通过从成年小鼠特定脑区分离神经元,并利用荧光膜电位染料成像技术,可研究成年小鼠单个神经元的活动。通过检测神经元对葡萄糖浓度变化的反应,该技术可用于研究成年小鼠腹内侧下丘脑神经元对葡萄糖的敏感性。
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通过从成年小鼠特定脑区分离神经元,并利用荧光膜电位染料成像技术,可研究成年小鼠单个神经元的活动。通过检测神经元对葡萄糖浓度变化的反应,该技术可用于研究成年小鼠腹内侧下丘脑神经元对葡萄糖的敏感性。
对神经元活动的研究通常使用出生不到2个月的啮齿类动物神经元,因为随着年龄增长,结缔组织增多以及神经元存活能力下降,导致实验技术难度增加。在此,我们描述了一种从成年小鼠下丘脑中分离健康神经元的方法。能够研究成年小鼠的神经元,使得可以利用那些在较晚年龄才显现的疾病模型,并可能在某些研究中更符合发育实际情况。对分离神经元进行荧光成像可用于研究一群神经元的整体活动,而不是像电生理学那样仅研究单个神经元。当研究的神经元群体具有异质性且目标神经元类型稀少时(例如下丘脑葡萄糖感应神经元),这种方法尤其有用。我们采用膜电位染料成像技术,研究成年小鼠腹内侧下丘脑神经元对细胞外葡萄糖浓度变化的反应。葡萄糖感应神经元被认为在能量平衡的中枢调控中发挥重要作用。能够在成年啮齿类动物中研究葡萄糖感应功能尤为重要,因为与能量平衡失调相关的疾病(例如 肥胖)的发病率随年龄增长而升高。
大脑通过神经内分泌系统和自主神经系统调节能量稳态。腹内侧下丘脑(VMH)由腹内侧核(VMN)和弓状核(ARC)组成,在能量稳态的中枢调控中具有重要作用。VMH内的特化葡萄糖感应神经元将神经元活动与外周葡萄糖稳态相联系1。葡萄糖感应神经元分为两种类型:当细胞外葡萄糖浓度升高时,葡萄糖兴奋性(GE)神经元的活动增强,而葡萄糖抑制性(GI)神经元的活动减弱。通常采用电生理学或钙离子/膜电位敏感性染料成像技术来研究VMH中的葡萄糖感应神经元。
膜片钳电生理技术被认为是研究离子通道功能的金标准 离体 神经元活动。该技术通过高阻抗(GΩ)封接将玻璃微电极贴附于细胞膜上。膜片钳电极可实时记录单个神经元的动作电位频率(电流钳)或离子电导(电压钳)的变化。尽管膜片钳技术能够提供关于特定离子通道电导变化的详细信息,但其主要局限在于每次只能观察一个神经元。整个过程大约需要30–45分钟 记录以验证在开始任何特定实验处理之前,是否正在记录葡萄糖感应神经元。此外,GI 和 GE 神经元包括 <下丘脑腹内侧核(VMH)神经元群体的20%。更为复杂的是,许多情况下缺乏可用于识别这些神经元的特异性细胞标记物。因此,尽管膜片钳技术能够提供其他方法无法获得的宝贵电生理信息,但其操作繁琐、耗时较长且产出率低。
对分离的腹内侧下丘脑(VMH)神经元进行荧光成像,可实现同时研究数百个神经元。利用钙敏感性染料可检测细胞内钙离子浓度的变化,该变化间接反映神经元活动的改变。膜电位敏感性染料则用于监测膜电位的变化。相较于细胞内钙离子水平的变化,细胞膜电位的测量是评估神经元活动更为直接的指标。此外,膜电位染料(MPD)成像技术有可能检测到更微小的膜电位变化,这些变化可能不足以引发动作电位的发放,也不会引起细胞内钙离子水平的明显改变。这两种荧光成像技术均已用于研究来自幼年小鼠的VMH葡萄糖感受神经元2-7。尽管其结果的精细程度不及膜片钳电生理记录,但成像实验的优势在于能够同时评估大量细胞群体,其中不可避免地包含相当数量的葡萄糖感受神经元。MPD成像在研究GI神经元方面尤为有用,因为GI神经元在整個VMH区域中的分布较为均匀,因此在分离的VMH组织中可提供足够数量的样本用于研究(约占15% GI)。相比之下,GE神经元虽密集分布于腹外侧VMN区以及弓状核(ARC)与VMN之间的细胞稀疏区域,但在VMH整体神经元中所占比例极小(<1% GE)。此外,通过研究分离的神经元,可消除星形胶质细胞及突触前效应的影响。这在研究初级神经元效应时具有优势,但同时也存在劣势,即生理性的连接和过程因此丢失。
在膜片钳电生理学和MPD/钙离子染料成像技术中,一个限制性因素是必须使用较年轻的动物(例如 小鼠或大鼠,年龄<8周)。这主要是由于随着年龄增长,结缔组织增多,同时神经元存活能力下降。在脑片电生理研究中,增多的结缔组织使得神经元更难被观察到。此外,结缔组织增加也使得难以分离出大量健康的神经元用于成像研究。而且,来自较年轻动物的神经元在膜片钳记录或成像过程中存活时间更长。然而,使用幼年动物可能带来重大局限性。神经元活动以及对神经递质或循环营养物质的反应会随年龄发生变化。例如,由于能量平衡与生殖状态密切相关,因此调控能量平衡的下丘脑神经元在青春期前与青春期后动物中的反应可能不同。此外,许多疾病需要长期治疗,或直到成年期才显现,典型的例子包括饮食性肥胖和2型糖尿病。鉴于葡萄糖感应神经元被认为在这些疾病中发挥一定作用,我们建立了一种方法,能够成功培养健康的成年期腹内侧下丘脑(VMH)神经元,用于MPD成像实验。
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1. 动物
2. 灌流液、盖玻片、玻璃移液管和培养基的制备
3. 心脏灌注
4. 脑切片与解剖
5. 解离与培养
6. MPD 成像的准备工作
7. MPD 成像
