Wir beschreiben hier Methoden zur Induktion und Analyse des olfaktorischen erfahrungsabhängigen Umbaus von synaptischen Glomeruli des Antennenlappens im juvenilen Gehirn von Drosophila .
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Methodenartikel
* These authors contributed equally
Wir beschreiben hier Methoden zur Induktion und Analyse des olfaktorischen erfahrungsabhängigen Umbaus von synaptischen Glomeruli des Antennenlappens im juvenilen Gehirn von Drosophila .
Die olfaktorische sensorische Erfahrung im frühen Leben induziert einen dramatischen synaptischen Glomeruli-Umbau im jugendlichen Gehirn von Drosophila , der erfahrungsabhängig dosisabhängig, zeitlich begrenzt und nur in einer kurzen, genau definierten kritischen Periode vorübergehend reversibel ist. Die Richtungsabhängigkeit des Umbaus der synaptischen Konnektivität von Gehirnschaltkreisen wird durch den spezifischen Geruchsstoff bestimmt, der auf die Rezeptorklasse der Befragten von olfaktorischen sensorischen Neuronen wirkt. Im Allgemeinen exprimiert jede Neuronenklasse nur einen einzigen Geruchsrezeptor und innerviert einen einzelnen olfaktorischen synaptischen Glomerulus. Im genetischen Modell von Drosophila wurde das gesamte Spektrum der olfaktorischen Glomeruli anhand der Reaktionsfähigkeit von Geruchsstoffen und der Verhaltensleistung genau kartiert. Der Geruchsstoff Ethylbutyrat (EB) aktiviert Or42a-Rezeptorneuronen, die den VM7-Glomerulus innervieren. Während der kritischen Phase im frühen Leben führt die EB-Erfahrung zu einer dosisabhängigen Synapseneliminierung in den olfaktorischen sensorischen Neuronen von Or42a. Zeitlich begrenzte Zeiträume der dosierten Exposition gegenüber EB-Odorstoffen ermöglichen die Untersuchung der erfahrungsabhängigen Beschneidung der Schaltkreiskonnektivität im juvenilen Gehirn. Die konfokale Mikroskopie der synaptischen Glomeruli des Antennenlappens erfolgt mit Or42a-Rezeptor-gesteuerten transgenen Markern, die eine Quantifizierung der Synapsenzahl und des Innervationsvolumens ermöglichen. Das ausgeklügelte genetische Toolkit von Drosophila ermöglicht die systematische Aufschlüsselung der zellulären und molekularen Mechanismen, die den Umbau von Gehirnschaltkreisen vermitteln.
Der Umbau der Schaltkreise des juvenilen Gehirns während des frühen Lebens stellt die letzte Chance für großflächige Veränderungen der synaptischen Konnektivität dar, um der hochgradig variablen, unvorhersehbaren Umgebung, in die ein Tier geboren wird, gerecht zu werden. Als die am häufigsten vorkommende Gruppe von Tieren teilen Insekten diesen evolutionär konservierten, grundlegenden Mechanismus des Umbaus in der kritischen Periode1. Kritische Perioden beginnen mit dem Einsetzen des sensorischen Inputs, weisen reversible Schaltkreisänderungen auf, um die Konnektivität zu optimieren, und schließen sich dann, wenn die Stabilisierungskräfte einer weiteren Umgestaltung widerstehen2. Insekten sind besonders auf olfaktorische sensorische Informationen angewiesen und weisen eine gut definierte olfaktorische kritische Periode auf. Drosophila bietet ein hervorragendes genetisches Modell, um diese erfahrungsabhängige kritische Phase im juvenilen Gehirn zu untersuchen. Die Geruchserfahrung in den ersten Tagen nach der Eklosion führt zu auffälligen Veränderungen der Schaltkreiskonnektivität in individuell identifizierten synaptischen Glomeruli 3,4. Die Richtung des Umbaus hängt von der spezifischen Geruchserfahrung des Eingangs ab. Einige Geruchsstoffe verursachen eine Zunahme des synaptischen Glomerulusvolumens für einige Tage nach der Eklosion (dpe)3,5,6,7, während andere Geruchsstoffe eine schnelle Eliminierung von Synapsen während der kritischen Periode von 0-2 dpe verursachen, was zu einer verminderten Innervationsvolumina führt 8,9,10. Insbesondere führt die Erfahrung mit Ethylbutyrat (EB)-Odorierstoffen zu einer dosisabhängigen synaptischen Beschneidung der Or42a-Geruchsrezeptor-Neuronen nur während dieser kritischen Phase im frühen Leben8. Die Synapseneliminierung ist durch Modulation des EB-Geruchseintrags innerhalb der kritischen Periode vollständig reversibel, wird aber nach Abschluss der kritischen Periode dauerhaft. Diese von der olfaktorischen Erfahrung abhängige synaptische Beschneidung stellt ein wertvolles experimentelles System dar, um die zeitlich begrenzten Mechanismen aufzuklären, die dem Umbau der juvenilen Gehirnschaltkreise zugrunde liegen.
