侧脑室壁包含成年哺乳动物大脑中最大的生发区域。传统上,对该区域神经发生的研究依赖于经典的组织学切片技术。本文我们介绍一种替代方法——全脑组织铺片技术,该方法可对这一生发区域提供全面的、表面观的视野。
侧脑室壁包含成年哺乳动物大脑中最大的生发区域。传统上,对该区域神经发生的研究依赖于经典的组织学切片技术。本文我们介绍一种替代方法——全脑组织铺片技术,该方法可对这一生发区域提供全面的、表面观的视野。
I. 用于脑室管膜流动检测的荧光微珠填充玻璃微电极的制备(若仅制备用于染色的全脑组织样本,可跳过这些步骤)。
II. 整体解剖与固定
III. 使用荧光微珠进行室管膜流动分析
IV. 免疫染色整体标本
V. 将免疫染色的整体样本装载到载玻片上以进行共聚焦显微镜观察
代表性结果
整体组织制片方法为研究成年脑室下区(SVZ)的生发活性提供了若干关键见解。在对侧脑室侧壁进行整体组织制片并以多唾液酸化神经细胞黏附分子(PSA-NCAM)抗体进行免疫染色后,首次观察到SVZ中迁移的新生神经元所形成的链状网络结构1。这些迁移的成神经细胞链状结构也可通过双皮质素抗体对整体组织制片进行免疫染色而观察到(图1)。值得注意的是,该链状网络具有高度保守的模式,包含两条主要的细胞流:一条沿黏附点背侧上方延伸,另一条沿腹侧绕行。SVZ的整体组织制片还可全面展示该区域内前体细胞的增殖活性,如图2中Ki67染色所示。有趣的是,最近两项研究表明,SVZ分裂细胞与局部血管系统之间存在密切的相互作用2,3(图2)。
在高倍共聚焦显微镜下观察时,全组织标本所提供的表面观可独特地展示衬于脑室系统腔面细胞的顶面结构。这种表面观最近揭示,SVZ的B1型细胞(成体神经干细胞)与不分裂的已分化室管膜细胞共同构成了一种混合性神经上皮4。B1型细胞的顶面与侧脑室腔相接触,并被室管膜细胞较大的顶面以“风车样”结构所包围(图3,箭头指示B1细胞的顶面)。此外,对室管膜细胞顶面的细致观察发现,其基体的平移位置和旋转方向可反映其平面极性5。室管膜细胞的基体在顶面上聚集形成一个区域,该区域相对于脑脊液流动方向偏向“下游”侧,偏离顶面中心(即平移极性);在此区域内,每个基体围绕其长轴发生旋转,使得基体附属结构——基足——指向脑脊液流动方向(即旋转极性)。相邻的室管膜细胞其基体均朝向相同的方向。重要的是,室管膜流动实验的录像显微图像可用于直接比较侧脑室壁特定区域的脑脊液流动方向与该区域室管膜细胞基体的排列方向(图4)。
除了提供成年大脑中最大生发区域的全景视角外,通过高倍成像,全组织标本还可实现对侧脑室下区(SVZ)单个细胞形态更完整且更详细的分析。对全组织标本进行GFAP免疫染色的高倍共聚焦成像揭示,B1型细胞除了具有较短的、与脑室接触的顶突外,还拥有一条与血管接触的长基底突起(图5)4。这种细胞结构在冠状切片中此前未被充分认识,因为基底突起主要与脑室壁平行走行。因此,连续切片会将单个细胞切割成多个小片段,几乎无法重建细胞的完整形态,也无法理解其与其他SVZ细胞类型之间的关系。全组织标本技术相较于传统的切片方法具有多项优势,既可通过低倍显微镜提供全景视图,也可通过高倍显微镜获得单个细胞的完整形态信息。该技术将继续作为未来研究成年大脑生发区的重要补充手段。

