本视频文章介绍了利用啮齿类动物急性海马脑片研究CA1锥体神经元中长期可塑性及其相关联的突触标记、捕获和交叉标记等过程的实验方法。
本视频文章介绍了利用啮齿类动物急性海马脑片研究CA1锥体神经元中长期可塑性及其相关联的突触标记、捕获和交叉标记等过程的实验方法。
突触标记与捕获(STC)以及交叉标记是细胞水平上的两种重要机制,用于解释在特定时间范围内神经元中如何实现突触特异性和关联性。这些与长时程可塑性相关的过程是目前在细胞水平上研究记忆形成与维持机制的主要候选模型。STC 和交叉标记均包含两个连续的过程:(1)由特定刺激模式触发的突触标记的建立,以及(2)突触捕获,即突触标记与新合成的可塑性相关蛋白(PRPs)相互作用。目前对 STC 和交叉标记概念的理解主要来源于对海马 CA1 区的研究,由于技术上的复杂性,许多实验室仍难以开展此类研究。制备海马脑片以及记录稳定的晚期长时程增强(LTP)/长时程抑制(LTD)的实验条件,对于研究突触标记/交叉标记至关重要。本视频文章描述了利用大鼠急性海马脑片的稳定长时程场电位记录,研究 CA1 锥体神经元中 STC 和交叉标记等长时程可塑性过程的实验操作步骤。
大脑中信息的编码与存储仍是神经科学领域最重要且备受关注的挑战。多年来,长时程增强(LTP)和长时程抑制(LTD)已成为记忆最主要的细胞相关机制1,2。这些依赖于神经活动的变化具有输入特异性和关联性,可导致神经元网络中记忆痕迹的稳定1,3,4。维持这两种突触可塑性形式需要合成可塑性相关产物(PRPs)5-10。突触特异性涉及新合成的蛋白质仅与特定的、表达LTP或LTD的激活突触相互作用,这对记忆至关重要。这一特异性可通过“突触标记与捕获”(STC)概念加以解释,即PRPs与近期处于活跃状态并被“标记”的突触相互作用11,12。STC过程为记忆的关联特性提供了细胞层面的理论框架,使我们能够理解短时可塑性如何以关联性和时间依赖的方式转化为持久的可塑性形式13。
在突触标签捕获(STC)过程中,某一输入通路中的强直刺激可诱导产生依赖蛋白质合成的晚期长时程增强(late-LTP),从而将另一独立输入通路中诱导出的不依赖蛋白质合成的早期长时程增强(early-LTP)强化为持续性的LTP13。短暂神经活动在局部突触设置“突触标签”,以及强神经活动诱导可扩散的蛋白质合成产物(PRPs)的生成,是STC过程中的两个关键事件13,14。近期被增强的“标记”突触对PRPs的捕获,是维持长时程增强的关键机制。已有大量研究证实了STC现象的存在15-17,并鉴定了可能的“标签”18和“PRPs”19。钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶II(CaMKII)和细胞外信号调节激酶1/2(ERK1/2)被认为是潜在的“标签”分子,而CaMKIV、蛋白激酶M(PKM)和脑源性神经营养因子(BDNF)则被认为是可能的“PRP”分子19-21。突触标签模型进一步扩展至包括LTP与LTD之间的正向协同相互作用,即“突触交叉标签”(synaptic cross-tagging)22。在突触交叉标签过程中,某一突触输入通路中的晚期LTP或LTD可将另一独立输入通路中相反类型的、不依赖蛋白质合成的早期LTD或LTP转化为持久形式,反之亦然22。
海马脑片制备是研究长时程突触可塑性最常用的模型23,24。关于突触标记和交叉标记概念的大部分认识均来源于对海马CA1区的研究,但由于技术复杂,许多实验室至今仍难以开展此类过程的研究。制备大鼠海马脑片并进行长时间稳定的晚期长时程增强(LTP)/长时程抑制(LTD)记录的实验条件,对于研究突触标记/交叉标记至关重要23,25,26。本文详细描述了利用急性分离的大鼠海马脑片进行稳定、长期场电位记录,以研究CA1区锥体神经元中STC和交叉标记等长时程可塑性过程的实验步骤。
所有动物实验程序均经新加坡国立大学机构动物护理和使用委员会(IACUC)批准。
1. 人工脑脊液(ACSF)的制备
2. 界面室的制备
