我们介绍一种从腹侧暴露成年小鼠脑干的实验方案。通过使用梯度折射率透镜与微型显微镜,可利用钙成像技术在活体中检测下橄榄核神经元胞体的活动。
我们介绍一种从腹侧暴露成年小鼠脑干的实验方案。通过使用梯度折射率透镜与微型显微镜,可利用钙成像技术在活体中检测下橄榄核神经元胞体的活动。
延髓腹侧的下橄榄核(IO)是攀爬纤维的唯一来源,而攀爬纤维构成了进入小脑的两条输入通路之一。长期以来,人们认为IO在运动控制中起关键作用,目前其活动被认为处于众多关于小脑运动与认知功能假说的核心位置。尽管其生理学和功能在单细胞水平上已得到相对深入的研究 体外目前尚无关于活体动物下橄榄核网络活动组织的研究报道。这主要是由于下橄榄核的解剖位置极为特殊,难以采用传统的荧光成像方法进行观察,因为这些方法需要在目标区域背侧的整个脑组织中建立一条光学通路。
本文介绍了一种从下橄榄核(IO)网络获取先进水平钙成像数据的替代方法。该方法利用下橄榄核极为腹侧的解剖位置,通过外科手术将梯度折射率(GRIN)透镜经颈部软组织插入,使其接触表达钙指示剂GCaMP6s的下橄榄核腹侧面。文中展示了一段典型的钙成像记录,以证明术后记录下橄榄核神经元活动的可行性。尽管该手术为非存活性手术,且记录必须在麻醉状态下进行,但其优势在于避免了对生命关键脑干核团的损伤,从而可开展多种实验,用于研究下橄榄核中神经活动的空间-时间模式及其输入整合特性。该方法经适当改进后,也可用于记录脑干腹侧其他邻近区域的神经活动。
系统神经科学的主要目标是理解神经元网络的时空活动模式如何促成动物行为的产生。因此,在过去十年中,利用钙敏感探针的荧光成像技术已成为在活体动物中研究神经元网络活动的主要工具1,2,因为它能够跨空间尺度可视化这些动态过程,从单个细胞到介观回路均可呈现。近年来,除了通过透明颅窗对浅层脑结构(如大脑皮层或小脑皮层)中的神经回路进行成像的常用方法外3,梯度折射率(GRIN)透镜技术的应用使得对深层脑结构中的网络动态进行检测成为可能4。目前可用的GRIN透镜可达到数毫米深度的脑区,例如小鼠的杏仁核、海马和基底神经节5。然而,许多感兴趣的区域,如延髓腹侧的多个核团,位置显著更深,已接近GRIN透镜探测能力的极限。
本文介绍了如何通过脑干腹侧相对易于接近的特性来克服这一困难。利用成年小鼠,在其下橄榄核(inferior olive, IO)——位于延髓腹侧的一个核团——通过病毒转染表达钙指示剂GCaMP6s的基础上,我们描述了将GRIN透镜植入麻醉小鼠脑腹侧表面的手术步骤(该方法经Khosrovani等2007年最初描述的方法改良而来6)。通过使用微型显微镜,我们证明了在如此深部的脑腹侧区域记录神经元活动的可行性。尽管该手术必须作为非存活实验进行,无法在清醒动物中开展实验,但该方法可在感觉或其他传入通路刺激的背景下,研究完整神经网络的动力学特性,相较于急性脑片等离体(ex vivo)方法具有明显优势。
遵循所有适用的国际、国家和机构关于动物护理和使用的指南。在立体定向病毒载体注射过程中采用了无菌手术技术。
1. 立体定位病毒载体注射
注意:携带表达GCaMP6s遗传物质的病毒(AAV9.CAG.GCaMP6s.WPRE.SV40)按照先前所述方法进行立体定位注射7,8,并做了如下修改。

图1:立体定位病毒载体注射。(a)激光拉制的石英玻璃移液管具有10–12 mm长的直锥形尖端。拉制完成后,从尖端剪去1–2 mm。通过将尖端打磨成30°针状斜面完成移液管的制备。(b)正确的注射依赖于小鼠身体在立体定位仪框架中的适当位置。支撑小鼠胸部以防止颈部拉伸。通过将前囟(bregma)和后囟(lambda)调至水平对齐来调整小鼠头部位置。(c)IO相对于前囟的坐标位置显示为小鼠颅骨的背侧视图(左)和脑组织的冠状切面视图(右上)。注射到达下橄榄核(IO)的主核外侧部(IOPr)和背侧亚核(IOD)(右下)。请点击此处查看该图的放大版本。