图 1. 室管膜下区(SVZ)中迁移性神经元链网络。拼接的共聚焦图像重建了经双皮质素(doublecortin)抗体染色的侧壁全层制片,该蛋白可标记贯穿室管膜下区的迁移性成神经细胞。存在两条主要的迁移通路:一条沿粘附点背侧上方走行,另一条沿腹侧绕行,粘附点由星号(*)标示。箭头指示前(a)和背侧(d)方向。比例尺 = 1 mm。

图 2. SVZ中血管系统与分裂细胞之间的关系。该侧壁全层标本经免疫染色,使用Ki67抗体标记绿色的分裂细胞,以及抗小鼠免疫球蛋白抗体标记红色的血管系统。由于该全层标本在染色前未用生理盐水灌注,内源性小鼠IgG分子仍保留在血管内,并被二抗抗小鼠抗体所染色。近期研究表明,分裂中的SVZ前体细胞(绿色)位于血管(红色)附近{Shen, 2008 #6523}{Tavazoie, 2008 #6522}。箭头指示前(a)和背侧(d)方向。比例尺 = 1 mm。

图3. 侧壁上与脑室接触的细胞的顶面。对全 mount 样品进行免疫染色,其中β-连环蛋白用于绿色标记细胞膜,γ-微管蛋白用于红色标记基体,该高倍共聚焦图像揭示了这些上皮细胞的平面排列结构。B1型细胞是成年神经干细胞,具有较小的顶面,其上仅有一个基体,由箭头指示。这些细胞的顶面被室管膜细胞较大的顶面以风车样结构包围。室管膜细胞表现出平面极性,表现为多个基体在顶面上的位置具有方向性。相邻室管膜细胞的基体簇位于顶面的同一侧(在此区域为向下并向左),这与脑脊液流动方向一致 {Mirzadeh, 2010 #6573}。比例尺 = 10 μm。

图4. 脑室管膜细胞流体实验。该复合图像由脑室管膜流体实验过程中拍摄的视频中连续100帧图像合并而成。沉积于黏附区域背侧及后侧的荧光微珠,在脑室管膜纤毛的驱动下,形成两条方向性流束,分别从黏附区域的上方和下方流向Monro孔。这种定向流动揭示了脑室管膜细胞的功能性平面极性。每条流线表示单个微珠在连续时间点的位置。比例尺 = 0.5 mm。