Hier stellen wir ein detailliertes Protokoll vor, das zur Induktion und Analyse des EB-erfahrungsabhängigen synaptischen Pruning von olfaktorischen sensorischen Neuronen des Or42a-Rezeptors während der kritischen Phase im frühen Leben verwendet wird. Wir zeigen, dass synaptische Or42a-Terminals im Antennenlappen VM7-Glomerulus spezifisch markiert werden können, indem ein membrangebundener mCD8::GFP-Marker transgen gesteuert wird, der entweder direkt mit dem Or42a-Promotor fusioniert ist (Or42a-mCD8::GFP)11 oder das binäre Gal4/UAS-Expressionssystem verwendet (Or42a-Gal4 treibt UAS-mCD8::GFP an)12. Einzelne Synapsen von Or42a-Neuronen können auf ähnliche Weise markiert werden, indem präsynaptische aktive Zonenmarker gezielt transgenisiert werden, die mit einem Array von Fluoreszenz-Tags (z. B. Bruchpilot::RFP)8 oder einem elektronendichten Signal für ultrastrukturelle Synapsenanalysen (z. B. miniSOG-mCherry)8 fusioniert sind. Die synaptischen Terminals von Or42a können mit einer Kombination aus konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie abgebildet werden. Wir zeigen, dass die Beschneidung der synaptischen Glomeruli von Or42a EB-abhängig ist und mit der Konzentration des zeitlich festgelegten Geruchserlebnisses skaliert wird. Der prozentuale Anteil des in Mineralöl, das als Vehikel verwendet wird, gelösten EB-Odorstoffs kann variiert werden, ebenso wie die zeitlich festgelegte Dauer der Odorstoffexposition bei Tieren im Entwicklungsstadium. Schließlich zeigen wir die Methoden, mit denen das Ausmaß der synaptischen Glomeruli-Beschneidung durch Messung der Intensität und des Volumens der Innervationsfluoreszenz VM7 analysiert wird. Die Synapsenzahl kann auch durch Zählen markierter synaptischer Punkte und durch Messung synaptischer Ultrastrukturparameter mit Hilfe der Transmissionselektronenmikroskopie8 quantifiziert werden. Insgesamt ist das hier gezeigte Protokoll ein leistungsfähiger Ansatz, der die systematische Dissektion sowohl zellulärer als auch molekularer Mechanismen ermöglicht, die den olfaktorischen Konnektivitätszyklus von Drosophila während einer juvenilen kritischen Phase vermitteln. Das in dieser Studie beschriebene allgemeine Geruchsexpositions-Setup wurde in früheren Studien mit anderen Gerüchen und der Bestimmung anderer Glomeruli verwendet 3,7.