注意:用于孵育脑片并在电生理记录期间维持其活性的界面式脑片孵育室(图2B)由两个部分组成。下部腔室含有蒸馏水,由温度控制器维持在32 °C,并持续通入碳氧混合气(carbogen)进行鼓泡。
3. 急性海马脑片的制备
注意:解剖方案包括(1)将动物脑组织取出并置于冰冷的人工脑脊液(ACSF)中,以及(2)分离并切片海马体。为保持神经元的活性,需迅速分离脑组织并放入冰冷的ACSF中,并在3至5分钟内完成包括切片在内的全部操作。
4. CA3-CA1 突触反应的记录
注意:用于场电位记录的电生理装置设置如图2A所示。如果在正确接地后仍存在超出控制的电干扰,强烈建议使用法拉第屏蔽笼。市面上有多种不同类型的浸没式和界面式记录舱可供选择。然而,更推荐使用界面式记录舱,因为脑片在其中表现出更强健的突触反应。
5. 切片室和灌流系统的清洗
该方法已用于研究成年大鼠急性海马脑片中长时程增强(LTP)和长时程抑制(LTD)的持久形式,以及突触标记和交叉捕获等关联性相互作用23。该技术在大鼠(Wistar品系)和多种小鼠品系的实验中均已被证明有效30,31。该方法已成功实现持续8-12小时的稳定LTP记录32。
通过弱四乙基化刺激一个输入通路(S1)所设置的“标记”,能够捕获由另一个独立但重叠的输入通路(S2)经强四乙基化刺激诱导产生的“持久性反应产物”(PRPs)(图3B,实心圆),从而将S1中原本会衰减的长时程增强效应(早期LTP)转化为持久形式(图3B,空心圆)(关于WTET诱导的早期LTP的比较,参见20,33)。被弱四乙基化刺激所设置的标记所捕获的PRPs,不一定必须来源于STET诱导的晚期长时程增强(late-LTP),也可以来源于SLFS诱导的晚期长时程抑制(late-LTD)。这种LTP与LTD之间的正向关联性相互作用被称为“交叉标记/捕获”。S1中由WTET诱导的早期LTP通过捕获S2中SLFS诱导的late-LTD所提供的PRPs而被增强为晚期LTP(图3C,空心圆)(图3C,实心圆)。在两种情况下,与各自基线相比,S1和S2中的显著增强或抑制效应均具有统计学意义(Wilcoxon检验;P < 0.05)。
只要两个事件之间的时间间隔保持在30-60分钟范围内,标签化PRP相互作用的发生并不要求事件的时间顺序必须为弱刺激先于强刺激或强刺激先于弱刺激。建议增加第三个独立但存在重叠的突触输入,并将其用作基线对照,以监测记录的稳定性。用于诱导早期和晚期LTP/LTD的电刺激方案必须在单输入实验中验证其一致性和可靠性后,方可用于STC实验。我们还想强调本方案中所述脑片制备方法的重要性,因为这些实验的成功在很大程度上依赖于脑片的质量。

图1. (A) 海马体解剖所用工具:(a) 绷带剪 (b) 眼科剪 (c) 咬骨钳 (d) 细刮匙 (e) 11号手术刀 (f) 镰形刮匙 (g) 软毛画笔 (h) 塑料巴斯德移液管 (i) 滤纸(85 mm)(j) 滤纸(30 mm)(k) 玻璃烧杯 (l) 可容纳培养皿和烧杯的铝制冷却块 (m) 培养皿。 (B) 手动组织切片机。(a) 平台 (b) 带刀片夹持器的切割臂 (c) 游标千分尺,分辨率为10 µm。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2. 用于场电位记录的电生理装置,包括 (A) 刺激器 (b) 差分放大器 (c) 模数转换器 (d) 示波器 (e) 配备采集软件的计算机 (f) 抗振实验台 (g) 具有 >4x 放大倍数的显微镜 (h) 脑切片界面式记录室 (i) 用于人工脑脊液(ACSF)和碳酰气供应的灌流系统 (j) 温度控制器 (k) 照明光源 (l) 带有电极夹持器的操纵器。(B) 界面式脑切片记录室。(C) & (D) 界面室中的海马脑切片。(E) 密封于玻璃毛细管中的不锈钢电极。请点击此处查看此图的放大版本。

