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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
提出了一个程序,以可视化蛋白激酶A活动在头部固定,行为小鼠。改进的A-激酶活动报告器tAKAR®在皮质神经元中表达,并通过颅窗口进行成像。双光子荧光寿命成像显微镜用于在强制运动期间可视化体内的PKA活动。
神经调节对大脑功能有强大的控制作用。神经调节系统功能障碍导致神经和精神疾病。尽管技术非常重要,但用细胞分辨率跟踪神经调节事件的技术才刚刚开始出现。神经调节剂,如多巴胺、去甲肾上腺素、乙酰胆碱和血清素,通过各自的G蛋白耦合受体触发细胞内信号事件,以调节神经元兴奋性、突触通信和其他神经元功能,从而调节神经元网络中的信息处理。上述神经调节器收敛到cAMP/蛋白激酶A(PKA)通路。因此,在体内,具有单细胞分辨率的PKA成像被开发为神经调节事件的读出,其方式类似于神经元电活动的钙成像。在此,提出一种方法,在头部固定行为小鼠皮层的各个神经元水平上可视化PKA活动。为此,使用了一个改进的A-激酶活动报告器(AKAR),称为tAKAR®,它基于Fürster共振能量转移(FRET)。这种基因编码的PKA传感器通过DNA质粒的子宫电穿孔(IUE)或腺相关病毒(AAV)的立体注射引入运动皮层。FRET 变化使用双光子荧光寿命成像显微镜 (2pFLIM) 进行成像,该显微镜比比例 FRET 测量具有优势,用于量化光散射脑组织中的 FRET 信号。为了研究强迫运动期间的PKA活动,tAKAR®通过清醒、头部固定的小鼠皮层上方的慢性颅窗成像,这些小鼠在速度控制的电动跑步机上运行或休息。这种成像方法将适用于许多其他大脑区域,以研究相应的行为诱导的PKA活动和其他基于FLIM的传感器进行体内成像。
神经调节,也称为缓慢突触传输,在不同的行为状态(如压力、觉醒、注意力和运动1、2、3)期间对大脑功能施加强有力的控制。4.尽管其重要性,神经调节事件发生的时间和地点的研究仍处于起步阶段。神经调节剂,包括乙酰胆碱、多巴胺、肾上腺素、血清素和许多神经肽,激活G蛋白耦合受体(GPCRs),进而触发细胞内第二信使通路,时间范围很宽从秒到小时。虽然每个神经调节器触发一组不同的信号事件,cAMP/蛋白质激酶A(PKA)通路是许多神经调节器1,5的常见下游通路。cAMP/PKA通路调节神经元兴奋性、突触性传播和可塑性6,7,8,9,因此,调节神经元网络动力学。由于不同的神经元或神经元类型表达不同类型或水平的神经调节器受体10,同一细胞外神经调节器的细胞内效应可能是异质的,因此,必须研究与细胞分辨率。迄今为止,在行为过程中监测体内单个神经元的神经调节事件仍然具有挑战性。
为了研究神经调节的时空动力学,需要一种合适的记录方式。微透析和快速扫描循环伏特经常用于研究神经调节器的释放,但它们缺乏监测细胞事件11、12的空间分辨率。PKA成像与钙动力学一样,在群体成像13中用作神经元电活动的代理,PKA成像可用于以细胞分辨率读取神经元群中的神经调节事件。本协议描述了使用改进的A-激酶活动报告器(AKAR)来监测动物行为期间体内的PKA活动。此处描述的方法允许以亚细胞分辨率同时成像神经元群,其时间分辨率可跟踪生理神经调节事件。
AKAR由一个供体和接受荧光蛋白组成,由PKA磷酸化基质肽和叉头相关(FHA)域连接,与基质14、15的磷酸化丝氨酸或三甲氨酸结合。PKA通路激活后,AKAR的基质肽被磷酸化。因此,FHA 域与磷酸化基质肽结合,从而使两个荧光苷酸接近,称为 AKAR 的闭合状态。磷酸化AKAR的封闭状态导致供体和受体荧光量之间增加Fürster共振能量转移(FRET)。由于磷酸化ARNA的比例与PKA活性16的水平有关,生物样品中的FRET量可用于量化PKA活性16、17、18的含量。 19,20.
