams pyramidinių neuronų stimuliacijos metu. 3. Palyginti receptinio lauko dydžio pokytį sukeltą OFF ir ON atsakams. 4. Palyginti signalo su triukšmu santykio pokytį sukeltą OFF ir ON atsakams. Metodai: Wistar žiurkės buvo anestezuotos intraperitoniškai suleidžiant uretano tirpalą ir po to patalpinamos į stereotaksinį rėmelį. Registracija buvo vykdoma 4-6 savaitės po viruso su channelrhodospino genu, kurį kontroliavo CaMII promoteris, injekcijos. Channelrhodopsin 2 (ChR2) reaguoja į mėlyną 465 nm šviesą atidarydamas joninį kanalą, kuris depolarizuoja, taigi aktyvuoja neuroną. Stereotaksinis rėmelis buvo panaudotas tam, kad įtvirtinti kūną tiksliam registracijos tetrodo įvedimui į galvą. Šviesolaidis, naudotas 465 nm LED stimuliacijai, buvo įleistas į viruso injekcijos vietą (į gilius V1 zonos žievės sluoksnius). Registracijos tetrodas buvo nuleistas į žievę kartu su šviesolaidžiu, kad registruoti V1 neuronų veikimo potencialus. Regos stimuliacijai buvo panaudoti balti apskritimai tamsiame fone. Iš pradžių, buvo nustatomas vieno neurono receptinio lauko dydis, o po to šis laukas buvo nustatomas LED stimuliacijos metu. Tolimesnė analizė buvo daroma su Igor pro, Matlab, KlustKwik programomis. Rezultatai: OFF atsakų receptinio lauko dydis sumažėjo optogenetinės pyramidinių neuronų stimuliacijos metu, stimuliacijos metu jis buvo tik 65.2 proc kontrolinio dydžio (p = 0.0063, Wilcoxon signed-rank testas). Signalo ir triukšmo sanktykis po stimuliacijos pagerėjo 228 proc (p = 2.67e-5, Wilcoxon signed-rank testas). ON ir OFF atsakų receptinių laukų dydžio pokyčiai nekoreliavo (Spearman R = -0.077, p <0.1). Vis dėlto, vidutiniai pokyčių dydžiai buvo panašūs: ON atsakų mediana buvo 79 proc, o OFF atsakų – 75 proc. Tiek ON, tiek OFF atsakų signalo su triukšmų santykis pagerėjo panašiai (mediana ON atsakams buvo 250 proc, OFF atsakams – 228 proc). Išvados: Pyramidinių neuron stimuliacija LED šviesa sumažino OFF atsakų receptinį lauką, kas pagerino regos stimulų vietos nsutatymą. Stimuliacija pagerino signalo su triukšmu santykį šiems atsakams, taigi pagerėjo signal kokybė. Pyramidinių neuron stimuliaciją sukėlė panašų ON ir OFF atsakų receptinio lauko sumažėjimą, bet atskiro neuron lygyje šie pokyčiai nebuvo koreliuoti, kas rodo, kad šie atsakai yra nepriklausomi pirminėje regos žievėje. Signalo su triukšmu santykis pagerėjo panašiai ON ir OFF atsakams, kas rodo bendrą regos stimulo informacijos kokybės pagerėjimą.
Author: Jonathan Kozal. Thesis: Optogenetic analysis of ON and OFF response in the rodent visual cortex (V1): Effects on Receptive field size and signal-to-noise ratio. The aim is to investigate whether for OFF responses optogenetic CamKll-expressing neuron stimulation can improve the accuracy of pinpointing the location of visual stimulus and reduce noise interference in area V1 in rats. Additionally, to examine whether these effects correlate between ON and OFF responses for single neurons. The objectives: 1. To determine the RF area change for OFF responses during pyramidal neuron stimulation. 2. To determine the SNR change for OFF responses during pyramidal neuron stimulation. 3. To compare the RF area change for ON and OFF responses. 4. To compare SNR changes for ON and OFF responses Methods: Wistar rats were anesthetized by peritoneal injections of urethane, then they were placed in a stereotaxic frame. The recordings were done 4-6 weeks following an injection in the visual cortex area of a virus containing channelrhodopsin (ChR2) under a short CamKII promoter. ChR2 reacts to blue 465nm light presentation by the opening of ion channels allowing for depolarization and activation of the neuron. A stereotaxic frame was used to fix the body of the rodent to accurately place the tetrode in the correct head location. An optic fiber for a 465nm blue LED stimulation was placed in the viral injected area (within deep cortical layers of area V1). A tetrode was inserted into area V1 to obtain real-time recordings of APs produced by the cells within area V1. Bright spots were presented on a dark grey background for visual stimulation. Initially, a single neuron RF area was determined during visual stimulation and then the RF area was evaluated again during optic fiber induced stimulation. Further analysis of recorded data performed by employing Igor pro, Matlab, KlustKwik software packages. Results: The RF area for OFF responses was reduced during optogenetic stimulation of pyramidal neurons, The area was 65.2% of control during stimulation (two-tail p value of 0.0063, Wilcoxon signed-rank test). SNR of OFF responses during stimulation of pyramidal neurons was 228% of control (two-tail p value of 2.67029e-005, Wilcoxon signed-rank test). No correlation was found for the RF area size change between ON and OFF responses during pyramidal neuron stimulation (Spearman R = -0.0769992, p >0.1), however, the extent of stimulation effect on RF area was similar: a median value was 79% for ON and 75% for OFF responses of the control RF area. Both ON and OFF responses responded by increasing SNR (medians- ON 250%, OFF 228%) Conclusions: LED light induced activation of pyramidal cells reduced the RF area of the OFF responses, which improved the precision of the visual object location detection. The stimulation increased SNR for OFF responses as well, improving information transmission quality by filtering out noise. Pyramidal cell stimulation resulted in similar reductions in RF area for ON and OFF responses, but these changes did not correlate for single neurons, suggesting that ON and OFF responses are independent in area V1. SNR improvements were similar for ON and OFF responses, demonstrating an overall improvement in signal clarity.