本文提供了使用以下方案 在子宫内 电穿孔(IUE)用于在单细胞水平上描述神经元的结构连接性以及荧光标记神经元的兴奋性。通过组织学方法表征树突和轴突投射。利用急性脑片进行全细胞记录以研究神经元兴奋性。
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本文提供了使用以下方案 在子宫内 电穿孔(IUE)用于在单细胞水平上描述神经元的结构连接性以及荧光标记神经元的兴奋性。通过组织学方法表征树突和轴突投射。利用急性脑片进行全细胞记录以研究神经元兴奋性。
神经系统由大量不同类型的神经元组成。这些神经元亚群的特征包括独特的树突形态、特定的轴突连接模式以及选择性的放电反应等。在发育过程中,负责这些分化特征的分子与细胞机制目前仍知之甚少。
本文描述了用于标记和表征皮层神经元结构连接性与兴奋性的联合实验方案。在体电穿孔(IUE)技术的改进使得能够标记稀疏分布的神经元群体,从而可识别并追踪单个神经元的树突和轴突,精确定位轴突投射的皮层层级位置,并进行形态计量学分析。此外,将IUE与电穿孔后脑组织急性切片的全细胞记录技术相结合,可用于研究野生型(WT)或基因修饰神经元兴奋性的变化。这两种技术的结合有助于深入理解结构连接性与功能连接性之间的耦合关系,以及发育过程中调控神经元多样性的分子机制。这些发育过程对轴突布线、神经元功能多样性以及认知障碍的生物学基础具有重要意义。
树突和轴突结构的发育是神经系统回路调控的重要方面,包括大脑皮层中的回路调控。它在不同神经元亚群的选择性连接过程中发挥着关键作用。近年来多项研究表明,除了连接性之外,神经元的分子多样性还体现在其获得高度特异性的放电模式上。然而,在发育过程中决定不同神经元亚型的兴奋性和连接性的机制,以及这些特性在多大程度上协调一致,目前仍知之甚少1,2。
体内功能缺失与功能获得分析可用于研究特定基因表达水平与其在神经环路发育中作用之间的关系。子宫内电穿孔(IUE)是一种广泛用于研究目的基因在特定神经元群体中的功能以及其整体连接模式的技术。然而,要确定活体小鼠大脑皮层各层中轴突和树突的形态学特征,必须对神经元进行稀疏标记。将Cre重组系统与IUE结合使用,可实现对神经元群体的稀疏标记,标记密度足够低,从而能够清晰分辨出特定皮层分层中单个细胞发出的投射纤维。该方法可在每个皮层中标记足够数量的神经元,使得在分析适量的电穿孔脑组织后即可获得定量数据(图1)。本文介绍了一种用于此类精细连接性分析的方法。同时,本文还介绍了一种类似策略,用于在独立实验中通过急性皮层脑片上的电流钳记录技术,分析经绿色荧光蛋白(GFP)电穿孔标记的神经元的电生理特性。这些实验方案具有良好的通用性,可应用于研究野生型和转基因动物神经元的兴奋性与连接性,也可用于研究在IUE过程中通过额外质粒引入基因功能缺失或功能获得的神经元特性。
尽管本实验方案描述的是在胚胎第15.5天(E15.5)对小鼠进行电穿孔操作,但该技术可在胚胎第9.5天(E9.5)3 至出生后第2天(P2)4 之间的任意时间点进行。早期阶段的电穿孔主要靶向丘脑神经元及其前体细胞以及大脑皮层的深层细胞,而较晚期的电穿孔则标记更表层的细胞(例如,E15.5天的体内电穿孔可靶向第II-III层神经元)。总之,将体内电穿孔(IUE)与单细胞形态学分析及电生理学技术相结合,是揭示神经系统中神经元巨大结构与功能多样性的分子机制的有力工具。
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所有动物实验程序均经马德里自治区动物护理与使用委员会批准,符合国家及欧洲法律法规(PROEX 118/14;PROEX 331/15)。操作过程中须保持无菌条件。
1. 子宫内 电穿孔
注意:本电穿孔实验(IUE)方案改编自先前已发表的其他方案5,6,7。本文描述了一种针对E15.5胚胎进行IUE的实验方案,并对报告基因策略进行了改进,可在单独实验中利用标准的GFP报告质粒研究单个神经元的形态8及其电生理特性。
2. 手术准备
3. 手术
4. DNA 注射与电穿孔
5. 手术结束与术后处理
6. 样品的制备与分析
7. 成像与分析
8. 电生理学
注意:本实验方案的目的是从经GFP电穿孔的小鼠脑组织中,通过GFP表达在视觉上识别出的II/III层锥体神经元,获取全细胞电流钳记录(也可适用于此前已电穿孔表达其他任何荧光蛋白的情况)。本方案改编自已发表的方法17,18。利用本方案,可研究通过子宫内电穿孔(IUE)引入的遗传修饰对神经元电生理特性的影响。特定放电模式的获得是一个渐进的分化过程,涉及多种离子通道的动态表达,并在出生后晚期阶段之前表现出短暂的放电模式。例如,在出生后16天(P16)之前,小鼠体感皮层II/III层中尚未观察到成熟的电生理反应2,19。
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为了详细且全面地表征神经元在发育过程中的形态学变化,必须对神经元进行稀疏标记。利用稀释的 Cre 重组酶系统,可使目的基因在少量神经元中表达,从而仅使含有该酶的神经元表达 GFP(图 1A)。采用该策略,在 E15.5 时期通过子宫内电穿孔(IUE)靶向并标记第二至第三层神经元。同时共电穿孔浓度为 1 µg/µL 的 CAG-DsRed2,作为对照,并用于在活体动物中识别成功电穿孔的脑组织。重要的是,经抗 GFP 抗体染色后,信号强度足以清晰显示神经元的树突形态和轴突(图 1D 和 E)。
在宫内电穿孔(IUE)和电生理实验后,通过全细胞记录获得的参数可用于比较不同条件下电穿孔细胞的放电反应和兴奋性。可获取多个参数,应根据具体研究需求,使用特定的膜片钳分析软件对参数进行调整。图2C展示了从E15.5电穿孔的野生型II-...