2. 腹侧入路手术器械与耗材的准备
3. 麻醉给药及小鼠手术前准备

图2:腹侧入路手术的准备。(a)通过在20号导管尖端切出一个长约5-6 mm、宽约0.8 mm的切口,制备插管管。(b)将动物仰卧固定于立体定位仪上,并调整鼻罩角度,确保动物呼吸顺畅。剃除咽喉部和大腿区域的毛发。将SpO2传感器连接至大腿,以监测小鼠生命体征。插入直肠温度探头以监测小鼠体温。请点击此处查看该图的放大版本。
4. 气管切开与插管(20-25 分钟)

图3:小鼠气管切开与插管。(a-c)示暴露气管的操作步骤。(a)沿虚线剪开颈部皮肤。(b)将唾液腺(SG)向侧方翻起,暴露被胸骨甲状肌(SM)覆盖的气管。(c)沿虚线切开胸骨甲状肌,充分暴露气管。(d-e)示气管切开操作。(d)用钝性弯针支撑气管;在甲状腺后方第三个气管环处打结,将气管固定于胸部皮肤以稳定位置。(e)使用尖端带有切口的插管给予异氟烷;用缝线将气管固定于胸部皮肤,并将插管与气管绑扎固定。标尺在 a 中为 5 mm,适用于所有图示。请点击此处查看该图的放大版本。

图 4:小鼠仰卧位时腹侧入路手术的侧视示意图。 (a)小鼠仰卧位时,相关解剖结构在相对位置上的示意图。缩写:覆盖寰椎的肌肉(AM)、纵行肌(LM)、唾液腺(SG)、胸骨甲状肌(SM)、甲状腺(TG)。(b)气管切开完成后,插管与气管相对位置的示意图。气管通过胸部皮肤上的结扎线固定(T-气管)。插管(IT)通过环绕气管末端的结扎线固定(T-插管)。(c)去除寰椎前结节(AAT),以清除至喉部入口(IO)的视觉通路。(d)用于成像实验的微型显微镜(MM)和梯度折射率(GRIN)透镜在喉部入口上方定位的示意图。请点击此处查看该图的放大版本。
5. 暴露脑干(40-45 分钟)

图 5:暴露小鼠脑干以进行钙成像。(a-f)图示暴露脑干的过程。(a)去除胸骨舌骨肌(SM),如图 3e中标记所示。切断喉部和食管。(b)去除纵行肌(LM)及覆盖寰椎的肌肉(AM)。(c)使用咬骨钳剪断寰椎前弓(AVA),并去除寰椎前结节(AAT)。(d)切除枕骨(OB)以扩大枕骨大孔(FM)。(e)扩大的枕骨大孔。(f)去除枕骨大孔上方的薄层软骨。剥离硬脑膜的骨膜层。方框标示含有浅层下橄榄核神经元的区域。(g)使用GRIN透镜对下橄榄核进行成像。a图中的比例尺=5 mm,适用于a-c图;d图中的比例尺=2 mm,适用于d-e图;f图中的比例尺=2 mm;g图中的比例尺=2 mm。请点击此处查看此图的放大版本。
6. 钙成像
7. 实验程序结束后实施动物安乐死
8. 数据处理
此处展示的是采用上述方法获得的代表性记录结果。图6a 显示了实验过程中观察到的荧光强烈标记的下橄榄核(IO)细胞的位置。深色的对角条纹为血管。注意单个细胞荧光亮度的差异,这是由于转染效率不同所致。在图 图6b 中,我们展示了从图a中标注为不同颜色和编号的细胞体记录到的经均值归一化的荧光强度(deltaF/F)轨迹。向上的偏转代表细胞内钙离子浓度的瞬时升高。请注意,GCaMP6s 表达水平的差异(反映在图a中细胞的亮度)导致了不同的信噪比(SNR)。

图6:麻醉小鼠中下橄榄核(IO)神经元活动的记录示例。 (a)经空间滤波后记录图像的代表性示例帧。亮斑为IO神经元胞体,其中若干已被标注为感兴趣区域(ROIs,彩色数字)。暗色条带为血管。(b)从a图中标注的感兴趣区域获得的ΔF/F信号示例。向上的偏转反映钙信号的增强。a图中的比例尺=10 µm。 请点击此处查看该图的放大版本。
由于该手术涉及在包含众多生命关键结构(如动脉、神经)的咽喉区域进行操作,因此必须由具备高超外科技术的研究人员来实施。接下来,我们将重点说明并评述该手术过程中的若干关键步骤;但必须强调的是,任何书面指导均无法替代研究人员的经验、技能与直觉。
