本文介绍一种用于小鼠脑组织透明化、荧光标记及大规模成像的实验流程,该方法可实现新皮层中细胞类型三维空间组织结构的可视化。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文介绍一种用于小鼠脑组织透明化、荧光标记及大规模成像的实验流程,该方法可实现新皮层中细胞类型三维空间组织结构的可视化。
哺乳动物的新皮层由多种类型的兴奋性和抑制性神经元组成,每种神经元都具有特定的电生理和生化特性、突触连接以及 体内 功能,但其从细胞到网络水平的基本功能与解剖组织结构仍不清楚。本文介绍一种用于在全脑大范围区域内对荧光标记神经元进行三维成像的方法,以研究大脑皮层的细胞组织结构。通过向转基因小鼠体内注射荧光逆行神经示踪剂或使其表达荧光蛋白,可特异性标记特定类型的神经元。将脑组织制成整块样本, 例如, 半脑在固定后制备,通过组织透明化方法使其透明,并对特定细胞类型进行荧光免疫标记。使用配备长工作距离物镜和电动载物台的共聚焦或双光子显微镜扫描大范围区域。该方法可解析小鼠新皮层中细胞类型特异性微柱功能模块的周期性排列。此技术可用于研究不同脑区及其他复杂组织中的三维细胞架构。
哺乳动物的新皮层由大量细胞类型组成,每种细胞都具有特定的基因表达模式、电生理和生化特性以及突触连接, 体内 功能1,2,3,4,5,6,7这些细胞类型是否被组织成重复性结构尚不明确。皮层柱(包括视觉朝向柱和体感桶状结构)具有重复性结构,但其细胞层面的组织形式仍不清楚。8,9这些存在于特定的皮层区域,并非全脑范围的系统。
在新皮层第5层中,绝大多数神经元可分为四种主要类型。其中一种主要的兴奋性神经元为皮层下投射神经元,其轴突投射至脑桥、脊髓和上丘等皮层下靶区,因此构成了主要的皮层输出通路10。另一种主要的兴奋性神经元是皮层投射神经元,其支配大脑皮层本身10。抑制性神经元也包含两大主要类别:表达小清蛋白的细胞和表达生长抑素的细胞11。
近期分析表明,这四种细胞类型以重复的结构排列12,13,14。皮层下投射神经元12,13,14和皮层投射神经元14均形成细胞类型特异性的微柱结构,其直径为1–2个细胞。表达小清蛋白的细胞和表达生长抑素的细胞特异性地与皮层下投射神经元的微柱对齐,但不与皮层投射神经元的微柱对齐14。微柱本身周期性排列,形成六边形晶格阵列14,存在于小鼠脑的多个皮层区域,包括视觉、体感和运动区域12,14,也存在于人脑的语言区域13。单个微柱内的神经元表现出同步活动,并具有相似的感觉反应14。这些观察结果表明,第5层的细胞类型组织成一种微柱晶格结构,代表了首个已知的全脑范围内重复功能模块的组织形式。
微柱的半径约为10 µm,空间周期性约为40 µm。此外,微柱的取向与其顶端树突平行,并随其在皮层中的位置不同而发生变化14因此,使用通常厚度为几十微米的传统脑片难以对微柱系统进行分析。此外,周期性分析需要来自大范围脑区的三维数据,而共聚焦显微镜通常的成像范围较小,因而难以满足这一需求。 体内 双光子成像的视野过窄。
近年来,已开发出清除厚组织的技术15,16。本文描述了这些方法的应用,以获取小鼠新皮层第5层中构成微柱系统的各类主要细胞类型的大尺度三维图像。皮层下投射神经元通过逆行标记法标记,或通过Crym-egfp转基因小鼠中增强型绿色荧光蛋白的表达进行标记12;皮层投射神经元则通过逆行标记法,或通过Tlx3-cre/Ai9 小鼠中 tdTomato 的表达进行标记17。表达小清蛋白和生长抑素的细胞通过免疫组织化学方法进行标记。抗体染色实验采用(抗体标尺 S)AbScale 方法18,而其他实验则采用(见深层脑组织)SeeDB 方法19。这些方法克服了上述传统成像方法的困难,揭示了第5层细胞结构的精确组织方式14。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
所有实验程序均经理化学研究所和光动物实验委员会及理化学研究所基因重组实验安全委员会批准,并依照理化学研究所脑科学研究所动物设施的机构指南进行。
1. 成像室的制备
2. 示踪剂注射
注意:将注射注入脑桥(2.1)或上丘(2.2)。注射至脑桥可标记包括视觉区和运动区在内的广泛脑区中的皮层下投射神经元,而注射至上丘则仅标记视觉区中的皮层下投射神经元。对照实验中,使用生理盐水代替荧光标记的霍乱毒素B亚基。为维持无菌条件,应使用灭菌器械,并佩戴经乙醇清洁的塑料手套。
3. 固定与修块
4. 无需抗体染色的透明化方法(SeeDB 法)
5. 抗体染色透明化(AbScale 方法)
6. 细胞位置的确定
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
我们通过在Tlx3-cre/Ai9转基因小鼠中表达tdTomato标记皮层投射神经元,并通过向脑桥注射逆行示踪剂CTB488来可视化皮层下投射神经元。对小鼠脑的左半球采用SeeDB方法进行透明化处理,并使用配备水浸长工作距离物镜(25X,数值孔径1.1,工作距离2 mm)和电动载物台的双光子显微镜进行扫描。在每个30个扫描位置处,以z步进2.8 µm获取一组401张图像(512 x 512像素;像素大小=0.99 µm)。两类细胞的胞体在大脑多个区域范围内均清晰可见(图6),光学切片显示了周期性微柱结构(图7A)。此外,将Crym-egfp小鼠(以C57BL/6J为遗传背景的杂合子)的脑组织经SeeDB法透明化处理后,按上述方法进行成像。EGFP表达的皮层下投射神经元的胞体及其顶端树突在光学切片中清晰可辨(图7B)。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
我们已展示了获取小鼠新皮层第5层主要细胞类型在细胞类型特异性组织中大规模三维图像的实验流程。与传统的切片染色方法相比,该方法在确定新皮层三维组织结构方面更具优势。与常规方法相比,该技术能够实现更广泛且更深脑区的成像采集 体内 双光子显微镜或传统共聚焦显微镜,从而能够对新皮层的细胞结构进行全面分析。
该方法的关键步骤是抗体的渗透。部分抗体在厚样本中的渗透效果较差(表3),因此不能用于AbScale 方法。为了使本研究中使用的抗体实现均匀标记,必须将脑组织切成500 µm的切片。使用较小的抗体片段, 例如, Fab 或 F(ab')2 片段,和/或其他清除方法21,22,23,24,25<...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢宫脇敦史(Atsushi Miyawaki)和浜博史(Hiroshi Hama)在AbScale实验方面提供的建议,横山查尔斯(Charles Yokoyama)对手稿的编辑,以及大岛绘理子(Eriko Ohshima)和岸野美由纪(Miyuki Kishino)在技术上的协助。本研究由理化学研究所(RIKEN)向T.H.提供的研究经费,以及日本文部科学省(MEXT)向T.H.(创新领域“"Mesoscopic Neurocircuitry";22115004)和S.S.(25890023)提供的科学研究补助金资助。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Crym-egfp 转基因小鼠 | MMRRC | 012003-UCD | |
| Tlx3-cre 转基因小鼠 | MMRRC | 36547-UCD | |
| ROSA-CAG-flox-tdTomato 小鼠 | 杰克逊实验室 | JAX #7909 | |
| 硅橡胶片 | AS ONE | 6-611-01 | 0.5 mm 厚度 |
| 硅橡胶片 | AS ONE | 6-611-02 | 1.0 mm 厚度 |
| 硅橡胶片 | AS ONE | 6-611-05 | 3.0 mm 厚度 |
| 培养皿 | Falcon | 351008 | |
| 盖玻片 | Matsunami | C022241 | |
| 霍乱毒素亚基 B(重组),Alexa Fluor 488 标记物 | Invitrogen | C22841 | |
| 霍乱毒素亚基 B(重组),Alexa Fluor 555 标记物 | Invitrogen | C22843 | |
| 霍乱毒素亚基 B(重组),Alexa Fluor 594 标记物 | Invitrogen | C22842 | |
| 霍乱毒素亚基 B(重组),Alexa Fluor 647 标记物 | Invitrogen | C34778 | |
| 26 G Hamilton 注射器 | Hamilton | 701N | |
| 注射泵 | KD Scientific | KDS 310 | pons 注射 |
| 注射泵 | KD Scientific | KDS 100 | 上丘注射 |
| 显微操作器 | Narishige | SM-15 | |
| 戊巴比妥钠 | 协和化学 | Somnopentyl | |
| 异氟烷 | 辉瑞 | ||
| 利多卡因 | 阿斯利康 | 含肾上腺素的 1% 利多卡因注射液 | |
| 钻机 | Toyo Associates | HP-200 | |
| Avitene 微纤维止血剂 | Davol Inc | 1010090 | |
| Alonalfa | 第一三共 | Alonalpha A | |
| 外科缝合丝线 | Ethicon | K881H | |
| 孵育器 | UVP | HB-1000 Hybridizer | |
| 玻璃移液管 | Drummond 科学公司 | 2-000-075 | |
| 电极拉制仪 | Sutter 仪器公司 | P-97 | |
| 液体石蜡,轻质 | Nacalai Tesque | 26132-35 | |
