本文介绍了一种结合腺相关病毒注射与颅窗植入的技术方案,用于在清醒小鼠中同时成像小胶质细胞动态与神经元活动。
本文介绍了一种结合腺相关病毒注射与颅窗植入的技术方案,用于在清醒小鼠中同时成像小胶质细胞动态与神经元活动。
由于大脑功能持续受到来自外周组织信号的影响,阐明脑内胶质细胞如何感知机体外周的各种生物学状态,并将这些信号传递给神经元,具有重要意义。小胶质细胞作为脑内的免疫细胞,参与突触的发育与可塑性调节。因此,应通过活体成像技术,对小胶质细胞动态与神经元活动之间的关系进行实时观察,以严谨地检验小胶质细胞在响应机体内部状态时对神经环路构建的贡献。
在此,我们描述了一种用于在清醒小鼠中同时成像小胶质细胞动态与神经元活动的技术。将编码R-CaMP(一种红色荧光蛋白基因编码的钙离子指示剂)的腺相关病毒注射至CX3CR1-EGFP转基因小鼠初级视皮层第2/3层,该小鼠的小胶质细胞表达EGFP。病毒注射后,在注射区域的脑表面安装颅窗。 体内 手术后4周对清醒小鼠进行双光子成像,结果表明可在亚秒级时间分辨率下同时记录神经元活动与小胶质细胞动态。该技术可揭示小胶质细胞动态与神经元活动之间的协调关系,其中前者响应外周免疫状态,而后者编码大脑内部状态。
越来越多的证据表明,机体的内部状态会持续影响动物的大脑功能1,2,3,4,5。因此,为了更深入地理解大脑功能,关键在于阐明大脑中的胶质细胞如何监测外周的生物学状态,并将这些信息传递给神经元。
小胶质细胞是大脑中的免疫细胞,参与突触的发育和可塑性,从而塑造大脑神经环路的特征6,7,8,9。例如,Wake 等人的开创性研究证明,在小鼠新皮层中,小胶质细胞的突起以神经元活动依赖的方式与突触发生接触,而人工诱导的缺血会在与小胶质细胞长期接触后导致突触丢失10。Tremblay 等人发现,视觉经验的改变会影响小胶质细胞与突触相互作用的方式。在关键期,当双眼剥夺增强初级视觉皮层(V1)树突棘的周转率时,黑暗适应会降低小胶质细胞突起的运动性,同时增加其与突触间隙的接触频率以及小胶质细胞内细胞包涵体的数量11。这些结果表明,小胶质细胞的突起能够感知神经活动及其周围环境,从而重塑神经环路。此外,最近一项研究报道,小胶质细胞的监视行为在清醒状态与麻醉状态下存在差异,提示在生理条件下研究神经元-小胶质细胞通讯时,使用清醒小鼠进行实验的重要性12。
体内双光子钙成像是一种强大的工具,可用于记录活体动物中数百个神经元同时发生的钙动力学,从而反映正在进行的神经元放电活动13,14,15。神经元中的钙成像通常需要数赫兹以上的时间分辨率,以追踪快速的神经元反应16,17。相比之下,以往研究小胶质细胞动态的工作通常以低于0.1 Hz的较低时间分辨率对小胶质细胞结构进行采样18,19,20。最近一项研究应用了同步双光子成像技术来理解神经元与小胶质细胞之间的通讯21。然而,在清醒小鼠中,小胶质细胞动态过程如何以数赫兹以上的时间分辨率响应周围神经元活动,目前仍不清楚。为了解决这一问题,我们描述了一种在清醒小鼠中以高于1 Hz的时间分辨率同步进行体内双光子成像以记录神经元活动与小胶质细胞动态的方法。该方法使我们能够在清醒小鼠中以更高的帧率实现稳定的成像(最大可达30 Hz,像素帧尺寸为512 × 512像素),并为研究小胶质细胞的监视行为或其与神经元活动的相互作用提供了更理想的技术途径。
所有实验均经东京大学研究生院医学系研究科及医学部动物伦理委员会和基因重组实验安全委员会批准,并依照其指南进行。
1. 准备
2. AAV 注射
3. 颅窗植入
注意:颅窗植入手术与 AAV 注射在同一天进行。
4. 在体 双光子成像技术观察小胶质细胞与神经元钙动力学
我们按照本实验方案所述,在一只8周龄的CX3CR1-EGFP转基因小鼠的V1区进行了AAV注射和颅窗植入。术后4周,我们进行了同步 体内 基于R-CaMP的V1区2/3层神经活动与小胶质细胞动态的双光子成像图4 和 视频 1)。成像过程中,将小鼠置于跑步机上使其自由奔跑。以30 Hz的帧率和空间分辨率 0.25 µm/pixe使用25倍、1.1 NA物镜和GaAsP光电倍增管进行成像。EGFP和R-CaMP均以1,000 nm波长激发,同时采集EGFP荧光信号(525/50 nm发射滤光片)和R-CaMP荧光信号(593/46 nm发射滤光片)。对采集的数据进行配准以最小化运动伪影,每四帧取平均合并为一帧以降低背景噪声。向小鼠呈现光栅视觉刺激,并分析神经元及单个树突棘的视觉反应(图4D)。小胶质细胞突起表现出快速的动态变化,并在10秒内改变其形态(图4E 和 视频 1)。如讨论部分所述,当AAV注射失败时,无法检测到R-CaMP的表达。如果手术未成功,则无法观察到EGFP和R-CaMP的信号。

图1:AAV 注射。 (A) 使用硅胶管将玻璃移液管连接至26 G Hamilton注射器。B) AAV 注射装置示意图。C) 注射了 AAV 溶液 通过 玻璃移液管倾斜 60° 垂直轴前方。D) 开颅手术操作流程示意图(详见步骤 3.3)。 请点击此处以查看此图的放大版本。

图2:颅窗与头固定板。 (A)颅窗植入的示意图。 (B)使用定制的头固定板。在右半球进行成像时,应将较短的一侧置于右侧。 (C)植入颅窗和头固定板后小鼠的背侧视图。 (D)图2C中所示颅窗的高倍放大视图。 (E)使用定制立体定位仪固定的背侧小鼠视图。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 3:体内双光子成像的实验装置。(A)遮光装置的背侧视图。(B)遮光装置的侧面视图。(C)佩戴遮光装置的小鼠置于物镜下,头部固定于头固定板上的视图。小鼠被放置在跑步机上。(D)双光子激发显微镜下的视图。用于呈现视觉刺激的显示器位于图像右侧。物镜被遮光装置及黑色铝箔包裹,以避免来自显示器的光线进入物镜。请点击此处查看该图的放大版本。

图 4:小胶质细胞动态与树突棘中的视觉反应。(A-C)12周龄CX3CR1-EGFP转基因小鼠V1区第2/3层中EGFP(+)小胶质细胞与R-CaMP(+)神经元的时间平均图像。每个通道的信号强度均独立归一化。(D)树突棘中的视觉反应。条纹图中黑色箭头表示在灰色柱所示时间呈现的光栅刺激方向。钙信号迹线中,灰色线条表示单次反应,黑色线条表示其平均值。右上插图中,黄色箭头指示生成感兴趣区域(ROI)以获取钙信号迹线的树突棘。(E)小胶质细胞突起(青色箭头)在10秒内快速回缩。请点击此处查看该图的放大版本。
视频 1:神经元活动与小胶质细胞动态的双光子成像。 在12周龄CX3CR1-EGFP转基因小鼠V1区第2/3层中,EGFP(+)小胶质细胞与R-CaMP(+)神经元的成像数据。视频左侧,品红色表示神经元中的R-CaMP,绿色表示小胶质细胞中的EGFP。视频中央显示EGFP信号,右侧显示R-CaMP信号。各通道信号强度均独立归一化。视频帧速率为实际速度的40倍。比例尺 = 10 µm 请点击此处下载该视频。
我们描述了在清醒小鼠中进行AAV注射和开颅手术以同时成像小胶质细胞动态与神经元活动的实验方案,以及数据处理方法。该技术能够揭示小胶质细胞动态与神经元活动在从亚秒级到数十秒时间尺度上的协调关系。
手术方案包含多个技术要求较高的步骤。AAV注射是其中关键的步骤之一。AAV注射失败可能导致R-CaMP表达显著降低。主要原因有两个:玻璃移液管堵塞和组织损伤。玻璃移液管堵塞会减少甚至完全阻断AAV溶液的喷出。通过使用快绿等染料对AAV溶液进行染色,并在注射过程中直接观察,可避免这一情况的发生。AAV注射造成的组织损伤会抑制注射位点中心附近外源基因的表达。这种损伤可能是由于移液管内部压力积聚后,移液管尖端突然产生大量流出液所致。因此,在注射过程中应保持AAV溶液从玻璃移液管中持续稳定地流出。选用尖端直径略宽的玻璃移液管可解决此问题。在颅窗植入过程中,手术速度至关重要。若手术耗时过长,脑组织可能遭受严重损伤。因此,必须通过反复练习以确保手术的快速与流畅。此外,在手术后至成像前的4周内,采用传统方法时,颅窗与脑组织之间的组织再生可能降低成像质量17。本文所述方法通过使用较厚的玻璃作为颅窗内层玻璃片,抑制组织再生,从而保持颅窗清晰透明。在本系统中,使用厚度为0.525 ± 0.075 µm的内层玻璃片时,该效果尤为明显。
该方法可成功应用于4周龄以上的小鼠,但用于较年幼的小鼠可能存在困难。在幼年小鼠中,颅骨生长迅速且显著,会导致颅骨与玻璃窗之间出现不匹配。
在一些前沿研究中,体内双光子成像被用于研究小胶质细胞与神经元之间的相互作用12,21,23。特别是Merlini等人开创性的工作中,他们同时对小胶质细胞动态和神经元胞体内的神经活动进行了体内成像21。本方法通过使用较厚的颅窗内层玻璃,可抑制深度方向上的运动伪影,从而实现对树突棘等微结构中神经元活动的稳定测量。该方法有助于在清醒小鼠中研究突触与小胶质细胞突起之间的相互作用。
最近, 体外 研究结果表明,细长的丝状伪足样小胶质细胞突起比粗突起具有更快的运动速度,提示其较快的运动能力在监视功能中具有重要意义19该系统能够以亚秒至数十秒的时间分辨率追踪小胶质细胞细小突起的运动,这一特性有助于阐明其运动行为在监视功能中的重要作用。 体内.
