Method Article
דימות טומוגרפיה טורית של שני פוטונים (STPT) היא טכניקה לדימוי מסה של רקמה בצורתה התלת-ממדית על ידי שילוב של דימות דו-פוטוני עם בקרת במה אוטומטית וחיתוך מיקרוטום. כאן אנו מתארים פרוטוקול ליישומו עבור מוחות מרמוסטים כדי להבין טוב יותר את התכונות המבניות שלהם.
טומוגרפיה טורית של שני פוטונים (STPT) היא טכניקה לדימוי מסה של רקמה בצורתה התלת-ממדית על ידי שילוב של הדמיה דו-פוטונית עם בקרת במה אוטומטית וחיתוך מיקרוטום. יישמנו בהצלחה את הטכניקה הזו למעקב אחר הקרנות אקסונליות במוח המרמוסט. כאן מתוארים ההליכים הניסיוניים המפורטים שהביאו להדמיה נפחית אמינה של כל המוח המרמוסט. תהליך מפתח לדימות מוצלח היה הסרת קרומי המוח המקיפים את המוח, מה שמפריע לחיתוך. יתרון גדול של מתודולוגיה זו הוא שניתן להשתמש בחלקים החתוכים להכתמה נוספת. במערך המקורי, החלקים החתוכים מקושקשים באמבט המים. חלקים אלה יכולים להיות מיושרים כראוי בסדר המקורי שלהם על פי דפוסי כלי הדם בקליפת המוח. דוגמה להיסטולוגיה יעילה היא הדמיה של מבנה המיאלין על ידי השתקפות אור פשוטה, אשר ניתן לשלב עם צביעת Nissl כדי להגדיר גבולות אנטומיים. סעיפים אלה יכולים לשמש גם לזיהוי אימונולוגי של עוקבים אנטרוגרדיים שאינם פלואורסצנטיים ומדרדרים, אשר ניתן לרשום לנתוני STPT עבור שכבות של נתונים מרובים.
במחקרים נוירו-אנטומיים, חוקרים מתמודדים עם הצורך לצפות במבנים מסדר מיקרומטרי (למשל, אקסונים ובוטון) בהקשר של המוח כולו. משימה קשה זו ניגשת בדרך כלל על ידי בדיקה חזותית של החלקים הסידוריים וחיפוש אזור העניין עבור הדמיה מפורטת, ניתוחים והקלטה של תמונות. עם התקדמות טכנולוגית, עם זאת, זה הופך להיות אפשרי לדמיין את המוח כולו ברזולוציה גבוהה עבור ניתוח המוח כולו. במחקר פורץ דרך שנערך על ידי Oh et al.1, מאות מוחות עכברים קיבלו זריקות נותב לאנליזה קונקטומית, אשר עובדו על ידי טומוגרפיה טורית של שני פוטונים (STPT) בטכניקת הדמיה2. המאפיין של מחקר זה היה שהם בחרו עוקבים אנטרוגרדיים כדי לכמת "קישוריות". בעוד שעוקבים אנטרוגרדיים מספקים מידע מרחבי מפורט מאוד על התפלגות אקסונלית, נוירואנטומיסטים הסתמכו על סגמנטציה ידנית מייגעת לצורך ניתוחו. על ידי אוטומציה של הליכים אנליטיים שונים, כולל שלב פילוח זה, הם הצליחו ב"ייצור המוני" של נתוני נותב מוכנים לשימוש ברזולוציה גבוהה לשימושים רב-תכליתיים. יעילות הגישה שלהם ברורה, בהתחשב במגוון מחקרים שהשתמשו בנתוני המעקב שלהם 3,4,5 ובמוח הסטנדרטי שלהם6.
מבחינה היסטורית, הקישוריות העצבית של מוחות פרימטים לא אנושיים משכה את תשומת לבם של נוירואנטומיסטים רבים מאז פיתוח שיטת הניוון בשנות החמישים, לשיטות הובלת חומרים אנטרוגרדיות/מדרדרות בשנות השבעים ועד לאסטרטגיה הנגיפית הנוכחית 7,8. לפיכך, קיימות יצירות ספרות עצומות החוקרות קשרים עצביים של פרימטים. בפרט, חוקרים רבים חקרו את הקישוריות הקורטיקורטית המורכבת של מוח המקוק, והתוצאות שלהם נאספו עבור טאבולציה (למשל, CoCoMac9). למרות שהם שימושיים, למחקרים קלאסיים אלה היו מספר מגבלות. ראשית, מאחר שכל מחקר מתמקד רק באזורי מוח מוגבלים, המידע המתקבל הופך באופן בלתי נמנע למקוטע. שנית, כל מחקר משתמש בשיטות ובתנאים שונים. לפיכך, ההערכה הכמותית על פני מחקרים הופכת מורכבת. שלישית, הקישוריות מוצגת בדרך כלל כמצלמה לוסידה של חלקים מייצגים או כטבלה/גרף כמותי למחצה עבור אזורי מוח המוגדרים על ידי המחבר. במילים אחרות, רק מידע מוגבל מאוד ממבנה מוח מורכב מופק להצגה בספרות שפורסמה. עם התפתחות טכניקות דימות תהודה מגנטית (MRI), מחקרי מוח שלם ברזולוציה נמוכה הפכו לבולטים. אולם קיים פער גדול בין רמות הפירוט בין מה שאנו יודעים על קשרים עצביים בעכברים לבין אלה שבפרימטים.
