我们介绍一种用于评估成年小鼠急性脑片中单个皮质-纹状体谷氨酸能突触处谷氨酸释放与清除之间平衡的实验方案。该方案采用谷氨酸荧光探针 iGluu 进行谷氨酸检测,利用 sCMOS 相机采集信号,并使用焦点激光照射装置进行局部刺激。
方法文章
我们介绍一种用于评估成年小鼠急性脑片中单个皮质-纹状体谷氨酸能突触处谷氨酸释放与清除之间平衡的实验方案。该方案采用谷氨酸荧光探针 iGluu 进行谷氨酸检测,利用 sCMOS 相机采集信号,并使用焦点激光照射装置进行局部刺激。
突触是高度区室化的功能单位,彼此独立运作。在亨廷顿病(HD)及其他神经退行性疾病中,由于谷氨酸清除不足,可能导致“溢入”和“溢出”效应,从而破坏这种独立性。已有研究指出,突触前末梢和/或树突棘的星形胶质细胞覆盖异常,以及谷氨酸释放位点处谷氨酸转运体簇的尺寸减小,与导致运动障碍/运动过多症状的疾病发病机制相关。然而,导致HD中谷氨酸能突触功能障碍的机制尚不明确。通过改进并应用突触成像技术,我们获得了揭示运动启动障碍新机制的数据。本文描述了一种相对低成本的方法,利用新型基因编码的超快谷氨酸传感器iGluu、宽场光学系统、科学级CMOS(sCMOS)相机、473 nm激光器及激光定位系统,在来自年龄匹配的健康或患病小鼠的急性脑片中实现单突触分辨率,以评估皮质-纹状体突触的状态。通过单个或多个像素构建谷氨酸瞬变信号,用于估算:i)基于活性区附近谷氨酸浓度[Glu]最大升高值所反映的谷氨酸释放水平;ii)通过突触周围[Glu]衰减时间常数(TauD)所反映的谷氨酸摄取能力。静息状态下末梢的大小差异以及短时程可塑性的不同模式,被用作识别皮质-纹状体末梢属于端脑内神经元(IT)通路或锥体束(PT)通路的判据。利用这些方法,我们发现,在出现症状的HD小鼠中,约40%的PT型皮质-纹状体突触表现出谷氨酸清除不足,提示这些突触可能易于遭受兴奋性毒性损伤。该结果强调了TauD作为具有运动减少表型的亨廷顿病小鼠中功能障碍突触生物标志物的重要价值。
属于一个"单突触连接"(即两个神经细胞之间的连接)的每个突触终末的相对作用,通常通过其对突触后神经元初始段的影响来评估1,2。对突触后神经元的胞体和/或树突记录是目前最常用且最具成效的方法,用于从自上而下或纵向的视角阐明信息处理机制3,4,5。然而,星形胶质细胞的存在及其各自独立且(在啮齿类动物中)互不重叠的区域,可能提供一种基于突触部位局部信号交换、整合与同步机制的横向视角6,7,8,9,10。
众所周知,星形胶质细胞在神经退行性疾病的发病机制中通常起着重要作用11,12,特别是在谷氨酸能突触的维持和可塑性方面具有关键作用13,14,15,16。因此可以推测,突触功能的改变可能与来自不同起源的传入纤维所共享靶区中星形胶质细胞的状态密切相关。为了进一步探究健康与疾病状态下由靶区或星形胶质细胞介导的局部调控机制,有必要对单个突触进行评估。本研究方法旨在估算功能性谷氨酸释放与清除指标的范围,并建立可用于识别与运动启动最密切相关脑区(即首先是运动皮层和背侧纹状体)中功能异常(或已恢复)突触的判断标准。
纹状体缺乏固有的谷氨酸能神经元。因此,相对容易识别来自纹状体外的谷氨酸能传入纤维。这些传入纤维主要起源于丘脑内侧核和大脑皮层(详见17,18,19,20)。皮层-纹状体突触由位于皮层第2/3层和第5层的锥体神经元的轴突形成。这些轴突通过构成锥体束(PT)的纤维系统形成双侧的端脑内(IT)连接或同侧连接。此外,已有研究提示IT型和PT型终末在谷氨酸释放特性及大小上存在差异21,22。基于这些数据,人们也可能预期其在谷氨酸处理方面存在某些差异。
纹状体是亨廷顿病(Huntington's disease, HD)中受累最严重的脑区5。人类HD是一种严重的遗传性神经退行性疾病。Q175小鼠模型为研究HD的运动迟缓-强直型的细胞基础提供了机会,该表型与帕金森综合征具有许多共同特征。从约1岁开始,纯合子Q175小鼠(HOM)表现出运动迟缓的迹象,这通过在开放场地中测量其静止不动的时间得以证实23。本研究在杂合子Q175小鼠(HET)中进行的实验不仅证实了先前在HOM小鼠中观察到的运动功能缺陷,还进一步显示,这些运动缺陷伴随纹状体皮层突触终端附近星形胶质细胞兴奋性氨基酸转运蛋白2(EAAT2)水平降低24。因此,有研究假设,星形胶质细胞对谷氨酸摄取能力的缺陷可能导致相应突触的功能障碍甚至丢失25,26。
本文介绍了一种新方法,可用于评估单个突触中谷氨酸清除速率与释放的神经递质总量之间的关系。新型谷氨酸传感器iGluu在皮质-纹状体锥体神经元中表达,由Katalin Török27开发,是对先前报道的高亲和力但响应较慢的谷氨酸传感器iGluSnFR28的改进版本。这两种传感器均为增强型绿色荧光蛋白(EGFP)的衍生物。其光谱与动力学特性详见Helassa等人的研究27。简而言之,iGluu是一种低亲和力传感器,具有快速的去激活动力学特性,因此特别适用于研究谷氨酸释放突触末端的谷氨酸清除过程。iGluu的解离时间常数通过停流装置测定,在20 °C时Tauoff为2.1 ms,当外推至34 °C时则缩短至0.68 ms27。在34 °C条件下,利用双光子显微镜对器官型海马培养物CA1区的单个Schaffer侧支末梢进行螺旋激光扫描探测,测得其信号衰减的平均时间常数为2.7 ms。
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所有工作均按照欧盟动物实验指令2010/63/EU进行,并已在柏林卫生保护与技术安全办公室注册(G0233/14 和 G0218/17)。
注意:可在任何年龄和性别中进行 Q175 野生型(WT)和杂合子(HETs)的记录。本研究中,我们选取了 51 至 76 周龄的雄性和雌性个体进行研究。
1. 在皮质纹状体轴突中表达谷氨酸传感器 iGluu 的注射方法
2. 搜索表达谷氨酸传感器 iGluu 的谷氨酸能终末
3. 谷氨酸释放与清除的可视化
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两种皮质-纹状体谷氨酸能曲张体的鉴定
IT 和 PT 传入纤维分别起源于第 2/3 层和第 5 层,并在同侧以及对侧(仅 IT 末梢)纹状体中表现出不同的分支和终止模式。目前对于在运动起始过程中常见的重复激活条件下谷氨酸释放与清除的特性仍知之甚少,但已有充分证据表明,相应的谷氨酸释放曲张体在大小上存在差异22。通过采用大小判别标准,研究发现 IT 和 PT 末梢表现出截然不同的短期可塑性形式24。在 50 ms 刺激间隔下,较小的 IT 末梢倾向于出现成对脉冲抑制(PPD),而较大的 PT 末梢则表现出成对脉冲易化。这种差异在更短的间隔(20 ms)以及连续 6 次脉冲刺激过程中均能观察到。图 3 和 图 6 展示了这些实验,其中通过动作电位机制在生理 Ca2+/Mg2+ 浓度条件下诱发了突触谷氨酸的释放。
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这些实验涉及一个普遍关注的问题——突触的独立性及其在神经退行过程中可能发生的丧失,我们描述了一种新方法,用于在老年(>1年)小鼠的急性脑切片中识别受影响的突触。得益于近年来新推出的谷氨酸传感器iGluu所具有的更优动力学特性,这些实验以前所未有的方式揭示了突触谷氨酸释放与摄取之间的关系。
尽管在几乎所有关于癫痫、中风和神经退行性疾病的综述中都提到谷氨酸诱导的兴奋性毒性可导致神经元丢失和突触修剪这一假说,但谷氨酸清除对突触功能与维持的影响尚未被充分阐明38,39,40,41。然而,现有证据的实际支持力度可能比文献中所预期的更为有限。此外,由于所选用的实验工具在空间和时间分辨率上的局限性,在使用整体刺激和记录技术解读结果时可能带来混淆42,