未来,将该成像技术与干预手段(如应用于局部神经回路或脑区间神经连接的光遗传学24或化学遗传学25)相结合,将有助于揭示小胶质细胞在突触发育和可塑性中的新功能,从而阐明其对神经回路特性的塑造作用。此外,进一步整合成像、干预与行为学任务,将有助于揭示小胶质细胞与神经元在特定行为背后的协同机制。
作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢近藤雅史博士和松崎正则博士提供病毒载体。本研究得到了科学研究费补助金(20H00481、20A301、20H05894、20H05895,授予S.O.)、日本医疗研究开发机构(JP19gm1310003 和 JP17gm5010003,授予S.O.;JP19dm0207082,授予H.M.)、东京大学人类行为综合科学中心(CiSHuB)以及日本科学技术振兴机构Moonshot研发计划的支持。&D(JPMJMS2024,授予H.M.),脑科学基金会(授予H.M.)
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 10英寸液晶显示器 | EIZO | DuraVision FDX1003 | 用于呈现光栅视觉刺激 |
| 26G Hamilton 注射器 | Hamilton | 701N | |
| 27G 针头 | Terumo | NN-2719S | |
| AAV-hSyn-R-CAMP1.07 | N/A | N/A | 由 Matsuzaki 教授实验室惠赠 |
| 活性炭粉末 | Nacalai Tesque | 07909-65 | |
| 黑色铝箔 | THORLABS | BKF12 | |
| CX3CR1-EGFP 小鼠 | Jackson 实验室 | IMSR_JAX: 005582 | CX3CR-1EGFP/+ 基因敲入/敲除小鼠,在内源性 Cx3cr1 位点调控下于脑内小胶质细胞中表达 EGFP。 |
| DENT SILICONE-V | Shofu 公司 | N/A | 用于将遮光装置固定在头板上 |
| 牙科水泥(快干树脂,液体) | Shofu 公司 | N/A | AB |
| 牙科水泥(快干树脂,粉末) | Shofu 公司 | N/A | B 色 3 号 |
| 钻机 | Toyo Associates | HP-200 | |
| 玻璃毛细移液管 | Drummond 科学公司 | 2-000-075 | |
| 玻璃圆片(大) | Matsunami | N/A | 直径 4 mm,厚度 0.15±0.02 mm |
| 玻璃圆片(小) | Matsunami | N/A | 直径 2 mm,厚度 0.525±0.075 mm |
| 头板 | 定制 | N/A | 材质:SUS304,厚度:0.5 mm,形状见图2B |
| 止血纤维 | Davol 公司 | 1010090 | |
| ImageJ Fiji 软件 | 免费软件 | 用于数据配准 | |
| 瞬干胶(Aron alpha) | 第一三共 | N/A | |
| 异氟烷 | 辉瑞 | N/A | |
| 利多卡因 | 阿斯利康 | N/A | |
| MATLAB 2017b | MathWorks | N/A | 用于数据配准与处理 |
| 美洛昔康 | 东京化成工业 | M1959 | |
| 微量注射器 | KD Scientific | KDS-100 | |
| 微电极拉制仪 | Sutter 仪器公司 | P-97 | |
| 多光子激发显微镜 | 尼康 | N/A | 商品名称为 "A1MP+"。 |
| 物镜 | 尼康 | N/A | 商品名称为 "CFI75 平场复消色差 25×C W"。 |
| 石蜡油 | Nacalai Tesque | 26132-35 | |
| Psychtoolbox | 免费软件 | 用于呈现光栅视觉刺激 | |
| 遮光装置 | 定制 | N/A | |
| 体视显微镜 | 徕卡 | M165 FC | |
| 立体定位仪 | 成岛科学仪器 | SR-611 | 用于手术 |
| 立体定位仪 | 定制 | N/A | 用于在双光子显微镜下固定小鼠 |
| 三通阀 | ISIS | VXB1079 | |
| 外科缝合丝线 | 爱惜康 | K881H | |
| 跑步机 | 定制 | N/A | |
| 紫外光固化剂 | Norland 产品公司 | NOA 65 | |
| 蒸发器 | Penlon | Sigma Delta | 麻醉机 |
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