图3. (A) 横切海马脑片及场电位记录电极位置示意图:在此图示中,两个刺激电极(S1 和 S2)置于CA1区辐射层,用于刺激CA1锥体神经元上两个独立但部分重叠的突触输入。两个细胞外记录电极分别置于辐射层和锥体细胞层,用于记录来自顶树突区的场兴奋性突触后电位(field-EPSP)和来自锥体细胞胞体的群体峰电位。CA1—阿蒙角区1,CA3—阿蒙角区3,DG—齿状回,SC—Schaffer侧支纤维,S1—刺激电极1,S2—刺激电极2。(B) “弱-强”刺激范式用于研究突触标记与捕获(STC):首先对S1通路施加弱四联刺激(WTET,空心圆)以诱导早期长时程增强(early-LTP),30分钟后对S2通路施加强四联刺激(STET,实心圆)以诱导晚期长时程增强(late-LTP)。S1通路的早期LTP被增强为晚期LTP,表明存在标记与捕获的相互作用(n = 6)。(C) “弱-强”范式用于研究交叉标记:S1通路通过WTET(空心圆)诱导早期LTP,30分钟后在S2通路施加短时间低频刺激(SLFS)以诱导晚期长时程抑制(late-LTD)。在S1通路中,早期LTP被转化为持续6小时的晚期LTP,表明存在交叉标记与捕获现象(n = 6)。单箭头表示用于诱导早期LTP的弱四联刺激;三重箭头表示用于诱导晚期LTP的强四联刺激;虚线箭头表示对代表性突触输入施加SLFS以诱导晚期LTD的时间点。误差线表示标准误(SEM)。请点击此处查看该图的放大版本。
急性海马脑片是研究长时程增强(LTP)及其他功能可塑性过程(如STC和交叉捕获)的优良模型系统。该模型保留了海马环路的大部分层状结构网络,允许精确定位电极,同时提供一个开放平台,可在无血脑屏障干扰的情况下快速进行神经药理学操作。
本文描述了制备年轻成年大鼠急性海马脑片并利用其研究突触可塑性(STC)和交叉标记的实验方法。既往研究表明,动物的性别和年龄是电生理学研究中需要考虑的重要因素27,28。因此,本研究选用具有完全表达的成体受体功能的年轻成年动物(5至7周龄的雄性Wistar大鼠)23。已有研究指出,啮齿类动物左右侧海马之间的连接存在不对称性29,并且NMDA受体表达水平也存在显著差异34。为了与我们先前的长时程增强(LTP)研究保持一致,本实验采用右侧海马23,32。然而,只要保持一致性,任一侧海马均可使用。
与任何实验方案一样,进行组织分离和切片操作时,必须迅速完成,同时注意避免组织被拉伸、损伤、变干或缺氧。溶液的pH值、温度和离子成分的变化可能对切片的存活率和实验结果产生显著影响,因此应尽量避免这些变化。已有研究观察到,在制备过程中发生的谷氨酸受体依赖性钙释放可能不可逆地影响神经组织中的蛋白质合成35,36,37。使用手动组织切片器有助于最大限度减少此类影响,因为它比振动切片机(vibraslicer)能更快地完成操作。然而,许多实验室也通过采取必要的预防措施,有效地使用振动切片机来保持切片的活性。另一个需要考虑的重要因素是在开始实验前进行长时间的孵育。已有研究指出,这一过程对于恢复制备过程中受到干扰的切片代谢状态和激酶活化水平的稳定性至关重要23。这种稳定性是实现长期记录一致性的必要条件。我们再次强调这一观察结果,并建议孵育时间长达约3小时。
已知多种刺激参数可诱导长时程增强(LTP),但在不同情况下引发的分子机制可能并不相同(综述见38)。这可能影响LTP的持续时间及其他特性,进而影响突触标记与捕获实验的结果。因此,重要的是在实验实验室的特定条件下验证所采用的刺激范式以及诱导LTP的特征,并保持一致性。
我们通常不考虑具有非常大的突触前纤维群体放电且最大fEPSP小于0.5 mV的实验,记录过程中纤维群体放电发生显著变化的实验也被排除。此外,在进行双通路或三通路实验时,必须确保各通路之间的独立性,这可通过成对脉冲易化方案28来验证。
界面记录系统的一个缺点是在长时间记录过程中,由于记录室与周围环境之间的温度和湿度差异,电极上会形成冷凝水滴。这些水滴需要不时小心吸除,否则可能滴落到脑片上,导致信号干扰甚至信号丢失。我们通常在显微镜下用细长的滤纸灯芯小心吸除水滴,同时避免触碰电极。然而,最佳解决方案是使用集中加热系统,例如由爱丁堡大学研究人员开发的ETC系统。
最后需要指出的是,目前全球各地的实验室中存在多种用于制备海马脑片以满足不同实验目的的方法学。每种方法都具有各自的优点。研究人员需要根据实验的具体目标,仔细优化实验方案中的各个细微环节。我们希望本文能够有助于改进研究晚期关联过程(如STC和交叉捕获)的方法学中某些方面。
