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Questa relazione dimostra una tecnica per isolamento meccanico di singoli neuroni vitali mantenendo attaccato boutons presinaptica. Vibrodissociated neuroni hanno il vantaggio di una produzione rapida, eccellente controllo farmacologico e migliorato lo spazio-clamp senza influenza dalle cellule vicine. Questo metodo può essere utilizzato per l'imaging di elementi sinaptica e di patch-clamp registrazione.
Meccanica dissociazione dei neuroni del sistema nervoso centrale ha il vantaggio che boutons presinaptica rimangono attaccati al neurone isolato di interesse. Questo consente per l'esame della trasmissione sinaptica in condizioni in cui gli ambienti extracellulare ed intracellulare postsinaptici possono essere ben controllate. Una vibrazione a base di tecnica senza l'uso di proteasi, noto come vibrodissociation, è la tecnica più diffusa per l'isolamento meccanico. Una micropipetta, con la punta fuoco lucidato alla forma di una pallina, viene inserito in una fetta del cervello fatto da un P1-P21 roditori. La micropipetta è vibrato parallela alla superficie fetta e abbassare lo spessore della fetta con conseguente liberazione di neuroni isolati. I neuroni isolati sono pronti per lo studio in pochi minuti di vibrodissociation. Questa tecnica ha dei vantaggi rispetto all'uso di colture primarie neuronali, fettine di cervello e neuroni isolati enzimaticamente tra cui: la produzione rapida di vitale, neuroni relativamente matura adatto per studi elettrofisiologici e di imaging, controllo superiore dell'ambiente extracellulare libero dall'influenza delle cellule vicine; idoneità per esperimenti farmacologici ben controllati con l'applicazione rapida di droga e superfusione cellulare totale e migliorato lo spazio-clamp nelle registrazioni relativi ai neuroni in fetta o preparati colture cellulari a cellula intera. Questa preparazione può essere utilizzato per esaminare sinaptica fisiologia, farmacologia, la modulazione e la plasticità. Imaging in tempo reale di entrambi gli elementi pre-e post-sinaptici nelle cellule viventi e boutons è possibile anche utilizzando i neuroni vibrodissociated. Caratterizzazione dei costituenti molecolari degli elementi pre-e post-sinaptici può essere ottenuta anche con approcci immunologici e di imaging-based.
1. Preparazione di fiamma Sealed Glass Micropipetta
2. Preparazione di sezioni di cervello da P1-P21 ratti o topi
3. Vibrodissociation
4. Registrazione elettrofisiologiche
5. Terminali Imaging Presinaptico
6. Rappresentante dei risultati:
Spontanea e corrente di iniezione-Evocati dei neuroni Vibrodissociated
Registrazioni da una tipica vibrodissociated neuroni piramidali CA1 dell'ippocampo sono mostrati in Figura 4A. Potenziali d'azione spontanei superamento può essere osservato nei neuroni piramidali dissociato dal ratto basolaterale dell'amigdala, dell'ippocampo e VTA 1,5. Durante il corso-clamp registrazioni da neuroni piramidali CA1, iperpolarizzante iniezione di corrente produce risposte tensione tipica, mentre le correnti depolarizzanti di ampiezza sufficiente suscitare potenziali d'azione superamento con il modello tipico cottura ritardato con moderati livelli attuali e non ospitare potenziali d'azione in risposta alla forte iniezione di corrente ( Figura 4B).
