A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
כאן אנו מתארים שיטה לדמיין סינפטוגנזה של נוירונים גרגיריים במוח הקטן של העכבר במהלך הזמן של התפתחות המוח לאחר הלידה, כאשר תאים אלה משכללים את המבנים הסינפטיים שלהם ויוצרים סינפסות כדי לשלב את עצמם במעגל המוח הכולל.
תאי עצב עוברים שינויים דינמיים במבנה ובתפקוד שלהם במהלך התפתחות המוח כדי ליצור קשרים מתאימים עם תאים אחרים. המוח הקטן של המכרסם הוא מערכת אידיאלית למעקב אחר התפתחות ומורפוגנזה של סוג תא יחיד, נוירון הגרגיר הקטן (CGN), לאורך זמן. כאן, אלקטרופורציה in vivo של אבות נוירונים גרגיריים במוח הקטן המתפתח של עכבר שימשה כדי לתייג תאים בדלילות עבור ניתוחים מורפולוגיים הבאים. יעילותה של טכניקה זו מודגמת ביכולתה להציג שלבי התפתחות מרכזיים של הבשלת CGN, תוך התמקדות ספציפית בהיווצרות טפרים דנדריטיים, שהם מבנים מיוחדים שבהם תאים אלה מקבלים את רוב הקלט הסינפטי שלהם. בנוסף לאספקת תמונות של מבנים סינפטיים של CGN במהלך התפתחות המוח הקטן, טכניקה זו יכולה להיות מותאמת למניפולציה גנטית של נוירונים גרגיריים באופן אוטונומי של התא כדי לחקור את תפקידו של כל גן מעניין ואת השפעתו על מורפולוגיה של CGN, התפתחות טופרים וסינפטוגנזה.
התפתחות המוח היא תהליך ממושך המשתרע מאמבריוגנזה לחיים שלאחר הלידה. במהלך הזמן הזה, המוח משלב שילוב של גירויים פנימיים וחיצוניים שמפסלים את החיווט של סינפסות בין דנדריטים ואקסונים כדי בסופו של דבר לכוון התנהגות. המוח הקטן המכרסם הוא מערכת מודל אידיאלית לחקר התפתחות הסינפסות מאחר שניתן לעקוב אחר התפתחותו של סוג נוירון יחיד, נוירון הגרגיר הקטן (CGN), כשהוא עובר מתא אב לתא עצב בוגר. זה נובע, בין השאר, מהעובדה שרוב קליפת המוח הקטן מתפתחת לאחר הלידה, מה שמאפשר מניפולציה גנטית קלה ותיוג תאים לאחר הלידה1.
ביונקים, התמיינות CGN מתחילה בסוף ההתפתחות העוברית כאשר תת-קבוצה של תאים מתרבים במוח האחורי נודדת מעל השפה המעוינת ויוצרת אזור נבט משני על פני המוח הקטן 2,3,4. למרות שהם מחויבים באופן מלא לזהות אב נוירון גרגיר (GNP), תאים אלה ממשיכים להתרבות בתוך החלק החיצוני של שכבת הגרגיר החיצונית (EGL) עד היום שלאחר הלידה 14 (P14). התפשטות שכבה זו גורמת להתרחבות מסיבית של המוח הקטן מכיוון שתאים אלה יוצרים באופן בלעדי CGNs5. ברגע ש-CGNs שזה עתה נולדו יוצאים ממחזור התא ב-EGL, הם נודדים פנימה לכיוון שכבת הגרגיר הפנימית (IGL), ומשאירים אחריהם אקסון שיתפצל וינוע בשכבה המולקולרית של המוח הקטן, ויוצר סיבים מקבילים שסינפסות על תאי Purkinje6. מיקומם של סיבים אלה בתוך השכבה המולקולרית תלוי בתזמון היציאה של מחזור התא.
