神经元形态发生和迁移是大脑正常发育过程中的关键事件。本文介绍了在培养的小脑颗粒神经元及发育中的小脑中进行遗传学操作的方法,用于评估神经元的形态特征和迁移特性。
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神经元形态发生和迁移是大脑正常发育过程中的关键事件。本文介绍了在培养的小脑颗粒神经元及发育中的小脑中进行遗传学操作的方法,用于评估神经元的形态特征和迁移特性。
大脑中的发育事件,包括神经元形态发生和迁移,是高度有序的过程。体外和体内分析有助于深入表征并鉴定参与这些事件的信号通路。源自发育中小脑的小脑颗粒神经元(CGNs)是一种理想的模型系统,可用于进行形态学分析。本文介绍了一种遗传操控CGNs的方法,并阐述如何研究单个神经元的轴突和树突形成。利用该方法,可将RNA干扰、过表达或小分子处理的效应与对照神经元进行比较。此外,由于啮齿类动物小脑皮层主要在出生后发育,易于操作,是一种方便的体内研究系统。我们还介绍了一种体内电穿孔技术,用于对发育中的小脑进行遗传操控,并描述了后续用于评估神经元形态和迁移的小脑分析方法。
小脑是研究轴突生长和迁移机制的理想系统。自神经科学诞生之初,小脑就一直是解剖学研究的对象1。现代显微镜技术和免疫组织化学方法极大地拓展并完善了 Santiago、Ramon 和 Cajal 所做出的早期发现2-4。小鼠遗传学和分子生物学研究揭示了调控小脑发育的关键生长因子和转录因子,从而加深了人们对不同类型神经元正确连接所需关键事件的理解,其中包括小脑颗粒神经元(CGNs)5-7。
小脑是发育中的后脑菱脑节1的衍生物8. 菱形唇是第四脑室顶的一部分th 脑室区产生小脑颗粒神经元前体细胞,这些细胞将成为成年小脑中最丰富的神经元群体9在向吻侧迁移后,它们定居于小脑原基。在此,颗粒神经元前体细胞通过有丝分裂导致外颗粒层(EGL)显著扩张,这一过程在啮齿类动物中发生于出生后。随后,神经元从外颗粒层开始向内迁移,穿过分子层(ML),经过浦肯野细胞层,最终定居于内颗粒层(IGL)。2在此迁移过程中,它们获得双极形态,两条轴突伸入分子层。随着进一步迁移,胞体逐渐远离轴突,两条突起融合形成一条分叉的T形轴突。10随后,这些轴突发生束化,被称为平行纤维。颗粒神经元在内颗粒层(IGL)定位后,长出树突,形成树突爪,与苔状纤维建立突触连接。为研究发育中小脑的基本过程,可采用联合方法 体外 和 体内 该方法可获得可靠的结果和结论。
颗粒神经元(CGNs)不仅是小脑中数量最多的神经元,也是整个大脑中数量最多的神经元,并且可以培养至高度纯化状态11-13。在体外培养条件下,这一高度均一的神经元群体迅速进入终末分裂状态,并发育出具有明确可辨的轴突和树突的极性形态。培养的CGNs已被证明在研究神经元发育的多个方面极为有用,包括前体细胞增殖、分化、轴突和树突发育、神经元迁移、凋亡以及电生理特性(14-19 及大量其他研究)。通过遗传操作技术的应用,进一步拓展了培养CGNs的实验灵活性,使其能够更深入地揭示上述生物学过程的分子机制。利用低效率的磷酸钙法或脂质体转染法对培养神经元进行转染,随后结合极性标志物的免疫细胞化学染色或软件辅助分析,可便于评估高密度神经元培养体系中单个神经元的形态特征(例如)。通过该方法,可研究目的蛋白在轴突或树突生长过程中的作用20-25,26-28。然而,由于在高密度培养条件下神经元迁移能力极为有限,该培养体系在分析神经元迁移方面应用价值较低,若需研究迁移行为则通常需要采用共培养系统。体外条件下对轴突和树突生长的分析还可结合RNA干扰(i)、过表达或小分子化合物,用于检测信号通路中相互关联的蛋白质功能。
为了确定目标蛋白在轴突和树突生长调控或神经元迁移中的相关性, 体内 电穿孔(IVE)技术可用于发育中小脑皮层的分析。由于啮齿类动物的小脑发育持续至出生后前两周,因此小脑是一个便于进行遗传操作的脑区,可用于研究发育中的轴突和树突、神经元迁移、突触形成以及细胞凋亡。20-24,29,30,26,27,31-34此外,该模型系统还适用于需要完整小脑皮层的其他神经元发育研究,如轴突导向、神经元的连接与网络形成以及神经元-胶质细胞相互作用。综上所述,本方案提供 体外 和 体内 研究神经元形态发生和迁移的互补性技术方法。
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颗粒神经元(CGNs)可从小鼠出生后第5天(P5)或大鼠出生后第6天(P6)的幼鼠中制备。我们采用Bilimoria及其同事描述的方案,该方案使用有丝分裂抑制剂来筛选终末分化后的颗粒神经元13。
伦理声明:
所有涉及活体动物的实验均按照德国下萨克森州“消费者保护与食品安全局”批准的动物实验方案进行。
体外 实验:
1. 磷酸钙转染法所用DNA质粒、培养基和缓冲液的制备
2. 培养神经元的转染