עם רקע כזה, יצאנו לבצע מעקב אנטרוגרדי מקיף של מוחות המרמוסטהנפוצים 10,11. אף על פי שהוא קטן וחלק בהרבה ממוחו של המקוק, מקבילו המרמוסטי מציג סימנים ברורים של פרימטים, כגון נוכחות של אזור MT והאזורים הקדם-מצחיים הגרגיריים, שאף אחד מהם אינו מוגדר בבירור במכרסמים12,13. כאן, הגודל הקטן היה יתרון גדול, כי אפילו המוח המרמוסטי שוקל פי עשרה ממוח העכבר. למרבה המזל, יכולנו לדמיין את כל המוח המרמוסטי עם עדכונים מינימליים של הגרסה המקורית של תוכנת ההפעלה TissueCyte1000 (מעתה תיקרא מערכת דימות רקמות שלמה), המיקרוסקופ הזמין מסחרית עבור דימות STPT2. עדכון זה נועד לאפשר תנועה נוספת של הבמה לפני החיתוך. הגרסה הנוכחית מספיקה כעת לעיבוד המוח המרמוסט. מאמר זה חולק פרוטוקול לטיפול במוח המרמוסט עבור דימות STPT. פרוטוקול ההדמיה שלאחר ההדמיה המשפר עוד יותר את התועלת של שיטה זו מסופק גם.
כל הליכי הניסוי בוצעו בעקבות מדריך המכון הלאומי לבריאות לטיפול ושימוש בחיות מעבדה (פרסומי NIH מס '80-23) שתוקן בשנת 1996 ו"עקרונות מנחים לטיפול ושימוש בבעלי חיים בתחום המדע הפיזיולוגי" של האגודה הפיזיולוגית היפנית, ואושרו על ידי ועדת בעלי החיים הניסיוניים של RIKEN (W2020-2-009(2)).
1. הזרקת Tracer
2. הכנת הדגימה (איור 1)
3. עיבוד רקמות
4. טכניקות היסטולוגיות עזר
5. עיבוד נתונים לאחר הדמיה
במערך הטיפוסי שבו משתמשים כאן, ניתן לצלם את כל המוח של מרמוסט בוגר (איור 5) ברזולוציה של ~1.3 x 1.3 מיקרומטר/פיקסל עם מרווח של 50 מיקרומטר תוך כשבוע. זה מסתכם ב~ 650 תמונות קורונליות בשלושה ערוצים לאחר תפירת תמונה. עם עדשת 16x אובייקטיבית (Nikon 16xW CFI75 LWD; NA = 0.80), שדה הראייה של ירייה בודדת הוא בערך 1 x 1 מ"מ. התמונה של כל משטח העטרה מתקבלת על-ידי תפירת היריות האלה (איור 5A). היישור בכיוון Z מצוין, ותמונה תלת-ממדית טובה מתקבלת פשוט על-ידי הערמת נתוני תמונת העטרה (איור 5B,E). לצורך סטנדרטיזציה, תבנית STPT עבור מוח מרמוסט11 יכולה לשמש לרישום תלת-ממדי (איור 5F). טרנספורמציית נתונים זו היא אחד ההיבטים המרכזיים של הנוירואנטומיה של המוח כולו, שבו אזור עניין מוקצה לקואורדינטת מרחב מוחלטת שאינה תלויה בביאור אנטומי. ברגע שמוח הדגימה נרשם במרחב הסטנדרטי, אפשר להוציא בקלות את תת-האזורים המעניינים לניתוח נוסף (איור 5F,G). בפרט, אזורי קליפת המוח יכולים להפוך למפה שטוחה באמצעות פרמטר קבוע מראש (איור 5H).