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1. Exposition gegenüber Geruchsstoffen
2. Dissektion des Gehirns
3. Immunzytochemie des Gehirns
4. Konfokale Bildgebung
5. Synaptische Messungen
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Abbildung 1 zeigt den Arbeitsablauf für die von der Geruchserfahrung abhängige Geruchsstoffexposition in der kritischen Periode und bildgebende Verfahren des Gehirns. Das Protokoll beginnt mit der Altersanpassung von dunklen Puppen pharate unmittelbar vor der Eklosion (Abbildung 1A). Die Puppen werden für 4 Stunden in Odoriermittelkammern gelegt, und dann werden neu eingeschlossene Erwachsene in frische Fläschchen entweder in der Fahrzeugkontrolle oder in dosier...
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Das hier vorgestellte Protokoll zur Exposition gegenüber Geruchsstoffen und zur Bildgebung des Gehirns kann verwendet werden, um die erfahrungsabhängige Beschneidung der synaptischen Glomeruli durch olfaktorische sensorische Neuronen während einer kritischen Phase im frühen Leben zuverlässig zu induzieren und zu quantifizieren. Frühere Studien, die dieses Behandlungsparadigma zur Erforschung des Umbaus des olfaktorischen Schaltkreises verwendeten, begannen mit der Geruchsexposition am 2<...
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Die Autoren erklären, dass keine konkurrierenden Interessen bestehen.
Wir danken den anderen Broadie Lab-Mitgliedern für ihren wertvollen Input. Die Figuren wurden mit BioRender.com erstellt. Diese Arbeit wurde durch Zuschüsse des National Institute of Health MH084989 und NS131557 an K.B. unterstützt.
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| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| For Odor Exposure | |||
| Drosophila fläschchen | Genesee Scientific | 32-110 | |
| Ethylbutyrat | Sigma Aldrich | E15701 | |
| Mikrozentrifugenröhrchen | Fisher Wissenschaftlich | 05-408-129 | |
| Mineralöl | Sigma Aldrich | M3516 | |
| Geruchskammern | Glasslock | ||
| Pinsel | Winsor & Newton | Series 233 | |
| Parafilm | Thermofisher | S37440 | |
| Drahtgeflecht | Scienceware | 378460000< | |
| strong>Brain Dissection | |||
| Ethanol, 190 proof | Decon Labs | 2801 | Verdünnt auf 70% |
| Pinzette | Fine Science Tools | 11251-30 | Dumont #5 |
| Paraformaldehyd | Elektronenmikroskop Wissenschaften | 157-8 | Verdünnt auf 4% |
| Petrischalen | Fisher Scientific | 08-757-100B | |
| Phosphatgepufferte Kochsalzlösung | Thermo Fisher Scientific | 70011-044 | Verdünnt auf 1x |
| Saccharose | Fisher Scientific | BP220-1 | |
| Sylgard | Elektronenmikroskop Sciences | 24236-10 | |
| Triton-X 100 | Fisher Scientific | BP151-100 | |
| Brain Immunocytochemistry | |||
| 488 | Anti-Hühner-Invitrogen | A11039 | |
| 546 Anti-Ratte | Invitrogen | A11081 | |
| Rinderserumalbumin | Sigma Aldrich | A9647 | |
| Huhn Anti-GFP | Abcam | 13970 | |
| Deckgläser | Avantor | 48366-067 | 25 x 25 mm |
| Doppelseitiges Klebeband | Scotch | 34-8724-5228-8 | |
| Fluoromount-G | Elektronenmikroskop Sciences | 17984-25 | |
| Objektträger | Fisher Scientific | 12-544-2 | 75 x 25 mm |
| Nagellack | Sally Hansen | 109 | Xtreme Wear, Invisible |
| Normales Ziegenserum | Sigma Aldrich | G9023 | |
| Ratte Anti-CadN | Entwicklungsstudien Hybridom Bank | AB_528121 | |
| Konfokal/Analyse | |||
| Jeder Computer/Laptop | |||
| Konfokalmikroskop | Carl Zeiss | Zeiss 510 META | |
| Fidschi Software | Fidschi | Version 2.14.0/1.54f |
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