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本方案详细描述了如何标记C75BL/6小鼠体感皮层的神经元,以分析其连接性及兴奋性。与现有方法相比,该技术能够可视化连接性的鉴别特征,例如每个神经元的轴突分支数量、其精确的拓扑结构以及解剖学位置。通过调整电极的位置,还可靶向其他神经元群体,例如扣带皮层(保持电极与脑组织之间的相同角度,但改变电极极性的方向)或海马体5,并根据所需策略对单个神经元或更广泛的细胞群体进行类似的标记实验。然而,该方法存在一定局限性,并非所有神经元群体都具有相同的可及性或可被同等选择性地标记。例如,在海马体中,可以选择性地标记CA1区晚期出生的神经元,但早期电穿孔则会标记出内层和外层锥体细胞的异质性群体。在大脑皮层中,神经元按顺序生成,因此子宫内电穿孔(IUE)时的妊娠天数决定了受影响的皮层层级。较早进行IUE可靶向更深层的神经元(例如,E14天进行IUE可标记第四层神经元)22。
为了成功进行宫内电转染(IUE),建议考虑以下几点。首先,手术时间应控制在30分钟以内,以减少对母体的应激,并提高...
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作者声明无利益冲突。
我们感谢 R. Gutiérrez 和 A. Morales 提供出色的技术支持,感谢 L. A. Weiss 进行编辑工作。C.G.B. 由西班牙科学与创新部(MICINN)资助,项目编号 FPI-BES-2012-056011。本研究工作由 BBVA 基金会和 MINECO 的 SAF2014-58598-JIN 项目资助 M. Navarrete,以及由拉蒙·阿雷塞斯基金会(Ramón Areces Foundation)和 MINECO 的 SAF2014-52119-R 与 BFU2014-55738-REDT 项目资助 M. Nieto。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| pCAG-Cre | Addgene | 13775 | |
| pCALNL-GFP | Addgene | 13770 | |
| pCAG-DsRed2 | Addgene | 15777 | |
| pCAG-GFP | Addgene | 11150 | |
| 快绿 | 卡尔·罗斯(Carl Roth) | 301.1 | |
| EndoFree 质粒大提试剂盒 | QIAGEN | 12362 | |
| 卡洛芬(Rimadyl) | Pfizer GmbH | 1615 ESP | |
| 异氟烷(IsoFlo) | Abbott (Esteve) | 1385 ESP | |
| 氯胺酮(Imalgene) | Merial | 2528-ESP | |
| 赛拉嗪(Xilagesic) | Calier | 0682-ESP | |
| 聚维酮碘 | 梅达 | 694109.6 | |
| 眼膏(Lipolac) | 安杰利尼 | 65.277 | |
| Hanks' 平衡盐溶液 (HBSS) | Gibco(生命技术公司) | 24020-091 | |
| 青霉素-链霉素 | Sigma-Aldrich | P4333 | |
| 手术刀柄 #3 - 12 厘米 | Fine Science Tools | 10003-12 | |
| 手术刀片 #10 | 精细科学工具 | 10010-00 | |
| Adson镊子-带齿 - 直型 12 cm | 精细科学工具 | 1106-12 | |
| 硬化精细剪刀 - 直型 11 cm | Fine Science Tools | 14090-11 | |
| 梅泽鲍姆-尼尔森弯剪 L=14.5 cm | Teleflex | PO143281 | |
| 细弯头 - 7 型杜莫克丝尔 | 杜蒙特 | 0303-7-PO | |
| Dumont #5 镊子-Inox | Fine Science Tools | 11251-20 | |
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| 25 G 针头(BD Microlance 3) | Becton, Dickinson and Company | 300600 | |
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| 多聚甲醛 | Sigma-Aldrich | 158127 | |
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| GFP标签多克隆抗体 | 赛默飞世尔科技 | A-11122 | |
| 二抗,Alexa Fluor 488 标记 | 赛默飞世尔科技 | A-11008 | |
| DAPI | Sigma-Aldrich | D9542 | |
| 胎牛血清 | 赛默飞世尔科技 | 10270106 | |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X100-500ML | |
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