Method Article
This video article describes experimental procedures to study long-term plasticity and its associative processes such as synaptic tagging, capture and cross-tagging in the CA1 pyramidal neurons using acute hippocampal slices from rodents.
Synaptic tagging and capture (STC) and cross-tagging are two important mechanisms at cellular level that explain how synapse-specificity and associativity is achieved in neurons within a specific time frame. These long-term plasticity-related processes are the leading candidate models to study the basis of memory formation and persistence at the cellular level. Both STC and cross-tagging involve two serial processes: (1) setting of the synaptic tag as triggered by a specific pattern of stimulation, and (2) synaptic capture, whereby the synaptic tag interacts with newly synthesized plasticity-related proteins (PRPs). Much of the understanding about the concepts of STC and cross-tagging arises from the studies done in CA1 region of the hippocampus and because of the technical complexity many of the laboratories are still unable to study these processes. Experimental conditions for the preparation of hippocampal slices and the recording of stable late-LTP/LTD are extremely important to study synaptic tagging/cross-tagging. This video article describes the experimental procedures to study long-term plasticity processes such as STC and cross-tagging in the CA1 pyramidal neurons using stable, long-term field-potential recordings from acute hippocampal slices of rats.
The encoding and storage of information in the brain still remains the most significant and keenly pursued challenge in neuroscience. Over the years, long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD) have emerged as the leading cellular correlates of memory1,2. These activity dependent changes, which exhibit input specificity and associativity, result in the stabilization of memory traces in the neuronal networks 1,3,4. The maintenance of the two forms of synaptic plasticity requires the synthesis of plasticity-related products (PRPs)5-10. Synapse specificity that involves the interaction of newly synthesized protein only with specific activated synapses expressing LTP or LTD, is critical to memory. This specificity is explained by the concept of ‘Synaptic Tagging and Capture’ (STC), where the PRPs interact with recently active, ‘tagged’ synapses11,12. The STC process offers a framework for associative properties of memories at the cellular level. It provides us with a conceptual basis of how short-term forms of plasticity are transformed into long-lasting forms of plasticity in an associative and time-dependent manner13.
During the process of STC, a strong tetanization in one input that leads to protein synthesis dependent late-LTP, results in the reinforcement of a protein synthesis independent early-LTP induced in another independent input on to the same population of neurons into a persistent one13. The setting of a local synaptic tag by a transient neural activity and the synthesis of the diffusible PRPs by the strong neural activity are the two key events during STC13,14. The capture of the PRPs by the recently potentiated ‘tagged’ synapses is fundamental to the maintenance of long-term potentiation. Many studies have been done to confirm the existence of STC phenomenon15-17 and identify the candidate ‘tags’18 and ‘PRPs’19. Calcium/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) and extracellular signal-regulated kinase1/2 (ERK1/2); CaMKIV, Protein Kinase M (PKM) and brain-derived neurotrophic factor (BDNF) are some of the candidate molecules for ‘tag’ and ‘PRP’ respectively19-21. The synaptic tagging model has further been expanded to include the positive associative interactions between LTP and LTD - the “synaptic cross-tagging”22. In synaptic cross-tagging, a late LTP/ LTD in one synaptic input transforms the opposite protein synthesis-independent early-LTD/LTP in an independent input into its long-lasting form or vice versa22.
The hippocampal slice preparation is the most widely used model in the studies of long-term synaptic plasticity23,24. Much of the understanding about the concepts of synaptic tagging and cross- tagging arises from the studies done in CA1 region of the hippocampus and because of the technical complexity many of the labs are still unable to study these processes. Experimental conditions for the preparation of rat hippocampal slices and the recording of stable late-LTP/LTD for extended hours are extremely important to study synaptic tagging/cross-tagging23,25,26. This article describes the detailed experimental procedures for studying long-term plasticity processes such as STC and cross-tagging in the CA1 pyramidal neurons using stable, long-term field-potential recordings from acute hippocampal slices of rats.
