A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
טכניקות Optogenetic הפכו אותו ניתן ללמוד על התרומה של נוירונים ספציפיים להתנהגות. אנו מתארים שיטה בדג זברת זחל להפעלת נוירונים חושיים יחידים להביע channelrhodopsin ריאנט (שף) עם מדינה-דיודה שאובה מוצקה ליזר (DPSS) ולהקליט את ההתנהגויות שהושרו עם מצלמת וידאו במהירות גבוהה.
דג זברת הזחל הם מתעוררים כמודל לתיאור ההתפתחות והתפקוד של מעגלים עצביים פשוטים. בשל ההפריה שלהם החיצוניות, ההתפתחות מהירה, והשקיפות, דג הזברה מתאים במיוחד גם לגישות optogenetic לחקור תפקוד מעגלים עצבי. בגישה זו, תעלות יונים רגישות לאור מבוטאות בתאי עצב מסוימים, ומאפשרים לניסוי כדי להפעיל או לעכב אותם ברצון ובכך להעריך את תרומתם להתנהגויות מסוימות. יישום שיטות אלו בדג זברת זחל הוא מושגית פשוט, אבל דורש אופטימיזציה של פרטים טכניים. כאן אנו מדגימים הליך לביטוי בגרסת channelrhodopsin נוירונים זחל דג זברה חושי, תאים בודדים מפעילות צילום, הקלטה ואת ההתנהגויות הנגזרות מכך. על ידי החדרה כמה שינויים לשיטות שנקבעו בעבר, גישה זו יכולה לשמש כדי לעורר תגובות התנהגותיות מתא עצב בודד הופעל עדללפחות 4 ימים לאחר ההפריה (DPF). באופן ספציפי, יצר transgene באמצעות חושי נוירון משפר, CREST3, לנהוג הביטוי מתויג channelrhodopsin הגרסה, שף tdTomato. הזרקת transgene זו לתוצאות עוברי שלב 1-תאים בביטוי פסיפס בנוירונים חושיים, שיכול להיות צלם עם מיקרוסקופיה confocal. מאיר זיהה תאים בבעלי חיים אלה עם אור ליזר DPSS ננומטר 473, מודרך דרך כבל סיב אופטי, מעורר התנהגויות שניתן להקליט במצלמת וידאו במהירות גבוהה ונותחו כמותית. טכניקה זו יכולה להיות מותאמת להתנהגויות לימוד שהושרו על ידי הפעלה כל נוירון דג זברה. שילוב של גישה זו עם הפרעות גנטיות או תרופתיות יהיה דרך רבה עצמה כדי לחקור היווצרות מעגל ותפקודו.
פיתוח שיטות optogenetic לקידום או עיכוב רגישות עצבית באורכי גל מוגדר של אור אפשר ללמוד את הפונקציה של אוכלוסיות שונות של תאי עצב במעגלים עצביים השולטים 1 התנהגות, 19, 21. טכניקה זו משמשת לעתים קרובות כדי להפעיל קבוצות של תאי עצב, אבל זה גם יכול לשמש כדי להפעיל נוירונים בודדים. זחלי דג זברה הם בעיקר נוחות לשיטות אלה מכיוון שהם שקופים, מערכת העצבים שלהם מתפתחת במהירות, ויצירת חיות טרנסגניות היא מהירה ושגרתי. עם זאת, מכשולים טכניים משמעותיים שיש להתגבר אמין כדי להשיג הפעלת תא עצב יחידה.
