在新的脑区中对年轻神经元进行挑战,可以揭示环境如何塑造神经元命运和成熟过程的重要见解。本方案描述了一种从特定脑区分离中间神经元前体细胞,并将其同位或异位移植到出生后幼鼠脑内的实验方法。
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在新的脑区中对年轻神经元进行挑战,可以揭示环境如何塑造神经元命运和成熟过程的重要见解。本方案描述了一种从特定脑区分离中间神经元前体细胞,并将其同位或异位移植到出生后幼鼠脑内的实验方法。
神经元命运的决定与成熟过程需要遗传程序与环境信号之间复杂的相互作用。然而,解析调控这一分化过程的内在机制与外在机制各自所起的作用,是所有发育神经生物学家面临的一大难题。这一问题在GABA能中间神经元中尤为突出,这类细胞群体具有极高的异质性,起源于短暂存在的胚胎结构,并经历漫长的迁移阶段,最终分布于端脑各区域。为了探究不同脑区环境如何影响中间神经元的命运与成熟,我们建立了一种从小鼠出生后早期(P0-P2)特定脑区获取荧光标记的未成熟中间神经元前体细胞的实验方案。在该发育阶段,中间神经元的迁移基本完成,这些细胞已到达其最终定位的脑区环境,且突触整合程度相对较低。通过流式细胞术获得单细胞悬液后,将这些中间神经元前体细胞移植至出生后P0-P2期的野生型幼鼠脑内。通过实施同位移植(例如皮层到皮层)或异位移植(例如皮层到海马),研究人员可评估将未成熟中间神经元置于新的脑环境后,其命运决定、成熟过程及神经环路整合能力所受到的影响。成年小鼠脑组织可被采集,并对移植细胞进行多种后续分析,包括免疫组织化学、电生理记录以及转录组学分析。该通用策略为研究者提供了一种有效手段,用以检测不同脑区环境如何影响神经元发育的多个方面,并判断特定神经元特性主要由固有的遗传程序决定,还是受环境信号主导。
正常的大脑皮层功能依赖于兴奋性投射神经元与抑制性GABA能中间神经元之间的平衡,后者是一类高度异质性的细胞群体,具有不同的形态学特征、电生理特性、连接方式以及神经化学标记。中间神经元(以及特定的中间神经元亚群)发育和功能的异常已被证实与精神疾病(如精神分裂症、自闭症和癫痫)的发病机制相关1,2,3。此外,许多与这些脑部疾病相关的基因在年轻的中间神经元中显著富集4。因此,深入理解调控中间神经元命运决定和成熟过程的分子机制,对于阐明正常脑发育过程以及多种脑部疾病的潜在病因至关重要。
前脑中间神经元主要起源于两个短暂存在的胚胎结构,即内侧和尾侧神经节隆起(MGE 和 CGE)。这些有丝分裂后的细胞(中间神经元前体)随后经历一个漫长的切向迁移阶段,扩散至端脑各区域,并整合到多种神经环路中。MGE 来源的中间神经元主要包括三个在神经化学特性上基本不重叠的亚群:快速放电型小清蛋白(PV+) 中间神经元,非快速放电的生长抑素(SST+)中间神经元,以及晚期放电的神经元型一氧化氮合酶(nNOS)+)构成海马神经胶质细胞和常春藤细胞的中间神经元。多个实验室已鉴定出位于MGE内调控PV初始命运决定的多种机制+ 或SST+中间神经元,包括形态发生素的空间梯度、中间神经元前体的出生时间以及神经发生性分裂方式5,6,7,8,9,10有研究提出,中间神经元最初分化为“基数类别”,随后在与环境相互作用的过程中逐步成熟为“确定类别”。11最近的证据表明,某些成熟的中间神经元亚型可能在神经节隆起中成为有丝分裂后细胞时即已由基因决定,提示早期确定的内在遗传程序可能比以往认为的发挥更大作用12,13然而,内在遗传程序如何与环境信号相互作用以驱动分化为不同类型的中间神经元,这一关键问题在很大程度上仍未被探索。
大量研究已将胚胎期MGE细胞直接移植到多种脑区,普遍结果表明,移植的细胞能够成熟并释放GABA,从而广泛抑制局部内源性神经环路14,15,16,17,18,19。这些令人鼓舞的观察结果激发了人们利用人诱导多能干细胞(hIPSC)来源的中间神经元治疗多种脑部疾病的浓厚兴趣。然而,极少有研究评估这些移植细胞是否成熟为预期类型的成熟中间神经元,而在考虑转化应用时,这一点至关重要。
