本文介绍了利用荧光电压敏感染料对蟹类口胃神经节神经元的详细活动进行快速、高分辨率成像的方法。
本文介绍了利用荧光电压敏感染料对蟹类口胃神经节神经元的详细活动进行快速、高分辨率成像的方法。
神经元的电压敏感染料成像技术是理解神经元网络如何组织,以及参与网络活动的多个神经元如何协同产生网络整体功能的关键方法。本文介绍了将该技术应用于蟹类口胃神经节中已鉴定的模式生成神经元的具体方法。我们演示了如何将荧光电压敏感染料Di-8-ANEPPQ加载到这些神经元中,并展示了如何使用MiCAM02高速高分辨率CCD相机成像系统对染料标记的神经元活动进行成像。我们还演示了如何利用与MiCAM02成像系统配套的BVAna成像软件对记录的成像数据进行分析。在蟹类口胃神经节中,将多个神经元精细活动的电压敏感染料成像与传统电生理技术(细胞内和细胞外记录)相结合,为深入理解中枢模式发生器神经网络的工作机制开辟了全新的研究途径。
1. 螃蟹口胃神经系统标本的制备
成年癌症寄居蟹(Cancer pagurus L.)从当地来源(纽卡斯尔大学,多夫海洋实验室)获得,并饲养于过滤且充气的海水中(10 - 12°C)。动物在解剖前先用冰麻醉20–40分钟。我们使用了分离的口胃神经系统(STNS)1将STNS固定在涂有硅胶弹性体(ELASTOSIL RT-601,Wacker,Munich,德国)的培养皿中,并持续灌流冷盐水(10-13°C)。生理盐水的成分为(mMol·l-1):NaCl,440;MgCl2,26;CaCl2,13;KCl,11;Trisma碱,10;马来酸,5。生理盐水保持在11 - 13°C pH 7.4 - 7.6
STNS 解剖与制备的详细步骤,包括口胃神经节(STG)去鞘过程,已在 Guttierez 和 Grashow 发表于 JoVE 的文章中展示。1所有实验均依照欧洲共同体理事会1986年2月24日颁布的指导方针进行th 1986年11月(86/609/EEC)。图1A展示了STNS的示意图,图1B展示了一个典型的去鞘STG,其神经元呈扁平半圆形排列于神经节的后部。
使用黏土将含有 STNS 的培养皿固定在成像显微镜(BW51 WI;Olympus,东京,日本)的操作平台上。显微镜载物台和显微镜本体均置于防震台(Scientifica,Uckfield,英国)上,以防止光学记录过程中产生运动伪迹。通过细胞外记录法监测口胃神经节(STG)中产生的运动模式2-4。具体操作步骤如下:
2. 染料溶液的制备
我们使用了荧光电压敏感染料 Di-8-ANEPPQ(Cambridge Bioscience)5,该染料带有双重正电荷,可通过施加正向电流脉冲促进染料经微电极加载。染料溶液应尽可能避光保存。染料溶液的配制方法如下:
3. 使用尖锐微电极进行细胞内注射染料标记
我们使用锋利的微电极将染料注入神经元。为了检测染料的加载情况,我们采用 MiCAM02 成像系统(SciMedia,东京,日本)6。该成像系统配备两个 CCD 相机:HR 相机具有较大的传感器芯片(6.4 mm × 4.8 mm),可提供更优的空间分辨率,其最佳时间分辨率为 1.4 ms;HS 相机则具有较小(2.9 mm × 2.1 mm)但更快的传感器芯片,能够实现更快的成像速度,其最佳时间分辨率为 0.7 ms。染料加载的步骤如下:
4. 染色神经元的成像
在染料填充后,可对单个神经元的活动进行成像。或者,也可对两个或多个神经元进行填充,以同时成像多个STG神经元的活动。原则上,可以对许多甚至全部STG神经元进行染料填充。神经元成像使用MiCAM 02成像系统配合HR相机完成。成像步骤如下:
5. 光学成像数据的分析
为了分析成像数据,我们使用了与 MiCAM 02 成像系统配套的 BVAna 软件(版本 10.08;SciMedia Ltd,东京,日本)。该软件支持成像数据的可视化,并提供一系列分析工具。数据分析与解读的步骤如下:
6. 代表性结果
图2展示了在蟹类胃心神经系统(STG)的幽门中央模式发生器中,同时记录两个神经元(LP,侧幽门神经元;PD,幽门扩张神经元)以及来自神经外的记录 lvn基于细胞内记录识别出的LP和PD神经元的光学记录显示,这些记录确实与对应于LP和PD神经元的细胞外记录高度吻合。光学记录与细胞外记录之间存在一致的12 ms延迟。 lvn 由于神经节与细胞外记录位点之间存在轴突传导延迟,导致记录到的峰电位峰值出现延迟(见图2插图)。所呈现的数据还表明,与记录神经元峰电位相对应的胞体神经活动能够被清晰检测到。

