General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!!...

37
Aizenman Lab Procedures. Rev. Jul 18 2013 Page 1 of 37 Aizenman Lab Procedures Arranged by Arseny S. Khakhalin Introduction Experimental science is based on superstitions. Nothing is proven, nothing is evidencebased; we follow old protocols, not knowing which parts of them are essential, and which are a bogus, in a hope that the experiments would work again. A lot of these "protocols" are transmitted by a word of mouth, as a local lore of the place. And of course, every scientist has their own unique approaches, rituals and rites. Some of these may be traced back to their scientific heritage, to the ungrounded advices they got from their former masters in other labs. And some of these unique quirks are introduced de novo, in a desperate attempt to improve the protocols, following the intuition, and the halfbaked knowledge of the books. And still, generally, it is right and worthy to follow the protocols, even when they got somewhat cryptic and obscure. The benefit here is that your results stay compatible with that of your colleagues and predecessors. By altering the protocols without guidance and control you introduce the noise, which may lead you astray and render your results noninterpretable. This document summarizes some of these folk tales, rituals and traditions follow in the Aizenman lab, to help the newcomers on their way of becoming successful neuroscientists. Table of Contents Introduction....................................................................................................................................................... 1 Solution Recipes ................................................................................................................................................ 2 Device Manuals ............................................................................................................................................... 10 Electrophysiology protocols ............................................................................................................................. 13 Staining protocols ............................................................................................................................................ 26 Behavioral protocols ........................................................................................................................................ 27 Miscellaneous Pieces of Practical Wisdom ....................................................................................................... 37

Transcript of General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!!...

Page 1: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  1  of  37      

Aizenman  Lab  Procedures  Arranged  by  Arseny  S.  Khakhalin  

Introduction  Experimental  science  is  based  on  superstitions.  Nothing  is  proven,  nothing  is  evidence-­‐based;  we  follow  old  protocols,  not  knowing  which  parts  of  them  are  essential,  and  which  are  a  bogus,  in  a  hope  that  the  experiments  would  work  again.  A  lot  of  these  "protocols"  are  transmitted  by  a  word  of  mouth,  as  a  local  lore  of  the  place.  And  of  course,  every  scientist  has  their  own  unique  approaches,  rituals  and  rites.  Some  of  these  may  be  traced  back  to  their  scientific  heritage,  to  the  ungrounded  advices  they  got  from  their  former  masters  in  other  labs.  And  some  of  these  unique  quirks  are  introduced  de  novo,  in  a  desperate  attempt  to  improve  the  protocols,  following  the  intuition,  and  the  half-­‐baked  knowledge  of  the  books.  

And  still,  generally,  it  is  right  and  worthy  to  follow  the  protocols,  even  when  they  got  somewhat  cryptic  and  obscure.  The  benefit  here  is  that  your  results  stay  compatible  with  that  of  your  colleagues  and  predecessors.  By  altering  the  protocols  without  guidance  and  control  you  introduce  the  noise,  which  may  lead  you  astray  and  render  your  results  non-­‐interpretable.  

This  document  summarizes  some  of  these  folk  tales,  rituals  and  traditions  follow  in  the  Aizenman  lab,  to  help  the  newcomers  on  their  way  of    becoming  successful  neuroscientists.  

Table  of  Contents  

Introduction  .......................................................................................................................................................  1  

Solution  Recipes  ................................................................................................................................................  2  

Device  Manuals  ...............................................................................................................................................  10  

Electrophysiology  protocols  .............................................................................................................................  13  

Staining  protocols  ............................................................................................................................................  26  

Behavioral  protocols  ........................................................................................................................................  27  

Miscellaneous  Pieces  of  Practical  Wisdom  .......................................................................................................  37  

 

   

Page 2: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  2  of  37      

Solution  Recipes  

External  (ACSF)  

Recipe  All  components  of  the  External  Solution  (ACSF)  fall  into  2  groups.  The  majority  of  components  are  stable,  and  so  you  can  add  them  to  deionized  water,  and  store  the  solution  in  the  fridge  (at  2°C).  Some  of  the  components  would  however  precipitate  if  you  try  to  store  them  for  long,  so  you  have  to  add  them  to  the  solution  immediately  before  the  experiment.  First,  here’s  the  stable  stuff:  

Substance   Concentration,  mM   g/l  NaCl   115   6.7206  KCl   4   0.298  HEPES   5   1.191  Glycine   10  μM   1ml  of  10  mM  stock  Glucose   10   1.802  In  case  of  Pyruvate-­‐based  solution,  the  last  row  (Glucose)  is  to  be  replaced  with  a  50/50  mixture:  

Glucose   5   0.901  Pyruvate   5   0.550  And  second,  immediately  before  the  experiment  you  also  add  proportional  amount  of  the  following  unstable  components:  

CaCl2   3   3ml  of  1M  stock  MgCl2   3   3ml  of  1M  stock  pH  =  7.2;  Osmolarity  =  250  

Alternative  ionic  concentrations:  

• To  hyperpolarize  all  cells  slightly  (may  decrease  total  N  spikes,  but  improves  spike-­‐timing):  6  Mg,  3  Ca.  • To  depolarize  the  cells  (hopefully  to  somewhat  deactivate  Na  channels):  6  K,  1.5  Mg.  

How  to  prepare  the  solution  Here’s  some  general  tactics  for  the  solution  preparation:  

1. Take  deionized  water,  about  ~80-­‐85%  of  the  final  solution  volume,  and  mix  the  stable  reagents  in;  2. Bring  pH  to  the  target  by  carefully  adding  suitable  bases  (or  acids).  For  the  external  a  suitable  pare  is  obviously  

NaOH/HCl,  as  external  is  Na-­‐based,  while  for  the  typical  internal  you  would  use  KOH/KCl  instead.  3. Bring  osmolarity  to  the  target  by  adding  di  water.  You’d  better  do  it  in  2-­‐3  iterations,  in  order  not  to  overshoot  

(as  all  measurements  are  noisy,  including  that  from  the  osmometer).  To  be  on  a  safe  side,  when  the  calculation    tells  you  that  X  ml  of  distilled  water  is  to  be  added  to  bring  osmolarity  to  the  target,  add  only  80%  of  this  volume.  This  way  you’ll  approach  the  target  slowly,  and  the  ultimate  result  will  be  more  precise.  

Detailed  instructions  for  the  pHmeter  and  osmometer  are  provided  below.  With  amounts  shown  in  the  tables  above  the  final  solution  volume  may  be  slightly  (2-­‐5%)  less  than  the  target,  but  the  osmolarity  should  be  correct.  

Page 3: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  3  of  37      

Use  a  1  liter  beaker  with  a  magnetic  stirrer  working  at  ~300  rpm  ongoing.  Use  big  hexagonal  weighboats  for  NaCl,  and  square  pieces  of  waxed  paper  for  everything  else.  To  transfer  the  stock  solutions,  choose  a  proper  pipetter;  the  color  of  the  pipetter  button  corresponds  to  the  color  of  conical  tips  to  use.  When  pressing  the  button,  the  1st  stop  measures  the  volume  you  need,  but  if  you  press  harder  there  will  be  the  2nd  stop  that  empties  the  pipette  entirely,  and  if  you  press  even  harder  –  there  will  be  yet  the  3d  stop  that  ejects  the  tip.  Beware  that  the  scales  take  long  time  to  switch  on  for  the  1st  time,  and  they  can’t  zero  the  TARE  until  the  weight  is  really  stable  (e.g.  when  the  window  is  open  they  cannot  do  that,  as  the  wind  from  the  ventilation  system  seems  to  be  strong  enough  to  change  the  “weight”  at  the  scales;  they  also  seem  to  be  sensitive  to  your  steps  if  you  are  jumping  around).  So  be  patient.  Note  also  that  while  all  the  beakers  have  volume  marks  on  them,  these  marks  are  actually  ridiculously  incorrect.  All  volumes  are  to  be  measured  with  the  measuring  cylinders,  and  only  with  them.  

After  the  osmolarity  is  measured,  and  the  stock  is  brought  to  its  final  volume,  it  should  be  filtered  with  a  vacuum-­‐driven  huge  orange  disposable  filter  right  into  a  bottle  where  it  will  be  stored.  Label  the  bottle,  indicating  the  owner,  the  date,  and  the  solution  type.  

As  mentioned  above,  immediately  before  the  experiment,  Ca  and  Mg  are  to  be  added  to  the  ACSF  from  stock  solutions.  Make  a  point  of  always  adding  Ca  and  Mg  in  the  same  order,  so  that  even  if  you  are  sleepy  or  get  distracted,  and  forget  what  you  were  doing  midway  in  the  process,  you  would  always  know  which  of  the  salts  you  have  added  already,  and  which  is  still  missing.  Dr.  Aizenman  always  adds  MgCl2  first,  and  CaCl2  second;  some  other  people  always  do  Ca  first  and  Mg  second  (which  is  also  incidentally  the  alphabetical  order),  but  the  point  is  in  always  doing  it  the  same  way.  No  need  for  guessing  or  hectic  recollection.  If  you  are  sure  that  you  have  added  some  ion  already,  you'll  always  know  which  one  it  was.  

Internal  Solution  

Recipe  For  the  internal,  these  substances1  are  to  be  added  to  the  stock  from  the  beginning:  

What   Molarity,  mM   g  /  100  ml  of  solution  K-­‐gluconate   100   2.3430  KCl   8   0.0596  NaCl   5   0.0292  MgCl2  ·∙  6H2O   1.5   0.0305  HEPES   20   0.4766  EGTA   10   0.3804  Target  pH  =  7.2;  Osm  =  250  (would  be  ~255  after  ATP+GTP  are  added)  

And  these  2  substances,  being  unstable,  are  prepared  and  added  separately,  as  it  is  described  below:  

ATP   2   11  mg  /  10  ml  GTP   0.3   1.57  mg  /  10  ml  

                                                                                                                         1  K.  G.  Pratt,  W.  Dong,  and  C.  D.  Aizenman,  "Development  and  Spike  Timing-­‐Dependent  Plasticity  of  Recurrent  Excitation  in  the  Xenopus  Optic  Tectum,"  Nat  Neurosci  11,  no.  4  (2008).  

Page 4: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  4  of  37      

Procedure  1. We  first  try  to  make  100  ml  or  internal  solution  without  ATP  and  GTP.  Start  with  ~70  ml  of  water,  and  add  all  the  

required  drugs.  2. Drive  the  solution  pH  to  the  target  (7.2),  using  KOH  as  a  base  (HCl  in  case  of  overshoot).  3. Measure  osmolarity,  and  add  water  to  make  the  stock  250  ±  5  Osm.  We  should  usually  end  up  with  90+  ml  of  

solution.  4. Aliquot  in  10  tubes,  10  ml  each,  using  a  syringe  with  a  disk-­‐shaped  filter  tip  (draw  without  a  filter,  expel  through  

the  filter).  All  tubes  but  one  are  to  be  frozen  at  −20°C.  5. Measure  ATP  and  GTP  in  amounts  due  for  10  ml  of  solution,  and  add  them  to  the  single  tube  that  would  go  into  

further  processing.  Use  small  hexagonal  weighload,  and  when  the  desired  weight  is  achieved,  take  200-­‐300  μl  of  solution  from  a  tube  with  a  micropipette,  and  move  it  to  the  weighload;  dissolve  the  grains,  and  move  the  solution  back.  To  dissolve  the  grains  quicker,  you  may  try  to  suck  and  expel  the  liquid  through  the  tip  several  times.  If  you  have  problems  with  measuring  the  required  weight  precisely,  you  may  also  weigh  slightly  more,  then  move  some  volume  as  described,  and  then  move  back  only  part  of  the  volume,  proportional  to  the  ratio  of  desired  weight  to  the  actual  weight,  thus  ensuring  correct  concentration  in  the  solution.  

6. Aliquot  this  full  solution  into  20  2.5  ml  conical  tubes,  .5  ml  in  each.  19  of  them  go  into  deep  freeze  at  −80°C,  while  one  goes  into  experiment.  The  fridge  is  located  in  the  lab  nearby.  

7. To  unfreeze  a  full  stock  .5  ml  tube,  just  take  it  from  the  −80°C  fridge,  and  let  it  thaw.  To  unfreeze  the  10  ml  of  ATP/GTP-­‐less  stock,  keep  it  in  hot  water  for  ~20  min,  applying  vortex  shake  from  time  to  time.  

Predicted  membrane  potentials  for  these  ACSF  and  Internal  EK   -­‐102  mV  ENa   72  mV  ECl   -­‐53  mV  Junction  Potential   14  mV  

Cs  Internal  Per  100  ml:  

CsMethaneSulfonate   80  mM  *   1825  mg  MgCl2   5  mM   101.7  TEA   20  mM   331.4  EGTA   10  mM   380.4  HEPES   20  mM   476.6  ATP   2  mM   11  mg  /  10  ml  GTP   0.3  mM   1.57  mg  /  10  ml  To  be  brought  to  pH  7.2  by  CsOH.  

*  Supposedly  after  you  add  CsOH,  the  concentration  of  Cs  reaches  about  90  mM.    

Page 5: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  5  of  37      

Internal  Solution  Flowchart  

   

70  ml  H2O  Reagents  

70+  ml  solution  

~90  ml  solution  

10  ml  aliquotes  

pH  +  Osm    

ATP  &  GDP  for  10  ml  

10  ml  full  solution  

x  10  

9  go  into  −20°C  

20  min  in  hot  water  

.5  ml  aliquotes   x  20  

19  go  into  −80°C  

Experiment!  

10  min  in  the  pocket  

Filter    

Filter    

Page 6: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  6  of  37      

Additional  Components  

Picrotoxin  PTX  is  dissolved  in  DMSO,  and  the  final  concentration  in  the  external  solution  is  0.1  mM.  So  that  you  could  add  it  in  the  middle  of  an  experiment,  as  a  single  drop  per  total  amount  of  10  ml  in  the  chamber,  you  should  prepare  a  1000  stock  solution,  and  add  10  µl  of  it.  The  molecular  weight  is  602.6  g/mol,  which  is  prepared  as  30  mg  per  500  µl  of  solution,  which  are  then  aliquoted  in  equal  nearly-­‐10  µl  portions  in  small  Eppendorf  tubes.  To  be  stored  in  the  freezer.  To  be  centrifuged  before  use  (DMSO  is  not  willing  to  stay  at  the  bottom  of  the  tube  on  its  own,  so  it  worth  forcing  it  going  there).  LD50  =  15  mg/kg  (rat),  so  a  deadly  dose  would  be  about  1200  full  chambers,  or  25  pre-­‐aliquoted  stock  vials.  

Weight   Volume   Concentration  603  g  (mol.  weight)   1  l   1  M  0.603    mg  (chamber)   10  ml   0.1  mM  (target)  30  mg   500  µl   100  mM  (1000  stock)  0.603   10  µl  (transfer  dose)   100  mM  

Tubocurarin  (TBX)  TBX  is  dissolved  in  water,  and  the  final  concentration  is  in  the  range  of  0.05-­‐0.2  mM  (Heng  used  0.1  mM  in  his  experiments).  In  some  cases  the  tadpoles  continue  to  move  even  after  prolonged  exposure  to  the  drug.  We  prepare  1  ml  of  100  stock,  and  then  store  it  in  a  1.5  ml  Eppendorf  tube.  The  stock  solution  can  be  stored  in  a  fridge  (not  necessarily  in  a  freezer).  LD50  =  18  mg/kg  (cat),  so  a  deadly  dose  would  be  about  1300  chambers  (or  130  stock  vials).  