すべての動物の手順は、シンガポール国立大学の施設内動物管理使用委員会(IACUC)によって承認されました。
人工脳脊髄液の1.準備(ACSF)
インターフェイス商工会議所の調製
注:スライスをインキュベートし、電気生理学的記録( 図2B)の間にそれらを維持するために使用されるインターフェース脳切片室は、2つの区画で構成されています。下部チャンバは、温度制御装置により32℃に維持した水を蒸留し、連続的にカルボゲンを通気含ま。
急性海馬スライスの調製
注:解剖プロトコルは冷たいACSFに動物由来の脳の(1)の取り外しと(2)の単離および海馬のスライスで構成されています。ニューロンは、生存したままで分離し、すぐに冷たいACSFで脳を配置し、全体を完了するために、3-5分以内にスライスを含むプロセス。
4.録音CA3-CA1シナプスの応答
注:フィールドの潜在的な記録のために使用される電気のセットアップは 、図2Aに示されています。ファーラ電気的干渉は、電気の設定を適切に接地した後に制御を超えている場合はその日のケージを強くお勧めします。沈め、インターフェース室の多くの異なる種類が市販されています。しかし、インターフェース室は、その中のスライスを呈する、より堅牢なシナプス応答として好ましいです。
スライス室と灌流システムの5.洗浄
記載された方法は、LTP / LTDなどのシナプスタグ付けおよび成体ラットの急性海馬スライスからのクロスキャプチャとしての連想相互作用の長期的なフォームを研究するために使用されている。23この技術は、両方のラット(Wistar系)を用いた実験のために有効であることが分かっていますマウスの様々な30,31を株。方法論は、最大8〜12時間の安定したLTP記録のために正常に使用されています。32
早期LTPの;( 図3B、黒丸 S2)、それによって形質転換しそうでなければ減衰形(1入力(S1)の弱い強直誘発によって設定された「タグ」は、「PRPの「別の独立しているが、重複入力の強い強直誘発により誘導されるをキャプチャ長期的な1( 図3B、白丸)にS1で-LTP)(WTETによって誘発される早期LTPの比較については20,33を参照してください )。弱いによって捕獲のPRP強直誘発セットタグは必ずしもイキによって誘発される後期LTPから来る必要はなく、またSLFSによって誘発される後期株式会社によって提供することができます。 LTPとLTDとの間に正の連想このタイプの相互作用は、「クロスタグ付け/キャプチャ」と呼ばれています。 S1でWTET誘発性の早期LTPはS2でSLFSによって誘発される後期株式会社が提供するのPRP( 図3C、黒丸)を捕捉することにより後期LTP( 図3C、白丸)に強化されます。自身のベースラインと比較した場合に統計的に有意な増強またはくぼみは、両方の場合において、S1及びS2に維持された(ウィルコクソン検定、P <0.05)。
が発生するタグ-PRPの相互作用のために、2つのイベント(弱前強い/強い・ビフォア・弱)の時間的順序は、二つのイベント間の時間ウィンドウは30〜60の範囲内にある限り、重要ではありません分。それはでは、第3の独立しているが、重複シナプスを含めることが賢明だろう入れて、レコーディングの安定性を監視するために、ベースラインコントロールとして使用します。 LTP / LTDの早期及び後期のフォームを誘導するために使用される電気刺激プロトコルは、STCの実験で使用する前に、一貫性と信頼性のための単一入力の実験で検証する必要があります。また、これらの実験の成功は、スライスの品質に大きく依存しているため、プロトコルに記載スライス標本の方法論の重要性を強調したいと思います。
海馬の解剖に使用される図1(A)ツール:(a)は、包帯はさみ(b)のアイリスはさみ(C)骨骨鉗子(d)の薄いヘラ、ソフト(E)スカルペル番号11(F)鎌状スケーラー(G)シャーレやビーカーに合わせて-bristleペイントブラシ(H)プラスチックパスツールピペット(I)ろ紙(85ミリメートル)(J)ろ紙(30ミリメートル)(k)のガラスビーカー(L)アルミ冷却ブロック(m)をペトリ皿。(B)手動組織チョッパー。 (a)は、プラットフォーム(b)は、ブレードホルダー(C)バーニアマイクロメートル、解像度10ミクロンで腕を切断。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図2電気生理学セットアップ(A)刺激剤からなるフィールドポテンシャルの記録のための(b)は、差動増幅器(c)は、アナログ-デジタル変換器(D)オシロスコープ(E)取得ソフトウェア(F)を有するコンピュータVibration-耐性テーブルトップ(G)> 4倍の倍率(H)インターフェイス脳スライスチャンバー(I)ACSFとカーボゲン供給のための潅流システム(J)温度コントローラ(k)は、照明源(L)電極ホルダーとマニピュレータと顕微鏡。 (B)インタフェース脳スライスガラスキャピラリーに封入されたインターフェースチャンバー内のチャンバー。(C)&(D)海馬スライス。(E)ステンレス鋼電極 。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図3(A)フィールド電位記録用横断海馬スライスと電極位置の略図:この表現では、二つの刺激電極(S1及びS2)を刺激するためにCA1領域の放線状層中に配置された2つの独立したが、重複CA1錐体ニューロンへのシナプス入力。 2つの細胞外記録電極、頂端樹状コンパートメントからレコードフィールドEPSP(興奮シナプス後電位)に1と錐体細胞から体細胞集団のスパイクを記録するために別の体は、それぞれ放線層と層の三角骨に配置されています。 