Spontanea e in miniatura GABAergici correnti inibitorie postsinaptici nei neuroni Vibrodissociated
Durante voltage-clamp registrazioni con un CsCl soluzione basata intracellulare, spontaneo correnti sinaptiche sono osservati (Figura 5A). Questi eventi sono eliminati in basso contenenti calcio soluzione di 2,6, e nella maggior parte dei tipi di neuroni sono completamente bloccate da antagonisti dei recettori GABA A come bicucullina o gabazine (Figura 5B, C), indicando che questi sono sIPSCs mediata dal rilascio di GABA e l'attivazione di questo sottotipo recettoriale ionotropici. Tuttavia, nei neuroni principali da regioni cerebrali come l'amigdala basolaterale 2 e l'area ventrale tegmentale 5,7, blocco dei recettori GABA Arivela EPSCs durata inferiore glutammatergica mediata dall'attivazione di recettori AMPA-tipo. È interessante notare che l'applicazione di TTX a concentrazioni che sono specifici per il blocco della maggior parte della tossina sensibili voltaggio-dipendenti canali del sodio riduce la frequenza e l'ampiezza del sIPSCs osservato nei neuroni vibrodissociated da regioni cerebrali diverse (Figura 6A) 2,4,7. Così, l'attività del canale sodio partecipa a rilascio di GABA nel boutons sinaptica pizzicato-off. Non è ancora chiaro se in piena regola potenziali d'azione di sodio si verificano in questi terminali. Vale la pena notare che la resistenza di ingresso di un ben chiuso 1 terminale assone diametro mM è probabile che sia anche nella gamma GΩ. Così, l'apertura anche di un piccolo numero di canali del sodio potrebbe essere sufficiente per depolarizzare terminali per attivare i canali di calcio che mediano la secrezione di accoppiamento eccitazione. A proposito di questi canali del calcio, l'evidenza suggerisce che N e P / Q-type canali partecipare a rilasciare ai terminali GABAergici nella preparazione vibrodissociated da CA1 dell'ippocampo e altrove 8.
Modulazione e la plasticità della trasmissione da una serie di neurotrasmettitori e recettori è stata esaminata utilizzando i neuroni vibrodissociated 3,4,9. I neurotrasmettitori dimostrato di avere le azioni modulatori quali sono adenosina, GABA, serotonina, gli endocannabinoidi, ecc 2,6,10,11,12. Inoltre, a breve termine plasticità sinaptica, come endocannabinoide-dipendenti depolarizzazione indotta soppressione di inibizione (DSI) è stata descritta anche in questa preparazione 2,11. Questi risultati indicano che molte forme di recettore-mediata e trans-sinaptica segnalazione da neuromodulatori endogeni sono intatte nella preparazione vibrodissociated.
Transienti di calcio e di rilascio vescicolare Terminal Axon nella preparazione Vibrodissociated
Utilizzando il EMCCD attrezzato microscopio invertito descritto sopra, abbiamo esaminato transienti di calcio in terminali presinaptici nel vibrodissociated neurone-Bouton preparazione. La Figura 2 mostra carico cella con AM-esterificati diluizione colorante Fluo-4 e la successiva post-sinaptici in un neurone piramidale CA1 dell'ippocampo. Transienti di calcio spontanee sono osservati in alcuni coloranti pieno boutons mostrato come regioni di interesse (ROI) in Figura 6B. Applicazione di 1 mM tetrodotossina (TTX) elimina questi transitori spontanee, indicando che essi sono mediati dall'attivazione del voltaggio-dipendenti delle correnti di sodio che sono spontaneamente attivati in boutons, portando ad aumenti di calcio successive. L'aumento KCl extracellulare da 10 mm a 40 mm con lo scambio soluzione rapida produce un aumento della fluorescenza misurata in ROI che corrispondono ai terminali presinaptici (Figura 7A). Registrazione simultanea dal neurone postsinaptico viene utilizzato per monitorare sIPSCs e determinare se la frequenza di eventi è aumentato di alta depolarizzazione K + (Figura 7B).