הקטעים שנוצרו במהלך ההדמיה יכולים לשמש למטרות היסטולוגיות שונות. כפי שניתן לראות באיור 4A,B, ההדמיה עם תאורה אחורית ללא כתמים מספקת דפוס דומה מאוד לצביעת המיאלין האותנטית. זו יכולה להיות חלופה מצוינת לצביעת מיאלין. יתר על כן, אם התמונה עם התאורה האחורית מתקבלת לפני צביעת Nissl, ניתן להשתמש באותו קטע כדי לקבל את הדפוסים של צביעת המיאלין והניסל, ובכך לספק מידע שימושי לזיהוי אזורים ושכבות (איור 5C-E). חלקים אלה יכולים לשמש גם עבור צביעה אימונולוגית. באיור 5J, החלק סביב מרכז ההזרקה היה מוכתם בנוגדן NeuN כדי להעריך את יעילות ההולכה של נגיף AAV. זוהי גם אסטרטגיה טובה להזריק עוקבים שאינם פלואורסצנטיים בנוסף לעוקבים פלואורסצנטיים ולזהות אותם היסטולוגית לאחר שליפת חתך. במחקר הקודם שלנו, שילבנו נותבים ירוקים אנטרוגרדיים עם וקטור "cre" מדרדר, אשר זוהה מאוחר יותר על ידי נוגדן anti-cre10. בדוגמה של איור 6A-E, BDA הוזרק לצד הנגדי של הנותב הירוק (תלתן) וזיהה אותו באופן פלואורסצנטי. שים לב כי אותות BDA אדומים ניתן לרשום את התמונה TissueCyte כדי להיות מקומי בכל קואורדינטת המוח. בדוגמה אחרת של איור 6F-I, smFP-myc הוזרק לאזור הקודקוד (איור 6G), בעוד שהנותב הירוק הוזרק לאזור המצחי. בדרך זו, ניתן להזריק עוקבים מרובים לאותו בעל חיים מבלי להפריע להדמיה. יתרון גדול של שימוש במקטעי STPT לצביעה נוספת הוא שניתן לקבוע את הקשר בין העוקבים הפלואורסצנטיים והלא פלואורסצנטיים עבור אותו מוח. כך, הצלחנו לקבוע את ההדדיות של הקרנות קורטיקוקורטליות בדיוקגבוה 10. יתרון נוסף הוא שניתן למפות את הקואורדינטות התלת-ממדיות של הקטעים המוכתמים בחזרה לנתוני STPT ולאחר מכן לתבנית הסטנדרטית. לכן, ייתכן שלא יהיה צורך להשתמש בכל החלקים שאוחזרו עבור צביעה. לפרשנות טובה יותר, ניתן לבחור קטעים לצביעה כדי להוסיף הקשר נוסף לנתוני STPT.
איור 1: הכנת דגימה להסרת קרום המוח STPT. (A) באמצעות צמר גפן. את קרומי המוח המקיפים את גזע המוח ניתן להסיר על ידי מלקחיים עדינים. קרומי המוח המקיפים את מוח המרמוסט מוסרים באופן ידני על ידי שפשוף עם צמר גפן. בתמונה נראים קרומי המוח המקושטים מתוך החריץ הצידי. (B) קופסת האקריל המשמשת להטמעת אגרוז. הפינים ניתנים להזזה ומשמשים להתאמת זווית המוח כך שתהיה קרובה למצב הקבוע באופן סטריאוטקסי20. (C) שקופית מגנטית עשויה זכוכית שקופיות בגודל 76 מ"מ x 52 מ"מ וארבעה מגנטים מסוג ניאודימיום המחוברים באמצעות דבק אפוקסי. בלוק האגרוז מחובר לשלב המגנטי עם דבק על. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: ההשפעה של קרומי המוח על ההדמיה. (A) קרומי המוח שנותרו לא חתוכים צפים למעלה, כפי שמוצג על-ידי החץ הלבן. בדוגמה זו נראית בליטה נרחבת של קרומי המוח מכיוון שהם לא הוסרו לפני הטבעה של אגרוז. בדרך כלל, קרומי המוח נשארים לא חתוכים רק עבור כמה אזורים קשים. (B) דוגמה לחיתוך גרוע עקב נוכחות של קרומי המוח בין כפיס המוח לבין החלק העליון של התלמוס. במקרה זה, חיתוך גרוע הוביל לסירוגין של פרוסה עמוקה (329) ופרוסה רגילה יחסית (330). #78-329 מייצג מדגם מס '78 סעיף מס '329 בפורטל הנתונים מוח/מוחות (C) דוגמה נוספת לדימות גרוע. במקרה גרוע יותר, הגרעין הפולווינרי המוצג על ידי החץ האדום עשוי לרדת לחלוטין. פסי קנה מידה: 0.5 מ"מ (פנל עליון), 0.5 מיקרומטר (פנל תחתון). (D) דוגמה נוספת להדמיה גרועה. קשה להסיר את קרומי המוח עמוק בתוך סולקוס הקלקרין. הצללים הנראים בסעיפים 469 ו-470 נגרמים על ידי קרומי המוח הצפים שבאו תחת המטרה. פסי קנה מידה: 0.5 מ"מ (פנל עליון), 0.5 מיקרומטר (פנל תחתון). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: יישור מקטעי רקמה לפי הסדר. (A) ניתן ליישר נכון עד 50 חלקי קורונל מרמוסט לפי הסדר במיכל פלסטיק (31 ס"מ x 22.5 ס"מ). כדי לדמיין את המבנים המפורטים, המיכל ממוקם על נייר שחור ומואר מהצד. מקטעים אלה מיושרים תחילה באופן גס בסדר ולאחר מכן כפופים ליישור מדויק. (B) היישור המדויק משתמש בכלי הדם כסמן. קליפת המוח מכילה כלי דם רבים הפועלים אנכית על פני שכבות קליפת המוח. הם מזוהים כחורים מוארכים המשנים באופן שיטתי את מיקומם בתוך שכבות קליפת המוח (חיצים לבנים). באמצעות שיטה זו, ניתן ליישר במדויק אפילו מקטעים עם מרווחים של 50 מיקרומטר. ניתן לזהות חורים בכלי דם אלה בתמונות סעיף SPTP לאישור. סרגל קנה מידה: 5 מ"מ (פנל עליון), 1 מ"מ (פנל תחתון). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: תמונה עם תאורה אחורית כתחליף לצביעת המיאלין. (A,B) החלק הזהה שימש להדמיית תאורה אחורית ולצביעת מיאלין. ראשית, החלק הורכב על זכוכית המגלשה, יובש, התייבש עם PBS, כוסה וצולם באמצעות מיקרוסקופ אור (Table of Materials). לאחר הסרת הכיסוי, אותו חלק שימש לצביעת מיאלין21 וצולם באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי. התמונה עם התאורה האחורית נרשמה לתמונת המיאלין באמצעות תוסף bUnwarpJ של ImageJ. התיבות הירוקות מציגות את התצוגות המוגדלות של כל תמונה. שימו לב שתמונות אלה מראות דפוסים כמעט זהים, אלא שהכתמת המיאלין מדמיינת מבנים סיביים טוב יותר. (ג-ה) החלק הזהה שימש להדמיה עם תאורה אחורית וצביעת ניסל. מסיכת הסף הנמוך עבור התמונה עם התאורה האחורית נרשמה לראשונה עם מסיכת הסף הנמוך עבור תמונת Nissl באמצעות תוסף bUnwarpJ, והתמונה המקורית השתנתה באמצעות אותו פרמטר. שימו לב שכלי הדם (ראשי חץ לבנים) מתאימים היטב בין שתי התמונות. מכיוון ששתי התמונות הללו מיועדות לאותו חתך, ההתאמה כמעט מושלמת, וניתן להשוות ישירות בין תבניות המיאלין והניסל לזיהוי שכבות קליפת המוח. פסי קנה מידה: 5 מ"מ (לוחות A-E). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: תוצאה אופיינית של הדמיית STPT. (A) ריצוף פשוט של תמונות Ch2 (ירוק) של קטע לדוגמה (סעיף 310 של מדגם #21). ללא תיקון רקע, הגבולות עבור כל אריח גלויים. בטור האמצעי, האריחים נתפרו עם תיקון רקע עבור Ch1 (אדום) ו- Ch2 (ירוק), בהתאמה. כדי להפחית את האותות של ליפופוסצין (ראו לוח C), אותות Ch1 הופחתו מ-Ch2 והוצגו בירוק. כדי להפחית את אותות הליפופוסצין של Ch1, נעשה שימוש בפקודה "Remove Outilers.." לפני התפירה על-ידי ImageJ. בעמודה הימנית, אותות הנותב חולקו לפי צינור עיבוד תמונה11. ראשי החצים (c, d) מראים את המיקומים שבהם מוצגות התצוגות המוגדלות בחלוניות C ו- D. סרגל קנה מידה: 2 מ"מ. (B) סקירה כללית של מקטעים טוריים עבור מדגם #21. STPT יצרה 635 תמונות