CGNs שמתמיינים ראשונים משאירים את הסיבים המקבילים שלהם לכיוון תחתית השכבה המולקולרית, בעוד שהאקסונים של CGNs שמתמיינים מאוחר יותר מקובציםב-7,8 העליונים. ברגע שגופי תאי CGN מגיעים ל-IGL, הם מתחילים לפרט דנדריטים וליצור סינפסות עם נוירונים מעכבים ומעוררים סמוכים. העץ הדנדריטי הבוגר של CGN מציג ארכיטקטורה סטריאוטיפית עם ארבעה תהליכים עיקריים. במהלך הבשלת CGN, המבנים בקצה הדנדריטים הללו יוצרים טופר המועשר בחלבונים פוסט-סינפטיים 9,10. מבנים מיוחדים אלה, הנקראים טפרים דנדריטיים, מכילים את רוב הסינפסות על תאי עצב גרגיריים והם חשובים לקבלת קלט מעורר מעצבובים של סיבי טחב שמקורם בפונס, כמו גם קלט מעכב מתאי גולג'י מקומיים. לאחר ההגדרה המלאה, הקשרים הסינפטיים של CGNs מאפשרים לתאים אלה להעביר קלט מגרעיני קדם-המוח הקטן לתאי Purkinje, אשר מקרינים מתוך קליפת המוח הקטן אל גרעיני המוח הקטן העמוקים.
אלקטרופורציה לאחר הלידה של תל"ג לאחר הלידה היא יתרון על פני שיטות אחרות מבוססות תיוג, כגון זיהום ויראלי ויצירת קווי עכברים טרנסגניים, מכיוון שניתן להשיג את הביטוי של מבנים רצויים על ציר זמן מהיר, והשיטה מכוונת לאוכלוסייה קטנה של תאים, שימושי בחקר השפעות אוטונומיות של תאים. שיטה זו שימשה במחקרים קודמים לחקר התפתחות מורפולוגית של CGNs; עם זאת, מחקרים אלה התמקדו בנקודת זמן אחת או בחלון זמן קצר 9,10,11,12,13. שיטת תיוג זו שולבה עם ניתוח תמונה כדי לתעד את השינויים במורפולוגיית CGN המתרחשים לאורך כל מהלך התמיינות CGN במהלך שלושת השבועות הראשונים לחיים שלאחר הלידה. נתונים אלה חושפים את הדינמיקה של התפתחות דנדריט CGN העומדת בבסיס בניית מעגלים צרבלריים.
הערה: כל ההליכים בוצעו תחת פרוטוקולים שאושרו על ידי הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים באוניברסיטת דיוק (IACUC).
1. הכנת DNA לאלקטרופורציה in vivo או IVE (יום אחד לפני הניתוח)
איור 1: הגבלת עומק ההזרקה ל-1.5 מ"מ באמצעות ספייסר. (A) קטע של 11.2 מ"מ נחתך פיפטת העמסה באמצעות סכין גילוח. (B) הספייסר מותקן על קצה מזרק המילטון (האורך הכולל הוא 1.27 ס"מ או 0.5 אינץ') ומאובטח באמצעות דבק או פרפילם. הקצה החשוף צריך להיות באורך 1.5 מ"מ. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
2. אלקטרופורציה In vivo של אבות נוירונים גרגיריים בעכברים בני שבעה ימים לאחר הלידה
הערה: כל ניתוחי האלקטרופורציה בוצעו בחדר ניתוחים סטרילי ומאוורר מאוד, וכל אנשי הצוות לבשו ציוד מגן אישי מלא כולל כפפות, מסכת פנים, מצנפת לשיער, חלוק וכיסויי נעליים. לחילופין, ניתן לבצע את הניתוחים במכסה מנוע מונשם וסטרילי.