Weight   Volume   Concentration  681  g  (mol.  weight)   1  l   1  M  0.681  mg  (chamber)   10  ml   0.1  mM  (target)  6.81  mg   1  ml   10  mM  (100x  stock)  0.681   100  µl  (transfer  dose)   10  mM  alternatively:      13.62  mg   1  ml   20  mM  (200x  stock)  

Bungarotoxin  (BgTX)  It  is  a  peptide,  and  thus  needs  to  be  stored  in  a  freezer.  Two  modes  of  using  it  are  described  in  literature:  one  is  to  keep  about  100  nM  (really  low)  concentration  in  the  chamber;  the  other  (and  more  frequently  used)  is  to  briefly  (for  ~5  min)  dip  the  animal  into  the  ~0.1  mM  (1mg/ml)  solution.  LD50  is  about  0.12  mg/kg,  so  one  would  die  after  drinking  about  1200  chambers2.  

Weight   Volume   Concentration  7984  g  (mol.  weight)   1  l   1  M  1  mg   1253  µl   0.1  mM  (stock)     10  µl  (transfer  doze)       10  ml  (chamber)   1000  nM  (final)  

                                                                                                                         2  Protection  against  alpha-­‐bungarotoxin  poisoning  by  immunization  with  synthetic  toxin  peptides.  Dolimbek  BZ,  Atassi  MZ.  Mol  Immunol.  1996  May-­‐Jun;33(7-­‐8):681-­‐9.  

Page 7: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  7  of  37      

Pancuronium  In  their  experiments,  Kurt  Haas  and  his  team  dip  tadpoles  for  7  min  in  the  4  mM  solution  of  Pancuronium3.  When  pancuronium  is  added  to  the  bath,  it  seems  to  screw  up  (inhibit)  the  glutamatergic  transmission,  which  seems  to  be  the  reason  for  this  "topical"  (pre-­‐treatment)  approach  to  be  described  in  the  literature.  

TEA  TEA  (tetraethylammonium)  blocks  K+  channels,  and  should  be  added  in  1-­‐2  mM  concentrations4  to  the  external  solution.  In  Zebrafish  in  some  publications  up  to  5  mM  concentrations  were  used5,  but  for  depolarizing  neurons  rather  than  simply  blocking  K+  currents.  Note  that  in  some  studies  they  also  put  TEA  inside  the  pipette6  (to  block  positive  shoulder  of  the  rectifying  ions?).  TEA+Cl−  is  dissolved  in  water;  Tocris  says  that  100  mM  is  the  official  maximum  solubility,  but  they  seem  to  be  lying,  as  the  substance  is  so  hydroscopic  that  it  needs  to  be  sealed  with  Parafilm  (and  still  turns  to  stone  despite  being  sealed),  and  also  seems  to  dissolve  really  quickly  without  any  effort.  LD50  =  2630  mg/kg  (rat),  so  a  lethal  dose  would  be  about  60  000  chambers  or  10  000  vials.  

Weight   Volume   Concentration  165.7  g  (mol.  weight)   1  l   1  M  3.314  mg  (chamber)   10  ml   2  mM  (target)  16.57  mg   1  ml   100  mM  (stock)  3.314  mg   200  µl  (transfer  dose)   100  mM  

APV  The  desired  concentration  of  D-­‐APV  is  50  µM  (some  people  use  100  µM,  but  that’s  if  they  use  a  racemic  mixture  of  both  potent  D  and  inactive  L  forms7).  Dissolves  in  dH2O  to  concentrations  up  to  100  mM,  but  hardly  more  than  that,  and  requires  excessive  shaking.  NMDA  antagonists  are  known  to  induce  a  lot  weird  effects  from  nausea  to  acute  psychosis  an  schizophrenia-­‐like  symptoms.  Lethal  doses  are  not  known,  and  nobody  seemed  to  describe  the  psychotropic  effects  in  humans,  so  it’s  hard  to  guess  how  paranoid  one  should  be  about  the  dangers  of  this  drug.  Judging  from  the  concentration  that  efficiently  blocks  activity  in  the  prep  though,  a  dangerous  zone  should  probably  lie  somewhere  in  the  range  of  hundreds  of  chambers  (or  dozens  of  vials).  

APV  is  usually  bought  in  small  jars  that  contain  10  mg  of  the  substance.  Physically  10  mg  is  represented  as  several  tiny  white  crumbs  at  the  very  bottom  of  the  jar;  visually  it  is  hard  to  believe  there’s  anything  there  (so  be  careful,  don’t  assume  the  jar  is  empty).  As  the  amount  of  matter  is  really  small,  we  don’t  attempt  to  weigh  it,  but  rather  calculate  how  much  deionized  water  to  add  to  it  to  make  a  stock                                                                                                                            3  Podgorski  K,  Dunfield  D,  Haas  K.  Functional  clustering  drives  encoding  improvement  in  a  developing  brain  network  during  awake  visual  learning.  PLoS  Biol.  2012  Jan;10(1)  4  N.  Iwatsuki  and  O.  H.  Petersen,  "Action  of  Tetraethylammonium  on  Calcium-­‐Activated  Potassium  Channels  in  Pig  Pancreatic  Acinar  Cells  Studied  by  Patch-­‐Clamp  Single-­‐Channel  and  Whole-­‐Cell  Current  Recording,"  J  Membr  Biol  86,  no.  2  (1985).  5  R.  R.  Buss,  C.  W.  Bourque,  and  P.  Drapeau,  "Membrane  Properties  Related  to  the  Firing  Behavior  of  Zebrafish  Motoneurons,"  J  Neurophysiol  89,  no.  2  (2003).  6  M.  Zhang  et  al.,  "Functional  Elimination  of  Excitatory  Feedforward  Inputs  Underlies  Developmental  Refinement  of  Visual  Receptive  Fields  in  Zebrafish,"  J  Neurosci  31,  no.  14  (2011).  7  C.  J.  Akerman  and  H.  T.  Cline,  "Depolarizing  Gabaergic  Conductances  Regulate  the  Balance  of  Excitation  to  Inhibition  in  the  Developing  Retinotectal  Circuit  in  Vivo,"  J  Neurosci  26,  no.  19  (2006).  

Page 8: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  8  of  37      

solution  of  proper  concentration  (100  mM  in  this  case),  and  then  aliquot  it  Eppendorf  tubes,  and  store  in  the  −20°C  freezer.  For  APV  it  means  507  µl  of  water;  ~25  vials,  20  µl  each,  containing  drug  for  4  experiments  (10  ml  of  external  each).  Frozen  aliquots  are  good  for  about  a  year,  and  should  not  be  thawed  and  frozen  again  more  than  2  times  (so  either  prepare  more  external,  or  do  more  than  1  experiment  per  day,  or  re-­‐aliquot  them  into  smaller  portions  every  4  experiments,  or  throw  excess  away).  Dry  substance  can  be  stored  at  room  temperature,  and  is  good  for  about  a  year  (even  though  Tocrics  promises  it  to  be  good  for  only  half  a  year).  

Weight   Volume   Concentration  197.13  g  (mol.  weight)   1  l   1  M  0.099  mg  (chamber)   10  ml   0.05  mM  (target)  10  mg  (batch)   507  µl   100  mM  (stock)  0.099  mg   5  µl  (transfer  dose)   100  mM    

NBQX  The  desired  concentration  is  20  µM8.  Old-­‐style  NBQX  is  not  polar,  and  so  does  not  dissolve  in  water,  but  only  in  DMSO.  Modern  version  of  NBQX  however  is  a  Na  salt,  and  it  dissolves  perfectly,  at  least  up  to  100  mM  (and  probably  higher).  Lethal  doses  are  not  known,  but  in  rats  behavioral  changes  started  to  be  manifested  at  20  mg/kg,  and  strong  ataxia  developed  at  60  mg/kg9,  which  means  that  one  would  have  to  expect  certain  effects  after  drinking  about  20  000  chambers  (7000  vials).  

The  rules  for  storage  and  aliquoting  are  same  as  for  AP5,  only  substance  is  dark  brownish,  should  be  stored  at  −20°C  even  in  dry  form,  and  all  the  numbers  are  of  course  different.  

Weight   Volume   Concentration  398.26  g  (mol.  weight)   1  l   1  M  0.080  mg  (chamber)   10  ml   0.02  mM  (target)  10  mg  (batch)   1255  µl   20  mM  (stock)  0.  080  mg   10  µl  (transfer  dose)   20  mM    

Gramicidin  

Gramicidin  is  to  be  dissolved  in  dimethylsulfoxide  (DMSO)  to  produce  a  stock  solution  of  5  mg/ml,  which  should  then  be  stored  in  a  cool  place.  4  µl  of  this  stock  are  to  be  added  to  1  ml  of  prefiltered  intracellular  solution  every  3  h,  and  sonicated  for  30  s  to  produce  a  final  gramicidin  concentration  of  20  µg/ml10  (as  we  usually  use  0.5  ml  aliquots  for  the  internal,  the  transfer  dose  would  be  2  µl).  It  seems  to  

                                                                                                                         8  M.  R.  Bell  et  al.,  "A  Neuroprotective  Role  for  Polyamines  in  a  Xenopus  Tadpole  Model  of  Epilepsy,"  Nat  Neurosci  14,  no.  4  (2011).  9  Filliat  P,  Pernot-­‐Marino  I,  Baubichon  D,  Lallement  G.  Behavioral  effects  of  NBQX,  a  competitive  antagonist  of  the  AMPA  receptors.  Pharmacol  Biochem  Behav.  1998  Apr;59(4):1087-­‐92  10  Akerman  and  Cline,  "Depolarizing  Gabaergic  Conductances  Regulate  the  Balance  of  Excitation  to  Inhibition  in  the  Developing  Retinotectal  Circuit  in  Vivo."  

Page 9: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  9  of  37      

be  a  good  idea  to  store  the  internal  (the  whisker  syringe)  on  ice  when  gramicidin  is  used,  as  it  does  not  seem  to  be  stable  in  the  solution.  

If  purchased  from  Sigma,  it  is  shipped  in  small  jars  of  500  mg  that  should  be  stored  at  2°C,  and  is  good  for  3  years.  It  is  usually  quite  pure  (>90%).  The  solution  in  ethanol  is  said  to  be  stable  at  2°C  for  30  days11,  but  as  we  know  from  literature  that  it  becomes  inactive  in  the  internal  solution  after  about  3-­‐4  hours,  we’d  better  keep  it  frozen.  Before  the  experiment,  measure  some  2-­‐5  mg  of  the  substance  into  a  small  Eppendorf  tube;  calculate  proper  amount  of  DMSO;  add  it  and  shake  (with  a  shaker);  aliquot  in  ~50  µl  and  freeze  at  −20°C.  Then  use  each  aliquot  for  about  a  week,  keeping  it  at  2°C  (?).  When  working  with  the  DMSO,  use  latex  gloves.  See  below  for  the  recording  protocol.  

Weight   Volume  20  µg   1  ml  (target)  5  mg   1  ml  (stock)  10  µg  (transfer  dose)   2    µl  (per  0.5  ml  of  sol.)    

GABA  

Working  with  GABA  is  funny,  because  it  is  a  selective  agonist,  and  so  the  working  concentrations  are  those  of  µM  (from  25  to  200  µM  according  to  literature),  but  at  the  same  time  to  apply  it  locally  one  would  fill  pipettes  with  it,  and  so  the  volumes  used  are  really  small  (0.5  ml  per  experiment).  It  gives  the  process  of  preparing  it  a  certain  homeopathic  tint:  to  get  a  load  of  aliquots  one  would  take  a  tiny  dust-­‐like  particle  of  GABA,  dissolve  it  in  about  1  ml  of  solution,  then  take  a  few  µl  of  this  “stock  solution”  (a  single  drop,  barely  visible)  to  further  dissolve  it  in  ~10  ml  of  external.  In  our  lab  we  used  100  µM  solution  of  GABA  (Colin  Akerman  used  50  µM12).    

GABA  is  cheap,  comes  in  little  jars,  can  be  stored  for  years  at  room  temperature,  and  is  not  too  hygroscopic.  While  preparing  the  solution  for  local  application,  it  is  advisable  to  add  a  speck  of  some  fluorescent  dye  (such  as  Lucifer  yellow)  in  it:  this  will  make  it  possible  to  use  fluorescence  to  calibrate  the  Picospritser  for  puffs  of  proper  strength,  and  also  it  will  make  preparation  of  the  solution  somewhat  easier  (more  sane  subjectively),  as  at  least  the  substance  will  have  some  yellowish  color.  

Weight   Volume  103  µg   10  ml  (pre-­‐aliquots)  5  µg   0.5  ml  (dose)      

                                                                                                                         11  Sigma  Product  Information  for  G5002  12  Akerman  and  Cline,  "Depolarizing  Gabaergic  Conductances  Regulate  the  Balance  of  Excitation  to  Inhibition  in  the  Developing  Retinotectal  Circuit  in  Vivo."  

Page 10: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  10  of  37    

Device  Manuals  

Scales  1. Switch  on  (pressing  the  I/Ȯ  symbol)  2. Wait  really  long,  with  doors  of  the  weighting  chamber  closed,  trying  not  to  jump  near  the  table,  and  

not  to  shake  the  table.  The  scales  are  trying  to  set  a  zero  point,  and  the  more  stable  they  feel    –  the  quicker  it  happens.  

