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Method Article
在这里,我们提出了一种协议,描述了具有光遗传学构建体的离散大脑区域的病毒转导,以允许在急性啮齿动物脑切片中进行突触特异性电生理表征。
研究大脑中特定突触的生理特性,以及它们如何经历可塑性变化,是现代神经科学的一个关键挑战。传统的 体外 电生理技术使用电刺激来唤起突触传递。这种方法的一个主要缺点是其非特异性;刺激电极区域的所有轴突都将被激活,因此很难将效应归因于特定的传入连接。这个问题可以通过用基于光遗传学的刺激代替电刺激来克服。我们描述了一种将光遗传学与 体外 膜片钳记录相结合的方法。这是研究精确解剖学定义的突触连接的基底突触传递和突触可塑性的有力工具,几乎适用于大脑中的任何通路。在这里,我们描述了编码通道视紫红质蛋白的病毒载体的制备和处理,用于手术注射到啮齿动物大脑中感兴趣的突触前区域(内侧前额叶皮层),并制作下游靶区域的急性切片(外嗅皮层)。还介绍了将膜片钳记录与光刺激突触激活相结合以研究短期和长期突触可塑性的详细程序。我们讨论了通过结合光遗传学和Cre依赖性细胞标记来实现途径和细胞特异性的实验示例。最后,描述感兴趣的突触前区域的组织学确认以及突触后细胞的生物细胞素标记,以允许进一步识别精确位置和细胞类型。
了解突触的生理学以及它们如何经历可塑性变化是了解大脑网络如何在健康大脑中发挥作用的基础1,以及它们如何在脑部疾病中出现故障。使用急性 离体 脑切片允许使用全细胞膜片钳记录以高信噪比记录来自单个神经元的突触的电活动。膜电位控制和直接的药理操作允许分离受体亚型。这些记录可以具有精确的特异性来识别突触后神经元,包括层状和亚区域位置2,细胞形态3,分子标记的存在4,其传入投影5,甚至最近是否活跃6。
然而,实现突触前输入的特异性更具挑战性。传统方法使用刺激电极来激发在特定薄片中运行的轴突。这方面的一个例子是在海马体中,辐射层中的局部刺激激活从CA3投射到CA1子场7的突触。在这种情况下,由于CA3输入代表位于投射到CA1锥体细胞8的辐射层内的唯一兴奋性输入,因此实现了突触前特异性。然而,CA3-CA1轴突的常规电突触前激活可实现的这种高度的输入特异性是一个例外,反映在该突触所受到的深入研究中。在其他大脑区域中,来自多个传入通路的轴突共存于同一层中,例如,在新皮层9的第1层中,因此使用传统的刺激电极无法进行特定于输入的突触前刺激。这是有问题的,因为不同的突触输入可能具有不同的生理特性;因此,它们的共刺激可能导致突触生理学的错误表征。
光遗传学的出现,即通道视紫红质-2(ChR2)等光敏膜蛋白(视蛋白)的遗传编码,为研究大脑区域之间的孤立突触投影提供了巨大的可能性10,11。在这里,我们描述了一种可推广且低成本的解决方案,用于研究长距离突触生理学和可塑性。光遗传学构建体使用病毒载体以高度特异性的方式传递,允许对感兴趣的突触前区域进行极其精确的控制。传出投影将表达光激活通道,允许在目标区域中激活这些纤维。因此,可以研究不能通过传统的非特异性电刺激独立激活的长距离解剖弥漫通路。
我们描述了作为示例途径,内侧前额叶皮层(mPFC)与编码兴奋性阳离子通道视蛋白的腺相关病毒(AAV)的转导。然后,我们描述了从外嗅皮层(LEC)制备急性切片,从第5层LEC锥体神经元的膜片钳记录以及谷氨酸能mPFC-LEC投影的光诱发激活(图1)。我们还描述了注射部位的组织学评估,以确认感兴趣的突触前区域的位置并识别突触后细胞形态。
所有动物程序均按照《英国动物科学程序法》(1986年)和相关指南以及当地机构指南进行。
1.立体定位病毒注射
注意:当前协议需要解剖学特异性,但不是突触后细胞类型。
2.急性脑切片的制备
注意:在这里,我们描述了一种制备脑切片的简单方法,该方法在我们手中足以从成年小鼠和大鼠中获得高质量的皮质,海马和丘脑切片。
3. 电生理学和光遗传学刺激
4. 组织学
在该协议中,我们描述了如何使用光遗传学构建体的病毒递送来研究长距离突触生理学和可塑性。该协议可以很容易地适应研究大脑中几乎所有的远程连接。例如,我们描述了将编码视蛋白的AAV注射到大鼠mPFC中,从LEC制备急性切片,从第5层LEC锥体神经元中膜片钳记录,以及LEC中mPFC末端的光诱发激活(图1)。
找到并修补健康的锥体细胞(例如,
这里介绍的方案描述了一种探索高度特异性的远程突触投影的方法,该方法结合了立体定位手术来提供编码光遗传学构建体的AAV,以及急性脑切片中的电生理学(图1)。这些技术共同提供了工具,可以在以前使用传统的非特异性电刺激无法获得的远程和解剖弥漫通路中高精度地表征脑回路的生理学和可塑性。与细胞特异性分子标记相结合,可以表征从一个大脑区域到另一个...
作者没有什么可透露的。
这项工作得到了惠康赠款206401/Z/17/Z的支持。我们要感谢扎法尔·巴希尔的专家指导和克莱尔·布斯博士的技术援助和对手稿的评论。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.2 mL tube | Fisher Scientific Ltd | 12134102 | |
10 µL pipette | Gilson | FD10001 | |