图1. 流程图 体外 轴突和树突生长检测 从P6大鼠幼崽分离的培养颗粒神经元(CGNs),接种于含玻璃盖玻片的24孔板中,在DIV 0或1时用含有荧光转染标记物的DNA沉淀物进行转染例如 GFP)。固定并进行免疫细胞化学染色后,以盲法对神经元进行成像。将图像导入 ImageJ 软件并测量神经突起。随后使用统计学软件对测量数据进行分析。
3. 使用 NeuronJ(NIH ImageJ 插件)测量轴突和树突
重要提示:根据图像的放大倍数和分辨率,使用适当的像素:μm比例,以确保图像缩放正确。




1. 仪器设备与试剂准备

2. 大鼠幼崽的体内电穿孔
体内转染实验流程图:见 图3

图3. 流程图 体内 电穿孔 P4 大鼠幼崽用异氟烷麻醉,并注射编码荧光转染标记物的质粒 DNA(例如 将GFP注入小脑,随后施加5次电脉冲。5天后,分离出GFP阳性小脑组织,进行切片并实施免疫组织化学染色。使用共聚焦显微镜采集图像,并采用Imaris软件进行分析。数据通过统计学软件进行处理。
| 重量 | 电压 | 脉冲 | 间隔 |
| 8-9 g | 160 V | 50毫秒 | 950 毫秒 |
| 9-10 g | 165 V | 50 毫秒 | 950 毫秒 |
| > 10 g | 170 V | 50 毫秒 | 950 毫秒 |
3. 测量树突长度,使用共聚焦显微镜获取切片在x、y、z平面的图像
注意:例如,对于厚度为 40 μm 且 z 步长为 1 μm 的样本,使用 40 张图像。






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为了分析不同培养条件下颗粒神经元(CGNs)形态的变化,我们在DIV 0时按照上述方法转染神经元。转染后,将一组神经元置于完全培养基(BME、10% 小牛血清、2 mM PSG、25 mM KCl)中,另一组置于含胰岛素的最低限度培养基中(BME、25 mM 葡萄糖、2 mM PSG、10 μg/ml 胰岛素)。在DIV 1、2和3时,对神经元进行GFP抗体免疫细胞化学染色,随后测量第1组的轴突和树突,以及第2组的轴突。由于完全培养基中含有血清和KCl,分别提供生长因子并模拟神经元活性,因此在所示时间范围内,轴突和树突均迅速发育并生长(图4A)。第2组的轴突生长主要依赖于内在刺激,因此生长程度明显降低。然而,由于缺乏促进树突生长的血清和KCl,树突未能正常发育(图4B)。
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体外和体内方法的优缺点:
小鼠和大鼠培养的颗粒神经元(CGNs)均适用于形态学分析。由于大鼠小脑体积较大,从大鼠幼鼠中获得的CGNs产量比小鼠幼鼠高出3-4倍。除CGNs外,皮层神经元和海马神经元也可用作培养体系。磷酸钙转染法的转染效率较低(0.01–5%),适用于单个神经元形态的分析。也可使用其他脂质体转染方法,但成本过高且无明显优势。对于CGNs等高密度培养体系,应避免使用病毒转染方法,因其转染效率过高,将导致难以区分单个神经元的突起结构。在CGNs中,我们通常发现转染效率与培养天数之间存在相关性 体外培养时间越长的神经元,受转染诱导的应激影响越小,因此转染效率会提高。此外,为了专注于研究轴突生长的内在机制,并排除培养基中血清来源的生长因子的影响,可将小脑颗粒神经元(CGNs)培养在添加胰岛素的存活培养基中。胰岛素是一种廉价的胰岛素样生长因子1(IGF-1)替代物,可促进神经元存活。35从完全培养基更换为含胰岛素培养基的操作必须在DIV 0或DIV 1进行,以防止因血清和KCl撤除引发的细胞凋亡。树突生...
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作者声明 不存在相互竞争的经济利益。
感谢 N. Schwedhelm-Domeyer 提供出色的技术支持,C. Hammer 和 S. Papiol 在统计分析方面提供的帮助。本研究由德国马克斯·普朗克学会、德国研究基金会、哥廷根纳米显微学与脑分子生理学中心(CNMPB)、德国哥廷根以及哥廷根大学 GGNB 青年研究组奖学金资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| DMEM | Gibco | 11960-044 | |
| BME | Gibco | 41010-026 | |
| 胰岛素 | Sigma-Aldrich | Si-1-4011 | |
| 聚-L-鸟氨酸 | Sigma-Aldrich | P-2533 | |
| CaCl2 | Appli-Chem | A3652 | |
| 异氟烷 | Actavis Deutschland | ||
| Tissue-Tek OCT | Sakura | ||
| ECM 830 和电穿孔镊电极 | Harvard Apparatus | ||
| 落射荧光显微镜及相机 | Nikon | ||
| SP2 共聚焦显微镜 | Leica | ||
| ImageJ | NIH | ||
| Imaris 7.4.2 | Bitplane, Inc. | ||
| GraphPad Prism | GraphPad Software, Inc. | ||
| MS Excel | Microsoft | ||
| 加样吸头 1-200 µl | Costar | 4853 | |
| 移液器吸头 200 µl | Sarstedt | 70.760.502 | |
| Microlance 3 针头,30 G | BD | 302200 | |
| 50 µl 气密式注射器 1705 | Hamilton | ||
| 玻璃盖玻片 | Thermo Scientific Menzel Glaeser | CB00120RA1 |
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