Per visualizzare la fusione delle vescicole nel boutons presinaptico abbiamo utilizzato topi che esprimono il synaptopHlourin costruire sotto il controllo del promotore Thy1 (etichettato spH21 topi). SynaptopHluorin in un costrutto molecolare, in cui eclittica pHlourin (un mutante GFP con pH maggiore sensibilità) 12 è legato alla proteina associata vescicola membrana (VAMP2) 13. Questa disposizione colloca il motivo pHlourin nel lume delle vescicole dove l'ambiente relativamente acido spegne fluorescenza. Su fusione delle vescicole questo motivo è esposto l'ambiente più neutrale extracellulare con un conseguente aumento della fluorescenza a puncta che corrispondono a vescicole / terminali presinaptici. Vibrodissociation dei neuroni dell'ippocampo di topo spH21 permette la visualizzazione di puncta fluorescenti delle dimensioni e della posizione prevista per i terminali GABAergici (Figura 8A). L'applicazione delle high-K + - contenente soluzione esterna aumenta la fluorescenza in questi terminali, e questo effetto è bloccata in presenza di una soluzione esterna in cui è ridotto il calcio extracellulare a 0,2 mm (Figura 8B). Così, la depolarizzazione indotta aumento della fluorescenza sembra riflettere accoppiamento eccitazione-secrezione a livello delle sinapsi dei neuroni GABAergici nella preparazione-Bouton.
La capacità di misurare transienti di calcio presinaptico e la fusione delle vescicole nei terminali degli assoni del neurone-bouton preparazione ci permette di esaminare gli effetti di neuromodulatori, farmaci d'abuso e sui meccanismi di plasticità sinaptica presinaptici coinvolti nella secrezione di accoppiamento eccitazione-esocitosi e / endocitosi. Queste tecniche possono anche essere combinato con altri strumenti molecolari e geneticamente topi per esaminare il ruolo delle proteine particolare nella funzione presinaptica e la modulazione / plasticità.
Figura 1. Vibrodissociated neuroni della regione CA1 dell'ippocampo (A) Fusione di immagine DIC uno° verde immagini di fluorescenza da un mouse GAD65. Immagine DIC è fusa per mostrare chiaramente le posizioni dei terminali verde (B) da una immagine a fluorescenza (spH21) topo synaptophluorin. Barra di scala = 10 micron
Figura 2 di calcio su indicatori procedura di caricamento: (A) cellula intera è caricata con AM-esterificati colorante; (B) a cellula intera registrazione diluisce colorante; (C) i terminali sono visualizzati come regioni di interesse (punte di freccia)..
Figura 3. Schema del setup sperimentale per il controllo simultaneo a cellula intera registrazione e immagini di calcio in terminali presinaptici in neuroni vibrodissociated. EMCCD = carica dell'elettrone moltiplicando dispositivo ad accoppiamento.
Figura 4. Rappresentante mostrando forme d'onda (A) potenziali d'azione spontanei da un neurone vibrodissociated CA1 e (B) le risposte potenziale di membrana a iperpolarizzante e depolarizzanti iniezioni di corrente in corrente-clamp registrazioni da un neurone CA1.
Figura 5. (A) Rappresentante di forme d'onda iPSCs spontanea da un neurone piramidale CA1. (BC) La iPSCs sono stati bloccati da entrambe le gabazine (10 mM; B) o bicucullina (20 mM; C).
Figura 6. TTX inibisce spontanea la trasmissione sinaptica GABAergici, ed elimina i transitori di calcio presinaptico nella preparazione vibrodissociated dell'ippocampo. (A) Registrazione da un neurone vibrodissociated prima e durante l'applicazione TTX. Si noti la diminuzione della frequenza e l'ampiezza di sIPSCs. (B) transienti di calcio osservata in un Fluo-4-terminale presinaptico caricato su un neurone vibrodissociated prima e durante l'applicazione TTX. Si noti la perdita completa dei transitori.
Figura 7. Simultanea di immagini indicatore di calcio e sIPSC a cellula intera registrazione che mostra gli effetti di alta K + stimolazione. (A) Fluorescenza misurati nel tempo da un bouton presinaptico caricato con Fluo-4:00 colorante. (B) contestuale aumento della frequenza e ampiezza sIPSC durante l'alta applicazione K +.