手术中最关键的步骤是气管切开术。该步骤包括切开气管、将异氟烷从鼻罩切换至气管插管、将气管固定于胸部皮肤,并将气管与插管牢固结扎。所有这些操作必须流畅且迅速地完成,以避免发生麻醉不足、液体流入气管或插管脱落等意外情况。在切开气管之前,操作者必须清晰牢记整个操作流程。
出血是此类手术中动物死亡的主要原因之一。由于颈部区域血管密集,只有在视野清晰时方可进行切割,以避免损伤无法看见的静脉和动脉。因此,必须清除遮挡视线的肌肉和结缔组织,并在继续操作前清理破裂毛细血管流出的血液。
从手术开始起,动物可以存活较长时间(超过8小时)。然而,重要的是应尽快完成手术操作,以便在动物生理状态良好时有更充足的时间来检测脑干神经元。一位技术熟练的研究人员可在70分钟内完成整个操作过程。
尽管该方法能够清晰地观察脑腹侧表面,但遗憾的是,这需要同时进行气管切开术并去除喉部区域的大量组织,因此动物无法从麻醉状态中苏醒。此外,即使通过精细调节麻醉给药、维持体温和水合状态,动物可能存活数小时,但长时间的实验不可避免地会导致动物状况逐渐恶化。实验者需根据自身专业经验判断稳定记录的最长时间。
此处所述方法的另一个潜在局限性在于,由于GRIN透镜未插入脑实质内,因此只能观察相对较浅层的神经元(约150–200 µm)。虽然在技术上可以进行GRIN透镜的手术植入,但急性手术方法无法提供足够的时间让神经元从氧化应激以及植入后血液残留的影响中恢复,这很可能导致图像质量下降至不可接受的程度。
尽管存在上述问题,我们认为这是首次提出一种方法 体内 IO神经元的成像技术被展示。该方法可用于在特定背景下检测IO神经元中的时空活动 体内 在存在来自感觉系统的完整传入输入以及小脑核团和中脑-间脑连接处信号的情况下22,这一壮举在此前尚无法实现。利用该方法,现在可结合感觉刺激与光遗传学刺激,更深入地探究下橄榄核的功能。值得注意的是,随着电压成像技术的发展(例如我们近期建立的下橄榄核电压成像方法) 23我们希望所展示的手术方法能够激励众多研究人员投身于探究下橄榄核(IO)在小脑复杂峰电位生成中的作用这一挑战性课题。
作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢冲绳科学技术大学院大学媒体中心的Andrew Scott在视频录制和编辑方面提供的帮助。同时,我们感谢Hugo Hoedemaker在开发暴露脑干的手术方法方面提供的协助,以及Kevin Dorgans博士在绘制图示插图方面提供的帮助。此外,我们衷心感谢Salvatore Lacava为视频提供的配音解说,以及nRIM团队所有成员及其宠物在COVID-19困难时期对身心健康的持续支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| AAV.CAG.GCaMP6s.WPRE.SV40 | Addgene,美国 | 100844-AAV9 | |
| 带6 mm半圆针的可吸收缝合线 | Natume,日本 | L6-60N2 | 带线钩针 |
| 吸收性三角海绵 | FST,德国 | 18105-03 | 外科海绵 |
| 体视显微镜 | Leica,德国 | M50 | |
| 带锁扣的Castroviejo弯头持针器 | FST,德国 | 12061-01 | 手术工具 |
| 棉签 | Sanyo,日本 | HUBY-340 | |
| 精细打结镊 | FST,德国 | 11063-07 | 手术工具 |
| 精细打结镊 | FST,德国 | 11063-07 | 手术工具 |
| Dumont #5/45镊子 | FST,德国 | 11251-35 | 手术工具 |
| 精细虹膜剪 | FST,德国 | 14060-09 | 手术工具 |