早期版本的AKARs主要设计为双色比例成像14。当成像深入到脑组织,比例法遭受信号失真,由于波长依赖光散射17,18,21。如下所述,荧光寿命成像显微镜(FLIM)消除了这个问题,因为FLIM只测量供体荧光量18、21发出的光子。因此,FRET 的 FLIM 定量不受组织深度17的影响。此外,可以使用接受器荧光的"暗"(即低量子收率[QY])变体。这释放了一个颜色通道,以方便通过同步成像第二个传感器或形态标记17,19,20的正交神经元属性的多路测量。
FLIM成像量化荧光在兴奋状态下花费的时间,即荧光寿命18。荧光回到地面状态,从而结束兴奋状态,通常伴随光子的发射。虽然单个兴奋分子的光子发射是随机的,但在人群中,平均荧光寿命是该特定荧光的特性。当纯荧光群同时激发时,产生的荧光将跟随单个指数衰变。此指数衰减的时间常数对应于荧光蛋白的平均荧光寿命,荧光蛋白通常为 1 到 4 纳秒。FRET 也可以将兴奋的供体荧光剂返回到地面状态。在FRET的存在下,供体荧光的荧光寿命缩短。非磷酸化的AVR表现出相对较长的供体荧光寿命。在PKA的磷酸化后,传感器的寿命较短,因为供体和受体的荧光量彼此靠近,FRET增加。因此,在AKARs的种群中荧光寿命的量化代表PKA活性水平。
早期版本的AKARs尚未成功用于单细胞分辨率的体内成像。这主要是由于AKAR传感器对生理活化信号振幅低。最近,通过系统地比较两光子荧光寿命成像显微镜(2pFLIM)的可用AKAR传感器,发现一种名为FLIM-AKAR的传感器性能优于替代传感器。此外,还开发了一系列称为靶向AKARs(tAKARs)的FLIM-AKAR变体,以可视化特定亚细胞位置的PKA活性:微管(tAKAR®)、细胞醇(tAKAR®)、活性素(tAKAR®)、丝状活性素(tAKAR®)、膜(tAKARé)、膜(tAKARé)、微管(tAKAR®)、细胞醇(tAKAR®)、活性素(tAKAR®)、膜(tAKARé)、膜(tAKARé)、微管(tAKAR®)、细胞源性活性素(tAKAR®)、活性剂(tAKAR®)。(tAKAR®),和鼻后密度(tAKAR*)。在tAKARs中,tAKAR®将去甲肾上腺素引起的信号振幅提高了2.7倍。这与神经元中的大多数PKA固定在静止状态22、23的微管上的知识是一致的。tAKAR® 是现有 2pFLIM 的 AVR 中表现最好的。此外,tAKAR®检测到由多个神经调节剂引起的与生理相关的PKA活性,tAKAR®的表达并没有改变神经元功能17。
最近,tAKAR®成功地用于可视化头固定行为小鼠17中的PKA活动。结果表明,强制运动触发了运动、桶和视觉皮质中表层神经元(第1层至3层,距离pia深度为+300μm)的PA活性。运动触发的PKA活性部分依赖于通过β-肾上腺素受体和D1多巴胺受体的信号,但不受D2多巴胺受体拮抗剂的影响。这项工作说明了tAARs使用2pFLIM跟踪体内神经调节事件的能力。
在当前协议中,在强制运动范式期间,在头部固定的醒小鼠中进行 PKA 活动成像的整个方法用六个步骤来描述。首先,在传统的双光子显微镜中增加2pFLIM功能(图1)。第二,建造电动跑步机(图2)。第三,通过子宫电穿孔(IUE)的DNA质粒,或对腺相关病毒(AAV)的立体注射,在小鼠皮层中表达tAKAR®传感器。IUE24、25和立体注射病毒颗粒26的出色手术方案已经发表。我们使用的关键参数如下所述。第四,安装一个颅窗。优秀的方案已经发表颅窗手术27,28。介绍了从标准协议修改的几个步骤。第五,在体内表演2pFLIM。第六,分析2pFLIM图像(图3和图4)。这种方法应该很容易适用于许多其他头部固定的行为范式和大脑区域。
这里描述的所有方法都已获得俄勒冈健康与科学大学的机构动物护理和使用委员会(IACUC)的批准。
1. 2pFLIM 显微镜设置
2. 建造电动跑步机
注:定制电动跑步机的设计如图2所示。
3. 在小鼠皮质中表达 tAKAR® 传感器
4. 颅窗的安装
5. 在 Vivo 双光子荧光寿命成像显微镜
6. 分析 2pFLIM 图像
FRET-FLIM 传感器允许可视化许多不同的信号通路,包括神经调节中涉及的 cAMP/PKA 通路。当前协议利用最近开发的 takaR® 传感器与 2pFLIM 相结合,在头部固定行为小鼠中可视化 PKA 活动。大多数现有的双光子显微镜可以通过添加三到四个组件来升级,如图 1所示(另请参阅第 1 节)。为了在2pFLIM采集的图像中可视化FRET,对每像素收集的光子计时的直方图图进行了平均寿命的量化(图3A,B)。使用伪彩色图像可视化平均生存期,其中高(冷色)和低(暖色)均值分别表示低和高 PKA 活动,因为 PKA 激活会导致寿命缩短。必须注意正确设置 SPC 范围;此范围应在激光脉冲间隔内设置(例如,脉冲速率为 80 MHz 的 12.5 ns),并尽可能减少硬件边缘伪影(另请参阅第 6 节和讨论)。通过组合给定 ROI 内所有像素的 LT(图 3C,D),计算了 ROI 中的 PKA 活动。在头固定清醒小鼠的基础寿命范围在1.3至1.8 ns之间(图3E)。在头部固定的醒小鼠的运动皮层中对tAKAR®进行成像,允许在基底和强制运动期间用细胞分辨率实时定量PKA活动(图4)。实验可以重复几天和几个月。强制运动触发PKA活动在小鼠运动皮层17表面层的神经元群中。这种PKA活性依赖于神经调节通过激活β-肾上腺素和D1受体17。

图 1:2pFLIM 系统的架构图。2pFLIM 可通过添加黄色突出显示的硬件组件在传统的双光子显微镜上实现:光子定时计数模块、低噪声快速光电倍增管 (PMT)、光电二极管(仅当激光没有激光定时输出信令),以及可选的信号分路器。这个数字已由马等人17日修改。请点击此处查看此图的较大版本。

图2:定制电动跑步机的设计。(A) 跑步机设计的图式,从正面(左上)、侧面(右上)和顶部视图(左下)。跑步机(泡沫球)轴连接到旋转编码器和电机,它们共同安装在一个坚固的铝面包板上的两个柱子上。右角支架上的头板兼容支架固定在实心柱上,并位于跑步机上方。原理图不能缩放。正面 (B) 和侧面 (C) 查看跑步机的照片.在C面板中显示了鼠标在跑步机上的正确定位。 请点击此处查看此图的较大版本。

图3:2pFLIM数据的量化。(A) 每个像素呈伪色的 FLIM 图像,表示该像素中所有光子的平均寿命 (LT)相对于激光时向值。(B) 单个像素内的光子到达时间(面板A中的紫色正方形)绘制在直方图(左面板)中。集成边界设置为确定单个光子计数范围(SPC、灰色)。在 SPC 范围内,光子计时的积分除以光子的总数,然后减去 t 0(1.65 ns,虚线),从而得出 1.74 ns 的平均寿命(LT、虚线和虚线之间的距离)。 整个视场的平均寿命(面板A中的浅蓝色正方形)的量化涉及在所有像素(右面板)中收集的光子计时的集成,从而得出 1.7 ns 的平均寿命。内展在半日志比例中显示相同的数据。(C和D)每个感兴趣区域的平均寿命量化 (ROI)。(C) 2pFLIM 图像的代表示例。在运动皮层的第2/3层中,围绕两个索马塔绘制了两个ROI。(D) 光子时序分布集成在每个 ROI 中的所有像素(左面板)。细胞ROIs被颜色编码(如面板C所示)红色,单元格1;蓝色,单元格 2。标准化光子计数允许比较两个ROIs之间的光子时序分布(右面板,平均寿命;单元格1,1.33 ns;单元格2,1.73 ns)。内展在半日志比例中显示相同的数据。(E) 运动皮层表面层中 254 个图像细胞的平均基底寿命分布图。L1细胞(n = 186细胞/11动物,左面板),驻留在100μm以下的皮亚,在AAV2/1-hSyn-tAKAR®-WPRE的立体注射后表示tAKAR®,和L2/3金字塔细胞(n = 68细胞/4个动物,右面板),驻留至少150μm以下的pia,在 CAG-tAKAR®-WPRE DNA构造的 IUE 后表示 tAKAR®。请点击此处查看此图的较大版本。