כדי לייעל את ההליך להפעלת optogenetic של נוירונים בודדים דג זברה, התמקדו בנוירונים חושיים. זחלי דג זברה לזהות מגוון של גירויים חושיים באמצעות שתי אוכלוסיות של תאי עצב: עצב trigeminal, אשר מעצבבות את הראש וRohon-זקן (הנוירונים) RB, אשר מעצבבים את שאר הגוף. כל trigeminal וRB נוירון מקרין האקסון היקפי שסניפים רבים בעור כדי לזהות גירויים והאקסון מרכזי המתחבר למעגלים עצביים במורד זרם. בעלי חיים להגיב למגע מוקדם ככל 21 שעות שלאחר ההפריה (hpf), המציין כי המעגלים החושיים קוהרנטית יצרו 5, 18. במהלך התפתחות רימות לפחות חלק סינפסה נוירונים trigeminal וRB על תא מאוטנר להפעיל תגובות בריחה קלסיות, אך מצטברת ראיות מצביעה על כך שיש כיתות מרובות של נוירונים חושיים עם דפוסים שונים של קישוריות שעשויה לעורר וריאציות על התנהגות הבריחה 2, 4, 10, 12, 14, 15, 16, 17. המוטיבציה שלנו לפיתוח בשיטה זו הייתה לאפיין את התפקוד ההתנהגותי של סוגים שונים של תאי עצב חושיים, אך גישה זו יכולה בעיקרון לשמש כדי לחקור את הפונקציה של תא עצב או כל אוכלוסייה כמעט של הנוירונים בlarval דג זברה.
דאגלס et al. תאר שיטה בעבר להפעלת Channelrhodopsin-2-לבטא נוירונים חושיים עם אור כחול, לעורר התנהגות בריחה 3. הגישה שלהם משמשת אלמנט משפר מגן isl1 לנהוג ביטוי של ChR2-EYFP בנוירונים חושיים. transgene זה, עם זאת, דווח להצגת פלואורסצנטי החלש יחסית, שדורש שיתוף הזרקה של כתב שני, כטב"מ :: GFP, כדי לאפשר הדמיה של תאים לבטא ChR2-EYFP. גישה זו הייתה בשימוש כדי לעורר תגובות התנהגות בין 24-48 hpf, אבל אף פעם לא יכולה לעורר תגובת העבר 72 hpf. וכך, בעוד שיטה זו פועלת ללימוד מעגלים עצביים בשלבים מוקדמים מאוד זחל (24-48 hpf), אינו מתאים לאפיון מעגלים עצביים ותגובות התנהגותיות בזחלים מבוגרים יותר, כאשר תגובות התנהגותיות מגוונות יותר ניכרות והמעגלים עצביים הם יותר בוגרים.
אנחנו בקשנולשפר את הרגישות של טכניקה זו כדי לאפיין את הפונקציה של אוכלוסיות של נוירונים RB זחל. כדי לשפר את הביטוי שהיינו משפר חושי ספציפי (CREST3) 20 לנהוג ביטוי של LexA-VP16 ומתיחה של רצפי מפעיל כסה (4xLexAop) 11 כדי להגביר את הביטוי של ערוץ האור המופעל מתויג fluorescently. תצורה זו מוגברת ביטוי של הערוץ, ומבטל את הצורך לביטוי שיתוף כתב שני ומאפשר לנו לקבוע באופן ישיר את השפע היחסי של הערוץ בכל נוירון. שימוש ברצף LexA / LexAop היה יתרון נוסף, מאפשר לנו להציג את transgene לתוך שורות כתב דג זברה שמשתמשות במערכת Gal4/UAS. ביטוי זמני של transgene זה הביא לרמות שונות של ביטוי, אך בדרך כלל היה חזק מספיק כדי להמחיש היא את גוף התא ותחזיות axonal של נוירונים בודדים על פני כמה ימים. כדי לייעל sensitivity להדליק השתמשנו באור הופעל ערוץ שף, גרסת channelrhodopsin מורכב דמיוני של channelopsin-1 (Chop1) וchannelopsin-2 (Chop2) עם אתר מוצלב בסליל לולאת EF 13. ערוץ זה מופעל באותו האורך הגל כChR2, אבל דורש עוצמת אור נמוכה יותר להפעלה, מה שהופך אותו רגיש יותר מערוצים אחרים בשימוש נפוץ, כולל ChR2. חלבון השף הותך לחלבון פלואורסצנטי האדום, tdTomato, ומאפשר לנו להקרין לביטוי חלבון ללא הפעלת הערוץ. כמקור אור, השתמש דיודה שאובה ליזר מצב מוצק (DPSS) מצמיד את כבל סיב אופטי, כדי לספק דופק מדויק ובעל עצמה של אור הכחול לאזור מסוים של הזחלים. זה מאפשר לנו למקד את אור ליזר על נוירונים בודדים, ומבטל את הצורך במציאת בעלי חיים מהונדסים נדירים המבטאים את הערוץ בתא עצב יחיד. שימוש בגישה זו, שהיינו מסוגל להפעיל נוירונים RB בודדים, להקליט תגובה התנהגותיתשל עם מצלמת וידאו במהירות גבוהה, ותמונת הנוירונים מופעלים ברזולוציה גבוהה עם מיקרוסקופיה confocal.