为了研究环境如何影响中间神经元的分化与成熟,研究人员设计了一种策略,即将未成熟的中间神经元前体细胞移植到新的脑环境中,以检测移植的中间神经元是获得宿主环境的特征,还是保留供体环境的特征20。MGE移植不适合用于回答这一问题,因为MGE包含混合的中间神经元和GABA能投射细胞,这些细胞会分散到多个脑区21。由于无法确定这些MGE细胞原本的迁移路径,因此难以全面评估脑环境对这些移植细胞的影响。通过在出生后早期时间点获取中间神经元前体细胞,可以避开这一问题,获得已完成迁移并到达目标脑区但与环境相互作用极少的未成熟细胞。通过聚焦于在不同脑区间差异表达的中间神经元特定特征,即可确定宿主环境如何改变中间神经元的特性。本方案中概述的通用方法适用于任何希望研究年轻神经元在新环境中受到挑战时行为特征的研究人员。
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所有实验操作均按照美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)指南进行,并经国家儿童健康与人类发育研究所动物护理与使用委员会(NICHD Animal Care and Use Committee, ACUC)批准。下述方案利用Nkx2.1-CreC/+;Ai9+/-幼鼠获取由内侧神经节隆起(MGE)来源的中间神经元前体细胞,但该方法也可应用于任何所需的荧光报告小鼠品系。供体和受体组织均无差别地使用雄性和雌性出生后早期小鼠(P0-P2)。
1. 溶液配制
| 试剂 | 分子量 | 浓度 (mM) | 克/500 mL |
| 氯化钠 | 58.44 | 87 | 2.54 |
| 碳酸氢钠 | 84.01 | 26 | 1.09 |
| 氯化钾 | 74.55 | 2.5 | 0.09 |
| 磷酸二氢钠 | 119.98 | 1.25 | 0.08 |
| 葡萄糖 | 180.16 | 10 | 0.9 |
| 蔗糖 | 342.3 | 75 | 12.84 |
2. 解剖准备
3. 移植准备
4. P0-P2 小鼠脑组织的取出

图 1:脑组织解剖的示意图与图像,方法 #1
本图描述了步骤 5.1–5.10 中的解剖技术。若需获取纹状体组织,将 P1 期脑组织腹侧朝上置于脑切片模具中,将剃刀刀片插入模具槽内,从前脑方向切入,以获得穿过纹状体的冠状切面。从两侧半球中取出纹状体组织块,对所有位于海马体前方且包含纹状体的切片重复此操作。若无需纹状体组织,可直接将脑组织沿中线切为两半,将半脑内侧朝上放置于培养皿中,去除腹内侧脑结构(如丘脑、基底神经节等),以暴露海马体。使用镊子夹取海马体,随后将半脑翻转,再用镊子分离出一块皮层组织。示意图半脑中的垂直黑线表示切除纹状体组织时的切割位置。比例尺 = 500μm。 请点击此处查看该图的放大版本。
5. 收集纹状体、海马和皮层,技术 #1

图2:脑组织解剖的示意图与图像,方法#2
本图展示步骤6.1–6.7中描述的解剖技术。将脑组织背侧朝上固定于解剖皿中。向前剥离皮层后,可清晰观察到海马和纹状体,可将其取出;随后可按前述方法取下一部分皮层组织。根据转基因小鼠品系的不同,可进一步清理纹状体,去除苍白球及其他周围组织。在Nkx2.1Cre;Ai9小鼠品系中,苍白球的番茄荧光蛋白阳性(tomato+)细胞密度显著高于纹状体。比例尺 = 500 μm。 请点击此处查看该图的高清版本。
6. 收获纹状体、海马和皮层,技术 #2
7. 制备单细胞悬液
8. 准备用于移植的FACS纯化细胞悬液
9. 移植至 P0-2 野生型幼鼠

图3:移植的示意图与图像
(A) 注射装置的照片。请注意,lambda点可通过幼鼠颅骨清晰可见,应以此作为微量移液管归零的参考点。比例尺 = 1 英寸。(B) 靶向海马体注射操作的示意图。 请点击此处查看该图的放大版本。
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本方案展示了如何从早期出生后脑组织中分离特定脑区(图1-2),获取中间神经元前体细胞的单细胞悬液,并将这些细胞移植到未处理的野生型出生后幼鼠的不同脑区(图3)。对于移植后的分析,于P30-35期间获取接受中间神经元前体细胞移植的脑组织,以表征细胞形态、神经化学标志物及电生理特性。此类分析通常在正常小鼠P21-P30阶段进行,但由于解剖和解离操作可能导致移植细胞的成熟略有延迟,因此建议额外等待5-10天,以补偿这种成熟延迟。所进行分析的类型将决定脑组织采集的适当策略。值得注意的是,我们未观察到特定中间神经元亚群出现选择性细胞死亡,从而不会对某些亚型产生偏向性20。
进行免疫组织化学分析时,用4%多聚甲醛灌注小鼠并取出脑组织。通过目标脑区制备50 μm的振动...