איור 2: אלקטרופורציה במוח הקטן In vivo של אבות נוירונים גרגיריים בגורי עכברים מסוג פרא P7. (A) גורים מורדמים עם 4% איזופלורן המועבר בקצב של 0.8L/min כדי להבטיח הרדמה לאורך כל הזרקת תמיסת ה- DNA. איזופלורן מועבר בקצב של 0.8 ליטר/דקה. (B) לאחר עיקור העכבר 3 פעמים עם בטאדין ו-70% אתנול, נעשה חתך המשתרע על פני מרחק האוזניים, וחושף את המוח האחורי. (C) תמונה מוגדלת של תיחום לבן על הגולגולת, נקודת ציון לאתר ההזרקה. מבנה DNA צריך להיות מוזרק בתוך 1 מ"מ מעל הסימן; קווים מקווקוים מתארים את התיחום, וחץ שחור מציין את אתר ההזרקה. הרכסים של ורמיס המוח הקטן עשויים להיות גלויים לעין ויכולים להיות שימושיים למציאת אתר ההזרקה. (D) כיוון אלקטרודה מסוג פינצטה לאלקטרופורציה יעילה. קצה פלוס (+) חייב להיות מכוון כלפי מטה כדי למשוך DNA טעון שלילית לתוך פרנכימה cerebellar לפני מתן פולסים חשמליים. (E) הזרקת בדיקה של 1 μL של 0.02% צבע ירוק מהיר מראה שההזרקה ממוקמת לאמצע ורמיס המוח הקטן בין אונות 5-7. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
3. אימונוהיסטוכימיה של CGNs מחושמלים
4. אנליזות מורפולוגיות של CGNs - שחזור תלת מימדי (3D) ושטח פנים ונפח תאי
איור 3: אנליזה אימונוהיסטוכימית ושחזור תלת-ממדי של נוירונים גרגיריים מחושמלים. עכברי P7 CD-1 התחשמלו באמצעות מבנה המבטא GFP. המוחות נאספו ועברו אימונוהיסטוכימיה, מיקרוסקופ קונפוקלי ושחזור תלת-ממדי לצורך ניתוח מורפולוגי. (A) ציר זמן מאלקטרופורציה לעיבוד תמונה של עכבר 10-DPI. (B) תמונת הקרנה מרבית של חתך סגיטלי של המוח הקטן המחושמל 10-DPI; קווים לבנים תוחמים שכבות צרבלריות, וסרגל קנה המידה הוא 25 מיקרומטר. (C) תמונת הקרנה מרבית של נוירון גרגיר מחושמל יחיד 10-DPI והעקבה התלת-ממדית המתאימה סרגל קנה המידה הוא 10 מיקרומטר. (D) שחזורים תלת-ממדיים נוצרו באמצעות תוסף FIJI Simple Neurite Tracer. כל המדידות אותרו דרך ערימת z, בעקבות אות מילוי התא. מדידות פיר וטופר אותרו בנפרד עבור כל דנדריט; קו מקווקו מציין חלק מהדנדריט בתוך המישור הנוכחי. קיצורים: תלת מימד = תלת מימדי; GFP = חלבון פלואורסצנטי ירוק; DPI = ימים לאחר ההזרקה; PSD-95 = חלבון צפיפות פוסט-סינפטית 95; GNPs = אבות נוירונים גרגיריים; PFA = paraformaldehyde. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: ניתוח המורפולוגיה של נוירוני הגרגיר במהלך התפתחות המוח הקטן. (A) תמונות הקרנה מרביות של CGNs מחושמלים מ-3-DPI עד 14-DPI (גיל P10 עד P21 לאחר הלידה), גרעינים (כחול) ו-GFP (ירוק); ראשי חץ מציינים דנדריט בודד, וסרגל קנה המ?...
נוירוני גרגיר המוח הקטן הם תאי העצב הנפוצים ביותר במוח היונקים, ומהווים כמעט 60-70% מכלל אוכלוסיית תאי העצב במוח המכרסם 1,14. המוח הקטן נמצא בשימוש נרחב כדי להבהיר מנגנונים של התפשטות תאים, נדידה, היווצרות דנדריטים והתפתחות סינפסות 6,9,10,11,15,16,17,18,19,20
המחברים מצהירים כי אין ניגודי עניינים.