3. Do  the  scaling.  TARE  button  is  very  useful.  Close  the  door  and  wait  the  thing  to  stabilize  each  time.  

pHmeter  1. Switch  on  2. Move  the  sensor  (glass  rod  with  wires  in  it)  out  of  the  little  jar  with  yellow  buffer  3. Open  a  side  hole  on  the  upper  part  of  the  sensor  by  rotating  a  purple  ring  clockwise  4. Rinse  the  sensor  tip  with  dH2O  so  that  the  yellow  buffer  doesn’t  spoil  our  solution  5. Immerse  the  sensor  into  our  solution  that  is  being  mixed  on  the  magnetic  stirrer.  Use  the  strange  springy  arm  to  

hold  it  in  place.  The  arm  doesn't  hold  very  strong,  so  be  careful.  6. Wait  while  pHmeter  writes  “Stable”  7. Add  a  drop  of  10N  base  (NaOH  for  external,  KOH  for  internal).  Use  plastic  pipette  with  a  sharp  tip  8. Repeat    6-­‐7  until  you  are  ~1  pH  below  the  target,  then  switch  to  1N  base  and  continue  9. If  an  overshoot  –  correct  with  HCl,  and  repeat  8  if  necessary  10. When  all  set,  perform  steps  5-­‐1  backwards,  returning  pHmeter  to  its  initial  state  

Osmometer  1. Move  black  lever  at  the  right  side  towards  you  2. Carefully  pull  the  black  thing  out,  so  that  a  shiny  plate  is  seen  3. Take  a  small  paper  disk  from  a  box  with  a  forceps,  and  place  it  carefully  on  a  shiny  plate,  centered  4. Take  a  black  pipette,  put  a  tip  on  it  (it  has  its  own  tips)  5. Move  a  drop  of  solution  (as  much  as  the  pipette  takes  actually)  to  the  disk,  placing  pipette  in  a  notch,  ensuring  

that  the  disk  is  still  centered  6. Without  hesitation  carefully  push  the  thing  into  the  apparatus  7. Move  the  lever  back  from  you  8. The  apparatus  starts  to  countdown.  After  the  countdown  it  will  say  the  osmolarity.  Meanwhile  you  can  remove  

a  tip  from  the  pipette  by  lifting  (rather  than  pressing)  a  radial  lug  up  9. After  the  measurement,  open  the  thing  again,  remove  the  disk,  carefully  and  gently  wipe  the  plate,  add  a  drop  

of  distilled  water,  wipe  it  again  so  that  it  is  dry,  push  the  thing  back,  and  close  the  right  lever.  The  apparatus  will  start  the  countdown  again,  and  if  the  plate  is  clean  –  it  will  go  into  standby  (=READY)  mode.  If  it  measures  anything  –  then  the  plate  was  not  clean  and  dry,  and  needs  to  be  re-­‐wiped.  

10. From  time  to  time  the  osmometer  may  need  calibration.  Solutions  for  calibration  are  available,  and  naturally  that  one  should  be  used,  which  has  the  closest  Osm  to  our  target  Osm.  

   

Page 11: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  11  of  37    

Picospritser  &  local  application  The  thing  can  be  triggered  either  manually  (there’s  a  button  on  the  left),  or  with  a  remote  control  (that  does  not  quite  work,  and  sometimes  either  does  not  provide  a  puff,  or  provides  2-­‐3  puffs  in  a  burst),  or  via  the  TTL  pulse  (advisable).  To  make  the  valve  work,  first  “enable”  the  respective  channel.  

The  application  duration  can  be  changed  from  several  ms  to  several  seconds.  Although  theoretically  durations  of  less  than  3  are  possible,  it  does  not  seem  to  open  a  valve  when  the  durations  are  shorter.  The  pressure  can  be  changed  with  a  black  knob  on  the  right  side  of  the  panel:  rotating  it  counterclockwise  makes  the  pressure  drop  at  some  point.  

The  holders  we  use  are  designed  for  0.78  mm  outer  width  capillaries  (almost  twice  thinner  than  our  standard  1.65  mm  recording  capillaries).  The  same  program  can  be  used  to  pull  the  capillaries  into  pipettes  though,  and  the  opening  sizes  seem  to  be  pretty  comparable  (broken  #77  program  pipettes  are  used  for  electroporation,  while  #45  pipettes  are  perfect  for  local  application).  When  installing  or  removing  an  electrode  from  a  holder,  be  careful  not  to  break  it,  as  if  you  do  –  there  will  be  no  way  to  push  the  glass  out  of  the  holder,  and  it  is  likely  to  become  unusable.  To  fill  the  pipette  make  a  special  super-­‐thin  barely-­‐usable  whisker-­‐syringe.  

For  local  application  of  GABA  Colin  Akerman  used  pressure  of  5-­‐10  psi  and  20-­‐50  ms  pulses,  while  I  find  that  30  psi  with  3  ms  pulse  duration  and  #45  pipette  work  equally  well,  and  provide  a  nice  time-­‐locked  response.  The  pipette  opening  should  be  brought  pretty  close  to  the  cell  (about  2-­‐3  cell  bodies  away).  It  is  better  to  provide  the  puffs  periodically,  as  in  this  case  diffusion  will  wash  drugs  from  the  pipette  tip  to  the  same  expect  each  time,  making  concentrations  stable  across  applications.  

   

Page 12: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  12  of  37    

Master-­‐8  General  principles  of  operation:  

• To  learn  current  program:  ALL  • To  switch  to  a  program  1:  ALL,  1,  ENTER.  (up  to  8  programs)  • To  switch  a  “manual  channel”  ON  and  OFF:  use  the  trigger  below  the  light.  • To  send  a  pulse  to  channel  2:  press  2.  • To  regret:  CLEAR  DISPLAY.  To  deeply  regret:  RESET.  

How  to  Program  it:  

• To  switch  channel  3  into…  o Manual  ON/OFF  mode:  DC,  3,  ENTER.  o Independently  run  in  a  cycle  mode:  FREE,  3,  ENTER.  o Be  triggered  by  channel  1:  TRIGGER,  3,  ENTER.  CONCT,  1,  3,  ENTER.  o Be  triggered  by  ch.  1,  delivering  trains  of  pulses:  TRAIN,  3,  ENTER.  CONCT,  1,  3,  ENTER.  

• To  change  channel  1  pulse…  o Interval  of  cycling  to  2  s:  INTER,  1,  2,  ENTER,  0,  ENTER.  (Here  “0”  stands  for  seconds  

(1e0).  Naturally,  this  setup  is  not  applicable  to  triggered  channels).    o Duration  to  9.5  ms:  DURA,  1,  9.5,  ENTER,  3,  ENTER.  (Here  “3”  stands  for  ms  (1e-­‐3))  o Trigger-­‐to-­‐pulse  delay  to  100  ms:  DELAY,  1,  1,  ENTER,  1,  ENTER.  (“1”  for  1e-­‐1).  o Pulses-­‐per-­‐train  (if  applicable)  to  5:  M,  1,  5,  ENTER,  0,  ENTER.  

• To  disconnect  channel  3  from  channel  1:  CONCT,  CONCT,  1,  3,  ENTER.  To  disconnect  all  in  and  out  connections  from  channel  1:  CONCT,  CONCT,  1,  ENTER.  

• To  stop  channel  1:  OFF,  1,  ENTER.  To  stop  all  channels:  OFF,  ALL,  ENTER.  • To  clear  

o Current  program:  OFF,  ALL,  ALL,  ENTER.  o All  memory:  OFF,  ALL,  ALL,  ALL,  ENTER.  (Never  do  that  in  practice!)  

Fragments  of  Arcane  Knowledge:  

• All  time  periods  should  be  <  3999s.  Min  values  are  40us  for  Duration,  100  us  for  Delay  and  60  us  for  Interval.  Also  if  Interval  is  <=  Duration,  it  returns  an  error.  

• TTL  pulses  used  in  equipment  have  0  V  for  “0”,  and  5  V  (more  than  about  2.5  V)  for  “1”.  • Ideal  settings  for  the  Robotic  Arm:  D=1e-­‐4;  knob  looking  up.  • “Triggered  channels”  (that  are  not  connected  internally?)  are  triggered  by  pulses  that  come  to  

“EXT  2”  input.  Channels  1  and  2  may  be  GATED,  and  deliver  pulses  continuously  while  EXT1  or  EXT2  voltage  meets  some  criteria.  Read  the  “manual”  if  necessary.  

 

Page 13: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  13  of  37    

Electrophysiology  protocols  

Generic  protocol  1. Startup  

a. Take  a  small  Petri  dish,  and  fill  it  with  MS-­‐222  anesthetics.  Catch  a  tadpole  with  a  wide  plastic  pipette,  and  place  it  in  this  Petri  dish.  It  takes  ~5  min  for  brief  anesthesia,  and  about  ~15  min  for  deep  anesthesia  (which  you  would  prefer  for  in  vivo  preparations).  Don’t  leave  tadpoles  in  MS-­‐222  for  hours,  as  it  becomes  toxic  when  exposed  to  light.  

b. Dismount  the  chamber;  rinse  it  with  dH2O.  Check  that  all  pins  are  in  place  (2-­‐3  longer  tips  for  the  tadpole  operation  table;  2-­‐3  short  tips  for  a  full  brain  preparation;  3  medium-­‐sized  pins  for  in  vivo  experiments).  

c. Fill  a  tube  with  ~10-­‐15  ml  of  external  solution.  Add  MgCl2  and  CaCl2  from  stock  solutions  (if  you  have  10  ml  of  external,  with  our  pippeters  you  need  to  add  15  µl  of  each  stock  twice).  Shake  it  well.  

d. Fill  the  chamber  with  the  external.  Put  it  under  the  dissection  binocular  microscope.  Move  the  tadpole  there  with  a  plastic  pipette  (try  not  to  transfer  too  much  MS-­‐222  into  the  bath).  Make  the  preparation  (see  below).  If  you  work  on  full  brain  prep,  don’t  forget  to  unpin  and  remove  the  carcass.  

e. Place  the  chamber  in  the  rig.  Attach  the  ground  wire.  f. Switch  on  the  air  table,  microscope  light,  manipulators  and  stimulation  box.  g. Switch  on  the  computer,  rig  and  amplifiers;  launch  programs  h. Ventricular  membrane  removal:  Take  a  microelectrode  pipette  (old  one,  from  the  previous  day),  

and  break  the  very  tip  of  it  by  gently  touching  a  kimwipe.  Alternatively  you  can  micro-­‐brake  the  tip  with  a  forceps  under  the  binocular  microscope  in  a  “controlled”  way.  Install  this  pipette  into  the  pipette  holder  (don’t  fill  it  with  any  solution),  and  lower  it  to  the  cells  layer  (as  described  below),  as  if  for  a  recording.  Finally,  by  moving  it  with  micro  manipulators,  and  applying  measured  suction,  remove  (rip  and  suck)  top  layer  of  cells  (described  in  detail  below).  Leave  the  brain  at  rest  for  about  10  min,  to  let  the  cells  heal  a  bit  after  you  disturbed  the  tissue  with  your  membrane  removal.  

i. Pull  6-­‐8  electrodes  (program  45).  Fire-­‐polish  the  backs.  j. Prepare  the  whisker-­‐syringe,  conical  tip  syringe,  and  a  small  blue  tip  filter.  k. Take  a  small  conical  tube  of  internal  (unless  you  record  cell-­‐attached,  with  an  external  in  your  

pipette)  from  a  deep  fridge,  and  let  it  thaw.  You  may  either  put  it  in  the  pocket  (if  you  plan  to  start  the  recording  in  a  few  minutes),  or  just  leave  it  on  the  table  (if  you  plan  to  start  it  in  about  30  minutes).  

l. If  you  work  with  external  in  your  pipette  (cell-­‐attached  or  focal  potentials  recordings)  –  draw  about  1  ml  of  external  with  a  syringe  using  a  conical  tip;  replace  the  tip  with  a  small  blue  filer,  and  drop  by  drop  transfer  it  to  the  whisker-­‐syringe.  

m. Take  internal  from  a  tube  with  a  conical  tip  syringe,  and  transfer  it  into  a  whisker-­‐syringe,  at  the  same  time  filtering  it  (with  a  small  blue  tip  filter).  

n. Place  the  stimulating  electrode.      

Page 14: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  14  of  37    

2. Recording  cycle  (for  the  standard  whole  cell  protocol)  a. Fill  a  pipette  with  internal  up  to  about  1/3  of  pipette  length  (using  the  whisker-­‐syringe).  Avoid  

introducing  large  bubbles.  Remove  small  bubbles  in  the  tip  by  gently  knocking  the  pipette  with  a  sharpie,  while  holding  the  tip  down,  and  staring  on  it  really  hard  (it  helps  to  scare  the  bubbles  away).  With  a  rolled  thin  scrap  of  kimwipe  remove  the  solution  from  the  rare  end  of  the  electrode.  

b. If  necessary,  place  the  intracellular-­‐filled  whisker-­‐syringe  in  a  cool  zone  if  necessary  (on  ice).  c. Install  the  pipette  (by  loosening  the  holder,  and  then  screwing  it  back  tight).  If  the  orange  rubber  

sealing  thing  in  the  holder  is  new,  it  can  be  so  tight  that  you'd  have  to  unscrew  the  holder  completely,  manually  put  the  orange  thing  on  the  pipette,  and  then  assemble  everything  back.  Note  that  the  diameter  of  pipettes  within  the  batch  may  vary  slightly,  and  every  now  and  then  you  may  have  a  pipette  that  just  would  not  fit  into  the  holder.  Don't  break  the  thing  –  just  admit  that  it  is  a  wrong  pipette  to  use  (and  maybe  warn  others  that  this  particular  batch  is  weird).  

d. Apply  slight  positive  pressure  (~0.02  ml  on  a  standard  1ml  syringe).  Don't  overdo  with  positive  pressure:  you  don't  want  internal  to  spill  all  over  the  cells,  as  it  depolarizes  and  disturbs  them.  Also  the  more  flow  you    have,  the  sooner  your  tip  will  be  clogged  with  some  dirt  from  the  solution.  

e. Immerse  the  electrode  in  the  chamber,  lower  it  down  a  bit,  and  find  the  tip  under  low  magnification.  You  may  like  to  refocus  much  higher  than  the  brain  in  order  to  find  the  tip.  You  can  also  use  the  meniscus  (a  black  shade  that  appears  at  the  sides  of  your  visual  field  when  the  electrodes  touches  the  surface  and  all  the  surface  got  bent  by  the  capillary  forces  /  surface  tention).  By  following  the  shade  you  can  roughly  guess  the  pipette  location.  It  also  happens  to  wiggle  the  pipette  a  teeny  bit  left  and  right  (red  knob),  and  see  if  you  can  catch  any  motion  with  your  eyes.  

f. Set  the  electrode  to  Voltage  Clamp  at  0  mV  (or  just  have  the  "clamp"  checkbox  unchecked,  while  formally  in  VC  mode).  Don't  try  to  clamp  at  any  other  potential  yet,  because  the  current  through  the  pipette  would  be  huge,  and  it  would  de-­‐chlorinate  the  silver  wire.  Press  the  "Pipette  Offset"  button.  

g. Start  the  resistance  test,  compare  the  resistance  vs.  expected  value  for  this  type  of  electrodes  (our  ideal  is  about  ~8-­‐12  MΩ).  Inspect  the  tip  visually  under  low  magnification,  to  check  if  it’s  not  clogged  or  broken.  Quite  frequently  there  are  bubbles  in  the  tip,  in  which  case  you'll  have  to  blow  them  through  by  applying  ~1-­‐3  full  syringes  of  positive  pressure,  each  time  locking  the  air  that  was  already  pumped  in  with  a  3-­‐way-­‐valve.  2-­‐3  syringes  are  always  enough  to  get  rid  of  the  bubbles  (if  3  syringes  don’t  help  –  the  tip  is  either  clogged  with  something  stiff,  or  there  is  some  other  problem  with  the  rig,  such  as  a  leak  in  the  pressure  system).  Remove  the  excessive  positive  pressure  immediately  after  the  bubbles  disappear  by  opening  a  3-­‐way  valve  (to  avoid  strong  flow  of  solution),  and  re-­‐apply  the  small  positive  pressure  again,  as  you  did  it  initially,  to  prevent  the  tip  from  clogging.  Write  down  your  electrode  resistance.  Mind  that  blowing  bubbles  through  should  happen  high  above  the  brain,  otherwise  you'll  destroy  it,  as  if  by  a  nuclear  explosion.  