8. MPD 成像分析
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精确地将腹内侧下丘脑(VMH)与其他下丘脑区域分离对于获得一致的结果至关重要。若包含其他区域,可能会稀释VMH神经元群体,从而改变所计算的去极化神经元百分比。此外,其他下丘脑区域(如外侧下丘脑)也已鉴定出存在葡萄糖感应神经元,这些神经元在功能和机制上可能与VMH的葡萄糖感应神经元不同。 图1 展示了正确解剖位置以进行精确解剖。按照上述方案操作后,可分离出包含正确腹内侧下丘脑(VMH)区域的脑组织。进一步精细分离腹内侧核(VMN)与弓状核(ARC),同时完整保留各亚群全部结构,可能无法实现。 图2 显示了健康的离解下丘脑腹内侧核(VMH)神经元的一个示例。通过免疫细胞化学方法,我们证实了我们的制备样本 >90%为神经元。仅应使用健康的神经元进行数据分析,含有过多不健康神经元的培养皿应予以弃用。不健康的神经元通常边缘颜色较深,对MPD的摄取程度更高,且形态不规则。此外,神经元接种密度应控制在记录期间大多数神经元互不接触的水平。用于分析的神经元不应与其他细胞或碎片接触。
来自GI神经元和非GI神经元记录的数据如
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能够研究成年小鼠神经元活性的关键在于获得健康的离散神经元。与幼年小鼠相比,从成年小鼠分离下丘脑神经元在实验方案的多个关键步骤上更为困难。我们已通过多种方式克服了这一问题。制备较厚的500 µm脑切片,相较于通常用于幼鼠脑组织的250–350 µm切片,可显著减少对神经元的机械损伤。然而,较厚的切片需要更加注意心脏灌注以及脑组织的木瓜蛋白酶(papain)消化。若在脑组织上观察到血液残留,应评估右心房切口位置及左心室插针的准确性。灌注液的流速和用量也可相应调整。充分的灌注至关重要,因为血液对神经元具有毒性,会导致健康神经元得率降低。木瓜蛋白酶的消化必须足够充分,以实现轻柔的吹打操作,并使单个细胞易于从脑组织中释放。若消化结束时腹内侧下丘脑(VMH)组织迅速沉降,或在第二次吹打时仍存在较大组织块,则提示木瓜蛋白酶消化不充分。在消化良好的情况下,第三次吹打时肉眼几乎无法察觉组织碎片。若吹打操作不够轻柔,将损害神经元的健康状态。若怀疑木瓜蛋白酶消化不充分,可将木瓜蛋白酶浓度提高5 U/ml ,或更换新瓶木瓜蛋白酶。但木瓜蛋白酶浓度不应超过30 U/ml ,否则可能损害神经元健康。
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我们没有需要披露的内容。
NIH R01 DK55619,NIH R21 CA139063
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Neurobasal-A 培养基(定制) | Invitrogen | 0050128DJ | 定制无葡萄糖 |
| Hibernate-A 培养基(定制) | BrainBits | 定制无葡萄糖 | |
| 青霉素-链霉素(20,000 U/ml) | Invitrogen | 15140 | 其他供应商亦可接受 |
| Stericup 真空滤器装置(0.22 μm) | Millipore | 其他供应商可接受 | |
| 25 mm 玻璃盖玻片 | 沃纳 | #1 25毫米圆形 | |
| 18 mm 玻璃盖玻片 | 沃纳 | #1 18毫米圆形 | |
| GlutaMAX | Invitrogen | 35050 | |
| B27 去胰岛素(50倍浓缩) | Invitrogen | 0050129SA | |
| 剃刀刀片 | VWR | 55411 | |
| 振动切片机 &和冷却室 | 振动切片机 | 1000 系列切片系统 | |
| 振动切片机刀片 | Polysciences | 22370 | 注射器或其它供应商的双刃刀片可接受 |
| 木瓜蛋白酶,悬液 | 沃辛顿 | LS003124 | |
| BSA,适用于细胞培养 | Sigma | 其他供应商可接受 | |
| DNA酶,用于细胞培养 | Invitrogen | 其他供应商可接受 | |
| 克隆环,6 mm × 8 mm | 贝尔科玻璃 | 2090-00608 | |
| 膜电位染料(蓝色) | Molecular Devices | R8042 | |
| 在线加热器 | 沃纳 | SF-28 | |
| 注射泵 | WPI | sp100i | 其他供应商可接受 |
| 封闭室 | 沃纳 | RC-43C | |
| 聚乙烯管 | 沃纳 | PE-90 | |
| Metamorph | Molecular Devices | 可接受的替代图像分析软件 | |
| 显微镜 | 奥林巴斯 | BX61 WI | 与10X联用 目的 |
| 相机 | 光度测量 | Cool Snap HQ | |
| 窄带Cy3滤光片组 | 色度 | 41007a | |
| 照明系统 | Sutter Instruments | Lambda DG-4 |
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