图5. GFAP阳性B1型细胞具有延伸至血管的长基底突起。该图是侧壁全层标本经GFAP抗体免疫染色后,通过高倍共聚焦显微镜成像获得的图像最大投影,用于标记脑室下区(SVZ)的星形胶质细胞。该染色可标记成年神经干细胞,即B1型细胞,这类细胞在脑室表面具有顶端终末,同时如本图所示,还具有一条长的GFAP阳性基底突起,其末端终止于血管(箭头所示)。此处血管被染色的原因在于,用于检测小鼠抗GFAP一抗的二抗可识别血管系统内源性的小鼠IgG。比例尺 = 50 μm。
大多数关于脑室区和室下区神经发生的研究依赖于传统的切片技术,以观察这些区域的微细解剖结构和细胞间关系。本文介绍一种替代性技术,该技术最初用于分析室下区(SVZ)产生的成神经细胞迁移链网络1,随后被用于研究抗有丝分裂治疗后SVZ前体细胞群体的再生6,最近则被用于研究成年SVZ神经干细胞精确的顶端和基底细胞间相互作用2,3,4。有趣的是,该技术揭示成年SVZ的神经干细胞(即B1型细胞)与已分化的非分裂性室管膜细胞共同构成一种混合性神经上皮。通过整体标本的表面成像发现,这种混合性神经上皮具有“风车样”结构,即B1型细胞的顶端末端被室管膜细胞较大的顶端表面所包围4。这种表面分析方法深化了我们对胚胎和成年脑中神经干细胞谱系的理解,即这些细胞具有位于脑室表面的顶端末端,并通过基底突起与血管微环境相接触。这些发现若采用传统切片技术几乎无法实现。整体标本还有助于通过神经干细胞与脑室相接触的顶端突起来识别这些细胞。随着针对这些干细胞更特异性标记物的发现,整体标本技术将成为识别和分析神经干细胞行为不可或缺的一部分。
侧脑室壁的整体装片也为研究室管膜细胞的平面极性提供了理想视角。室管膜细胞是多纤毛细胞,排列于脑室表面,其功能是以协调的方式推动脑脊液流动。通过整体装片技术,可完整暴露整个室管膜上皮的表面,从而能够从其前到后、背侧到腹侧边界进行全面的染色与研究。此外,在急性分离的活体整体装片上进行的室管膜流动实验,可强有力地展示由室管膜纤毛产生的平面极化流动。近期利用整体装片方法的研究已揭示了这种室管膜平面极性的细胞决定因素5。有趣的是,整体装片研究还提示,室管膜产生的脑脊液流动建立了化学排斥物的梯度,从而引导脑室下区(SVZ)新生神经元的迁移7。因此,最初用于发现迁移性神经元链网络的整体装片方法,正在持续为揭示调控链式迁移的机制提供新的见解。
通过整体成像对脑室区(VZ)和室下区(SVZ)进行分析,为未来的研究提供了一种新方法,同时也为澄清现有研究的理解提供了途径。例如,最近一项研究提出,成年SVZ中的神经干细胞是与脑室接触的CD133+/CD24-细胞8。基于他们在组织切片中的免疫染色结果,这些作者声称这些细胞是多纤毛室管膜细胞的一个亚群。然而,在我们采用整体成像方法的研究中,由于该方法能够更全面地观察整个室管膜上皮,我们发现所有室管膜细胞均表达CD24,而唯一表现为CD133+/CD24-并与脑室接触的细胞是B1型细胞的一个亚群4。此外,整体成像技术有望在今后研究成年大脑中神经干细胞最近被描述的镶嵌式组织结构时发挥重要作用9。多项研究表明,成年大脑中的神经干细胞并非均一的细胞群体,而是具有区域特异性,通常仅产生特定亚型的嗅球中间神经元。这些研究提出,不同亚群的神经干细胞可能通过特异性转录因子的表达10,11,12,13,14和/或其在侧壁背腹向及前后向区域的定位差异加以区分9,15,16。随着更多用于标记成年神经干细胞区域特异性亚群的分子标志物被鉴定出来,整体成像技术应能提供一个全面的视角,揭示这些不同前体细胞区域沿脑室壁的分区分布情况。
本文介绍的整体解剖与成像技术也可用于分析胚胎中的脑室壁。胚胎侧壁的解剖以相同的步骤逐步进行,仅在操作难度上略有差异:胚胎脑室相对较大,使解剖更为容易,但组织较软,导致操作更为困难。特别是,在胚胎中可通过类似的侧脑室暴露方法来解剖脑室的皮质壁,以研究皮质神经发生。近期证据表明,在皮质神经发生过程中,中心体的不对称遗传可维持放射状胶质细胞位于脑室表面17。对放射状胶质细胞顶面进行正面成像,可能有助于揭示这些分裂细胞中中心体如何实现不对称遗传。
与大多数技术一样,尤其是涉及精细操作的技术,熟练掌握需要练习。然而,在解剖过程中有几点关键因素有助于获得更好的结果:1)照明——调节样品的光照以产生阴影,可在原本相对均一的组织解剖过程中提供极为宝贵的对比度;2)使用镊子如同使用两根昆虫针——本技术中从不用镊子夹捏或提起组织,而是将其作为可灵活移动的固定针,能够在切割过程中持续调整以稳定组织;3)轻柔牵拉与切割之间的平衡——刀具不仅用于切割,还应提供轻柔的牵拉以分离内侧壁与外侧壁,需记住,该解剖过程主要依靠轻柔牵拉完成,仅间歇性地进行切割。
本工作由美国国立卫生研究院(NIH)资助项目HD-32116、Sandler家族支持基金会、John Bowes干细胞基金、文部科学省(MEXT)、厚生劳动省(MHLW)以及人类前沿科学计划(HFSP)支持。Z.M. 由Carlos Baldoceda基金会和加州大学旧金山分校(UCSF)Krevans奖学金资助。A.A.-B. 担任Heather和Melanie Muss特聘讲席教授。