h. Go  down  towards  the  brain  under  low  magnification,  stopping  a  bit  before  the  surface  (at  the  level  at  which  the  geography  of  the  brain  can  be  guessed  already,  but  still  stays  much  out  of  focus).  Always  refocus  down  first,  and  only  then  bring  the  electrode  to  the  focal  plane.  This  way,  even  if  you  forget  to  change  the  manipulator  speed,  or  misjudge  distance  to  the  brain,  you  won't  crash  into  the  brain,  destroying  it.  Switch  the  manipulator  box  to  slow  speed  (“fine  turtle”  rather  than  “coarse  rabbit”  mode;  the  switch  is  on  the  back  side  of  the  manipulator  control  box),  and  switch  the  microscope  to  higher  magnification.  Refocus  to  the  tip  (usually  we  make  it  so  you  had  to  refocus  

Page 15: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  15  of  37    

down  a  bit),  and  go  further  down  towards  the  cells.  Use  only  fine  refocusing  knob  when  under  high  magnification.  

i. Do  “Capacitance  compensation”.  Note  that  the  “Capacitance  compensation”  depends  on  the  depth  at  which  the  pipette  is  immersed  into  the  solution,  so  you  should  do  it  when  the  tip  is  relatively  close  to  the  brain  surface.  The  step  on  the  resistance  test  should  look  nice  and  flat.  

j. Find  a  good  cell;  target  it.  Refocus  above  it;  place  the  electrode  above  the  target.  Focus  down  to  the  cell;  slowly  bring  the  electrode  down,  touch  the  membrane  at  the  point  roughly  between  the  center  and  the  edge  of  the  cell,  or  maybe  even  closer  to  the  center.  You  should  see  an  invasion  (a  dark  "dip")  as  the  electrode  approaches  the  cell,  as  there  should  be  a  flow  of  liquid  coming  out  of  the  tip,  and  it  should  bend  the  membrane.  Quickly  (but  calmly)  remove  positive  pressure  (you  don’t  want  to  spill  internal  above  the  cells,  as  it  would  depolarize  them,  and  make  them  unhappy).  See  the  invasion  disappear,  and  the  resistance  increase  at  least  slightly.  Clamp  the  pipette  at  a  negative  potential  (about  −50  or  −60  mV).  Gently  (!)  apply  the  tiniest  bit  of  negative  pressure  if  necessary.  For  a  clean  electrode  it  should  immediately  create  a  Gigaseal  (1-­‐8GΩ).  Sometimes  the  negative  suction  is  not  even  necessary:  as  the  pressure  is  released,  and  the  dip  disappears,  the  membrane  just  moves  towards  the  pipette  tip,  and  seals  it  over.  Wait  several  seconds,  for  the  membrane  to  move  around  the  pipette;  for  the  seal  to  improve,  and  for  the  cell  to  calm  down.  Gently  adjust  the  electrode  tip  position  if  necessary,  so  that  the  membrane  is  not  stretched.  Keeping  the  electrode  at  a  negative  potential  helps  to  “calm  down”  the  cell  after  you  mechanically  disturbed  it.  

k. Go  Whole-­‐Cell  by  applying  a  decisive,  but  short  and  gentle  suction.  Use  your  finger/thumb  to  close  the  hole  on  the  control  valve,  and  be  ready  to  open  it  again  to  remove  the  suction.  Don't  "lock"  the  valve:  you  don't  want  to  be  that  brutal  to  the  cell.  Open  it,  and  just  close  the  whole  with  some  part  your  other  hand.  Some  people  (Carlos)  like  to  apply  negative  pressure  gradually  until  the  membrane  is  broken,  and  then  rely  on  their  reaction  for  quickly  releasing  the  pressure  (definitely  before  half  of  the  cell  content  is  sucked  into  the  pipette).  Some  other  people  are  not  fast  enough  to  rely  on  their  reaction  speed.  These  slower  people  would  rather  apply  some  "standard  pulse  suction"  in  order  to  get  into  the  cell  (in  which  case  you  may  have  to  repeat  this  "pulse  suction"  some  2-­‐3  times)  13.  If  you  prefer  this  approach,  close  the  opening  with  your  thumb,  move  the  plunger  backwards  “drawing”  about  0.1-­‐0.2  ml  in  a  standard  pipette;  and  while  doing  it  release  the  hole.  The  whole  affair  should  last  a  fraction  of  a  second,  and  produce  a  subtle  “pop”  sound.  While  doing  this  (in  either  way),  keep  your  eyes  on  the  seal  test.  When  you  are  successful,  you’ll  see  the  resistance  decrease  in  a  jump,  and  capacitance  current  to  appear  on  the  step  (normal  cell  parameters  for  tectal  cells:  capacitance  of  10-­‐15  pf;  membrane  resistance  of  800-­‐1000  MΩ,  access  resistance  of  100-­‐300  MΩ).        

                                                                                                                         13  There  are  people  in  other  labs  who  kiss  the  mouthpiece  (syringe  without  a  plunger)  to  break  the  membrane.  While  undoubtedly  rich  in  imagery  and  metaphor,  this  method  is  also  messy,  unsafe  and  epidemiologically  questionable,  so  we  don't  follow  it.  Surely  if  you  can  produce  a  brief  pulse  of  gentle  negative  pressure  with  a  sensual  kiss,  you  can  also  do  it  with  a  syringe  and  a  valve  hole  to  cover.  There  are  also  some  other  people  in  some  other  labs  who  apply  "buzz"  (quick  and  strong  current  injection)  to  break  the  membrane  (there's  a  special  button  for  providing  a  "Buzz"  on  the  Clampex  panel).  We  don't  do  it  for  our  cells,  as  they  are  small  and  tender,  and  usually  die  if  you  try  to  buzz  them;  but  for  some  other  (bigger,  sturdier)  cell  types,  and  other  electrode  sizes,  it  may  be  useful.  

Page 16: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  16  of  37    

3. Switching  off  a. Switch  off  the  computer,  amplifiers,  microscope  light,  manipulators  and  stimulation  box.  Close  the  

air-­‐table  valve.    b. Unpin  and  remove  the  brain  (under  binoculars);  rinse  the  chamber  with  dH2O.  If  you  reuse  same  

sylgard  block  over  and  over  again,  you  may  also  consider  rinsing  the  chamber  with  ethanol,  and  leaving  it  this  way  to  dry  –  it  would  prevent  bacteria  from  growing,  and  your  sylgard  will  be  less  poisonous  for  the  brain.  

c. Rinse  the  whisker  syringe  and  the  external  solution  tube.  d. Gently  wipe  (touch)  the  immersion  objective  with  a  very  special  Kimtech  paper.  

 

Checklist  for  Junior  Patchers  1. Fill  new  pipette  to  1/3  –  1/2  of  its  length  2. With  a  kimwipe  (rolled  into  a  little  paper-­‐needle)  remove  excess  liquid  from  the  back  3. Get  rid  of  bubbles  (through  knocking  the  pipette  gently)  4. Install  the  pipette  5. Apply  positive  pressure  (<0.1  ml  of  air)  6. Go  down  until  the  tip  touches  the  liquid  7. Measure  pipette  resistance  (should  be  5-­‐15  MΩ;  do  it  in  "Bath"  mode).  8. Focus  on  the  tip,  ensure  if  there's  no  bubble  or  junk  inside  

a. If  any  –  blow  it  through  (push  –  lock  –  push  –  lock  …  when  junk  goes  through  –  release)  9. Focus  lower,  then  move  the  pipette  to  the  focus  plane.  Repeat  until  slightly  above  the  brain.  10. Switch  the  manipulator  to  low  speed  11. Change  objective  12. Find  the  tip  13. Lower  to  just  above  the  cell  layer  14. Choose  the  cell  15. Cancel  pipette  offset  &  pipette  capacitance  16. Patch:  

a. Place  the  tip  exactly  above  the  point  between  the  center  and  the  side  of  the  cell  b. Focus  at  the  cell  (slightly  above  the  midline)  c. Move  pipette  down  until  it  is  near  the  cell  and  a  dimple  is  seen  d. Release  the  pressure  e. Put  the  amplifier  at  voltage  clamp  at  -­‐60  mV  f. Gently  apply  suction  –  until  gigaseal  is  formed  g. Switch  to  "Seal"  mode.  Apply  measured  suction  until  you  break  into  the  cell.  

17. Measure  cell  parameters  (in  "Cell"  mode),  and  follow  the  protocols.  

   

Page 17: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  17  of  37    

Tight  Cell-­‐Attached  recordings  The  only  difference  of  TCA  recordings  vs  whole  cell  ones  is  the  following  one:  you  should  use  external  solution  instead  of  internal,  and  stay  in  Gigaseal  mode,  without  rupturing  the  membrane.  After  waiting  a  bit  in  VC  mode  at  −70  mV,  go  Current  Clamp  with  zero  current.  You  may  also  prefer  using  external  in  the  pipette  rather  than  the  internal,  as  it  seems  to  make  the  seals  somewhat  better,  although  in  this  case  you  lose  the  possibility  of  going  whole  cell  afterwards.  

Loose  Cell-­‐Attached  recordings  All  the  preparations  for  the  LCA  recordings  are  like  those  for  the  Tight  Cell  Attached  mode,  with  2  important  differences.  First,  you  definitely  need  to  use  external  in  the  pipette.  Second,  before  patching  an  actual  cell,  you  should  make  the  pipette  tip  “dirty”,  so  that  it  stays  in  loose  cell-­‐attached,  and  does  not  make  a  Gigaseal.  One  way  to  do  it  is  to  find  a  patch  where  the  ventricular  membrane  is  still  intact,  release  the  positive  pressure,  and  several  times  touch,  or  even  bump  into  the  ventricular  cells.  They  seem  to  be  covered  with  something  (cilia?  proteoglycans?)  that  prevent  Gigaseal  formation,  and  they  are  also  strong  enough  not  to  be  damaged  by  this  bumping,  but  it  makes  a  tip  dirty.  Alternatively,  you  may  find  a  “victim  cell”,  and  make  a  “fake  whole-­‐cell”  on  it,  departing  from  the  cell  immediately  afterwards.  Regardless  of  the  approach,  in  some  cases  you  may  still  inadvertently  get  a  Gigaseal  on  the  first  cell  you  try  to  patch,  in  which  case  you  should  just  go  “fake  whole-­‐cell”  again,  and  then  get  rid  of  the  cell  again,  hoping  that  after  this  little  adventure  the  tip  has  become  even  dirtier,  and  thus  better.  

How  to  depart  from  the  cell?  If  you  just  move  the  electrode  away,  especially  if  you  do  it  very  slowly,  or  very  fast,  you  would  just  rip  the  cell  out  of  the  tissue,  and  it  will  be  secured  on  your  pipette  tip.  You  may  even  like  it  when  you  do  real  recordings  (as  by  doing  so  you  would  remove  dead  cell  bodies  from  the  brain),  but  you  definitely  don't  want  the  cell  on  the  tip  if  you  just  try  to  prepare  it  for  LCA.  You  may  also  apply  positive  pressure,  but  if  you  do  it  without  moving  the  tip,  the  cell  will  probably  pop  up,  and  the  dead  "cell  shell"  will  still  sit  at  the  end  of  your  tip.  Disgusting.  So  in  reality  to  get  away  from  the  cell  you  should  perform  a  combination  of  these  actions:  you  should  start  moving  away  from  the  cell  (decisively  =  not  too  slow),  and  when  the  cell  is  visibly  stretched  –  apply  some  modest  positive  pressure.  Then  continue  moving  the  tip  away.  Every  now  and  then  it  does  not  work,  but  overall  you  should  be  able  to  depart  from  cells  with  some  ~80%  success  rate.  

Finally  with  the  “dirtyish”  tip,  follow  the  “standard  patching  procedure”  with  a  target  cell.  The  difference  will  be  that  instead  of  a  Gigaseal,  after  removing  positive  pressure,  and  then  applying  negative  pressure,  you  should  expect  to  see  only  moderate  and  gradual  increases  in  “patch  resistance”.  Continue  to  apply  negative  pressure  slowly,  gradually,  and  steadily,  to  suck  a  bit  of  the  membrane  inside.  Then  release,  and  see  if  the  resistance  goes  down  much.  Usually  in  2-­‐3  attempts  you  can  reach  a  resistance  of  ~80-­‐100  MΩ,  that  could  relax  into  ~100-­‐120  MΩ  after  you  release  the  pressure,  however  resistances  of  about  60-­‐70  MΩ  are  usually  high  enough  already  to  allow  a  nice  LCA  recording.  The  “maximum  achievable  resistance”  seem  to  be  dependent  on  the  prep  (the  age  of  the  animal,  the  external  solution  composition,  and  on  whether  there  was  a  lot  of  bleeding  around  the  brain),  so  if  several  cells  in  a  row  get  torn  at  ~70  MΩ,  just  accept  it  as  a  possible  “practical  maximum”  for  this  particular  prep.  During  the  negative  pressure  application,  control  the  cell  visually,  as  it  will  visibly  shrink  while  being  sucked  into  the  pipette,  so  you  may  need  to  re-­‐adjust  the  focal  plane  and  the  electrode  position  during  the  process  (between  the  suctions).  

Page 18: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  18  of  37    

Several  cells  in  a  row  can  usually  be  clamped  in  loose-­‐cell-­‐attached  mode  with  the  same  electrode,  and  the  ease  of  getting  a  reliable  LCA  will  only  increase.  Gradually  however  the  tip  would  catch  membrane  flips  with  ion  channels  on  them,  and  these  channels  would  make  the  recordings  dirty.  You’ll  need  to  change  the  pipette  if  the  cell  ghost  (blown-­‐up  cell)  got  stuck  on  the  tip,  or  if  a  particularly  big  membrane  flap  would  lead  you  into  a  “fake  Gigaseal”  of  about  300  MΩ  –  2  GΩ  without  actual  access  to  the  spiking  cell.  

Perforated  patch  (Gramicidin)  recordings  In  short,  perforated  patch  recordings  resemble  those  performed  in  whole  cell  or  tight  cell-­‐attached  modes.  The  perforating  peptide  (gramicidin)  is  added  to  the  solution  inside  the  pipette;  after  the  gigaseal  is  achieved,  one  needs  to  wait  several  minutes  for  the  peptide  to  get  into  the  membrane  and  allow  voltage  control  over  the  cell.  The  protocol  is  somewhat  tricky  however,  so  it  worth  describing  the  details.  

Take  a  tube  of  internal  solution.  Some  people  prefer  using  slightly  weird  internals  (such  as  ones  with  extremely  low  or  extremely  high  Cl−  concentration,  to  be  able  to  notice  the  moment  when  the  perforated  patch  is  broken  and  the  recordings  goes  whole-­‐cell14.  Filter  the  internal  into  another  Eppendorf  tube  (you  have  to  do  it  before  the  gramicidin  is  added,  otherwise  it  will  be  filtered  out).  The  tubes  on  the  table  are  usually  quite  dusty,  so  it  worth  take  one  from  a  rarely  disturbed  bag  somewhere  deep  in  the  shelves.  Add  required  amount  of  DMSO  with  gramicidin  in  it;  it  may  cause  partial  precipitation  of  the  peptide.  Close  and  vortex  (shake)  the  tube;  then  attach  a  piece  of  plastic  foam  to  it  (put  the  Eppendorf  tube  through  the  hole  in  the  foam),  and  let  it  float  in  the  sonicator;  sonicate  for  ~2  min.  Suck  the  contents  of  the  tube  into  a  whisker  syringe.  During  the  recording,  keep  the  syringe  with  the  gramicidin  internal  on  ice.  Prepare  new  solution  every  3-­‐4  hours  (as  allegedly  gramicidin  gradually  deactivates  while  in  solution).  

