Title: Detection of neuronal activities using genetically encoded calcium and voltage indicators
Language: English
Authors: Hilscher, Markus Michael
Qualification level: Diploma
Advisor: Rattay, Frank
Issue Date: 2013
Number of Pages: 81
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Objectives: Understanding the dynamics of neuronal networks will require the ability of monitoring action potentials and synaptic activities in identified neuronal populations. However, the increasing number of optogenetic reporters and the lack of comparisons under identical conditions have generated the difficulty of choosing the most appropriate indicator for assessing the activity of individual neurons or whole networks.
Methods: While genetically encoded calcium indicators provide larger dynamic ranges and a higher signal-to-noise ratio, genetically encoded voltage indicators offer faster kinetics and are able to detect single action potentials through their fluorescence change. In this study we opposed the two calcium indicators GCaMP3 and R-GECO1 to the voltage indicator VSFP-butterfly1.2 under similar experimental conditions.
Results: The genetically encoded reporters GCaMP3, R-GECO1 and VSFP-butterfly1.2 were successfully expressed in primary hippocampal neuron cultures in order to assess their fluorescence emission in response to membrane potential variations resulting from action potentials or synaptic inputs. Our experiments demonstrated that the two calcium indicators have a higher signal-to-noise ratio in response to evoked action potentials, compared to the voltage indicator. However, the detection of action potentials was possible with all three reporters. Moreover, ongoing even neuronal network synchronization could be observed.
Conclusion: Our results shed light on how well genetically encoded indicators can report single action potentials and synaptic inputs by their fluorescence emission. Additionally, we have evidence that calcium indicators are not only able to monitor temporal differences of membrane changes but also provide a reliable spatial discrimination.

Motivation: Um die Dynamiken neuronaler Netzwerke verstehen zu können, wird die Überwachung von Aktionspotenzialen und synaptischen Aktivitäten in bestimmten neuronalen Populationen immer bedeutender.
Allerdings machen die zunehmende Anzahl von optogenetischen Reportern und die fehlenden Vergleiche unter identischen Bedingungen die Auswahl des am besten geeigneten Indikators für die Beurteilung der Aktivität einzelner Neuronen oder ganzer Netzwerke, immer schwieriger.
Methoden: Während genetisch kodierte Calcium-Indikatoren einen größeren dynamischen Bereich und ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis haben, bieten genetisch kodierte Spannungs-Indikatoren eine schnellere Kinetik und sind in der Lage, einzelne Aktionspotentiale durch ihre Fluoreszenzveränderung zu erfassen. In dieser Studie haben wir die beiden Calcium-Indikatoren GCaMP3 und R-GECO1 mit dem Spannungs-Indikator VSFP-butterfly1.2 unter ähnlichen experimentellen Bedingungen vergleichen.
Ergebnisse: Die genetisch kodierten Reporter GCaMP3, R-GECO1 und VSFP-butterfly1.2 wurden erfolgreich in Nervenzellen des Hippocampus ausgeprägt, um ihre Fluoreszenzemission in Reaktion auf Membranpotential-Veränderungen, ausgelöst durch Aktionspotentiale oder synaptischen Signale, zu bewerten. Unsere Versuche zeigen, dass die beiden Calcium-Indikatoren ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis in Reaktion auf evozierte Aktionspotentiale haben, im Vergleich zum Spannung-Indikator. Dennoch war der Nachweis von Aktionspotentialen mit allen drei Reportern möglich. Darüber hinaus konnten sogar stattfindende neuronale Netzwerk-Synchronisation beobachtet werden.
Fazit: Unsere Ergebnisse erläutern, wie gut genetisch kodierte Indikatoren einzelne Aktionspotenziale und synaptische Signale durch ihre Fluoreszenzemission berichten können. Zusätzlich haben wir Hinweise, dass Calcium-Indikatoren nicht nur in der Lage sind, zeitliche Unterschiede von Membranveränderungen zu überwachen, sondern auch eine zuverlässige räumliche Diskriminierung besitzen.
Keywords: Optogenetik; Optische Elektrophysiologie; Calciumindikator; Spannungsindikator; Fluoreszierende Proteine; Aktionspotential; Hippocampus; Zellkultur
optogenetics; optical electrophysiology; calcium indicator; voltage indicator; fluorescent proteins; action potential; hippocampus; cell culture
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-54107
http://hdl.handle.net/20.500.12708/9959
Library ID: AC10774563
Organisation: E101 - Institut für Analysis und Scientific Computing 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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