הכן הבא מבעוד מועד.
1. הכן כבלים אופטיים
נהלים 2-8 מתארים שיטה להזרקת transgenes לעוברים בדרך החלימו על דג זברת ניסויים רבים. וריאציות על שיטה זו, כמו אלה המתוארים בסרטונים אחרים יופיטר 6, 7, 8, 9, 22 הן יעילות באותה מידה.
2. משוך מחטי הזרקה
3. יוצק תבניות להזרקה
4. הפוך Mix-DNA פלסמיד לזריקות
1.0 מ"ל | DNA פלסמיד (250 ng / ml) |
0.5 מ"ל | פנול אדום |
3.5 מ"ל | DDH 2 O |
5. הגדרת צמדי הזדווגות
זה צריך להיעשות בערב לפני שאתה מתכנן לעשות זריקות.
6. היכון לזריקות (ניתן לעשות זאת בזמן המתנה לעוברים)
7. לאסוף עוברים
8. הזרק עוברים בשלב התא 1-2
9. מסך לביטוי transgene
10. הר זחלים לניסויים בהתנהגות
11. הכן את המצלמה במהירות גבוהה ותוכנת הדמיה
12. הפעל נוירונים בודדים באמצעות ליזר ננומטר 473
13. תמונת Neuron (הים) עם confocal מיקרוסקופ
איור 1. כבל אופטי להגדיר. (A) שכבות של כבל סיב אופטי. (ב) כבל Stripped סיבים אופטי בפסטר פיפטה. (ג) כבל סיב אופטי בפיפטה פסטר מוצב באמצעות micromanipulator.
כבר תארנו את גישה להפעלת optogenetic של נוירונים בודדים בדג הזברה RB חי. השיטה שלנו מעסיקה transgenesis החולף להביע גרסה מתויגת fluorescently channelrhodopsin, 13 השף tdTomato, בנוירונים חושיים ספציפיים. גישה זו יכולה בקלות להיות מותאמת לשימוש באוכלוסיות תאים אחרות זחל דג זברה.
החוקרים מצהירים כי אין להם אינטרס כלכלי מתחרה.
אנו מודים פומי קובל טוד Thiele וHerwigBaier (קליפורניה / מקס פלנק) עצה על ניסויי התנהגות וDPSS הליזר הקים; Heesoo קים וקיארה Cerri מקורס נוירוביולוגיה MBL לסיוע בניסויי השף tdTomato; PetronellaKettunen (אוניברסיטת גטבורג ) לשיתוף פעולה ראשוני על ניסויי optogenetic; BaljitKhakh, אריק הדסון, מייק Baca וג'ון מיליגן (UCLA) לייעוץ טכני, ורוג'ר צ'היין (UCSD) לשף tdTomato לבנות. עבודה זו נתמכה על ידי פרס NRSA (5F31NS064817) לAMSP ומענק של NSF (RIG: 0819010) ל-AS.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
שם מגיב / חומרים | חברה | מספר קטלוגים | תגובות |
חומרים | |||
זכוכית פיפטה פסטר | דיג | 1367820B | או שווה ערך (10-15 קוטר מ"מ) |
200 סיבים אופטיים מיקרומטר | ThorLabs | AFS200/220Y-CUSTOM | תיקון כבל, אורך: 3 מ ', ניתוק: FC / PC, סוף B: FC / PC, ז'קט: FT030 |
50 סיבים אופטיים מיקרומטר | ThorLabs | AFS50/125Y-CUSTOM | תיקון כבל, אורך: 3 מ ', ניתוק: FC / PC, סוף B: FC / PC, ז'קט: FT030 |
כלי עקירה מתכוונן | ThorLabs | AFS900 | או כלי עקירה שלוש חור (FTS4) |
סופר יתד יהלומים | ThorLabs | S90W | |