קורונליות ברזולוציה גבוהה עבור מדגם זה. (C) תצוגת הגדלה גבוהה המוצגת על-ידי ראש החץ c בלוח A. זוהי שכבת על פשוטה של Ch1 (אדום) ו- Ch2 (ירוק) ללא עיבוד נוסף. המשולשים מראים אותות פלואורסצנטיים של ליפופוסצין, המראים ספקטרום נרחב. אלגוריתם פילוח העוקבים מבדיל במדויק בין אותות הנותב לבין רקע ליפופוסצין למרות צורה דומה מאוד (פאנל ימני). סרגל קנה מידה: 100 מיקרומטר. (D) דוגמה נוספת לתצוגת הגדלה גבוהה. שימו לב שסיבי אקסון עדינים בשכבה 1 יכולים להיות גלויים היטב. סרגל קנה מידה: 100 מיקרומטר. (E) שחזור תלת-ממדי של תמונות STPT מקוריות. 635 תמונות העטרה ברזולוציה נמוכה, כפי שמוצג בלוח B, שימשו כערימת tiff להדמיה תלת-ממדית באמצעות fluorender22. סרגל קנה מידה: 5 מ"מ. (F) שחזור תלת-ממדי של אותות הנותב המקוטעים הרשומים בתבנית STPT (אפור). אותות הנותב באזורים שונים במוח הוצגו על-ידי צבעים שונים. אזורים אלה נחתכו באמצעות הביאור המוצג בלוח G. סרגל קנה מידה: 5 מ"מ. (G) תבנית STPT עם ביאור של אזורי מוח שונים. סרגל קנה מידה: 5 מ"מ. (H) אות המעקב קליפת המוח המוצג בלוח F הוצג בצורה של מפה שטוחה. (I) זיהוי אתר ההזרקה על ידי פלואורסצנטיות Ch3, שהיא פחות רגישה לפלואורסצנטיות הנותבת ונשארת בלתי רוויה. סרגל קנה מידה: 1 מ"מ. (J) צביעת החלק סביב מרכז ההזרקה בנוגדן NeuN הראתה שכ-30% מהנוירונים מראים ביטוי חזק של פלואורסצנטיות ירוקה תלתן. סרגל קנה מידה: 40 מיקרומטר. קיצורים: Cx; קורטקס, רחוב; סטריאטום, ה; תלמוס, SC; קוליקולוס מעולה. איימי; אמיגדלה, ירך; היפוקמפוס, Cb; המוח הקטן. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 6: היסטולוגיה פוסט-STPT המראה עוקבים מרובים שאינם פלואורסצנטיים. (א-ג) השוואה בין תמונת STPT לתמונה מוכתמת BDA. בדגימה זו מוזרק BDA לצד הנגדי של הזרקת תלתן. לוחות A ו- C מציגים את תמונת Ch2 ואת פילוח המעקב של נתוני STPT. לוח B מציג את הצביעה שלאחר STPT עבור BDA. פלואורסצנטיות תלתן פוחתת עקב הטיפול במתנול של הקטע. סרגל קנה מידה: 2 מ"מ. (D,E) התיבות המנוקדות בלוחות A ו- B מוגדלות. סרגל קנה מידה: 100 מיקרומטר. (F,G) השוואה של תמונת STPT עם צביעת נוגדנים נגד תג myc. בדגימה זו, הזרקת תלתן היא ל- PFC, ואילו AAV-smFP-myc מוזרק לקליפת המוח הקודקודית הנגדית. המלבנים הלבנים מוגדלים בלוחות H ו-I. סרגל קנה מידה: 4 מ"מ. (H) סגמנטציה של Tracer מוצגת בירוק. סרגל קנה מידה: 200 מיקרומטר. (I) צביעת myc מוצגת באדום. פלואורסצנטיות התלתן מוצגת בירוק. סרגל קנה מידה: 200 מיקרומטר. האותות הירוקים בלוחות H ו- I נמצאים במיקום דומה אך לא זהים מכיוון ש- STPT מאחזר רק ~ 10 מיקרומטר קטע אופטי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
פרוטוקול צביעה פלואורסצנטית BDA | |
להסיר agarose | |
שטיפת כפות | 10 דקות (2x) |
1% H2O2 בתמיסה של דנט | 10 דק' |
שטיפת כפות | תמציתי |
0.5% חסימת TNB | 1 שעות |
StAvHRP (1:4000) ב- TNB | 2 לילות |
שטיפת TNT | 10 דקות (3x) |
ביוטין TSA (1:4000) אינץ' 0.1 מ' בוראט (pH8.5) + 0.003% גובה2O2 | 2 שעות |
שטיפת TNT | 10 דקות (3x) |
Cy3-streptavidin (1:1000) ב-TNT | 3 שעות |
שטיפת TNT | 10 דקות (2x) |
שטיפת כפות | שמור את המקטע עד להרכבה |
הרכבה של מקטע על זכוכית שקופיות באמצעות אמצעי הרכבה נגד דעיכה | |
פרוטוקול צביעה פלואורסצנטית נגד MYC | |
להסיר agarose | |
שטיפת כפות | 10 דקות (2x) |
חסימה ב- IB | 1 שעות |
Anti-Myc (1:4000) ב- IB | 2 בלילה |
שטיפת TNT | 10 דקות (3x) |
Anti-mouse Cy3 (1:1000) ב-TNT | 3 שעות |
שטיפת TNT | 10 דקות (2x) |
שטיפת כפות | שמור את המקטע עד להרכבה |
הרכבה של מקטע על זכוכית שקופיות באמצעות אמצעי הרכבה נגד דעיכה | |
חוצצים/פתרונות | הרכב |
0.5% TNB | מגיב חסימת TSA 0.5% ב-TS7.5 |
הפתרון של דנט | 20% DMSO, 80% מתנול |
מאגר טבילה (IB) | 10% FBS, 2% BSA 0.5% TritonX100 ב-TBS |
TBS (מלח חוצץ טריס) | 25 mM Tris, 137 mM NaCl, 2.7 mM KCl (pH 7.4) |
TNT | 0.05% Tween20 אינץ' TS7.5 |
TS7.5 | 0.1 מטר TRIS-HCl, pH 7.5, 0.15 מטר NaCl |
טבלה 1: צביעה פלואורסצנטית BDA ופרוטוקול צביעה פלואורסצנטית אנטי-מיק
פלסמיד עבור נותב AAV | מס' אדג'ין. | נוגדן מומלץ | דילול מוצע | תוצאה צפויה |
pAAV-EF1_Cre | 201198 | שיבוט Millipore 2D8 | 1:1000 | טוב לתאים |
pAAVCam1.3_smFP_Myc | 201205 | MBL M192 My3 (עכבר) | 1:4000 | מצוין |
pAAVCam1.3_smFP_HA | 201206 | CST C29F4 (ארנב) | 1:1000 | טוב לתאים |
pAAVCam1.3_smFP_FLAG | 201207 | MBL PM020B (ארנב) | 1:1000 | אוקיי |
AAVTRE3_smFP_Myc | 201208 | |||
AAVTRE3_smFP_HA | 201209 | |||
AAVTRE3_smFP_FLAG | 201210 |
טבלה 2: רשימת פלסמידים של Addgene הזמינים לייצור עוקבים שאינם פלואורסצנטיים. מבנה ה-cre מכוון לגרעין ומתאים לעקיבה לאחור עטופה ברטרו AAV2. מבנה smFP_HA טוב לזיהוי (ונסיגה של גוף התא).
סרטון משלים: מבט במיקרוסקופ על הסרת קרומי המוח. אנא לחץ כאן כדי להוריד סרטון זה.
מאמר זה הסביר את הפתרונות המעשיים לטיפול במוחות מרמוסטים לעיבוד המוח כולו, כמו גם טכניקות היסטולוגיות עזר המשפרות את התועלת של טכניקת STPT. הכוח של "נוירואנטומיה של המוח כולו" באמצעות STPT הוא שאתה יכול להשיג את הקואורדינטות התלת-ממדיות של כל אזור עניין, בין אם הוא מבואר אנטומית או לא. על ידי רישום תלת-ממד לתלת-ממד בדיוק גבוה, ניתן להפוך קואורדינטות אלה לתבנית סטנדרטית עבור שכבת-על של ערכות נתונים מרובות. בדרך זו, התבנית הסטנדרטית משמשת כמדיום של שילוב נתונים. זה היה היבט חיוני של פרויקט מיפוי קליפת המוח הקדם-מצחית שלנו (PFC)10, שבו נותחו נתונים שהתקבלו מאנשים רבים. כמו כן, ניתן להשוות את המידע הממופה לתבנית הסטנדרטית עם נתונים שונים שכבר מופו, בין אם מדובר בניסל, דפוסי מיאלין, נתוני נותב, נתוני MRI (כולל MRI דיפוזיה) או ביאורים אנטומיים11. חשוב לציין, ניתן להשוות אותו גם לנתונים עתידיים שנצברו על ידי טכנולוגיה שטרם הופיעה. קיימות כיום תבניות מרובות למוח המרמוסט, המבוססות על צביעת ניסל23, MRI 23,24,25,26,27,28 ו-STPT11. אבל הם יכולים להפוך זה לקואורדינטות של זה בהתבסס על ניגודי תמונה ופרמטרים מחושבים מראש11. שילוב נתונים בכל סולם המוח בין מחקרים תורם להבנה טובה יותר של המוח כמערכת. התנאי המוקדם להצלחת אסטרטגיה זו הוא איסוף נתונים אמין ברחבי המוח. להלן נדונים שלבים קריטיים ובעיות פוטנציאליות הקשורות לפרוטוקול הנוכחי.