As  the  gramicidin  solution  is  not  filtered,  and  as  at  high  concentrations  the  peptide  tends  to  precipitate,  you  cannot  blow  the  bubbles  through  the  pipette  tip,  and  also  you  can’t  apply  strong  positive  pressure  while  approaching  a  cell,  for  the  same  reason.  There  are  two  ways  to  tackle  that.  One  approach  is  to  filter  the  internal  with  a  filter  that  has  relatively  large  pores,  however  in  this  case  the  concentration  of  gramicidin  in  the  solution  will  get  lower,  and  you’ll  have  to  wait  longer  before  getting  enough  access  to  the  cell  (possibly  about  20-­‐30  min).  Alternatively,  you  can  use  a  front-­‐filling  technique:  just  keep  a  small  tube  of  filtered  gramicidin-­‐free  internal,  and  dip  the  pipette  tip  in  it  for  several  seconds  (10-­‐20  s).  Due  to  the  action  of  capillary  forces  the  tip  will  get  filled  with  the  solution  (it  is  almost  impossible  to  see  the  liquid  inside  the  tip,  but  it  should  be  there).  Then  the  remaining  of  the  pipette  is  filled  with  gramicidin-­‐containing  solution  as  usual.  There  will  be  some  bubbles  in  the  tip,  and  remember:  this  time  you  cannot  blow  them  through,  so  hold  the  pipette  in  your  hand  vertically,  its  tip  down,  and  gently  knock  it  with  a  pen  or  a  marker  for  1-­‐5  min,  until  the  bubbles  leave  the  tip.  5  minutes  of  knocking  may  sound  like  a  pretty  long  time,  but  as  a  result  of  this  time  investment  you'll  get  a  pipette  with  a  clean  unclogged  tip,  and  full  of  gramicidin,  making  the  yield  potentially  really  high.  

                                                                                                                         14  Akerman,  Cline  2006  

Page 19: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  19  of  37    

Another  reason  not  to  apply  positive  pressure  while  approaching  the  cells  is  that  you  don’t  want  to  spill  the  stuff  all  over  their  outer  membranes  –  they  will  get  leaky,  and  die  if  you  do  that.  It  is  not  advisable  however  to  completely  get  rid  of  positive  pressure,  as  in  this  case  the  electrode  keeps  sucking  stuff  from  the  solution  (due  to  the  capillary  forces  action),  and  the  tip  quickly  becomes  dirty.  The  best  idea  is  to  close  the  valve  before  installing  an  electrode  into  the  holder:  it  will  create  some  positive  pressure,  just  enough  to  prevent  the  external  solution  from  entering  the  tip,  making  it  dirty.  It  will  also  make  the  patching  easer:  you  won't  probably  see  the  dent  on  the  membrane  as  you  go  close  to  it,  but  theoretically  it  will  still  be  there,  as  for  the  normal  patch-­‐clam  protocol;  the  tip  however  won't  get  clogged,  as  the  flow  of  stuff  from  the  tip  will  be  really  low.  

After  you  patched  a  cell,  establishing  a  Gigaseal,  just  wait  for  5-­‐10  min  and  see  the  access  resistance  drop,  and  the  postsynaptic  events  to  become  visible.  Usually  at  the  beginning  you  would  see  a  normal  gigaseal  (1-­‐4  GΩ),  which  would  gradually  evolve  to  a  stable  perforated  patch  case,  which  looks  like  a  “very  small  and  resistant  cell"  (capacitance  of  ~5  pF,  membrane  resitance  of  1-­‐2  GΩ,  access  resistance  of  ~100  MΩ).  After  doing  a  recording,  apply  brief  suction,  going  whole-­‐cell:  the  capacitance  should  increase  2-­‐3  times  in  a  jump  (up  to  about  15-­‐20  pF),  the  access  resistance  could  decrease  slightly  (down  to  20-­‐30  MΩ),  while  the  cell  membrane  resistance  would  usually  decrease  gradually  with  gramicidin  perforating  it,  killing  the  cell.  

Ca  imaging  protocol  1. Prepare  5  measures  of  external  solution  (1  for  preparation  &  staining,  3  for  washing  the  dye  

out,  and  1  for  the  recording).  Pour  2  measures  in  separate  tubes  (preparation  &  final  recording),  and  add  the  paralytic  agent  (tubocurarine)  in  them  (you’ll  have  to  add  100-­‐200  µl  of  tubocurarine  stock  solution  per  tube).  Save  the  remaining  no-­‐paralytic  solution  in  the  beaker  (probably  sealed  with  Parafilm).  

2. Place  the  tadpole  in  anesthetic  (MS-­‐222).  3. Take  1  portion  of  dye  from  the  freezer;  dissolve  it  in  10  µl  of  DMSO  +  F-­‐127.  Put  in  the  sonicator  

for  15  min  (it  won’t  dissolve  without  that).  At  all  stages  try  to  protect  the  solution  from  light  (wrap  it  in  tin  foil?).  

4. Pour  1  portion  of  external  solution  (with  paralytic)  in  the  chamber.  Make  in  vivo  preparation.  5. Place  the  chamber  under  the  microscope.  Remove  the  membrane.  6. Take  the  chamber  out,  and  add  the  dye  to  the  solution.  Leave  for  30  min  in  a  very  dark  place  

(black  bowl  +  tin  foil,  or  something  similar).  7. Place  a  prism  in  the  rig,  and  center  the  image  on  the  fiber.  8. After  the  tectum  is  (hopefully)  stained,  carefully  pour  out  the  solution,  and  rinse  the  chamber  3  

times  with  the  external.  Be  sure  not  to  break  the  tadpole  while  adding  the  liquid,  or  while  it  is  exposed  to  air.  Finally,  add  the  last  5th  portion  of  the  external  (this  one  is  to  be  again  with  the  tubocurarine).  

9. Place  a  fiber  facing  the  eye,  at  about  1  eye  diameter  from  the  lens.  10. Switch  the  excitation  light;  calibrate  the  camera;  find  a  good  place.  11. Do  the  recording.  

Page 20: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  20  of  37    

In-­‐vitro  (whole  brain)  preparation  1.  Tadpole  is  anesthetized  with  MS-­‐222  for  5-­‐10  min  

2.  It  is  pinned  to  a  “preparation”  Silgard  block  roughly  in  the  same  manner  as  it  is  done  for  in  vivo  experiments  (see  below),  only  without  tilting,  but  rather  symmetrical.  3  pins  are  to  be  used  for  stage  48-­‐49  animals  (right,  left,  forward),  while  for  stage  45-­‐46  2  pins  are  enough  (there’s  no  space  to  place  the  3d  pin  anyway).  The  right  pin  (for  right-­‐handers)  is  to  be  really  sharp,  as  you’ll  have  to  poke  the  tadpole  with  it,  while  it  is  not  yet  attached  to  anything  else,  helping  yourself  only  with  a  forceps.  The  other  two  pins  can  be  blunter.  

3.  The  brain  is  opened  (see  figure).  First  you  take  a  new  needle,  and  stick  it  under  the  skin  above  the  hindbrain.  Then  you  make  an  incision  of  the  skin  above  the  brain  all  the  way  down  to  the  olfactory  bulbs  (towards  the  space  between  the  nostrils).  Widen  the  sides  of  the  incision  a  bit,  to  have  access  to  the  brain.  Then  cut  the  upper  commissures  above  the  hindbrain,  at  the  caudal  part  above  the  tectum,  and  finally  between  the  olfactory  bulbs.  Be  careful  not  to  go  to  deep,  not  to  damage  the  midline  structures,  especially  around  the  Optic  Chiasm,  as  you’ll  have  to  dive  somewhat  down  right  after  it,  to  cut  between  the  olfactory  bulbs.  All  these  procedures  are  better  done  when  the  brain  is  still  secured  by  the  nerves  inside  the  body.  

An  alternative  to  cutting  right  above  the  brain  is  in  cutting  the  skin  medial  to  the  brain,  flipping  the  piece  of  skin  over  to  the  side  (thus  opening  the  brain),  and  then  carefully  cutting  through  the  membrane  with  melanocytes.  Some  people  feel  having  more  control  over  the  prep  if  it  is  done  this  way.  

4.  After  that  is  done  you  can  already  pick  the  brain    with  a  sharp  forceps  by  the  stump  of  the  spinal  cord,  and  pull  it  away.  In  some  cases  it  may  be  also  useful  to  cut  the  nerves  to  the  right  and  to  the  left  from  the  brain.  For  younger  tadpoles  you’ll  have  also  to  cut  below  the  brain,  as  the  brain  is  not  yet  fully  solid  at  this  stage,  and  you  can  easily  tore  it  in  two  parts  while  pulling  the  hindbrain  out.  Also  if  you  wish  to  preserve  a  bit  more  of  the  spinal  cord  than  just  the  thump,  you’d  better  cut  backwards  from  the  point  of  your  initial  incision,  opening  the  spinal  channel.  

5.  The  brain  is  then  transferred  to  the  recording  part  of  the  chamber,  and  pinned  down  (see  the  photo).  As  we  don’t  study  olfactory  so  far,  it  is  usually  safe  to  secure  it  with  2  pins  going  through  the  olfactory  bulbs,  and  to  place  the  3d  pin  somewhere  in  the  hindbrain,  in  the  region  you  don’t  need  for  your  recordings.  Don't  overstretch  the  brain  when  you  pin  it,  as  in  this  case  the  cells  will  gradually  give  up  during  the  recording,  and  the  tissue  will  move  in  respect  to  the  electrode  tip,  which  is  extremely  annoying  if  you  want  to  hold  the  cell.  It  happens  every  now  and  then  anyway  (it  also  seems  to  happen  when  the  osmolarity  of  the  external  solution  is  slightly  off,  causing  some  shrinking  /  swelling),  but  at  least  try  to  minimize  the  drift  by  pinning  the  brain  properly.    

Page 21: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  21  of  37    

Stimulation  &  Recording.  The  stimulation  is  frequently  done  at  Optic  Chiasm  (marked  with  a  red  arrow  on  the  photo).  The  recordings,  when  they  are  performed  in  the  Optic  Tectum,  are  usually  limited  to  the  central  part  of  it  (marked  with  an  orange  circle).    

Page 22: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  22  of  37    

The  preparation  scheme  

 

A. Place  the  pins  B. Cut  from  the  tail  base  up  towards  the  nostrils  C. Move  the  skin,  making  the  opening  wider  (you  should  see  both  tecta)  D. Cut  the  commissures  (including  between  the  olfactory  bulbs,  which  is  lower)  E. Cut  the  nerves  on  both  sides  of  the  brain  F. If  you  need  the  spinal  cord:  cut  above  it  G. Pull  the  brain  out  

Page 23: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  23  of  37    

In-­‐vivo  preparation  Pinning:  You’re  supposed  to  see  the  heart  to  the  left  from  the  otic  chamber.  So  that  brain,  the  otic  chamber,  and  then  the  heart  somewhere  below.  In  this  case  one  pin  goes  straight  down,  not  to  reduce  your  field  of  view  in  the  future.  

 

 

Pin  on  the  right  side  (#2  as  they  are  numbered  above)  goes  first;  then  #1,  and  then  finally  #3.  The  triangle  between  the  huge  vessel,  the  eye  and  the  brain  is  relatively  free  of  everything  (there  are  only  gills  and  muscles  there),  so  it’s  a  good  place  for  a  pin.  Be  careful  not  to  damage  the  vessel,  or  the  nerves/vessels  that  go  to  the  eye  though.  Note  also,  that  while  you’ll  be  working  on  right  tectum,  you’ll  be  projecting  to  the  left  eye,  so  don’t  harm  or  damage  it.  

The  brain  is  surrounded  with  big  and  tiny  vessels,  so  it  is  impossible  to  avoid  bleeding.  Bigger  vessels  seem  to  be  located  above  the  hindbrain  though,  so  it  may  worth  trying  to  open  tectum  only,  without  touching  the  hindbrain  region.  Any  bleeding  that  occurs  during  the  preparation  needs  to  be  immediately  taken  care  of.  Ideally  all  blood  is  to  be  sucked  out  with  a  special  syringe  that  has  its  needle  blunted;  alternatively  you  can  move  whatever  instrument  you  are  using  circularly  at  one  side  of  the  brain  to  create  the  flow,  and  to  let  this  flow  move  the  blood  out.  The  reason  for  this  requirement  is  that  after  the  blood  coagulates,  it  becomes  almost  impossible  to  get  rid  of  it:  it  glues  to  the  tissues  around,  and  becomes  stronger  to  tear  than  the  brain  tissue!  Once  coagulated,  it  is  also  quite  

impenetrable  for  the  recording  pipette,  so  you  have  to  suck  it  out  or  dilute  if  before  it  is  too  late.  Also  it  looks  like  the  neurons  that  got  in  direct  contact  with  the  blood,  even  diluted,  have  their  membrane  properties  changed,  and  it  becomes  harder  to  establish  a  stable  loose-­‐cell-­‐attached  contact  with  them.    

This  pin  goes  first  

Otic  chamber  

gut  

Page 24: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  24  of  37    

An  old  unused  recording  pipette  with  its  tip  briefly  brought  close  to  the  Bunsen  flame  comes  really  handy  for  in  vivo  preparation.  After  meeting  fire,  the  pipette  tip  is  transformed  into  a  small  perfectly  smooth  sphere  sitting  on  a  glass  stem.  Bringing  pipettes  closer  to  the  flame,  or  prolonging  the  meltdown  one  can  crate  spheres  of  different  diameter.  These  spheres  can  then  be  used  to  manipulate  soft  brain  tissues:  to  open  the  brain  (after  the  commissures  are  cut  with  a  syringes),  push  tectal  lobes  apart,  smoothen  the  surface  etc.  A  blunt  forceps,  even  a  polished  one,  is  still  very  rough,  and  damages  the  tissue,  tearing  away  upper  layer  of  cells  each  time  it  comes  in  contact  with  the  tectum.  In  some  cases  it  may  be  a  desired  feature  (in  can  actually  help  with  membrane  removal),  but  in  the  majority  of  cases  it  is  safer  to  use  glass  sphere  for  all  manipulations.  

