本文中,我们介绍了一种快速微离子电渗技术,用于以高空间和时间精度研究突触后信号的整合。
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本文中,我们介绍了一种快速微离子电渗技术,用于以高空间和时间精度研究突触后信号的整合。
神经科学的一个基本研究兴趣是理解兴奋性和抑制性输入如何在结构极为复杂的树突树上进行整合,最终导致神经元在轴突处产生动作电位输出。目前,特定突触输入的各种空间和时间参数对神经元输出的影响正在被深入研究,例如 树突输入的随距离衰减效应、空间上分离的输入之间的位置依赖性相互作用、GABA能抑制对兴奋性整合的影响、线性与非线性整合模式,以及更多其他机制。
通过快速微离子电泳递送谷氨酸和GABA,可以精确研究谷氨酸能兴奋与GABA能抑制在空间和时间上的整合特性。关键技术要求是使用可触发的荧光灯、发光二极管(LED)或双光子扫描显微镜,以在不造成组织显著光损伤的情况下观察树突分支。此外,拥有一个能够对高阻抗微电极进行快速电容补偿的微离子电泳放大器也极为重要。另一个关键点是在实验过程中微电极不得非特异性地释放任何神经递质。
一旦建立,该技术将提供可靠且可重复的信号,具有高神经递质特异性和位置特异性。与谷氨酸和GABA解笼技术相比,快速离子电渗法允许同时使用这两种递质,且可在远离彼此的位置施加,不受视野范围的限制。与轴突的局灶性电刺激相比,该方法也具有优势:通过微离子电渗法,输入位点的位置是明确已知的,并且可以确保仅释放感兴趣的神经递质。然而需要注意的是,微离子电渗法仅激活突触后成分,无法解析神经递质释放的突触前特性。本文中,我们演示如何在脑片实验中建立微离子电渗法。
中枢神经系统中的神经元在其细长且分支状的树突过程中接收多种突触输入1。在这些树突过程中,大多数兴奋性输入由谷氨酸能突触介导。这些突触可以以空间分散的方式被激活,导致兴奋性突触后电位(EPSP)的线性整合。当突触在树突上同时且在空间上邻近地被激活时,这些兴奋性输入可发生超线性整合,并产生树突尖峰2-5。
此外,兴奋性输入的整合依赖于输入在树突树上的位置。由于电缆过滤效应,到达远端树突簇区域的信号比近端输入衰减得更为显著6。在海马体中,远端树突簇接收的输入来自与近端树突不同的脑区7。因此,一个引人关注的问题是:不同树突区室如何处理突触输入,以及树突整合是否以不同方式调控这些分层输入对神经元放电的影响。
不仅树突的功能特性、形态特征以及输入的位置和聚集方式会影响兴奋性输入的树突整合,来自GABA能末梢的额外抑制性输入也在很大程度上决定了谷氨酸能突触的效能8,9。这些突触整合的不同方面可通过神经递质微离子电泳技术进行理想研究,该技术可将不同神经递质精确施加于树突特定区域。本文展示了如何成功建立谷氨酸和GABA的微离子电泳,以研究神经元中的信号整合。
在此应用中,使用尖端精细且电阻较高的移液管,内充高浓度的神经递质溶液。这些移液管被放置在细胞外膜附近,即神经递质受体所在的位置。需要对树突分支进行良好的可视化观察,这通常通过灌注荧光染料来实现,染料经由膜片钳移液管导入。随后施加一个极短的(<1 毫秒)电流脉冲(范围为 10 - 100 nA),以推出带电的神经递质分子。通过这些短脉冲并结合有效的电容补偿,可高时空精度地诱发突触后电位或电流,从而精确确定兴奋性输入的位置。谷氨酸微离子电渗法可在特定半径内激活突触,该范围小于 6 μm(如图19所示),但也有可能实现单个突触的分辨率10-12。
Heine, M.,等 研究表明,快速微离子电渗法的空间分辨率甚至可调节至0.5 μm以下的点状区域,小于通常通过双光子解笼谷氨酸所达到的点状区域尺寸13。利用快速微离子电渗法,可轻松使用两个或更多离子电渗移液管,并将其放置于树突树上不同甚至相距较远的位置。通过这种方式,可研究兴奋性事件的整合,包括来自不同通路的兴奋性事件。同时使用填充谷氨酸和GABA的离子电渗移液管也是可行的。借此,可研究GABA能抑制在相对于兴奋性输入不同位置(通路上或通路外抑制)的作用。此外,通过GABA离子电渗法,还可研究靶向特定神经元区域(如远端树突、胞体或轴突)的中间神经元介导的抑制作用14。在培养的神经元中,快速微离子电渗法为深入研究单个突触分布以及神经元突触传递的基本特征提供了机会10,11。
本文详细演示如何建立用于急性脑片的谷氨酸和GABA离子电泳技术,该技术可用于研究兴奋性和抑制性输入在输入位置、输入强度和时间上的突触整合,既可单独研究,也可探究其相互作用。我们将指出该技术的优势与局限性,并介绍如何成功进行故障排除。
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1. 系统要求
2. 准备溶液
3. 拉制并测试离子电渗移液管
4. 准备脑切片
5. 建立全细胞记录
6. 放置离子电渗移液管并产生突触后离子电渗电位
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确定离子电泳空间扩散范围的一种简单方法是,在保持谷氨酸释放量恒定的同时,逐步将离子电泳移液管从树突回撤。我们发现,微离子电泳刺激的空间范围直径约为 12 μm(图 1 显示半径)。离子电泳在组织中的可应用深度取决于移液管的刚性。然而,本实验所用的脑片实验所需离子电泳移液管(图 2)并不限制穿刺深度;真正限制因素是光学系统以及脑片深层分辨率的下降。为获得高质量的记录,关键在于移液管中不能有递质泄漏。对于谷氨酸而言,若在移液管尖端接近树突时出现突然的去极化,或记录基线突然变得不稳定,则可判断存在泄漏(图 5)。在建立稳定记录后,该技术可在树突树的任意位置诱发特定幅度的兴奋性突触后电位(EPSP)、树突尖峰或动作电位(图 6)。通过快速微离子电泳施加谷氨酸,可研究 EPSP 的特性、其传播与叠加效应,甚至可在不同且相距较远的位置同时进行研究(图 7)。可通过将另一根离子电泳移液管填充高浓度 GABA 溶液(见:方案第 2 节)并施加正向喷射电流,单独或同时诱发 GABA 能事...