אחד התהליכים הפגיעים ביותר של דימות STPT הוא חיתוך רקמות. כאמור, לעתים קרובות קרומי המוח נשארים לא חתוכים ויכולים להפריע לחיתוך. בפרט, גרעין pulvinar ואת colliculus העליון הם שני אזורי המוח מושפעים ביותר: בהתאם ליסודיות של הסרת קרום המוח והטבעה באגרוז, הם יכולים להיות מופשטים מן בלוק הרקמה במהלך חיתוך. אזורים עמוקים אלה קשים לגישה מבחוץ ויכולים להישבר בקלות במהלך הסרת קרום המוח. הסרת קרום המוח זהירה אך יסודית היא קריטית להדמיה מוצלחת. חשש נוסף הוא היפוך גב של חלקים חתוכים על גוש הרקמה, מה שקורה לפעמים כאשר החלקים נשארים מחוברים גם לאחר החיתוך. ניתן למזער אותו על ידי עיצוב הבלוק כך שהלהב חותך בצורה אלכסונית ממש בקצהו.
על ידי הדמיה עמוק לתוך בלוק הרקמה, STPT מונע את הגבשושיות של פני השטח שלה. בעוד שהאותות הפלואורסצנטיים יכולים לעבור דרך אזור קליפת המוח די בקלות, הם פוחתים מאוד באזורים המיאליניים. לכן, עומק ההדמיה צריך להיקבע בקפידה כדי לאזן בין ההדמיה העקבית על פני כל משטח הבלוק לבין בהירות האותות באזור העשיר במיאלין, כגון החומר הלבן. במערך המשמש כאן, אנו בדרך כלל מכוונים למרחק של 25-35 מיקרומטר מפני השטח. כמו כן, יש להזהיר כי המשטח החתוך עלול להתכווץ באופן לא אחיד לאחר שעות ארוכות של אחסון. כדי למזער את אזור ההדמיה, פיצלנו את סשן ההדמיה ל-20-30 ריצות עם הגדרות במה שונות למשך 5-6 ימים. אנו מבצעים את המרווח בין הריצות פחות משעתיים או מאשרים את עומק פני השטח ומתאימים את גובה הבמה לפני כל ריצה.
בפרוטוקול זה, אות BDA הוגבר על ידי שיטת TSA. שיטה זו יעילה מאוד ויכולה לזהות אותות BDA המועברים באופן אנטרוגרדי אפילו ברזולוציה נמוכה יחסית (לדוגמה, איור 6B). ביוטין TSA זמין באופן מסחרי מבית Akoya Biosciences, אך הפתרון הביתי מראה שיפור טוב בהרבה. מצד שני, דילול הנוגדן והפתרון דורש התאמה זהירה כדי להשיג את התוצאה האופטימלית. טיפול מקדים של החלק בתמיסת מתנול הוא קריטי. ללא טיפול מקדים, אותות BDA בקושי מזוהים באקסונים myelinated.
כאשר משתמשים בעוקב אנטרוגרד, לעתים קרובות קשה לזהות את האתר המדויק של ההזרקה בגלל הרוויה של אותות הפלואורסצנטיים. בכל מערך מערכת דימות הרקמה ששימש במחקר הזה, אנו משתמשים בתעלה הכחולה כדי לזהות את התאים הנגועים (איור 5I). אפילו כאשר הערוצים האדומים והירוקים רוויים, כל נוירון נגוע בודד בדרך כלל ניתן לזיהוי בערוץ הכחול. זה נכון גם עם אלן עכבר קישוריות המוח אטלס1. בדיקת תאי המקור חשובה מכיוון שהזיהום מערב לעיתים רק שכבות מסוימות. נתקלנו בזיהומים חלקיים כאלה לעתים קרובות למדי באטלס קישוריות המוח של עכבר, אולי בגלל השימוש בשיטת היונטופורזיס29. ההתפשטות הרוחבית של העוקבים הנגיפיים יכולה להיות פחות או יותר משתנה בהתאם לזריקות. שונות זו עלולה להשפיע על תוצאת המעקב ודורשת נורמליזציה זהירה.
הרישום המוצלח של התמונה התלת-ממדית המתקבלת לתבנית הסטנדרטית הוא תהליך מפתח של כל המוח נוירואנטומיה. רישום תמונת STPT לתבנית STPT יכול להיות מדויק למדי, וראינו רק סטיות של כמה ווקסלים (50 מיקרומטר איזוקובי) עבור הגבולות עם ניגודיות תמונה גבוהה10. ובכל זאת, יש גבול למה שרישום יכול לעשות. בגלל תהליך הסרת קרומי המוח, לדגימות STPT יש בדרך כלל רווחים בין ההמיספרות ובין קליפת המוח למוח האמצעי/אחורי, בעוד שרקמות המוח דחוסות היטב בתמונות MRI in vivo . הבדלים כאלה קשה להתאים על ידי רישום. קליפת המוח המרמוסטית לרוב נטולת סולצי, אך החריץ התוך-קודקודי עמוק מאוד אצל אנשים מסוימים. סולצי כזה יאבד (מתרחש היתוך מלמעלה למעלה) עם ההרשמה. למרות הרישום הוא טכניקה רבת עוצמה, יש צורך לחזור לנתונים גולמיים לאישור התוצאה שהתקבלה.