24 well plate | SARSTEDT | 83.3922 | |
3 way luer valve | Cole-Parmer | WZ-30600-02 | |
3,3′-Diaminobenzidine (DAB) substrate | Vector Laboratories | SK-4105 | |
40x objective | Olympus | LUMPLFLN40XW | |
4-aminopyridine | Hello Bio | HB1073 | |
4x objective | Olympus | PLN4X/0.1 | |
AAV9-CaMKiia-hChR2(E123T/T159C)-mCherry | Addgene | 35512 | Viral titre: 3.3x1013 GC/ml |
Achromatic lens | Edmund Optics | 49363 | Focusses visual spectrum and near-IR |
Benchtop microcentrifuge | Benchmark Scientific | C1005* | |
Biocytin | Sigma-Aldrich | B4261 | |
Borosillicate glass capillary | Warner Instruments | G150F-6 | |
Burr | Fine science tools | 19008-07 | |
CaCl2 | Sigma-Aldrich | C5670 | |
Camera - Qimaging Retiga Electro | Photometrics | 01-ELECTRO-M-14-C | |
Carbachol | Tocris | 2810 | |
Chlorhexidine surgical scrub | Vetasept | XHG008 | |
Clippers | Andis | 22445 | AGC Super 2-Speed Detachable Blade Clipper |
Collimation condenser lens | ThorLabs | ACL2520-A | |
Coverslips | Fisher Scientific Ltd | 10011913 | |
Cryostat | Leica | CM3050 S | |
CsMeSO4 | Sigma-Aldrich | C1426 | |
Cyanoacrylate glue | Rapid Electronics Ltd | 84-4557 | |
Data acquisition device | National Instruments | USB-6341 BNC | |
D-glucose | Sigma-Aldrich | G8270 | |
Dichroic mirror 500 nm long-pass | Edmund Optics | 69899 | |
Dichroic mirror 600 nm long-pass | Edmund Optics | 69901 | |
Dichroic mirror cube | ThorLabs | CM1-DCH/M | |
EGTA | Millpore | 324626 | |
Electrode holder with side port | HEKA | 895150 | |
Emission filter | Chroma | 59022m | |
Excitation filter | Chroma | ET570/20x | |
Eye gel | Dechra | Lubrithal | |
Fine paint brush | Scientific Laboratory Supplies | BRU2052 | |
Guillotine | World Precision Instruments | DCAP | |
HEPES | Sigma-Aldrich | H3375 | |
Hydrogen peroxide solution | Sigma-Aldrich | H1009 | 30% (w/w) |
Isoflurane | Henry Schein | 988-3245 | |
Isopentane | Sigma-Aldrich | M32631 | |
KCl | Sigma-Aldrich | P3911 | |
k-gluconate | Sigma-Aldrich | G4500 | |
Kinematic fluorescence filter cube | ThorLabs | DFM1T1 | |
LED driver | ThorLabs | LEDD1B | |
Lidocaine ointment | Teva | 80007150 | |
MgATP | Sigma-Aldrich | A9187 | |
MgCl | Sigma-Aldrich | M2670 | |
MgSO4 | Sigma-Aldrich | M7506 | |
