In diesem Artikel wird ein Protokoll für die in vivo Aufzeichnung der elektrischen Aktivität von hypothalamischen peptidergen Neuronen unter Verwendung der Ganzzell-Patch-Clamp-Elektrophysiologie in intakten Zebrafischlarven vorgestellt.
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In diesem Artikel wird ein Protokoll für die in vivo Aufzeichnung der elektrischen Aktivität von hypothalamischen peptidergen Neuronen unter Verwendung der Ganzzell-Patch-Clamp-Elektrophysiologie in intakten Zebrafischlarven vorgestellt.
Der Hypothalamus ist eine uralte Gehirnregion, die verschiedene Aspekte der Physiologie und des Verhaltens reguliert, darunter Schlaf und Wachheit, Appetit, Energiehomöostase, Angstzustände, Depressionen und soziale Interaktion. Spezifische neuronale Populationen im Hypothalamus üben ihre Wirkung über die Freisetzung von Neurotransmittern und Neuropeptiden aus. Die Ganzzell-Patch-Clamp-Aufzeichnung ist ein unverzichtbarer Ansatz, um die Rolle dieser Faktoren bei der synaptischen Übertragung und der Gehirnfunktion zu untersuchen. Es ist jedoch schwierig, hypothalamische Neuronen für elektrophysiologische Ableitungen bei intakten Säugetieren zu erreichen, da sie sich tief im Gehirn befinden. Infolgedessen ist unser Verständnis der intrinsischen Eigenschaften und physiologischen Funktionen von hypothalamischen Neuronen begrenzt. Der larvale Zebrafisch ist aufgrund seines transparenten und kleinen, aber gut erhaltenen Wirbeltiergehirns ein nützliches alternatives Modell zur Untersuchung von hypothalamischen Neuronen. Hier stellen wir ein Protokoll für in vivo Ganzzell-Patch-Clamp-Aufzeichnungen von hypothalamischen Neuronen in intakten Zebrafischlarven vor. Mit dieser Technik können wir peptiderge Neuronen im Hypothalamus aufzeichnen, die Reaktionen dieser Neuronen auf sensorische Reize untersuchen und ihre Auswirkungen auf nachgeschaltete Neuronen untersuchen. Diese experimentelle Technik bietet somit einen nützlichen Ansatz, um die physiologischen Funktionen von hypothalamischen neuropeptidergen Neuronen in intakten Tieren zu untersuchen.
Als beliebtes Wirbeltiermodell sind Zebrafische (Danio rerio) in der neurowissenschaftlichen Forschung weit verbreitet und haben mehrere Vorteile1. Ihre Komplementäre an Genen und ihre Gehirnarchitektur sind bei Säugetieren hochgradig konserviert, und sie verfügen über ein reichhaltiges Verhaltensrepertoire, was sie nützlich macht, um genetische und neuronale Mechanismen zu untersuchen, die Verhaltensweisen wie Schlaf, Angstzuständen, Depressionen und sozialer Interaktion zugrunde liegen 2,3,4,5,6 . Aufgrund ihrer geringen Größe und geringen Wartungskosten eignen sie sich ideal für das Hochdurchsatz-Screening von Genen oder Medikamenten zur Behandlung neuropsychiatrischer Erkrankungen 7,8. Schließlich eignen sich Zebrafischlarven aufgrund ihrer optischen Transparenz in Kombination mit fortschrittlichen Lichtblattmikroskoptechniken und der Verfügbarkeit mehrerer fluoreszierender Reporter besonders gut für die Überwachung der neuronalen und astroglialen Aktivität mit zellulärer Auflösung im gesamten Gehirn 9,10,11.