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该方案的一个关键方面是最大限度地提高细胞的存活率。必须确保组织和细胞始终处于冰上预冷并通入碳酰气的sACSF溶液中,以促进细胞存活。这需要采用高效的解剖和分离策略,以尽量缩短细胞在各种溶液中以及脱离脑内环境的时间。根据所解剖和移植的脑区数量,由合作者协助完成解剖和/或移植步骤可能有助于缩短实验时长。 为确保幼鼠的健康与存活,还必须尽量缩短冰麻醉时间(< 4 min),并在移植过程中使用光源保持幼鼠体温。
移植后的大脑可能存在显著差异,有些大脑中可能不含任何移植物细胞,而另一些则可能含有数千个细胞。将多个P0-P2日龄的整窝幼鼠合并进行解剖,可增加收获的细胞数量,从而允许提高移植细胞密度和/或增加接受移植的幼鼠数量,这两者均可提高移植成功的可能性。为了准确靶向目标脑区,关键在于固定幼鼠头部,确保在将微移液管插入大脑过程中头部不发生移动。头部的任何位移或微移液管杆的弯曲都可能导致靶向错误和注射不准确(例如细胞丢失至侧脑室)。此外,每只幼鼠进行多个注射位点(单侧或双侧)操作,可在某一注射位点出现靶向偏差时提高成功率。未来,开发一种更高效的立体定位策略以稳定幼鼠并实现更精...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究由美国国立卫生研究院(K99MH104595)和美国国立儿童健康与人类发展研究所的院内研究项目资助,资助对象为 T.J.P。我们感谢 Gord Fishell,本方法最初是在他的实验室中建立的。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 氯化钠 | Sigma | S7653 | |
| 碳酸氢钠 | Sigma | S6297 | |
| 氯化钾 | Sigma | P9541 | |
| 磷酸二氢钠 | Sigma | S0751 | |
| 氯化钙 | Sigma | C5080 | |
| 氯化镁 | Sigma | M2670 | |
| 葡萄糖 | Sigma | G7528 | |
| 蔗糖 | Sigma | S7903 | |
| 脑切片矩阵 | Roboz | SA-2165 | 仅在分离纹状体时需要 |
| 精细尖头杜蒙镊 | Roboz | RS-4978 | |
| 显微解剖剪刀 | Roboz | RS-5940 | |
| 剃须刀片 | ThermoFisher | 12-640 | |
| 巴斯德吸管 | ThermoFisher | 1367820C | |
| Nanoject III | Drummond | 3-000-207 | |
| 手动操作器(带支架) | World Precision Instruments | M3301R/M10 | |
| 5 ml 圆底塑料管 | ThermoFisher | 149591A | |
| 60 mm 培养皿 | ThermoFisher | 12556001 | |
| 100 mm 培养皿 | ThermoFisher | 12565100 | |
| 蛋白酶 | Sigma | 10165921001 | |
| 胎牛血清(FBS) | ThermoFisher | 16140063 | |
| 脱氧核糖核酸酶 I(DNase I) | Sigma | 4716728001 | |
| Celltrics 50 μm 滤膜 | Sysmex | 04-0042327 | |
| 台盼蓝 | ThermoFisher | 15-250-061 | |
| 血细胞计数板 | ThermoFisher | 02-671-6 |
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