图4:tAKAR®跟踪运动皮层中由运动引起的PKA活动。(A) 运动皮层中三个 L1 细胞的代表性强度(左面板)和寿命(中面板和右面板)图像。细胞ROIs的颜色编码:橙色,单元格1;蓝色,单元格 2;黄色,单元格 3。(B) 在基底条件下以单元 1(上面板)测量的光子时序分布(橙色痕迹,在中间面板α中测量)和强制运动(loco.,浅橙色轨迹,右面板A中测量)。标准化光子计数允许直接比较光子时序分布(下面板,平均寿命:基底,1.72 ns;运动,1.42 ns)。内展在半日志比例中显示相同的数据。(C) = 寿命/寿命0 (+LT/LT0) 相应单元的轨迹(上面板,见面板A),具有强制运动速度(下面板)。请点击此处查看此图的较大版本。
作者没有什么可透露的。
提出了一个程序,以可视化蛋白激酶A活动在头部固定,行为小鼠。改进的A-激酶活动报告器tAKAR®在皮质神经元中表达,并通过颅窗口进行成像。双光子荧光寿命成像显微镜用于在强制运动期间可视化体内的PKA活动。
我们感谢苔丝·拉迈耶女士、露丝·弗兰克女士和迈克尔·穆尼亚克博士的编辑和评论,以及佛罗里达州马克斯·普朗克的Ryohei Yasuda博士对2pFLIM采集软件的介绍。这项工作得到了两个BRAIN倡议奖U01NS094247(H.Z.和T.M.)和R01NS104944(H.Z.和T.M.)的支持,一个R01授予R01NS081071(T.M.),以及R21授予R21NS097856(H.Z.)。所有奖项均来自美国国家神经疾病和中风研究所。
| 0.2 μm 醋酸纤维素针头过滤器 | Nalgene | 190-2520 | 步骤 3.2.2. |
| 16x 0.8 NA 水浸物镜 | 尼康 | MRP07220 | 步骤 5.5。 |
| 3 针电缆 | US 数字 | CA-MIC3-SH-NC | 步骤 2.5.将旋转传感器连接到显微镜的 DAQ 输入 |
| 铝制面包板 | Thorlabs | MB1012 | 步骤 2.5。 |
| AnimalTracker MATLAB 软件 | N/A | N/A | 步骤 2.5 和第 5 - 6 节。将根据要求提供给主要作者 |
| 带通屏障滤波器 | Chroma | ET500-40m | 步骤 1.4。 |
| 笼式板 | Thorlabs | CP01 | 步骤 2.4.用作旋转传感器的支架 |
| 用于微型钻头的碳钢毛刺,尖端直径为 0.5 毫米 | FST | 19007-05 | 步骤 3.2.3. 和 4.4. |
| 圆形盖玻片(直径 5 mm) | VWR | 101413-528 | 步骤 4.5. |
| 定制的注射针架 | N/A | N/A | 步骤 3.2.4.应要求向主要作者提供技术细节 |
| 牙科丙烯酸 | Yates Motloid | 44114 | 步骤 4.3. 和 4.5. |
| 牙钻;Microtorque ii | Ram 产品 | 66699 | 步骤 3.2.3. 和 4.4. |
| Dowsil 透明聚合物 | 陶氏化学公司 | 3-4680 | 步骤 4.5.人工硬脑膜 |
| 电穿孔电极 | Bex | LF650P5 | 步骤 3.1.4. |
| 电穿孔仪 | Bex | CUY21 | 步骤 3.1.4. |
| 快速绿色 FCF | Sigma-aldrich | F7258-25G | 步骤 3.1.1. |
| FLIMimage MATLAB 软件 | N/A | N/A | 第 5 节。由佛罗里达州马克斯普朗克 |
| FLIMview MATLAB 软件 | N/A | N/A | 友情提供 第5 节和第 6 节。将根据要求提供给主要作者 |
| 泡沫兼容胶水 (Gorilla White Glue) | Gorilla | 5201204 | 步骤 2.3。 |
| 头板 | N/A | N/A | 步骤 4.3.应要求向主要作者提供技术细节 |
| 不 | 适用不 | 适用步骤 2.6。应要求提供技术细节 第一作者,与安装柱支架和直角支架结合使用 | |
| 液压显微作器 | Narishige | MO-10 | 步骤 3.2.4。 |