Figura 8. Ca 2 +-dipendente ad alta K + risposta boutons presinaptico di spH21 neuroni piramidali della regione CA1 dell'ippocampo. (A) immagine di fluorescenza di un neurone vibrodissociated. (B) High-K applicazione + (indicato dalla barra nera) ha determinato un aumento sostenuto della fluorescenza in presenza del nostro normale extracellulare di Ca 2 +, che contiene la soluzione (2 mM Ca 2 +). Nessun aumento è stato osservato fluorescenza a basso extracellulare di Ca 2 + (0,2 mM Ca 2 +). I dati nel grafico sono stati normalizzati per pre-high-k + i livelli di fluorescenza, e mostrano medio di risposta da 3 boutons.
Vibrodissociation di successo richiede che le fette contengono neuroni sani e che gli spazi interstiziali sono sufficientemente flessibili da consentire neuroni per uscire dalla fetta senza danni tossici. Così, la tecnica funziona in modo ottimale alle prime età post-natale (P1-21), quando fette sano può essere fatto con materiali meno gliali / interstiatial che si trova a fette cervello adulto. Nella nostra esperienza, tuttavia, ottimizzando la preparazione fetta per la sopravvivenza neuronale nella fetta stesso può essere controproducente per la tecnica vibrodissociation. Mentre noi abitualmente preparare fette di registrazione in situ utilizzando freddo aCSF modificata, in cui saccarosio è stato sostituito per gran parte della Na + extracellulare e Ca 2 +, fette preparato per vibrodissociation possono essere preparati (per esempio taglio) nel nostro aCSF registrazione normale. Nel preparare fette per la registrazione da singoli neuroni nelle stesse fette abbiamo anche posto le fette in aCSF normale a 35 ° C subito dopo il sezionamento e lasciarli per 30-60 minuti a questa temperatura prima di tornare a temperatura ambiente. Tuttavia, fette preparato per vibrodissociation vengono spostati immediatamente a temperatura ambiente subito dopo taglio. Queste procedure forniscono un rendimento più elevato di neuroni sani dopo vibrodissociation, forse a causa della mancanza del tessuto interstiziale ditta che permette ai neuroni di essere più facilmente scosso allentato dalla stessa fetta. Non abbiamo modo esaustivo esame delle condizioni di preparazione fetta, come di routine ottenere neuroni sufficienti per la nostra registrazione ed esperimenti di imaging in un dato giorno. E 'possibile che ulteriori modifiche, come i cambiamenti nello spessore fetta o procedure preincubaton, potrebbe essere fatto per aumentare la produzione di neuroni sani. Trattamenti proteasi molto mite sono state provate in uno sforzo per aumentare la resa delle cellule e ottenere la tecnica di lavorare in animali anziani. Tuttavia, immancabilmente anche il trattamento della proteasi mite sembra disturbare la funzione sinapsi. Così, mentre la combinazione di proteasi e di dissociazione meccanica possono ancora essere trovati al lavoro non si è dimostrato affidabile in neuroni proencefalo fino ad oggi.
Va inoltre notato il rendimento relativamente basso di neuroni sani dopo vibrodissociation significa che la tecnica è soprattutto utile per lo studio abbondante sottotipi neuronali, soprattutto i neuroni di proiezione. La disponibilità di GFP-esprimere i topi in cui le piccole sottopopolazioni neuronali possono essere facilmente identificate aumenta la possibilità di studiare questi neuroni più rari. Tuttavia, a meno resa neuronale può essere migliorata notevolmente l'accumulo di dati su questi neuroni è probabile che sia relativamente lento.
Varie fasi hanno dimostrato di essere decisivo per il caricamento di successo di neuroni con il calcio-sensing coloranti. L'esposizione a AM-esterificati tintura viene eseguita a 37 ° C, e abbiamo avuto successo nel tentativo di tintura di carico a basse temperature. La concentrazione dei coloranti devono essere ottimizzati in termini di tempo di carico e la temperatura in quanto sembra che più alta concentrazione di colorante di caricamento abbassa la concentrazione di calcio nel boutons presinaptico. Abbiamo osservato che a concentrazioni più elevate di carico diminuisce la frequenza e l'ampiezza delle sIPSCs. Quando si carica sensibile al calcio, coloranti in terminali presinaptici di neuroni vibrodissociated, bisogna fare attenzione perché la capacità tampone del boutons piccolo presinaptico può essere diverso nel soma e le dimensioni dei boutons non sono coerenti. Neuron contenenti i piatti vengono lavati con HEPES-buffered soluzione esterna seguente colorante di caricamento e il tempo di recupero dopo il lavaggio è cruciale. Inoltre, per fare una buona tenuta per tutta la registrazione da cellula, le cellule devono essere accuratamente lavati per sbarazzarsi di molecole di colorante non interiorizzato dalla membrana cellulare esterna.