CA1-アンモン角領域1、CA3-アンモン角領域3、DG-歯状回、SC-シャファー側枝繊維、S1-刺激電極1、S2刺激電極2(B)弱いSTCを研究するための強力なパラダイムの前に:弱い強直誘発(WTET)は後期LTPを誘導するために30分でS2(黒丸)の強力な強直誘発(STET)に続く早期LTPを誘導するためのS1(白丸)に適用されます。 S1で初期LTPはタグ付けを示す後期LTPに強化され、クロスタグを研究するための強力なパラダイムの前に(N = 6)(C)弱相互作用をキャプチャします:早期LTPが続くS1(白丸)にWTETによって誘導されます30分後にSLFSを使用してS2の後半-LTDの誘導(黒丸)によります。 S1では、初期LTPは、クロスタグとキャプチャを示す6時間持続する後期LTPに変換された(n = 6)。シングル矢印は早期LTPを誘導するために適用される弱い強直誘発を表します。矢印のトリプレットを表します後期LTPを誘導するための強力な強直誘発。破線矢印はSLFSは後期LTDを誘導するための代表的なシナプスの入力に印加された時点を表します。エラーバーはSEMを示す。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
急性海馬スライスは、LTPや、STC、クロスキャプチャなどの他の機能的可塑性のプロセスの研究のための優れたモデル系です。それは、海馬の回路の層構造のネットワークの多くを保存し、正確な電極位置を可能にし、血液脳関門なし、と並んで迅速な神経薬理学的操作のためのオープンプラットフォームを提供しています。
この記事では、若い成体ラットから実行可能な急性海馬スライスの調製のための方法論を説明し、STCとクロスタグ付けを調査するためにそれらを使用。これまでの研究は、性別や動物の年齢は電気生理学的研究で使用するために考慮すべき重要な因子であることを強調している。完全に表現成人受容体の機能(5-7週齢のWistar系雄性ラット)で27,28したがって、若い成体動物が使用されている。23非対称性左右の海馬との間の接続にげっ歯類29で指摘されており、NMDA受容体の発現に大きな違いがよく34として報告されています。私たちは以前のLTPの研究と一致するために、右海馬を使用している。23,32しかしながら、海馬のいずれかがあれば、整合性が維持されているとして使用することができます。
任意のプロトコルのように、それは、単離および組織が、伸び損傷し、乾燥または低酸素レンダリングされませんすぐに手続きをスライスするが世話を行うことが非常に重要です。 pH、温度および溶液のイオン組成の変化はスライスし、結果の実行可能性に大きな影響を持つことができます。したがって、このような変動は、避けるべきです。これは、製造工程中に発生するグルタミン酸受容体依存性カルシウム放出の不可逆的神経組織35,36、37でタンパク質合成に影響を与えることができることが観察されました。マニュアル組織スライサーを使用すると、VIと比較して非常に迅速に完了するためのプロセスを可能にすることにより、これを最小化するのを助けることができますbraslicers。しかし、多くの研究室にも効果的にスライスの生存率を維持するために必要な予防措置をvibraslicersを使用しています。考慮すべきもう一つの重要な要因は、実験を開始する前に、長い潜伏期間です。これは準備23時に発生する擾乱後のスライスにおける代謝状態およびキナーゼ活性化レベルの安定性を達成するために本当に重要であることが指摘されています。このような安定性は、長期的な録音の一貫性のために必要です。私たちは、この観察に再強調し、約3時間の長いインキュベーション時間を示唆しています。
刺激パラメータの様々なLTPを誘導することが知られているが、それぞれの場合に誘発される分子機構は(総説については38を参照)と同じでなくてもよいです。これは、順番に、シナプスタグおよび捕捉の実験の結果に影響を与えることができ、耐久性およびLTPの他の特性に影響を与えることができます。したがって、それは、刺激パラダイムと特性を検証することが重要です行う実験室の条件の下で誘発LTPのと一貫性を維持します。
我々は一般的に非常に大きなシナプス前繊維ボレーであり、最大0.5 mVの未満fEPSPsと録音も拒否されている間に繊維ボレーの大幅な変更を伴う実験で実験を考慮していません。さらに、二経路または三経路実験を実行しながら、その経路の独立性を確保することが重要です。これは、対のパルスの円滑プロトコル28を用いて行うことができます。
インターフェイス記録システムの一つの欠点は、チャンバーと周囲との温度と湿度の違いによる長時間録画時間中に電極上に凝縮液滴の形成です。これらの液滴は、慎重に時間から時間にブロットする必要があります。そうしないと液滴はスライス上に滴下し、乱れや信号のさえ喪失を引き起こす可能性があります。我々は通常、このBに取り組みますyが巧み電極に触れることなく、細い濾紙芯を用いて顕微鏡下で導かれた液滴をブロッティング。しかし、最善の解決策は、エジンバラ大学の研究者によって開発されたETCシステムとして、集中型の加熱システムを使用することです。
結びのノートでは、様々な方法論は、異なる実験の目的のために海馬スライスの調製のために使用され、世界中の研究室に存在します。手順のそれぞれは、他の上にいくつかの利点を提供しています。一つ注意深く実験の目的に適合するように、プロトコルの微細な詳細を最適化する必要があります。この記事は、STCやクロスキャプチャなど後期連想プロセスを研究するための方法論のいくつかの側面を改善するのに役立つことを願っています。