Micro drill | Harvard Apparatus | 75-1887 | |
Microelectrode puller | Sutter instruments | P-87 | |
Microinjection syringe | Hamilton | 7634-01/00 | |
Microinjection syringe needle | Hamilton | 7803-05 | Custom specification: gauge 33, length 15mm, point style 4 - 12° |
Microinjection syringe pump | World Precision Instruments | UMP3T-1 | |
Mounted blue LED | ThorLabs | M470L5 | |
Mounted green LED | ThorLabs | M565L3 | |
Na2HPO4.7H2O | Sigma-Aldrich | S9390 | |
NaCl | Sigma-Aldrich | S9888 | |
NaGTP | Sigma-Aldrich | G8877 | |
NaH2PO4 | Sigma-Aldrich | S0751 | |
NaH2PO4.H2O | Sigma-Aldrich | S9638 | |
NaHCO3 | Sigma-Aldrich | S5761 | |
NIR LED | OSRAM | SFH4550 | Used for refracted IR imaging of slice, differential interference contrast (DIC) optics is another commonly used method |
OCT medium | VWR International | RAYLLAMB/OCT | Optimal cutting temperature medium |
Paraformaldehyde | Sigma-Aldrich | 158127 | |
Paraformaldehyde | Sigma-Aldrich | P6148 | |
Patch clamp amplifier | Molecular Devices | 700A | |
Peristaltic pump | World Precision Instruments | Ministar | |
Poly-L-lysine coated microscope slides | Fisher Scientific Ltd | 23-769-310 | |
Recording chamber | Warner Instruments | RC-26G | |
Scalpel blade | Swann Morton | #24 | |
Slice anchor | Warner Instruments | SHD-26-GH/15 | |
Stereotaxic frame | Kopf | Model 902 | |
Stereotaxic holder for micro drill | Harvard Apparatus | 75-1874 | |
Sucrose | Sigma-Aldrich | S0389 | |
Surgical Microscope | Carl Zeiss | OPMI 1 FR pro | |
Suture | Ethicon | W577H | |
Syringe filter for intracellular recording solution | Thermo Scientific Nalgene | 171-0020 | |
Tetrodotoxin citrate | Hello Bio | HB1035 | |
Transfer pipettes | Fisher Scientific Ltd | 10458842 | |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X100 | |
Upright fluorescence microscope | Leica | DM6 B | |
VECTASHIELD Antifade Mounting Medium with DAPI | Vector Laboratories | H-1200-10 | |
VECTASTAIN ABC-HRP kit | Vector Laboratories | PK-4000 | |
Vibratome | Campden Instruments | 7000smz-2 | |
WinLTP | https://www.winltp.com/ | Version 2.32 | Data acquisition software |
Solution | |||
aCSF | |||
sucrose cutting solution | |||
PFA | |||
Intracellular? |
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