本视频文章的开放获取由 Cerebos Pacific Limited 赞助。
本视频文章由Cerebos Pacific Limited赞助。本研究得到新加坡国家医学研究委员会协作研究基金(NMRC-CBRG-0041/2013)和教育部学术研究基金(MOE AcRF- Tier 1 - T1-2012 Oct -02)的支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 一、解剖工具 | |||
| 1. 绷带剪 | KLS Martin,德国 | 21-195-23-07 | |
| B-Braun/Aesculap,德国 | LX553R | ||
| 2. 睫状剪 | B-Braun/Aesculap,德国 | BC140R | |
| BC100R | |||
| 3. 咬骨钳 | World Precision Instruments (WPI),德国 | 14089-G | |
| 4. 手术刀 | World Precision Instruments (WPI),德国; | 500236-G | |
| B-Braun/Aesculap,德国 | |||
| BB73 | |||
| 5. 手术刀片#11 | B-Braun/Aesculap,德国 | BB511 | |
| 6. 镰形洁治器 | KLS Martin,德国 | 38-685-00 | |
| 7. 弯头镊子 | B-Braun/Aesculap,德国 | BD321R | |
| 8. 麻醉/诱导室 | MIP Anesthesia Technologies(现为 Patterson Scientific),俄勒冈州 | AS-01-0530-LG | |
| 二、人工脑脊液(ACSF)组分化学品 | |||
| 1. 氯化钠(NaCl) | Sigma-Aldrich | S5886 | |
| 2. 氯化钾(KCl) | Sigma-Aldrich | P9541 | |
| 3. 七水合硫酸镁(MgSO4·7H2O) | Sigma-Aldrich | M1880 | |
| 4. 二水合氯化钙(CaCl2·2H2O) | Sigma-Aldrich | C3881 | |
| 5. 磷酸二氢钾(KH2PO4) | Sigma-Aldrich | P9791 | |
| 6. 碳酸氢钠(NaHCO3) | Sigma-Aldrich | S5761 | |
| 7. 无水D-葡萄糖(C6H12O6) | Sigma-Aldrich | G7021 | |
| 三、电生理仪器 | |||
| 1. 显微镜 | Olympus,日本 | 型号 SZ61 | |
| 2. 温度控制器 | Scientific Systems Design Inc.,加拿大 | PTC03 | |
| 3. 差分交流放大器 | AM Systems,美国 | 型号 1700 | |
| 4. 隔离脉冲刺激器 | AM Systems,美国 | 型号 2100 | |
| 5. 示波器 | Rhode & Schwarz | HM0722 | |
| 6. 数模转换器 | Cambridge Electronic Design Ltd.,剑桥,英国 | CED-Power 1401-3 | |
| 7. 脑片界面记录室 | Scientific Systems Design Inc.,加拿大 | BSC01 | |
| 8. 蠕动泵 | Ismatec,Idex Health & Science,德国 | REGLO-Analog | |
| 9. 碳氧混合气流量计 | Cole-Parmer | 03220-44 | |
| 10. 光纤光源照明器 | Dolan-Jenner Industries | Fiber Lite MI-150 | |
| 11. 微操纵器 | Marzhauser Wetzlar,德国 | 00-42-101-0000(MM-33) | |
| 00-42-102-0000(MM-32) |