このビデオの記事のためのオープンアクセスがCerebosパシフィック・リミテッドが主催しています。
This video article is sponsored by Cerebos Pacific Limited. This work is supported by National Medical Research Council Collaborative Research Grant (NMRC-CBRG-0041/2013) and Ministry of Education Academic Research Funding (MOE AcRF- Tier 1 - T1-2012 Oct -02).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
I. Dissection Tools | |||
1. Bandage scissors | KLS Martin, Germany | 21-195-23-07 | |
B-Braun/Aesculap, Germany | LX553R | ||
2. Iris scissors | B-Braun/Aesculap, Germany | BC140R, | |
BC100R | |||
3. Bone rongeur | World Precision Instruments (WPI), Germany | 14089-G | |
4. Scalpel | World Precision Instruments (WPI), Germany; | 500236-G | |
B-Braun/Aesculap, Germany | |||
BB73 | |||
5. Scalpel blade#11 | B-Braun/Aesculap, Germany | BB511 | |
6. Sickle scaler | KLS Martin, Germany | 38-685-00 | |
7. Angled forceps | B-Braun/Aesculap, Germany | BD321R | |
8. Anesthetizing/Induction chamber | MIP Anesthesia Technologies (Now, Patterson Scientific), Oregon | AS-01-0530-LG | |
II. ACSF component chemicals | |||
1. Sodium chloride (NaCl) | Sigma-Aldrich | S5886 | |
2. Potassium chloride (KCl) | Sigma-Aldrich | P9541 | |
3. Magnesium sulphate heptahydrate (MgSO4.7H20) | Sigma-Aldrich | M1880 | |
4. Calcium chloride dihydrate (CaCl2.2H2O) | Sigma-Aldrich | C3881 | |
5. Potassium phosphate monobasic (KH2PO4) | Sigma-Aldrich | P9791 | |
6. Sodium bicarbonate (NaHCO3) | Sigma-Aldrich | S5761 | |
7. D-Glucose anhydrous (C6H12O6) | Sigma-Aldrich | G7021 | |
III. Electrophysiology Instruments | |||
1. Microscope | Olympus, Japan | Model SZ61 | |
2. Temperature Controller | Scientific Systems Design Inc. Canada | PTC03 | |
3. Differential AC Amplifier | AM Systems, USA | Model 1700 | |
4. Isolated Pulse Stimulator | AM Systems, USA | Model 2100 | |
5. Oscilloscope | Rhode & Schwarz | HM0722 | |
6. Digital-Analog Converter | Cambridge Electronic Design Ltd. Cambridge, UK | CED-Power 1401-3 | |
7. Interface Brain Slice Chamber | Scientific Systems Design Inc. Canada | BSC01 | |
8. Tubing Pump | Ismatec, Idex Health & Science, Germany | REGLO-Analog | |
9. Carbogen Flowmeter | Cole-Parmer | 03220-44 | |
10. Fiber Light Illuminator | Dolan-Jenner Industries | Fiber Lite MI-150 | |
11. Micromanipulators | Marzhauser Wetzlar, Germany | 00-42-101-0000 (MM-33) | |
00-42-102-0000 (MM-32) |
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