Flaming / בראון micropipette פולר | סאטר מכשירים | P-97 | או שווה ערך |
צינורות זכוכית ורוסיליקט עם נימה | סאטר מכשירים | BF-100-78-10 | |
עובש הזרקה | n / | n / | איור 5 |
1.5 צינורות מ"ל צנטריפוגות | כל | כל | |
צלחת פטרי (100x15 מ"מ) | כל | כל | |
צלחת פטרי (60x15 מ"מ) | כל | כל | |
לחץ מזרק | אסי | MPPI-3 | או שווה ערך |
Micromanipulator ומעמד מתכת | Narashige | M152 | או שווה ערך |
pipettes פלסטיק חד פעמי | Fisherbrand | 13-711-7 | או שווה ערך |
פוקר (בעל פין וסיכת חרק) | פיין מדע הכלים, בע"מ | 26018-17 ו26000-70 | או שווה ערך |
מצבטים | פיין מדע הכלים, בע"מ | 11255-20 | או שווה ערך |
Microloader פיפטה טיפים | אפנדורף | 9300001007 | |
28.5 מעלות צלזיוס חממה | כל | כל | |
42 ° C בלוק חום | כל | כל | |
להבי אזמל ללא מעוקרים # 11 | כלים מדעיים פיין, Inc | 10011-00 | או שווה ערך |
ביתור שללהתמודד | Zeiss | STEMI | או שווה ערך |
פלורסנט ביתור עם תקן סינון | כל | כל | או שווה ערך |
מיקרוסקופ confocal | Zeiss | LSM 510 או 710 | או שווי ערך עם לייזרים עבור ה-GFP וRFP, ו10x, 20x ו 40X יעדים |
מצלמת מהירות גבוהה | AOS Technologies, Inc | X-PRI (130025-10) | או שווה ערך |
473 ננומטר ליזר נייד | לייזרי Crystal | CL-473-050 | או כוח עליון, עם אפשרות TTL |
S48 ממריץ | Astro-Med, חלוקת מכשירי דשא בע"מ | S48K | או שווה ערך |
FC / PC לשרוול הזדווגות FC / PC | ThorLabs | ADAFC1 | ne מאיאד לחיבור כבל אופטי |
ליזר משקפי בטיחות | ThorLabs | LG10 | או שווה ערך |
24 צלחות תרבות | Genesee | 25-102 | או שווה ערך |
שקופיות דיכאון יחידות | דיג | S175201 | או שווה ערך |
מגיב | |||
אוקיינוס מיידי | מערכות אקולוגיות מימיות | IS50 | |
כחול מתילן | דיג | S71325 | |
פנול אדום | סיגמא | P4758 | |
Agarose | EMD | 2125 | או שווה ערך |
נמוך הממסים agarose | סיגמא | A9045 | או שווה ערך |
PTU | סיגמא | P7629 | |
Tricaine | סיגמא | A5040 | |
מים כחולים / עובר | 10 הליטר DDH 2 O 0.6 גרם מיידי אוקיינוס 6 טיפין מתילן כחול | ||
פנול אדום | (5 מ"ג / מ"ל ב0.2 מ 'KCl) | ||
100x PTU | 0.150 גרם PTU 50 המ"ל DDH 2 O לפזר על 70 מעלות צלזיוס, לנער לעתים קרובות aliquot ולאחסן ב -20 ° C | ||
1x PTU | 1 המ"ל 100x PTU כחולים / דגי מים 99 מ"ל | ||
פתרון Tricaine מניות | 400 מ"ג tricaine 97.9 DDH 2 O | ||
~ 2.1 המ"ל 1M טריס, pH9.0 | להתאים לחומציות ~ 7.0 חנות ב 4 ° C או -20 ° C עבור אחסון לטווח ארוך |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved