小鼠在气味羽流中导航时通过微型显微镜记录海马区钙信号

我的研究旨在理解大脑如何处理嗅觉和空间信息。我们正试图阐明海马体CA1神经元在气味羽流导航中的作用。目前，利用微型显微镜对自由活动动物的神经元进行记录的技术已推动了该领域的研究进展。

我们发现，基于背侧CA1区神经元及其钙信号，有可能解码小鼠在气味羽流中导航的轨迹。该技术结合了微型显微镜技术记录GCaMP钙信号的优势与CA1海马区在空间导航领域成熟的研究基础，以更深入地理解神经回路如何驱动复杂行为。我们将进一步探究在CA1海马区功能异常的阿尔茨海默病小鼠模型中，气味羽流导航能力如何受损。

首先，构建一个由两块亚克力侧壁、一块亚克力顶板和一块宽幅膨胀聚氯乙烯底板组成的实验腔室。前后两个端面需具备通风功能，以促进空气流通。沿X轴方向，每隔10厘米设置一组气味源与液体输送喷口，共布置四组。

在实验区域上方安装一个高速数字相机，以监测动物行为。使用自定义的 Python 代码管理气味实验装置的硬件，该软件集成了相机和所有硬件，用于设置实验。设置数字相机在记录视频帧时输出时钟信号，以便在后期与微型显微镜进行同步。

将一个快速响应的微型光离子化检测器（PID）放置在气味源附近，并在距离其10厘米处放置另一个。将PID控制器前面板上的增益开关调至X5档位，然后将PID控制器前面板上的泵开关调至高（high）档位。

检查控制器前面板上的发光二极管（LED）状态指示灯，确保在无气味物质存在时传感器输出显示为零电压。将电位器偏移调节至零，即在无气味物质存在时的电压输出，并打开气味竞技场中的气味阀门。在打开阀门后，使用PID在每个位置测量检测到气味羽流的延迟时间。

首先，为实验设置好实验腔室、相机和光离子化检测器（或称 PID 传感器）。在训练小鼠时，引导其移动到行为箱的后方。当小鼠到达后方后，在随机选择的通道中手动释放气味和提供水，让小鼠寻找气味源并饮水。

当小鼠学会启动试验后，切换到自动软件进行气味递送。在双通道气味导航任务中，随机选择两个气味端口中的一个来递送气味，并在小鼠到达正确的饮水嘴时给予饮水奖励。将小鼠头部固定，并使用显微操作器将微型显微镜放置在基板上方。

拧紧固定螺钉以固定微型显微镜。调节电润湿透镜，找到最佳焦平面，确保观察到数量最多且荧光强度最高的细胞。为了获得最佳动态范围，应使用背侧CA1区域并固定一只GCaMP6f小鼠，将微型显微镜的功率设置为约30%，采集速率为30赫兹。

将连接至基板的小型显微镜放入气味竞技场内并释放小鼠。使用接口板启动采集，记录数字相机的晶体管-晶体管逻辑（TTL）输出信号以及小型显微镜信号，以实现同步。开始记录小型显微镜和行为视频数据，并启动双喷口气味导航任务的自动化软件。

然后使用 MATLAB 代码 synchronize_files_jove.m 对气味竞技场元数据、记录的数码相机帧以及微型显微镜帧进行同步。通过归一化校正，对同步后的微型显微镜帧执行运动校正。利用 extract 工具，根据随时间变化的 ΔF/F₀ 信号识别感兴趣区域。

利用行为集合与神经轨迹观测器来可视化每次单独试验中的行为及感兴趣区域。在气味流释放时，PID 信号显著增强，表明了气味递送的时间点。在小鼠背侧 CA1 区域观察到多个钙瞬变，这些瞬变与气味刺激和水奖励事件相关。

钙反应与导航任务的不同阶段相关，包括试验开始、决策和返回阶段。通过钙信号解码小鼠的空间轨迹，揭示了背侧CA1在整合气味与空间信息中的映射作用。