יצירת נתוני תמונה מסיביים היא גם חוזק וגם מגבלה של טכניקה זו. בעוד שהיא משפרת את שלמות מערך הנתונים, היא מחייבת ניהול זהיר של הנתונים הנרכשים ופיתוח צינור עיבוד תמונה אוטומטי לפרשנות נתונים יעילה. בעתיד, היישום של בינה מלאכותית גנרטיבית (AI) בבניית צינורות עיבוד תמונה עשוי לפשט באופן משמעותי תהליך זה. הדמיה שיטתית של המוח כולו בוצעה גם בשיטות מבוססות סורק שקופיות21,30. בהשוואה לשיטות כאלה, STPT אינו דורש חישוב נוסף לשחזור תלת ממדי. בשילוב עם חתכים אופטיים, הוכחנו של-STPT יש פוטנציאל לשחזר אפילו מקטעי אקסונים על פני מקטעים31. עם שילוב נוסף של טכניקות פינוי רקמות, Economo et al. פיתחו שיטה לדמות את כל תאי העצב המסומנים בדלילות32,33. הגרסאות האחרונות של TissueCyte מציעות כעת אפשרויות לייזר נוסף כדי לשפר את העירור של חלבונים פלואורסצנטיים אדומים או יחידת לכידת קטע להתאוששות אוטומטית של סעיפים. עם התקדמות זו, גישת המוח כולו תהפוך ליעילה יותר, ותספק בסיס להבנה מקיפה של מוח הפרימטים, כולל זה של בני האדם.
למחברים אין מה לחשוף.
אנו מודים מקרב לב לצוות הטכני במעבדת ימאמורי ובמתקני בעלי החיים (RRD) על עזרתם. אנו מודים למרכז שיתוף הפעולה RIKEN CBS-Olympus על הסיוע הטכני ברכישת תמונות קונפוקליות. עבודה זו נתמכה על ידי התוכנית למחקר מדעי בתחומים חדשניים (מענק מספר 22123009) מ- MEXT, יפן, על ידי Brain/MINDS ו- Brain/MINDS2.0 מאמד, יפן (JP15dm0207001, JP23wm0625001 ו- JP24wm0625218), ועל ידי JSPS KAKENHI מענק מספר 24K09678 ל- A.W.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Agarose type I | Sigma | A6013 | |
All-in-one fluorescence microscope | Keyence | BZ-X series | This study used BZ-X710 |
anti-mouse Cy3 | Jackson Immuno Research Laboratories, Inc. | 115-165-003 | |
anti-myc antibody | MBL | M192 | mouse monoclonal |
Butorphanol | Meiji Animal Health | Vetorphale | |
Ceramic blade | TissueVision | N/A | |
Collagenase type I | Wako Chemical | #031-17601 | Aliquot into 100 µL x 10 of 100 mg/mL in PBS |
Cotton swab (HUBY-340) | HUBY | BB-013SP | micro cotton swabs |
Custom-made chamber | N/A | N/A | The chamber consist of four side plates and one bottom plates, all made of 1 cm thick acrylic plates, which can be securely fastened together using screw bolts. An additional acrylic plate is placed inside the chamber, with three metal poles inserted through it to hold the marmoset brain in an inverted position. |
Cy3-Streptavidin | Jackson Immuno Research Laboratories, Inc. | 016-160-084 | |
Dumont #5 forceps, Inox | N/A | N/A | |
Epoxy instant mix | Locktite | N/A | |
FIJI | NIH | https://imagej.net/software/fiji/downloads | |
kn_pipeline_check_mosaic.py | N/A | N/A | github.com/watkarbey/STPT_depo; This is a checking script for TissueCyte data. |
Medetomidine | Zenoaq | Domitor | |
Midazolam | Sandoz | N/A | |
NaBH4 | Sigma | #452882 | |
NaIO4 | Sigma | S1878 | |
Perfusion needle | Natsume Seisakusho Co., Ltd | KN-348, 20G-50 | |
Slideglass (76 mm x 52 mm) | Matsunami | S9111 | |
StAvHRP | Jackson Immuno Research Laboratories, Inc. | 016-030-084 | HRP-streptavidin (titration needs to be carefully determined) |
TissueCyte1000 | TissueVision | https://www.tissuevision.com/tissuecyte | |
TSA blocking reagent | Kiko Tech | FP1012 | Refer to TSA-biotin kit (Akoya Biosciences) |
TSA-biotin | House-made | N/A | See Okamoto et al (ref. 16) |
VECTASHIELD HardSet Mounting Medium | Vector laboratories Inc | N/A | Antifade mounting medium |
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