图1. A) 口胃神经系统(STNS)的示意图。CoG,连合神经节;OG,食管神经节;STG,口胃神经节;stn,口胃神经;lvn,侧脑室神经。B) 螃蟹的口胃神经节(STG)——图像显示了STG神经元呈半圆形的后部排列方式。

图 2. 同时记录一个 PD 神经元和一个 LP 神经元的单次扫描信号以及对 lvn 的记录。数据表明,光学记录与神经记录高度吻合,且我们能够识别出与神经记录中动作电位相对应的神经活动。插图显示了多个 LP 动作电位扫描的叠加结果——包括光学和电学记录的信号——及其平均值,展示了光学与电学记录活动之间的一致性。由于我们的光学记录方法未滤除数据中的低频成分,因此还能记录到 PD 和 LP 神经元特征性的缓慢膜电位变化14。
结合传统电生理学方法(细胞内和细胞外电极记录),对 STG 神经元进行电压敏感染料成像8,9,有助于更深入地理解这一虽小但结构复杂的神经系统的运作机制。STG 是中枢模式发生器(CPG)神经网络的典型代表(包含幽门胃磨节律网络)10,11,因此,对 STG 功能特性的涌现机制获得更深入的认识,也将有助于理解 CPG 网络如何产生其网络层面的功能。CPG 网络在运动控制12以及更高级的认知功能中13均发挥关键作用,因此,对其涌现特性的深入理解可能对神经科学的诸多领域产生重大影响。
我们感谢纽卡斯尔大学计算科学学院、科学、农业与工程学部,乌尔姆大学,以及 SciMedia 有限公司(日本东京)提供的支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| MiCAM02 | 科学媒体 | 成像系统 | |
| BVAna v.10.08 | 科学媒体 | MiCAM 02 成像系统的数据分析软件 | |
| HL-151 | 日本东京,Moritex | 超低纹波卤素光源 | |
| BX51 WI | 奥林巴斯株式会社 | 用于落射荧光成像的直立显微镜 | |
| 20倍成像物镜 | 奥林巴斯株式会社 | XLUMPLFL20XW/0.95 | 数值孔径 0.95,工作距离 2.0 mm |
| 10倍成像物镜 | 奥林巴斯株式会社 | UMPLFL10XW | 数值孔径 0.30,工作距离 3.3 mm |
| 配备480-550 nm激发滤光片和590 nm发射滤光片的滤光片盒 | 奥林巴斯株式会社 | MSWG2 | |
| 防震台 | Scientifica Ltd | 63-534 | |
| PatchStar 电极操纵器 | Scientifica Ltd | PS-7000C | 微电极操作器 |
| CED Power 1401 | 剑桥电子设计 | 数据采集板 | |
| DL708E 示波器 | Yokogawa | 细胞内放大器 | |
| 交流差分放大器 | 德国凯泽斯劳滕大学 | 细胞外放大器 | |
| P-97 拉针仪 – 布朗型电极拉制仪 | Sutter Instrument Co. | 电极拉制仪 | |
| Sigma 微型离心机 1-14 | Sigma-Aldrich | 离心 | |
| Genex Pipettors Mline | Scientific Laboratory Supplies LTD | PIP7774 | PIP7774 |
| 带纤维丝的玻璃微量移液管 | 科学产品 | GB100TF 8P | 微玻璃–电极 |
| MicroFil – 34G | World Precision Instruments, Inc. | Microfil 针 | |
| Spike 2 v6.10 | 剑桥电子设计 | 电生理学软件 | |
| Di-8-ANEPPQ | 剑桥生物科学 | BT61014 | 荧光电压敏感染料 |
| F-127 Pluronic 酸,DMSO | Invitrogen | P-3000MP | 溶剂 |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S9888 | 蟹类生理盐水成分 |
| CaCl2 2H2O | Sigma-Aldrich | C3881 | 蟹类生理盐水成分 |
| KCl | Sigma-Aldrich | P3911 | 蟹类生理盐水成分,电解质溶液 |
| MgCl₂2 6H2O | Sigma-Aldrich | M9272 | 蟹类生理盐水成分 |
| Trizma 碱 | Sigma-Aldrich | T1503 | 蟹类生理盐水成分 |
| 马来酸 | Sigma-Aldrich | M0375 | 蟹类生理盐水成分 |
| Elastosil RT-601 | Wacker,慕尼黑,德国 | 培养皿包被 |