Membrane  removal  The  main  difference  between  areas  of  the  brain  covered  with  a  membrane,  and  those  not  covered,  is  that  under  the  membrane  you  can’t  see  neuron  cell  bodies  clearly,  as  separate  roundish  blobs.  The  other  peculiar  feature  of  membrane  cells  is  that  small  bubbles  are  abundant  in  them  (this  feature  is  helpful  once  the  majority  of  membrane  is  removed,  only  some  solitary  cells  are  still  left  in  their  place).  Sometimes  bubbles  happen  to  sit  among  the  neurons  as  well  though,  especially  in  younger  brains,  so  don’t  try  just  to  catch  all  the  bubbles  –  that’s  not  a  universal  trait.  To  compensate  for  this  nuisance,  membrane  removal  is  generally  easier  in  younger  than  it  is  in  older  animals,  as  the  epithelium  cells  are  not  sealed  so  strong  with  each  other  in  stage  45-­‐46  tadpoles.  

If  you  used  a  blunt  forceps  to  open  a  brain,  there  might  be  membrane-­‐free  areas  on  tectum  surface  when  you  place  it  under  the  microscope  already.  In  this  case  it  worth  starting  from  this  membrane-­‐free  spot,  peeling  the  membrane  to  the  sides  of  it,  cell  after  cell,  gradually  expanding  the  exposed  area.  Be  careful  though,  as  even  those  membrane  cells  that  are  only  partly  surrounded  by  other  membrane  cells,  still  tend  to  be  more  resistive  to  suction  than  neurons  beneath  them,  so  there’s  always  a  risk  to  suck  too  many  neurons  compared  with  the  membrane  cells.  

If  no  membrane-­‐free  spot  is  available,  you  can  poke  the  membrane  with  your  pipette  tip,  and  then  move  it  forward,  to  let  it  go  under  the  upper  layer  of  cells,  stretching  the  membrane.  As  pipette  has  a  conical  shape,  this  manipulation  would  tear  the  membrane  above  the  pipette.  All  you’ll  have  to  do  afterwards  is  to  suck  out  the  flapping  scraps  on  both  sides.  If  afterwards  you  turn  the  chamber  slightly,  you’ll  get  access  to  a  dozen  or  more  cells  on  one  side  of  the  pit.    

   

Page 25: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  25  of  37    

Mauthner  Cell  recordings  We  used  approximately  1  month  old  animals  (stage  49  or  “49+”),  avoding  the  bowls  where  most  of  the  tadpoles  had  already  died.  The  closer  the  tadpole  is  to  metamorphosis,  the  larger  the  Mauthner  cells  (Moulton,  Jourand,  and  Fox,  1968).  At  the  same  time  from  behavioral  data  on  startle  responses  in  XL  tadpoles  is  it  known  that  they  are  most  responsive  to  stimulation  (at  least  to  acoustic  one)  at  around  stage  47.  

Dissection:    1. Start  as  usual.  2. In  order  to  flatten  the  hindbrain,  it  is  necessary  to  cut  the  overlying  cells  in  the  caudal  hindbrain  

at  the  beginning  of  the  spinal  cord.  The  more  of  these  cells  that  are  cut,  the  easier  recording  from  PHP  cells  will  be  (especially  if  recording  from  both  sides  of  the  brain).    

3. Remove  the  layer  of  melanocytes  from  the  spinal  cord  as  far  as  it  is  necessary  (depending  on  whether  recording  or  stimulating  in  the  SC).    

4. Pin  each  olfactory  bulb  and  the  spinal  cord.  Instead  of  the  SC  pin,  it  is  also  possible  to  pin  the  hindbrain  at  a  caudal  and  lateral  point.    

Hindbrain  orientation:  There  are  8  hindbrain  segments  (rhombomeres).  M-­‐cell  and  most  PHP  cells  are  located  in  the  fourth  segment,  which  is  at  the  widest  point  of  the  flattened  hindbrain.  The  clearest  sign  of  its  location  is  the  decussation  of  two  heavily  myelinated  axons  at  the  midline.  If  this  is  not  visible,  one  may  try  to  count  the  segments  from  the  tectum.    

Some  clues:    • Each  segment  has  a  superficial  layer  of  very  small  cells  that  is  absent  (or  located  deeper)  

between  segments.    • The  first  segment  is  the  largest,  the  second  is  much  smaller,  and  segments  3-­‐7  are  similar  in  

size.    • Sometimes  the  segments  may  appear  darker  due  to  the  increased  thickness  of  the  brain  at  

those  points.    • It  is  also  occasionally  possible  to  see  the  insertion  site  of  the  VIIIth  nerve,  which  is  in  the  fourth  

segment.    

The  M  cell  is  located  laterally  in  the  un-­‐filleted  brain.  In  the  filleted  brain,  it  is  located  just  lateral  of  the  halfway  point  between  the  midline  and  the  edge  of  the  flattened  hindbrain.  If  counting  segments  by  the  small  cells,  the  M  cell  is  found  below  the  caudal  edge  of  the  small  cell  area  in  the  fourth  segment.  Most  visually  responsive  cells  are  superficial  and  medial  from  the  MC.    

Field  potential  recordings,  method  1:  Remove  the  superficial  cell  layer  over  the  MC  and  insert  a  program-­‐45  electrode  (resistance  9-­‐12  MΩ)  into  the  area.  Use  a  small  amount  of  positive  pressure  and  insert  the  electrode  about  as  deep  as  the  axon  decussation  level.  Look  for  a  location  with  response  around  0.5  mV  (to  either  tectal  or  antidromic  stimulation).  

Page 26: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  26  of  37    

FP  recordings,  method  2:  Break  a  program-­‐45  electrode  and  use  negative  pressure  to  draw  in  cells  around  the  MC  without  clearing  the  superficial  cells.  This  method  is  quick  and  effective  (responses  are  much  larger)  but  also  kills  cells  in  the  area.  

For  patching:  clear  the  superficial  cells  over  a  large  area  in  the  fourth  rhombomere.  Although  visually-­‐responsive  cells  are  found  at  every  level,  large  cells  with  interesting  properties  (putative  collateral  PHP  neurons)  are  found  at  the  level  of  the  MC.  Note:  there  are  also  glia  and  many  dendrites/axons  in  this  area  (putative  axon  cap-­‐like  structure).  Getting  a  tight  seal  on  a  cell  may  require  maneuvering  of  the  electrode  and  positive  pressure  to  avoid  these  obstacles.        

Staining  protocols  

Fixatives  &  the  fixing  procedure  1. Put  Nitrile  gloves  on.  Prepare  goggles  &  a  dust  mask.  2. For  50  ml  of  4%  PFH  solution  (just  enough  to  fit  in  one  50  ml  tube,  which  is  very  convenient)  –  

put  25  ml  of  dH2O  in  a  beaker  on  the  heater  in  the  fume  hood.  Stir.  Turn  the  heater  to  ~150°C.  3. Put  on  goggles  &  a  mask.  Weigh  2g  of  paraformaldehyde  (nasty  dust)  in  a  weighload  inside  the  

fume  hood.  Add  the  PFH  to  water.  Discard  the  contaminated  weighload  in  the  plastic  bag,  which  is  inside  the  fumehood,  on  the  right.  You  can  take  the  dust  mask  off  now.  

4. Add  2  drops  of  NaOH  to  the  beaker.  with  a  plastic  pipette.  Heat  to  65°C  (but  not  much  higher).  Wait  for  PFH  to  dissolve.  

5. When  the  solution  is  clear,  let  it  cool  to  room  temperature.  Add  5  ml  of  10x  Sodium  Phosphate  Buffer.  By  adding  more  NaOH  bring  the  pH  to  7.4  (use  HCl  in  case  of  an  overshoot).  

6. Adjust  volume  to  50  ml.  You  may  filter  it  if  the  objects  to  fix  are  going  to  be  extremely  sensitive.  7. Pour  in  a  50ml  tube,  cover  it  with  tin  foil,  and  place  it  in  the  Fridge.  The  solution  is  good  for  1  

month.  

Dextranes  staining15  1. Put  some  albinos  in  MS-­‐222.  2. Take  them  out,  put  on  a  Sylgard  /  Kimwhipe  /  Petri  dish.  Make  the  necessary  cuts.  3. Remove  the  excessive  liquid  with  a  pipette,  then  with  a  Kimwipe.  Let  the  tadpoles  dry  slightly,  

but  so  that  they  don’t  die.  Ideally  the  incision  should  be  wet,  everything  immediately  surrounding  the  incision  should  be  dry,  and  then  the  remaining  parts  of  the  tadpole  should  be  wet  again,  but  they  are  just  too  small  to  achieve  this  ideal  state,  so  maybe  just  catch  the  moment  when  they  are  dry  already,  but  yet  not  for  long.  

4. Take  a  small  jar  with  dextrane  crystals  (they  are  normally  stored  in  the  −20°C  freezer,  and  should  be  protected  from  light  with  a  tinfoil).  Take  a  bit  out  of  there  (with  a  syringe  needle,  or  with  a  glass  tube  –  with  something  thin).  Apply  the  crystals  to  the  incision  place.  Let  them  be  dissolved.  

                                                                                                                         15  Modified  from:  H.  Straka,  R.  Baker,  and  E.  Gilland,  "Rhombomeric  Organization  of  Vestibular  Pathways  in  Larval  Frogs,"  J  Comp  Neurol  437,  no.  1  (2001).  

Page 27: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  27  of  37    

5. Cover  the  place  with  a  Petry  dish  lid,  and  let  it  stay  for  5-­‐15  minutes.  You  may  place  some  droplets  of  water  around  the  tadpoles,  but  not  touching  them,  in  a  hope  that  it  would  evaporate  under  the  lid  and  bring  the  relative  humidity  close  to  100%.  

6. Wash  out  the  excess  of  dye  with  Steinberg.  Then  place  tadpoles  in  MS-­‐222  (in  a  small  Petri  dish),  and  let  them  be  incubated  at  18°C  overnight.  

7. Next  morning  –  fix  the  tadpoles  for  2-­‐6  h  in  4%  PFH.  Then  store  them  in  the  buffer.  

Lipophylic  staining  of  full  brains  1. Extract  some  brains  in  ACSF  2. Move  the  brains  to  a  small  Petri  dish  of  PFH  fixative  with  a  pipette.  Fix  overnight  at  4°C.  3. Remove  the  fixative  from  the  Petri  dish  –  first  with  a  pipette,  then  with  a  Kimwipe.  Catch  the  

moment  when  the  brains  are  not  too  wet,  but  not  yet  too  dry,  and  stain  them.  4. The  staining  is  done  in  the  following  manner:  you  put  some  ethanol-­‐diluted  DiI  (or  whatever)  in  

a  whisker-­‐syringe.  You  put  a  small  droplet  near  the  brain.  It  starts  to  evaporate  immediately.  But  you  are  faster  than  the  vapors,  and  you  “connect”  the  droplet  with  the  spinal  cord  with  some  kind  of  a  tool  (like  fire-­‐sealed  electrode  for  example).  Thus  the  droplet  doesn’t  have  enough  time  to  cover  the  brain  entirely,  but  just  stains  the  tip  of  the  spinal  cord.  

5. When  staining  is  done,  you  add  buffer,  and  incubate  for  3-­‐4  days  at  room  temperature.  

Behavioral  protocols  

Seizure  Experiment  1. Get  control  and  treated  tadpoles  from  the  incubator  (stage  47  works  the  best).  Place  each  

group  of  tadpoles  in  a  bowl  filled  with  fresh  Steinberg’s.  Leave  them  for  one  hour  on  the  bench  top,  so  that  whatever  treated  tadpoles  were  treated  with  could  washout  from  the  body.  

2. Set  up  the  Styrofoam  box  underneath  the  camera.  Set  up  the  six-­‐well  plate,  with  5,  7.5  or  10  mL  of  PTZ  solution  in  each  well.  You'll  have  to  wait  longer  with  lower  concentrations  of  PTZ,  but  in  case  of  weak  effects  they  may  be  clearer  (otherwise  everything  happens  too  quickly  to  notice  a  difference).  Switch  the  Styrofoam  light  on.  

3. When  the  tadpoles  are  ready  (in  1  hour  after  stage  1),  start  recording  the  six-­‐well  plate  in  EthoVision.  We  start  recording  before  transferring  the  tadpoles  to  PTZ,  as  want  to  see  the  entirety  of  the  tadpoles’  behaviour.    

4. Transfer  three  control  tadpoles  on  one  row  of  wells,  and  three  treated  tadpoles  into  the  other  row.  Record  for  20  min.    

5. Analysis:  Export  raw  data  from  Ethovision  as  an  Excel  spreadsheet.  Use  the  MATLAB  file  “seizures.m”  to  process  the  files.  This  program  returns  frequency  of  seizures,  time  until  first  seizure,  and  average  seizure  length.  

Page 28: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  28  of  37    

Habituation  Experiment  1. Get  several  control  and  treated  tadpoles  from  the  incubator  (here  we  usually  work  with  s49).  

Place  both  groups  of  tadpoles  in  separate  fresh  containers  of  Steinberg’s,  for  all  substances  they  were  raised  in  to  wash  out.  

2. Set  up  the  apparatus  in  the  meantime.    a. If  you  use  the  "Robotic  arm",  position  the  styrofoam  box  and  the  “hitting  arm”  as  

shown  on  the  photo  below.  Position  a  six-­‐well  plate  at  the  upper  right  corner  of  the  Styrofoam  box.  

 b. If  you  use  the  Sound-­‐Pulse  Precision  Point-­‐Injection  Device  (SPPPID),  just  put  the  

SPPPID  on  top  of  the  Styrofoam  box.  Switch  the  Styrofoam  light  on.  3. Prepare  the  program  

a. For  the  Robotic  arm:  Verify  that  Master-­‐8  is  following  the  correct  protocol.  Unless  the  program  has  been  deleted  from  Master-­‐8,  it  should  be  Program  7  on  Channel  6.  The  interval  is  set  to  5  seconds  and  the  duration  reading  is  4—3  (which  supposedly  means  4  ms).    

b. For  the  SPPPID:  start  the  "clicker.m"  program  in  Matlab.  Connect  the  SPPPID  to  the  Matlab-­‐running  computer  with  an  appropriate  cable  (long  audio  cable).  

4. Fill  the  wells  with  6.5  mL  of  Steinberg’s  each.  5. After  one  hour  of  washing-­‐out,  transfer  tadpoles  into  the  wells  (treated  on  one  side,  and  

controls  on  the  other).  Note  that  you  should  alternate  the  sides  for  the  plate  where  the  treated  and  control  tadpoles  go  on  a  trial-­‐to-­‐trial  basis,  as  whatever  you  do  the  stimulation  in  different  wells  will  be  different,  and  you  don't  want  to  introduce  a  bias  in  your  measurements.  If  you  can  rotate  the  plate  (for  the  "Robotic  arm"),  mark  the  control  and  treated  wells,  and  perform  the  rotation  before  each  trial.  If  the  plate  is  secured  in  the  apparatus  (SPPPID),  introduce  some  kind  of  a  marker  (a  piece  of  scotch  tape  would  do)  and  change  it  trial  to  trial,  so  that  you  could  always  tell  from  the  video  which  raw  was  treated.  But  also  of  course  carefully  write  it  down  in  the  notebook.  

Page 29: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  29  of  37    

6. Start  recording  in  EthoVision  (“Acquisition  2012  startles  6well”  file  can  be  used  as  a  template);  then  start  the  clicking  (in  either  Master-­‐8,  or  Matlab  GUI).  Run  the  hits  for  2  min.  Then  stop  the  hits  and  stop  the  EthoVision  trial.  