Oltre a utilizzare i neuroni vibrodissociated per l'imaging cellulare elettrofisiologia e di vivere, tecniche immunocitochimiche può essere applicato anche a queste cellule 11,12. Le celle possono essere facilmente fissate e colorate con una varietà di anticorpi, e marcatori cellulari di altri. L'utilizzo di queste cellule fornisce una preparazione pulita per la visualizzazione di espressione della proteina in GABAergico terminali presinaptici. Utilizzando topi che esprimono proteine fluorescenti sotto il controllo di promotori specifici per i neuroni GABAergici consente al ricercatore di identificare i singoli terminali sinaptici nella preparazione vibrodissociated (Figura 1). Marcatori fluorescenti immagini di questo tipo può consentire misurazioni morfologiche nei terminali utilizzando laser a base di microscopia e più recenti tecniche come STED (Emission Microscopy stimolazione Depletion). Visualizzazione con coloranti che riportano ciclismo delle vescicole sinaptiche è possibile anche con questa preparazione. Akaike e collaboratori hanno etichettato terminali GABAergici con il colorante styryl, FM1-43 per visualizzare i terminali nelle cellule viventi 4.
Dovrebbe anche essere possibile effettuare cella singola transcriptasi inversa PCR per profilo di espressione di RNA in vibrodissociatedneuroni. Questa tecnica è utilizzata abitualmente per enzimaticamente dissociati neuroni e neuroni cresciuti in coltura cellulare.
Vorremmo riconoscere Drs. Ping Zhu e Susumu Koyama per la loro assistenza durante la configurazione iniziale della tecnica, e il Dr. Veronica Alvarez per l'assistenza nella formattazione del manoscritto. Questo studio è stato finanziato dalla Divisione di Intramurale Ricerca Clinica e Biomedica del NIAAA.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Voce | Azienda | Catalogo | Commenti |
Vibrante Slicer Tissue | Leica Microsystems Inc. | VT1200S | |
Cellule Dish Cultura (35 mm) | BD Falcon | 353001 | |
Fondo di Vetro Piatti | Willco-piatto | GWSB-5040 Oppure GWSB-3522 | 0,16-0,19 vetro mm di spessore per l'imaging |
Manipolatore piezoelettrico | EXFO-Burleigh | LSS-3000 | Potrebbe anche usare relè, ecc |
SD9 Piazza impulsi dello stimolatore | Grass Technologies | SD9K | Per l'attivazione manipolatore piezoelettrico |
Dissezione stereoscopio | Selvatico Heerbrugg | TYP 374590 | Anche usare un'altra stereoscopio |
Flaming / Brown micropipetta estrattore | Sutter strumento | P-97 | |
Sottile parete di vetro Capillari | Mondo Strumenti di precisione | TW-150F-4 | Per la fiamma micropipetta di vetro sigillato e patch micropipetta |
Sei Canale perfusione Valve Control Systems | Warner Instruments | VC-6 o VC-6M | |
Perfusione Fast-Passo | Warner Instruments | SF-77B | |
Microscopio invertito con obiettivi 20-63x | Nikon | TS200 Diaphot | |
EMCCD Camera | ANDOR Tecnologia | ixon EM + DU-888 | |
Eccitare fluorescenza illuminazione Light Source | EXFO Photonics Solutions Inc. | X-Cite 120PC | |
Fluo-4, AM indicatore di calcio | Molecular Probes | F14201 |
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