| Friedman-Pearson咬骨钳(弯头) | FST,德国 | 16221-14 | 手术工具 |
| Gelfoam可吸收明胶海绵 | Pfizer,美国 | 0315-08 | 止血明胶海绵 |
| 玻璃毛细管纳米注射器 | Neurostar,德国 | n/a | 用于病毒载体注射 |
| 带锯齿尖端的Graefe镊 | FST,德国 | 11052-10 | 手术工具 |
| 植入杆 | Inscopix,美国 | n/a | 为nVoke2系统的一部分,设计用于安装nVoke2微型显微镜和GRIN透镜 |
| IsoFlo | Zoetis,英国 | n/a | 异氟烷 |
| KETALAR肌肉注射剂 | Daiichi Sankyo,日本 | n/a | 氯胺酮 |
| Kimwipes | Kimberly-Clark,美国 | 清洁纸巾 | |
| 激光拉制仪 | Sutter Instrument,美国 | P-2000 | |
| 微电极抛光仪 | Sutter Instrument,美国 | BV-10 | |
| 基于Kopf Model 900的电动立体定位仪 | Neurostar,德国 | n/a | 立体定位仪框架 |
| mouseOxPlus,带直肠温度传感器和大腿夹式脉搏血氧仪 | Starr Life Sciences,宾夕法尼亚州,美国 | MouseOxPlus | 用于测量动物心率、动脉血氧饱和度(SpO2)、呼吸频率和体温 |
| nVoke2集成钙成像微型摄像系统 | Inscopix,美国 | 1000-003026 | 微型显微镜 |
| Ohaus Compact电子天平 | Ohaus,美国 | CS 200 | 用于称量动物体重的天平 |
| 大冢生理盐水 | 大冢制药工厂,日本 | n/a | |
| 生理-生物温度控制系统 | SuperTech Instruments,匈牙利 | TMP-5b | 小鼠用加热垫 |
| ProView透镜探针,直径1.0 mm,长度9.0 mm | Inscopix,美国 | 1050-002214 | 梯度折射率(GRIN)透镜 |
| Q114-53-10NP玻璃毛细管 | Sutter Instrument,美国 | 112017 | 定制 石英玻璃毛细管 |
| 安全型静脉留置针20G | B. Braun,德国 | 4251652-03 | 20号导管,用于制备插管 |
| 砂纸 | ESCO,日本 | EA366MC | 用于打磨25G针头尖端,制备弯头钝针 |
| 手术刀片 | Muromachi Kikai,日本 | 10010-00 | 用于切割石英玻璃移液管尖端 |
| SomnoSuite低流量吸入麻醉系统 | Kent Scientific,美国 | SOMNO | 可精确控制异氟烷气流 |
| Surgic XT Plus钻机 | NSK | Y1002774 | 用于病毒载体注射 |
| 1 ml注射器 | Terumo,日本 | SS-01T | |
| 25G注射针头 | Top,日本 | 00819 | 用于制作钝头和弯曲针头 |
| 26G注射针头 | Terumo,日本 | NN-2613S | |
| Thrive 2100专业修剪器 | Thrive,日本 | n/a | 剃毛器 |
| Vannas-Tübingen弹簧剪 | FST,德国 | 15004-08 | 手术工具 |
| 凡士林 | 林纯化药,日本 | 22000255 | |
| Veet敏感肌肤脱毛膏 | Veet,加拿大 | n/a | 脱毛乳膏 |
| 2%利多卡因凝胶 30ml | Aspen Japan, 日本 | 871214 |