7. Give  tadpoles  5  min  of  rest  before  the  next  round  of  hits.  8. Repeat  the  protocol  (2  min  of  hits,  then  5  min  rest)  until  the  tadpoles  have  had  5  rounds  of  hits.  

After  the  5th  round  of  hits,  give  the  tadpoles  15  min  of  rest.  For  each  2-­‐min  round  of  hits,  start  a  new  EthoVision  trial.  Note  that  because  you  have  5  minutes  pauses  between  2  minutes  sessions  you  can  run  2  batches  of  tadpoles  at  the  same  time,  intermittently.  

9. Finally,  after  last  15  min  of  rest,  give  the  tadpoles  one  more  final  round  of  hits  (2  min).  10. Analysis:  Export  raw  data  as  an  Excel  spreadsheet.  Use  MATLAB  file  “habituation_6well_a.m”  

and  input  the  correct  Trial  #.  This  program  returns  the  average  speed  of  responses.  The  program  tries  to  find  the  moments  the  hit  was  delivered  automatically,  based  on  the  tadpole  behavior  (so  do  check  the  plots  it  produced!  If  the  tadpoles  did  not  react  at  all,  the  program  won't  be  able  to  find  the  signal  in  the  noise,  and  will  measure  "escape  speed"  at  some  random  points  of  time).    

11. Take  the  output  from  this  program  and  put  it  into  the  Excel  document  “habituationformatlab.xlsx”  (located  in:  C:\Users\AizenmanLab\Documents\Jenny).    

12. Then,  use  MATLAB  file  “habituation_6well_part2.m”.  This  program  reads  the  habituationformatlab.xlsx  document  (make  sure  that  you  type  in  the  relevant  sheet  number  for  the  trial  you  want  to  analyze).  This  program  returns  rapid  habituation,  short  habituation,  long  habituation,  short  recovery,  and  long  recovery.  

PPI  Experiment  13. Get  s49  control  and  treated  tadpoles  from  the  incubator.  Place  both  groups  of  tadpoles  in  

(separate)  fresh  containers  of  Steinberg’s.  Basically  do  everything  as  in  protocols  described  above.  

14. Set  up  the  SPPPID  contraption  under  the  camera.    Make  sure  the  speakers  are  turned  to  their  maximum  volume.  Make  sure  the  computer  is  set  to  maximum  headphone  volume.  Fill  each  well  on  the  six-­‐well  plate  with  ~6.5  mL  of  Steinberg’s.  

15. On  EthoVision  (“Acquisition  2012  ppi”  file),  set  up  six  arenas  (one  for  each  of  the  six  wells  on  the  plate).  Open  the  MATLAB  file  “clicker.m”  and  run  it  by  pressing  F5.  Set  parameters  accordingly.  Set  Ratio=0.05  and  ISI=100  ms.  Leave  other  parameters  as  their  default  values.  Importantly,  the  time  between  hits  is  20  s.  

16. After  one  hour  has  passed,  place  three  control  tadpoles  and  three  treated  tadpoles  into  the  six-­‐well  plate.  Start  recording  from  EthoVision.  Start  the  MATLAB  program  (i.e.  start  hits).  

17. Stop  the  EthoVision  trial  and  stop  the  hits  after  5  minutes  (approximately  15  hits)  have  elapsed.    18. Switch  out  the  tadpoles  for  a  new  trial.  Each  animal  participates  in  two  trials.  Transfer  tadpoles  

from  the  experimental  apparatus  to  a  different  six-­‐well  plate,  in  order  to  keep  track  of  which  tadpole  is  which.  Each  tadpole  should  have  at  least  15  min  between  trials.  Also,  the  tadpoles  should  switch  wells  for  their  second  trial  (e.g.  if  control  tadpoles  were  in  the  first  three  wells  for  Trial  1,  then  they  should  be  the  last  three  wells  for  Trial  2).    

Page 30: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  30  of  37    

19. Analysis:  Export  raw  data  as  an  Excel  spreadsheet.  Use  MATLAB  file  “ppi_6well.m”  and  input  the  relevant  Trial  #  and  whether  the  trial’s  first  hit  was  a  single  hit  (singleFirst  =  1)  or  a  double  hit  (singleFirst  =  0).  This  program  returns  average  speed  of  response  to  single  hits,  average  speed  of  response  to  double  hits,  and  percent  PPI.    

Miscellaneous  EthoVision  Tips  20. Make  a  new  arena  setting  for  every  new  day  of  experiments,  and  name  the  arena  setting  as  

such.  The  easiest  way  to  make  new  arena  settings  is  by  grabbing  a  background  image  right  before  the  experiment  starts.  

21. For  the  above  protocols,  don’t  mess  with  the  detection  settings.  They  work  fairly  well,  even  on  separate  days  of  experiments.  

22. For  exporting  trials,  it  is  useful  to  have  a  folder  especially  set  up  as  an  export  location.  This  is  because  EthoVision  cannot  export  only  a  few  trials  (e.g.  the  3  trials  you  did  one  day);  instead,  EV  will  export  all  the  trials  that  are  in  that  file,  even  if  you  have  analyzed  them  previously.  So,  export  all  trials  to  a  separate  folder  and  then  copy-­‐paste  the  trials  that  you  haven’t  analyzed  yet  to  a  main  folder.  

23. If  you  try  to  acquire  via  EthoVision  and  it  tells  you  that  there’s  a  video  source  error,  then  restart  the  computer  (don’t  do  anything  to  the  camera).  This  has  resolved  the  issue  every  time  in  the  past.  

Tadpole-­‐Dot  Collisions  

Startup  24. The  tadpoles  get  up  at  7  am,  and  go  to  bed  at  7  pm.  It  is  advisable  to  do  the  experiments  in  the  

2nd  quarter  of  their  day:  from  about  10  am  to  about  3  pm.  After  that  they  become  drowsy.  25. Turn  the  Right  Computer  on:  

a. Ensure  that  the  video  cable  is  connected  to  the  CRT  monitor.  b. Switch  the  computer  on.  If  the  big  CRT  monitor  switches  on  as  well  (the  LED  turns  

green)  switch  it  OFF  immediately.  Otherwise  the  computer  will  make  it  the  lead  monitor,  and  you'll  have  to  switch  the  whole  system  off  and  start  all  over  again.  

c. After  the  computer  is  up  and  running  (with  the  vertical  monitor  as  the  main  one)  switch  on  the  CRT.  It  should  show  a  Native  American.  (If  it  doesn't  show  a  Native  American,  but  goes  black,  you'll  have  to  do  all  that  Right-­‐Clicking  on  the  desktop,  going  to  "Settings",  and  then  "Extending"  the  desktop  to  the  CRT.)  

26. Start  Matlab  (Orange  wavy  icon  on  the  "quick  launch"  toolbar)  27. Go  to  the  Matlab  main  window  (console),  and  type  "dishRig2".  That's  the  name  of  our  program.  

The  CRT  should  turn  white,  and  show  a  beautiful  black  military  ring  with  numbers  around  it.    28. Move  the  CRT  screen  and/or  the  camera  (by  adjusting  the  lever)  so  that  the  ring  is  fully  with  

the  camera  field  of  view,  along  with  all  the  useful  messages  written  around  it.  Make  sure  that  the  camera  sees  the  messages  as  more-­‐or-­‐less  horizontal  (this  way  they  fit  better,  and  are  more  readable).  

Page 31: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  31  of  37    

29. By  rotating  the  rings  on  the  camera,  ensure  that  the  screen  and  everything  that  is  on  it  are  in  focus  (lower  ring),  and  also  that  the  aperture  is  right  (upper  ring).  The  target  is  to  make  the  pinkish  retrace  beam  artifact  that  slowly  moves  across  the  monitor  to  disappear  (or  almost  disappear),  while  the  letters  /  numbers,  and  the  tadpole,  are  still  be  visible.  

30. Turn  on  the  Left  Computer.  Start  EthoVision  (an  orangish  icon  with  a  square  and  a  camera,  or  something  in  this  vein).  Open  your  experiment  file,  go  to  acquisition  <details  are  missing  here>,  and  ensure  you  see  something  on  the  screen  (the  current  view  that  the  camera  sees,  whatever  it  is  at  this  stage).  

31. Carefully  put  the  black  cloth  round  the  CRT.  Ensure  that:  a. It  doesn't  occlude  the  scene  for  the  camera.  Put  a  cardboard  ring  inside  the  tent,  so  

that  it  wouldn't  occlude  the  view.  b. the  tadpole  doesn't  see  you,  and  cannot  guess  your  intentions  (the  tent  should  be  all  

around  the  dish,  without  gaps).  Still  you  should  be  able  to  close  and  open  it  as  needed.  c. it  does  not  cover  the  vents  on  the  former  bottom  side  of  the  monitor,  as  you  don't  

want  the  thing  to  overheat.  Use  pegs,  sticks  and  random  pieces  of  cardboard  to  keep  the  cloth  from  closing  the  vents.  

d. The  picture  is  still  in  focus,  and  the  aperture  is  still  the  same  as  when  you  set  it  up.  (It  is  quite  easy  to  upset  both  of  them  while  attaching  the  cloth  tent  to  the  camera).  

32. Take  some  cold  Steinberg's  from  the  18°C  incubator,  fill  the  Petri  dish  with  it,  and  put  the  dish  exactly  onto  the  black  projected  ring.  Put  your  head  into  the  tent  and  position  it  precisely.  

33. Take  a  bowl  of  tadpoles  from  the  incubator.  Take  another  bowl  and  fill  it  with  Steinberg  (you  will  place  "used"  tadpoles  there).  Find  a  wide-­‐opening  tadpole-­‐friendly  (clean)  transfer  pipette.  

Experiment  1. On  the  RIGHT  computer  (using  the  remote  keyboard)  set  the  dot  size  and  dot  speed  are  as  you  

like  them  to  be.  Both  values  are  displayed  on  the  CRT  monitor  (to  the  right  and  bottom  from  the  ring),  as  well  as  on  the  Right  computer  monitor  (only  when  you  change  them).  Press  "h"  if  you  forgot  the  functional  keys  for  the  "dishRig2"  program.  

2. Take  one  tadpole  and  carefully  place  it  to  the  dish.  Cover  the  black  cloth  back.  A  tadpole  may  freeze  for  several  seconds  (as  it  was  moved  from  bright  light  into  dark  surrounding),  but  in  a  while  it  should  start  swimming  in  circles  in  the  Petri  dish.  

3. On  the  RIGHT  computer  press  "n"  (new  tadpole).  The  system  will  change  T  value  (tadpole  number)  on  the  screen,  and  also  will  zero  the  stopwatch  (in  minutes)  for  the  time  this  tadpole  spent  in  the  chamber.    

a. Note:  if  you  press  "h"  at  any  point,  you'll  see  a  help  screen  with  various  crazy  commands  that  you  can  give.  

4. On  the  LEFT  computer,  start  the  recording  <details  are  missing  here>.  Start  a  new  trial  (new  video  file)  for  each  tadpole,  and  for  each  dot  size,  if  you  are  using  more  than  one  dot  size  per  tadpole  (although  we  should  discuss  if  it  is  advisable).  

5. On  the  RIGHT  computer,  target  the  dot  with  PgUp  /  PgDown  keys  (a  notch  would  move  around  the  ring,  indicating  the  target).  When  you  think  you  can  hit  the  tadpole,  press  "z".  The  system  will  send  a  dot,  and  also  will  start  countdown  in  seconds  till  the  time  you  can  send  the  next  dot  

Page 32: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  32  of  37    

(currently  it  is  set  at  20  s).  The  countdown  values  are  written  to  the  left  from  the  ring.  When  it  is  time  for  you  to  send  next  dot,  it  will  also  produce  a  sound.  

6. Repeat  the  previous  step  until  either  the  tadpole  stops  swimming  (although  you  may  try  to  knock  the  CRT  monitor  slightly,  to  make  it  swimming  again),  or  15  minutes  (?)  passes.  In  either  case  –  change  the  tadpole  after  that.  

7. Every  several  tadpoles  (3?)  you  might  want  to  change  the  water  in  the  Petri  dish.  8. Try  not  to  move  the  Petri  dish  (and  the  CRT  monitor)  even  slightly  during  the  set  of  

experiments!  Especially  during  the  acquisition,  but  also  between  acquisitions.  Be  very  careful  about  that,  otherwise  you'll  have  to  adjust  arenas  during  tracking  each  time  you  moved  the  monitor,  and  it  is  extremely  boring  and  would  make  the  EthoVision  file  messy.  

9. After  the  full  set  of  experiment  –  carefully  switch  off  the  majority  of  whatever  you  switched  on.  Place  the  "used"  tadpoles  back  into  the  same  bowl  where  you  took  them  from  (this  actually  needs  to  be  discussed  –  I  guess  it  depends  on  how  soon  somebody  would  use  them  again  for  any  experiments).  

Tracking  in  Ethovision  Tracking  can  be  done  either  offline  (after  you  recorded  the  videos),  or  on-­‐the-­‐fly,  or  actually  both  (draft  tracking  during  the  acquisition,  and  some  re-­‐tracking  later  if  necessary).  The  procedure  below  is  more  applicable  to  offline  tracking,  but  on-­‐the-­‐fly  tracking  is  similar.  

1. Go  to  "Arena"  section,  duplicate  one  of  existing  arenas,  and  modify  (move)  it,  insuring  that  it  covers  full  Petri  dish  bottom,  but  not  its  sides  (as  otherwise  the  system  will  track  the  reflections  of  the  dot  in  the  sides  of  the  dish).  Name  this  new  arena  in  the  same  clever  way,  so  that  you  don't  get  lost,  and  can  re-­‐use  the  arenas  later  if  you  need  to  re-­‐track  the  videos.  One  approach  would  be  to  name  them  in  the  same  way  you  named  your  trials.  

2. Depending  on  the  size  of  the  dot  you'll  be  tracking,  choose  corresponding  "Detection  settings"  (I  here  assume  that  they  are  already  pre-­‐created  and  named  properly).  

3. To  track  a  video  file  for  the  first  time:  go  to  "Acquisition",  press  a  "sunny  star"  button  (or  whatever  it  is)  to  create  a  new  trial;  select  a  video  file  for  your  trial;  ensure  that  "Speed  is  defined  by  tracking  progress"  checkbox  is  checked,  and  start  the  tracking  (by  pressing  a  "green  sphere"  button).  –  This  point  is  slightly  different  if  you  are  re-­‐tracking  an  old  trial,  but  I'm  not  sure  how  exactly  it  should  happen,  so  thing  aspect  of  the  process  is  not  covered  intentionally.  

4. Look  at  the  screen  while  it  is  tracking.  If  it  does  a  bad  job  –  change  something.  If  it  is  OK  –  just  use  this  opportunity  to  prepare  yourself  for  future  manual  clean-­‐up.  If  you  notice  something  obvious  (mislabeling,  missed  collision,  wrongly  processed  occlusion  or  something  of  this  kind)  –  make  a  note  (roughly  indicating  the  time  when  it  happened),  so  that  you  can  return  to  that  later.  