העבודה נתמכה על ידי מענקי NIH R01NS098804 (A.E.W.), F31NS113394 (U.C.), ותוכנית הקיץ למדעי המוח של אוניברסיטת דיוק (D.G).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Betadine | Purdue Production | 67618-150-17 | |
Cemented 10 µL needle | Hamilton | 1701SN (80008) | 33 gauge, 1.27 cm (0.5 in), 4 point style |
Chicken anti-GFP | Millipore Sigma | AB16901 | Our lab uses this antibody at a 1:1000 concentration |
Cotton-tip applicator | |||
Donkey anti-chicken Cy2 | Jackson ImmunoResearch | 703-225-155 | Our lab uses this antibody at a 1:500 concentration |
Ethanol (200 proof) | Koptec | V1016 | |
Electroporator ECM 830 | BTX Harvard Apparatus | 45-0052 | |
Fast Green FCF | Sigma | F7252-5G | |
FUGW plasmid | Addgene | 14883 | |
Glass slides | VWR | 48311-703 | Superfrost plus |
Glycerol | Sigma-Aldrich | G5516 | |
Heating pad | Softheat | ||
Hoescht 33342 fluorescent dye | Invitrogen | 62249 | |
Imaris | Bitplane | ||
Isoflurane | Patterson Veterinary | 07-893-1389 | |
Micro cover glass | VWR | 48382-138 | |
Nail polish | Sally Hansen | Color 109 | |
Normal goat serum | Gibco | 16210064 | |
O.C.T. embedding compound | Tissue-Tek | 4583 | |
Olympus MVX10 Dissecting Scope | Olympus | MVX10 | |
P200 pipette reach tip | Fisherbrand | 02-707-138 | Used for needle spacer |
Parafilm | Bemis | PM-996 | |
PBS pH 7.4 (10x) | Gibco | 70011-044 | |
Simple Neurite Tracer | FIJI | https://imagej.net/Simple_Neurite_Tracer:_Basic_ Instructions | |
Sucrose | Sigma | S0389 | |
Surgical tools | RWD Life Science | Small scissors and tweezers | |
Triton X-100 | Roche | 11332481001 | non-ionic detergent |
Tweezertrodes | BTX Harvard Apparatus | 45-0489 | 5 mm, platinum plated tweezer-type electrodes |
Ultrapure distilled water | Invitrogen | 10977-015 | |
Vectashield mounting media | Vectashield | H1000 | |
Vetbond tissue adhesive | 3M | 1469SB | |
Zeiss 780 Upright Confocal | Zeiss | 780 |
An erratum was issued for: Utilizing In Vivo Postnatal Electroporation to Study Cerebellar Granule Neuron Morphology and Synapse Development. A figure was updated.
Figure 2 was updated from:
Figure 2: In vivo cerebellar electroporation of granule neuron progenitors in P7 wildtype mouse pups. (A) Pups are anesthetized with 4% isoflurane delivered at a rate of 0.8L/min to ensure anesthesia throughout the injection of the DNA solution. Isoflurane is delivered at a rate of 0.8 L/min. (B) After sterilizing the mouse 3 times with betadine and 70% ethanol, an incision is made that spans the distance of the ears, revealing the hindbrain. (C) A magnified image of a white demarcation on the cranium, a landmark for the injection site. DNA construct should be injected within 1 mm above the mark; dotted lines outline the demarcation, and black arrow denotes the injection site. The ridges of the cerebellar vermis may be visible and can be useful for finding the injection site. (D) Tweezer-type electrode orientation for efficient electroporation. Plus (+) end must be oriented downwards to pull negatively charged DNA into the cerebellar parenchyma prior to administration of electrical pulses. (E) Test injection of 1 µL of a 0.02% Fast Green dye shows injection is localized to the middle of the cerebellar vermis between lobules 5-7. Please click here to view a larger version of this figure.
to:
Figure 2: In vivo cerebellar electroporation of granule neuron progenitors in P7 wildtype mouse pups. (A) Pups are anesthetized with 4% isoflurane delivered at a rate of 0.8L/min to ensure anesthesia throughout the injection of the DNA solution. Isoflurane is delivered at a rate of 0.8 L/min. (B) After sterilizing the mouse 3 times with betadine and 70% ethanol, an incision is made that spans the distance of the ears, revealing the hindbrain. (C) A magnified image of a white demarcation on the cranium, a landmark for the injection site. DNA construct should be injected within 1 mm above the mark; dotted lines outline the demarcation, and black arrow denotes the injection site. The ridges of the cerebellar vermis may be visible and can be useful for finding the injection site. (D) Tweezer-type electrode orientation for efficient electroporation. Plus (+) end must be oriented downwards to pull negatively charged DNA into the cerebellar parenchyma prior to administration of electrical pulses. (E) Test injection of 1 µL of a 0.02% Fast Green dye shows injection is localized to the middle of the cerebellar vermis between lobules 5-7. Please click here to view a larger version of this figure.
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