| 生理盐水 | 大冢 | 1326 | |
| 多聚甲醛 | Nacalai Tesque | 26126-54 | |
| 钨针 | Inter medical | Φ0.1 *L200 mm | |
| 振动切片机 | Leica | VT1000S | |
| 50 mL 塑料管 | Falcon | 352070 | |
| α-硫代甘油 | Nacalai Tesque | 33709-62 | |
| D(-) 果糖 | Nacalai Tesque | 16315-55 | |
| BluTack | Bostik | CKBT-450000 | |
| 双光子显微镜 | 尼康 | A1RMP | |
| 长工作距离水浸物镜 | 尼康 | CFI Apo LWD 25XW, NA 1.1, WD 2 mm | |
| 长工作距离水浸物镜 | 尼康 | CFI LWD 16XW, NA 0.8, WD 3 mm | |
| 电动载物台 | COMS | PT100C-50XY | |
| 滤光片 | Semrock | FF01-492/SP-25 | |
| 滤光片 | Semrock | FF03-525/50-25 | |
| 滤光片 | Semrock | FF03-575/25-25 | |
| 滤光片 | Semrock | FF01-629/56 | |
| 滤光片 | Chroma | D605/55m | |
| 5 mL 塑料管 | AS ONE | VIO-5B | |
| 2 mL 塑料管 | Eppendorf | 0030120094 | |
| 尿素 | Nacalai Tesque | 35905-35 | |
| 吐温 X-100 | Nacalai Tesque | 35501-15 | |
| 甘油 | Sigma-aldrich | 191612 | |
| D(-)-山梨醇 | 和光 | 191-14735 | |
| 甲基-β-环糊精 | 东京化成工业 | M1356 | |
| γ-环糊精 | 和光 | 037-10643 | |
| N-乙酰-L-羟基脯氨酸 | Skin Essential Actives | 33996-33-7 | |
| DMSO | Nacalai Tesque | 13445-45 | |
| 牛血清白蛋白 | Sigma-aldrich | A7906 | |
| 吐温-20 (1.1 g/mL) | Nacalai Tesque | 35624-15 | |
| 山羊抗小鼠 IgG (H+L) 交叉吸附二抗,Alexa Fluor 555 标记 | Invitrogen | A21422 | |
| 山羊抗兔 IgG (H+L) 交叉吸附二抗,Alexa Fluor 555 标记 | Invitrogen | A21428 | |
| 山羊抗小鼠 IgG (H+L) 交叉吸附二抗,Alexa Fluor 647 标记 | Invitrogen | A21235 | |
| 山羊抗小鼠 IgG (H+L) 高度交叉吸附二抗,Alexa Fluor 488 标记 | Invitrogen | A11029 | |
| 驴抗兔 IgG (H+L) 高度交叉吸附二抗,Alexa Fluor 488 标记 | Invitrogen | A21206 | |
| 共聚焦显微镜 | 奥林巴斯 | FV1000 | |
| 长工作距离水浸物镜 | 奥林巴斯 | XLUMPLFLN 20XW, NA 1.0, WD 2 mm | |
| 抗 NeuN 抗体 | Millipore | MAB377 | |
| 抗 NeuN 抗体 | Millipore | ABN78 | |
| 抗 CTIP2 抗体 | Abcam | ab18465 | |
| 抗 Statb2 抗体 | Abcam | ab51502 | |
| 抗 GAD67 抗体 | Millipore | MAB5406 | |
| 抗 GABA 抗体 | Sigma | A2052 | |
| 抗钙结合蛋白 Parvalbumin 抗体 | Swant | 235 | |
| 抗钙结合蛋白 Parvalbumin 抗体 | Frontier Institute | PV-Go-Af460 | |
| 抗钙结合蛋白 Parvalbumin 抗体 | Sigma | P3088 | |
| 抗钙结合蛋白 Parvalbumin 抗体 | Abcam | ab11427 | |
| 抗生长抑素抗体 | Peninsula Laboratories | T-4103 | |
| 抗 c-Fos 抗体 | CalbioChem | PC38 |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。