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由 CHDI(项目号 A-12467)、德国研究基金会(Exc 257/1 和 DFG 项目号 327654276 – SFB 1315)以及夏里特医院的院内研究基金资助。我们感谢伦敦大学圣乔治学院的 K. Török 和利物浦大学的 N. Helassa 提供 iGluu 质粒以及许多有益的讨论。D. Betances 和 A. Schönherr 提供了出色的技术支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 体视显微镜 | WPI | PZMIII | Precision Stereo Zoom Binocular Microscope |
| 立体定位仪 | Stoelting | 51500D | Digital Lab New Standard stereotaxic frame |
| 高速钻孔设备 | Stoelting | 514439V | Foredom K1070 cromoter Kit |
| 注射系统 | Stoelting | 53311 | Quintessential Stereotaxic Injector (QSI) |
| Hamilton 注射器 5 µl | Hamilton | 87930 | 75RN Syr (26s/51/2) |
| 激光定位系统 | Rapp OptoElectronic | UGA-40 | UGA-40 |
| 用于 iGluu 激发的蓝光激光器 | Rapp OptoElectronic | DL-473-020-S | 473 nm laser |
| 473 nm 二向色镜 | Rapp OptoElectronic | ROE TB-355-405-473 | Dichroic |
| 1P 直立显微镜 | Carl Zeiss | 000000-1066-600 | Axioskop 2 FS Plus |
| 63x/1.0 物镜 | Carl Zeiss | 421480-9900 | W Plan-Apochromat |
| 4x 物镜 | Carl Zeiss | 44-00-20 | Achroplan 4x/0,10 |
| iGluu 用二向色镜 | Omega optical | XF2030 | |
| iGluu 发射滤光片 | Omega optical | XF3086 | |
| 二向色镜 | Omega optical | QMAX_DI580LP | |
| 自发荧光扣除用发射滤光片 | Omega optical | QMAX EM600-650 | |
| sCMOS 相机 | Andor | ZYLA4.2PCL10 | ZYLA 4.2MP Plus |
| 采集软件 | Andor | 4.30.30034.0 | Solis |
| AD/DA 转换器 | HEKA Elektronik | 895035 | InstruTECH LIH8+8 |
| 采集软件 | HEKA Elektronik | 895153 | TIDA5.25 |
| 电极定位系统 | Sutter Instrument | MPC-200 | Micromanipulator |
| 电刺激器 | Charite workshops | STIM-26 | |
| 切片机 | Leica | VT1200 S | Vibrotome |
| Brown/Flaming 型拉制仪 | Sutter Instr | SU-P1000 | P-1000 |
| 注射移液管用玻璃管 | WPI | 1B100F3 | |
| 刺激移液管用玻璃管 | WPI | R100-F3 | |
| 河豚毒素 | Abcam | ab120054 | TTX |
| iGluu 质粒 | Addgene | 106122 | pCI-syn-iGluu |
| Q175 小鼠 | Jackson Lab | 27410 | Z-Q175-KI |
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