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在此,我们介绍如何应用快速微离子电泳技术递送神经递质,以研究树突上的突触整合。该技术已成功用于探究不同脑区中的谷氨酸能和GABA能突触传递 体外 和 体内9,20-22微离子电渗法已应用超过60年,但在早期主要仅用于在较慢或中等时间尺度上局部施加神经递质和药物23 或用于向细胞内显微注射物质24.
自从引入配备了针对高阻抗电极的快速电容补偿功能的放大器以来,微离子电渗技术成为研究树突整合的一种特别有用的工具10,11。由于这一改进,现已能够施加短暂的矩形离子电渗电流,从而产生更真实地模拟突触事件时间进程的突触后反应10,25。
在建立微离子电渗技术时,需要应对哪些技术要求和难点?需要使用一种离子电渗放大器,能够补偿精细离子电渗移液管的高电容。如果需要在使用高阻抗微电极的同时实现高速操作,则正确调节电容补偿至关重要。未补偿的杂散电容会由仪器提供的离子电渗电流充电,从而减慢药物施加速度。...
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作者声明不存在任何竞争性经济利益。
感谢Hans Reiner Polder、Martin Fuhrmann和Walker Jackson对稿件的仔细审阅。作者获得的资金支持来自北莱茵-威斯特法伦州研究部(MIWF)(S.R.)、德国联邦教育与研究部项目管理机构(BMBF-Projekträger)DLR神经科学计算领域的美德合作项目(CRCNS;S.R.)、神经退行性疾病卓越中心(COEN;S.R.)以及波恩大学校内资助计划(BONFOR;S.R.)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| <强>材料 | |||
| 双光子激光扫描显微镜(TRIM Scope II)和Ultima IV,Prairie Technologies,美国威斯康星州麦迪逊 | LaVision Biotec,比勒费尔德,德国 | ||
| 双光子激光扫描显微镜 Ultima IV | 美国威斯康星州麦迪逊草原科技公司 | ||
| 钛宝石超快脉冲激光器 | Chameleon Ultra II,Coherent | ||
| 60倍物镜,数值孔径0.9 | Olympus | ||
| 蔡司 Axioskop 2 FS 正置显微镜 | TILLPhotonics, Grä费尔芬,德国 | ||
| 单色仪 | TILLPhotonics,Grä费尔芬,德国 | ||
| 微离子电渗系统 MVCS-02 | NPI Electronics,德国塔姆 | ||
| Sutter拉针仪P-97 | Sutter Instrument Company,诺瓦托,加利福尼亚州 | ||
| 玻璃细丝(150 GB F 8P) | 科学产品公司,德国霍夫海姆 | ||
| <强>试剂 | |||
| Alexa Fluor 488 肼 | Molecular Probes life technologies | A-10436 | |
| Alexa Fluor 594 | 分子探针生命科技 | A-10438 | |
| NaCl | Sigma Aldrich | S7653 | |
| KCl | Sigma Aldrich | P9333 | |
| NaH2PO4 | Sigma Aldrich | S8282 | |
| NaHCO₃3 | Sigma Aldrich | S6297 | |
| 蔗糖 | Sigma Aldrich | S7903 | |
| CaCl2 | Sigma Aldrich | C5080 | |
| MgCl2 | Sigma Aldrich | M2670 | |
| 葡萄糖 | Sigma Aldrich | G7528 | |
| K-葡萄糖酸盐 | Sigma Aldrich | G4500 | |
| HEPES-酸 | Sigma Aldrich | H4034 | |
| 磷酸肌酸 | Sigma Aldrich | P7936 | |
| EGTA | Sigma Aldrich | E3889 | |
| 谷氨酸 | Sigma Aldrich | G8415 | |
| GABA | Sigma Aldrich | A5835 | |
| NaOH | 默克 | 1.09137.1000 | |
| HCl | 默克 | 1.09108.1000 |
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