Der Zebrafisch-Hypothalamus, der sich tief im ventralen Zwischenhirn befindet, ist anatomisch und molekular mit dem Säugetier-Hypothalamus konserviert, aber 2-3 Größenordnungen kleiner, was ein einfacheres System zur Untersuchung der Hypothalamusfunktion darstellt12. Hypothalamische Neuronen bilden umfangreiche synaptische Verbindungen mit mehreren Gehirnregionen, einschließlich des Thalamus, des Hirnstamms, der Hypophyse und des Telencephalons, über die sie die physiologische Homöostase, die neuroendokrine Signalgebung und das autonome Verhalten regulieren13,14. Eine solche Modulation des Verhaltens und der Physiologie beruht weitgehend auf Neuropeptiden, bei denen es sich um kurzkettige Aminosäuren handelt, die durch Bindung an G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) wirken15. Im Gegensatz zur schnell wirkenden Freisetzung von Aminosäure-Neurotransmittern an der Synapse können Neuropeptide über längere Strecken über Volumenübertragung diffundieren und langsame modulatorische Effekte auf die synaptische Übertragung und die neuronale Erregbarkeit vermitteln16.
Jüngste Studien an Zebrafischen haben verschiedene Funktionen von hypothalamischen Neuropeptiden durch multidisziplinäre Ansätze wie die Kalziumbildgebung des gesamten Gehirns, die Einzelzell-RNA-Sequenzierung, die Hochdurchsatz-Verhaltensanalyse und die Kartierung neuronaler Schaltkreiseaufgedeckt 4,12,17,18. Diese neuen Techniken haben unsere Fähigkeit verändert, die zelluläre Vielfalt in großem Maßstab zu charakterisieren, molekulare Mechanismen mit Neuropeptidfunktionen auf Schaltkreisebene zu verbinden und neuronale Schaltkreise zu kartieren, die bestimmten Verhaltensweisen zugrunde liegen19,20. Diese Ansätze sind jedoch nach wie vor begrenzt in ihrer Fähigkeit, die schnelle physiologische Dynamik und die präzisen synaptischen Mechanismen aufzuklären, die der Neuropeptidfunktion zugrunde liegen.
Die von Neher und Sakmann entwickelte Patch-Clamp-Technik ist aufgrund ihrer beispiellosen zeitlichen Auflösung und biophysikalischen Präzision nach wie vor der Goldstandard für die Erforschung der neuronalen Physiologie und ermöglicht die direkte Messung von Membranpotentialfluktuationen, synaptischen Strömen und der Dynamik von Ionenkanälen21,22. Diese Technik ist besonders wertvoll für die Untersuchung neuropeptiderger Zellen, deren charakteristische Berstmuster und neuromodulatorische Einflüsse eine direkte elektrophysiologische Messung erfordern, um ihre Rolle im Verhalten und in der Homöostase vollständig zu verstehen 15,16,23.
Hier haben wir ein optimiertes Protokoll entwickelt, das trotz der technischen Herausforderungen, die die tiefe anatomische Lage dieser Neuronen mit sich bringt, zuverlässige Ganzzell-Patch-Clamp-Aufzeichnungen von hypothalamischen peptidergen Neuronen aus Zebrafischen ermöglicht. Diese Methodik bietet einen direkten Zugang zur elektrischen Aktivität dieser Zellen und ermöglicht eine detaillierte Untersuchung ihrer Reaktionen auf visuelle und auditive Reize (Abbildung 1). Durch die Integration der Patch-Clamp-Elektrophysiologie mit der Optogenetik können wir die funktionelle Konnektivität zwischen hypothalamischen Schaltkreisen und nachgeschalteten Neuronen genau charakterisieren (Abbildung 2 und Abbildung 3), was die Untersuchung von Neuropeptiden in der physiologischen Homöostase und Verhaltenskontrolle erleichtert. Dieser Ansatz schließt eine kritische Lücke in der neurowissenschaftlichen Forschung und ermöglicht die mechanistische Erforschung der Funktion von hypothalamischen Neuronen auf biophysikalischer, zellulärer und Schaltkreisebene gleichzeitig.