Track  Editing  1. Use  both  the  keyboard  (Ctrl-­‐left  and  right  arrows  and  other  shortcuts,  as  described  in  the  

Official  Manual),  and  the  mouse.  See  the  EthoVision  manual:  sections  "Control  the  playback"  and  "Track  Editing"  for  the  lists  of  keyboard  shortcuts.  Make  the  program  draw  1  second  trace  behind  the  dots  –  it  helps  to  see  what  is  happening.  

Page 33: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  33  of  37    

2. Go  through  the  recording,  looking  for  1)  Collisions  that  aren't  tracked  properly,  2)  Non-­‐collisions  that  were  tracked  as  if  they  were  collisions:  those  cases  when  the  system  did  not  track  the  objects  properly,  and  the  tracks  were  placed  close  enough  to  each  other  to  look  like  collisions.  Assume  that  all  the  subsequent  stages  of  processing  will  be  blind  (only  tracks,  no  video)  and  fully  automated.  

a. For  each  collision  (each  case  when  the  tadpole  and  the  dot  were  closer  than  about  one  third  dish  radius  from  each  other,  even  if  there  were  no  escape  response)  clean  about  1  s  before  and  1  s  after  their  encounter.  

b. Look  through  the  whole  recording,  and  if  the  system  wrongly  tracked  the  objects  (for  example  placing  the  "Tadpole"  on  the  rim  of  the  "Dot"),  creating  a  "Fake  collision",  just  delete  these  erroneous  areas.  The  tracks  should  not  contain  any  "close  encounters"  between  the  "Tracked  tadpole"  and  the  "Tracked  dot"  that  are    not  real  collisions.  

c. The  quality  of  the  tracks  everywhere  else  mostly  irrelevant.  But  if  you  see  a  bad  case  of  mistracking,  it's  better  at  least  to  delete  it.  

After  you're  done  with  editing,  export  all  the  tracks  to  some  sane  location.  Don't  forget  to  name  the  folder  properly,  so  that  we  can  identify  these  tracks  later  on.  

   

Page 34: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  34  of  37    

Tailflicks  

Experiment  1. Prepare  2%  low-­‐melting  point  agarose  gel  (0.20g  low-­‐

melting  agarose  in  10ml  Steinberg’s)  in  a  small  beaker,  and  heat  it  at  200-­‐300°C  on  the  stove  until  boiling  (microwave  is  much  quicker,  but  dangerous,  as  once  the  boiling  point  is  reached  gel  runs  out  from  the  beaker  almost  instantaneously).    

2. Anesthetize  some  Stage  48-­‐49  tadpoles  in  MS-­‐222  for  about  5  minutes.    

3. Once  the  gel  cools  to  a  mild  temperature  (feels  warm,  and  not  hot,  but  is  still  liquid),  transfer  tadpoles  into  Steinberg’s  (to  rinse  off  MS-­‐222)  and  then  individually  onto  small  Silgard  platforms.  Remove  excess  solution  using  a  transfer  pipette  but  don’t  dry  them  out  completely  (e.g.  using  Kimwipes).  If  Silgard  platforms  are  carved,  it  works  better,  but  flat  platforms  are  also  OK.  The  temperature  of  the  gel  is  the  first  critical  point  of  the  whole  process.  

4. Cover  each  tadpole  with  the  gel,  taking  care  to  keep  the  tadpoles  on  the  platform.    5. Once  the  gel  solidifies  a  bit,  add  a  second  layer  to  make  sure  all  parts  of  the  tadpole  are  

covered.  And  then  maybe  a  third  one.  6. After  5  minutes  of  drying,  choose  an  eye  to  clear  from  the  

gel.  If  the  animal  is  slanted  (and  ideally  it  should  be!)  choose  the  eye  that  points  upwards.  Using  a  razor,  take  the  gel  off  from  the  tail,  from  the  chosen  eye,  and  from  around  the  mouth.  You  may  also  try  to  clear  under  the  mouth.  Leave  a  lot  of  gel  on  the  right  side,  and  in  the  left  bottom  corner,  to  keep  the  tadpole  secured.  The  gel  carving  should  be  done  quickly,  as  tadpole  is  drying  and  suffocating  all  this  time.  This  is  the  2nd  most  critical  point  of  the  whole  process.  

7. Finally,  fill  each  container  with  Steinberg’s.  Usually,  the  tadpoles  start  swimming  immediately.    8.  Turn  on  Master-­‐8,  computer,  and  Matlab.  Plug  in  IR  light,  and  connect  the  green  light  to  the  

battery.  Turn  on  Motion  Studio  (click  CamerasOK  open).  Set  Master-­‐8  to  program  1  (All,  1,  enter).  Turn  on  LCD  and  LED  switch.    

9. I  place  all  swimming  tadpoles  into  the  box  immediately,  to  allow  them  time  to  adjust.  Generally  I  leave  the  flap  open  so  there  is  as  much  light  as  possible  inside  the  box.    

10. Place  one  container  on  the  glass,  hold  it  in  place  using  wax,  and  aim  the  fiber  towards  the  cleared  eye.  The  camera/motion  studio  can  be  used  to  visualize  in  two  dimensions,  and  I  look  

Page 35: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  35  of  37    

through  the  side  of  the  container  to  set  the  third  dimension.  (When  the  LCD  is  off,  red  light  is  reflected  off  the  eye  once  the  fiber  is  in  the  correct  position).    

11. Adjust  the  Motion  Studio  window  (and/or  physically  move  the  camera)  to  capture  the  tadpole.    12. The  position  of  the  fiber  and  the  responsiveness  of  the  tadpole  can  be  verified  by  testing  crash  

or  grid  (with  q  =  1).  Set  Motion  Studio  to  “live”  to  watch  for  tail  flick.      13. To  start,  set  q  =  0  on  Matlab  and  enter  the  order  of  stimuli.  I  generally  chose  at  random  but  

tried  not  to  use  the  same  sequence  twice.  The  stimuli  are  C  (crash),  F  (flash),  G  (grid),  B  (back-­‐crash),  0  (control),  and  R  (ramp).  On  Motion  Studio,  set  the  image  folder  name  (the  date)  or  

other  settings  by  clicking  the    button.  Then  click  record.  Hit  enter  on  Matlab.  

Default  settings:  Matlab  will  run  through  200  stimuli  in  the  order  selected.  Motion  Studio  will  save  them  as  FolderName_001  through  FolderName_200.  [I  use  the  date,  in  MMDDYY  format,  for  the  folder  name].  The  interval  between  the  onset  of  two  stimuli  is  45  seconds.  The  stimuli  are  2  seconds  long16.  Program  1  on  Master-­‐8  is  set  to  trigger  the  camera  0.5  seconds  after  channel  1  is  activated  and  to  trigger  Matlab  1  second  after  channel  1  is  activated.  The  camera  records  at  100  Hz.    

Processing  1. Open  the  file  in  ImageJ17  2. Choose  “Use  Virtual  Stack”  and  “Convert  to  Grayscale,”  then  click  OK.  

3. In  Image  J  window,  double-­‐click  the    button  and  choose  “Auto-­‐Next  Slice”  (in  addition  to  “Auto-­‐Measure”  that  should  be  selected  by  default)  

4. Enlarge  the  video  screen  and  click  on  the  tip  of  the  tail.  There  should  be  300  frames  per  video  for  the  settings  we  used  after  10/16/11,  so  repeat  300  times.  The  program  will  automatically  record  positions  for  the  300  frames.  At  the  very  end,  also  click  the  center  of  the  gut  (to  get  a  reference  opint).  

5. Select  all  and  copy  the  positions.  6. Paste  the  positions  to  the  Excel  raw  data  file.  ImageJ  produces  positions  in  this  format:  

#  Label  Area  Mean  Min  Max  X  Y  Slice  The  “Label”  contains  the  time  of  each  frame.  "#"  should  equal  “Slice”  if  no  frames  are  skipped  or  clicked  twice.  The  gut  point  will  be  #301  but  slice  300.  X  and  Y  are  the  key  variables.  

7. Recalculate  XY  coordinates  into  tail  angle.  

In  rare  cases,  the  angle  of  the  tail  will  be  greater  than  90  or  less  than  -­‐90.  Be  careful  with  the  formula.        

Repeat  this  for  each  video.  Organize  the  measurements  by  stimulus  type  in  the  Excel  file  "DK  Data"  on  the  Motion  Studio  computer.  The  first  tab  in  this  file  contains  the  key.  The  naming  convention  in                                                                                                                            16  Actually,  the  stimulus  onset  varies  but  is  usually  40-­‐70ms  late  (converter/computer  delay).  The  end  of  the  stimulus  (light  on)  is  usually  faster  and  less  than  40ms  late  (or  on  time).  Therefore,  the  stimuli  are  a  bit  shorter  than  2s  when  working  with  w  =  0.  The  delay  time  was  tested  on  8/8/11  (video  “Test_014”)  and  on  9/19/11  (videos  “Test_017”  through  “Test_019”).  Some  of  the  results  are  in  the  Excel  file  “Delay  calculations.”  There  is  no  camera  delay  (tests  not  saved,  6/3/11)  but  the  first  image  is  at  t=1ms.  17  All  files  recorded  after  10/16/11  open  directly  in  ImageJ.  Earlier  files  were  (or  must  be)  first  converted  to  a  compatible  format  using  the  programs  VLC  Media  Player  [profile:  video-­‐H.264;  AAC(MP4)],  Avidemax  [video:  YV12  (raw)],  and  Virtual  Dub  [Save  As:  old  format  AVI],  in  that  order.  

Page 36: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  36  of  37    

original  "DK  Data"  files  is  different:  the  name  of  each  tab  is  YYMMDDNNN,  where  NNN  is  the  three-­‐digit  number  of  the  tadpole  for  the  day  (the  first  tadpole  of  the  day  is  001,  for  example).  This  format  change  is  for  Matlab  compatibility.        

Preparing  random  video  files  for  ImageJ  Image  J  can  only  read  very  simple  video  files,  and  there  are  thousands  of  codecs  out  there,  so  there's  absolutely  zero  chances  that  it  would  read  the  files  you  need.  In  the  worst  case  (you  can  play  your  files,  but  none  of  the  programs  you  have  opens  them)  you'll  have  to  follow  this  procedure:  

1. Open  the  file  in  VLC  Media  Player  (that  presumably  plays  the  files).  Choose  "Save  /  Convert"  from  the  File  menu,  and  save  it  as  a  "Video-­‐H.264  +  AAC  (MP4)"  profile.  

2. Open  this  file  with  AvidDemux,  and  save  it  as  video  YV12  (raw).  If  you  can  crop  it  –  it  is  highly  advisable,  as  ImageJ  would  try  to  load  your  video  into  its  limited  memory,  and  is  rather  likely  to  fail.  So  you'd  better  crop  it.  You  can  only  use  dimensions  that  are  multiples  of  5  px.  

3. Open  the  saved  file  in  VirtualDub.  Save  is  as  an  "Old  Format  AVI"  (there's  a  special  entry  for  that  in  the  File  Menu".  

4. Now  you  can  open  it  in  ImageJ  (again,  if  it  would  have  enough  memory).  

Presumably,  there's  a  way  to  tell  ImageJ  that  it  should  grab  a  lot  of  virtual  memory  at  startup,  but  I  don't  know  how  to  do  that.  If  you  face  this  problem  –  try  reading  ImageJ  specifications.  

   

Page 37: General procedures 130718 - BrownBlogs · AizenmanLab!Procedures.!Rev.!!Jul18!2013! Page1!of!37!! AizenmanLabProcedures(Arranged(by(Arseny(S.(Khakhalin(Introduction* Experimental!science

    Aizenman  Lab  Procedures.  Rev.    Jul  18  2013  

Page  37  of  37    

Miscellaneous  Pieces  of  Practical  Wisdom  If  you  start  a  recording,  but  there's  no  noise  and  no  stimulation  artifacts  –  the  Clampex  is  probably  in  the  "Demo  mode".  Maybe  you  started  it  when  the  digitizer  was  off.  You'll  have  to  find  the  digitizer  again  –  there's  a  special  dialog  for  that  (look  somewhere    in  the  "Options"  menu).  

If  the  noise  is  high,  and  you  can't  get  the  voltage  clamped  –  you  might  have  forgotten  to  put  the  ground  electrode  in  the  dish,  or  the  ground  wire  is  broken.  Replace  it.  

If  the  baseline  moves  all  the  time  (especially  after  you  just  changed  the  holding  voltage),  the  wire  needs  to  be  re-­‐chlorided.  

If  you  think  you  use  same  pair  of  solutions  you  used  yesterday,  but  the  pipette  offset  differs  a  lot  from  the  one  you  used  to  have  yesterday,  either  your  solutions  are  wrong,  or  the  wire  needs  to  be  re-­‐chlorided.  

If  you  have  some  strong  noise  –  maybe  you  ground  got  broken.  Or  maybe  somebody  is  making  a  prep  right  now,  with  this  beautiful  powerful  light  source  being  on,  as  it  creates  some  tremendous  amount  of  electromagnetic  noise.  

If  the  brain  moves  slowly,  and  you  cannot  hold  the  cells,  having  to  adjust  the  position  of  the  tip  all  the  time,  you  may  have  overstretched  the  brain  while  pinning  it  down  to  silgard.  Or  maybe  the  osmolarity  of  your  solution  is  all  wrong.  

If  your  brain  becomes  damaged  and  screwed,  getting  wound  up  on  your  pin  when  you  try  to  pin  it,  it  just  means  that  the  pin  is  bad.  The  forceps  left  some  scratches  on  it,  and  now  it  acts  as  a  screw  or  a  drill,  rotating  the  tissue  it  is  being  stick  into.  Just  make  a  new  pin.  To  make  one,  take  a  long  sharp  pin,  put  it  into  Silgard,  hold  the  upper  part  with  a  forceps,  and  cut  with  scissors  at  a  desired  length.  

By  the  way,  only  about  one  quarter  of  pins  that  are  shipped  to  us  are  actually  sharp.  The  majority  of  pins  in  these  boxes  are  blunt  from  both  ends,  so  you  may  want  to  spend  some  time  selecting  good  pins  for  your  prep.  

When  starting  the  experiment,  never  put  the  stimulating  electrode  down  into  the  tissue  before  switching  all  the  electronic  boxes  on.  When  you  switch  them  on  (especially  if  you  do  it  in  incorrect  sequence;  correct  generally  being  from  the  center  towards  the  periphery  for  stimulating  branch,  and  from  the  periphery  to  the  center  for  recording  branch),  you  may  pass  strong  currents  through  the  electrode.  If  you  place  it  in  the  tissue,  and  then  switch  everything  on,  you  would  fry  the  tissue,  and  you'll  see  electrolysis  bubbles  near  the  tip  of  the  electrode.  

Manipulators  make  noise  when  they  move.  This  noise  may  resemble  spikes,  so  don't  be  confused.  

In  the  "Ca  image  rig",  the  full  turn  (100  units)  of  the  fine  focus  knob  seems  to  be  equal  to  117  µm  (based  on  measurements  of  a  piece  of  plastic  from  a  Petri  dish  lid).