| Krazy 胶水 | Krazy 胶 | 水 KG82648R | 步骤 4.3.氰基丙烯酸酯基胶水 |
| 低噪声快速光电倍增管 | 滨松 | H7422PA-40 或 H10769PA-40 | 步骤 1.3. |
| MATLAB 2012b | Mathworks | 不适用 | 步骤 2.6,以及第 5 节和第 6 节。用于运行显微镜采集和数据分析软件 |
| Motor | Zhengke | ZGA37RG | Step 2.4。 |
| 电机速度控制器 | Elenker | EK-G00015A1-1 | 步骤 2.5. |
| 电动显微作器 | Sutter | MP-285 | 步骤 3.2.4. |
| 安装底座 | Thorlabs | BA1S | 步骤 2.5.用于电机和传感器的接线柱,与 PH4 和 TR2 安装 |
| 柱 | Thorlabs | P14 | 步骤 2.6.用于头板固定柱与 PB2 |
| 安装柱底座 | Thorlabs | PB2 | 步骤 2.6 的组合。用于头板支架与 P14 |
| 安装柱支架 | Thorlabs | C1515 | 步骤 2.6 的组合。与直角支架和头板支架结合使用 |
| 光学柱 | Thorlabs | TR2 | Step 2.5。与 BA1S 和 PH4 磷酸盐缓冲盐水结合使用,用于电机和传感器的接线柱 |
| Ν/Α | Ν/Α | 步骤 3.2.2.协议:冷泉港协议 2006,doi:10.1101/pbd.rec8247 | |
| 光电二极管 | Thorlabs | FDS010 | 步骤 1.2。 |
| 光子定时计数模块 | Becker 和 Hickl | SPC-150 | 步骤 1.1. |
| 质粒:tAKARα(CAG-tAKARα-WPRE) | Addgene | 119913 | 步骤 3.1.3. |
| 职位持有人 | Thorlabs | PH4 | 步骤 2.5.与 BA1S 和 TR2 右 |
| 角支架 | Thorlabs | AB90 | 步骤 2.6 与安装柱支架和头板支架组合使用 |
| 旋转编码器 | 美国数字 | MA3-A10-250-N | 步骤 2.4. |
| 橡胶垫 | Rubber-Cal | B01DCR5LUG | 步骤 2.1. |
| 联轴器(1/4 英寸 x 1/4 英寸) | 麦克马斯特 | 6208K433 | 步骤 2.3. 和 2.4. |
| ScanImage 3.6 | Svoboda Lab/Vidrio Technology | 不适用 | 步骤 5.9. 和 6.1. |
| 信号分路器 | Becker 和 Hickl | HPM-CON-02 | 步骤 1.3.1. |
| 不锈钢轴(直径 1/4 英寸,L = 12 英寸) | 麦克马斯特 | 1327K66 | 步骤 2.3. |
| 立体定位对位系统 | David kopf | 1900 | 步骤 3.2. 和 4.1. 修改;萨特显微作器,定制注射针架,液压显微作器 |
| 双光子显微镜 | N/A | N/A | 第 5 节。基于 HHMI Janelia Research Campus (https://www.janelia.org/open-science/mimms) 的模块化体内多光子显微镜系统 (MIMMS) 构建Vetbond |
| 组织胶粘剂 | 3M | 14006 | 步骤 3.2.6。 |
| 病毒:tAKARα(AAV2/1 hSyn-tAKARα-WPRE) | Addgene | 119921 | 步骤 3.2.2. |
| 白色 PE 发泡辊 (8 英寸 x 12 英寸) | 制造企业 INC. | 30-2261 | 步骤 2.1.1. |
| 白色聚苯乙烯球半 | GrahamSweet | 直径 200 毫米 2 个空心半球 | 步骤 2.1.1. |
| Zipkicker | PACER | PT29 | 步骤 4.3.硬化加速器 |