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Alle Versuche wurden vom Institutional Care and Use Committee (IACUC) an der Universität Shanghai (Tierprotokoll YS 2025-169) und vom IACUC am California Institute of Technology (Tierprotokoll 1836) genehmigt. Zebrafische von 5 bis 7 Tagen nach der Befruchtung (dpf) wurden mit Rädertierchen gefüttert und für Versuche verwendet. In diesem Entwicklungsstadium ist das Geschlecht noch nicht bestimmt. Für die Zucht wurden adulte Zebrafische auf einem perlmuttfarbenen [mitfa(w2/w2)]-Hintergrund24 verwendet.
1. Lösungen und Rezepte
2. Vorbereitung und Sektion von Zebrafischen
3 Ganzzell-Patch-Clamp-Aufnahme
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In diesem Manuskript stellen wir eine verbesserte in vivo Ganzzell-Patch-Clamp-Aufzeichnungstechnik zur Untersuchung von hypothalamischen Neuronen in intakten Zebrafischen vor, insbesondere mit Schwerpunkt auf Hypocretin (Hcrt)-Neuronen.
Wie in Abbildung 1 dargestellt, ermöglicht unsere Methodik direkte elektrophysiologische Ableitungen von diesen Neuronen tief im Gehirn bei einem intakten Tier (Abbildung 1A) und überwindet d...
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Das hier beschriebene Protokoll ermöglicht Patch-Clamp-Aufzeichnungen von peptidergen Neuronen im Zebrafisch-Hypothalamus der Larve, einer der tiefsten und technisch anspruchsvollsten Hirnregionen. Aufgrund der inhärenten Schwierigkeit dieses Präparats erfordern erfolgreiche Patch-Clamp-Aufzeichnungen die sorgfältige Beachtung einiger kritischer Parameter, nämlich der Pipettenqualität, der Annäherungstechnik, der Reinheit der Lösung und der Gewebegesundheit. Diese Faktoren bestimmen zusa...
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Die Autoren erklären keine Interessenkonflikte und nichts offenzulegen.
Wir danken Dr. Daniel Wagenaar für seine Hilfe bei der Entwicklung von Geräten für optogenetische Experimente. Diese Arbeit wurde durch Zuschüsse in Höhe von R35 NS122172 und R34 NS126800 von den National Institutes of Health an D.A.P und das Shanghai Overseas Talents Introduction Program an R.Z. unterstützt.
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| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Verstärker | Axon | 700 Mrd. | |
| Kapillaren aus Borosilikatglas | Sutter | BF100-58-10 | |
| CCD-Kamera | Dage-MTI | IR-1000 | |
| Computer für elektrophysiologische Aufzeichnungen | Tal | Präzision 3660 | |
| Digidata | Axon | 1440A | |
| Faradayscher Käfig | Maßgearbeitet | ||
| Zange | F.S.T. | Dumont #5 | |
| Brutkasten | Lonroy | GZP-150B | |
| Membranfilter | Millipore Sigma | SLGV004SL | |
| Mikromesser | F.S.T. | 10318-14 | |
| Objektiv | Olymp | Mplan 5X/0.1; UMPlanFI/IR 60X/0,9w | |
| Peristaltische Pumpe | Länger | BT100-1L | |
| Pipettenhalter | Narishige | H-7 | zum Sezieren |
| Abzieher | Sutter-Instrument | Seite 97 | |
| Stereomikroskop für Fluoreszenz-Screening und Dissektion | Olymp | SZX16 | |
| Anreger | A.M.P.I | Meister 8 | |
| Dreidimensionaler Mikromanipulator | Sutter-Instrument | MPC-325 | |
| Aufrechtes Infrarot-DIC-Mikroskop | Olymp | BX51WI | |
| Tisch für Schwingungsisolator | TMC (Englisch) | 61-541-06 | |
| Videomonitor | SUNSPO | Nr. SP-717 | |
| Wasserbad | Yiheng | HWS-12 | |
| X-Y-Übersetzer | Maßgearbeitet |
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