Describimos un método para caracterizar la topografía funcional y las propiedades sinápticas de los circuitos del prosencéfalo utilizando un enfoque optogenético para fotoestimular poblaciones neuronales in vitro.
Artículo de método
Describimos un método para caracterizar la topografía funcional y las propiedades sinápticas de los circuitos del prosencéfalo utilizando un enfoque optogenético para fotoestimular poblaciones neuronales in vitro.
El prosencéfalo sensorial está compuesto por tipos de células intrincadamente conectadas, cuyas propiedades funcionales aún no se han dilucidado completamente. La comprensión de las interacciones de estos circuitos del prosencéfalo se ha visto favorecida recientemente por el desarrollo de métodos optogenéticos para la modulación de la actividad neuronal mediada por la luz. Aquí, describimos un protocolo para examinar la organización funcional de los circuitos del prosencéfalo in vitro utilizando la fotoestimulación de barrido láser de la canalrodopsina, expresada optogenéticamente a través de la transfección mediada por virus. Este enfoque también explota la utilidad de la recombinación de cre-lox en ratones transgénicos para dirigir la expresión en tipos específicos de células neuronales. Después de la transfección, las neuronas se registran fisiológicamente en preparaciones de corte utilizando una pinza de parche de célula completa para medir sus respuestas evocadas a la fotoestimulación de escaneo láser de las fibras que expresan canalrodopsina. Este enfoque permite evaluar la topografía funcional y las propiedades sinápticas. Los correlatos morfológicos se pueden obtener mediante imágenes de la expresión neuroanatómica de las fibras que expresan canalrodopsina utilizando microscopía confocal del corte vivo o del tejido postfijado. Estos métodos permiten investigaciones funcionales de los circuitos del prosencéfalo que amplían los enfoques más convencionales.
Los elaborados circuitos del prosencéfalo de los mamíferos plantean un desafío experimental para diseccionar los roles funcionales de sus componentes entrelazados. El desarrollo de métodos optogenéticos para excitar e inhibir específicamente las poblaciones neuronales y sus proyecciones1-3 ha ayudado a desenredar estas relaciones. Estos enfoques hacen uso de la expresión genéticamente controlada de canales de membrana que responden a la luz4-6. Cabe destacar que la canalrodopsina, un canal iónico activado por luz, despolariza las membranas neuronales después de la estimulación óptica, lo que conduce a la excitación de la neurona expresora y sus proyecciones4,7. Por el contrario, la halorrodopina, una bomba de cloruro depuerta la luz, hiperpolariza la membrana, inhibiendo así la proyección dirigida6,8,9. Se han diseñado varias variantes de estas opsinas, se han producido múltiples vectores para su transfección y expresión en poblaciones neuronales de interés, y se han diseñado líneas de ratones transgénicos que expresan constitutivamente estas opsinas o que permiten el control de su expresión mediado por cre-lox1,2,10,11.
La utilidad de estos métodos y materiales optogenéticos ha revolucionado la neurociencia experimental moderna, permitiendo la disección del papel de circuitos neuronales específicos en la fisiología y el comportamiento del organismo12-15. En particular, estos métodos pueden aplicarse poderosamente a la disección funcional de los circuitos cerebrales utilizando preparaciones de corte in vitro 16-20. En este contexto, una de las principales ventajas de este método es la capacidad de caracterizar la fisiología de proyecciones de largo alcance que son difíciles, si no imposibles, de preservar en un corte grueso, como las conexiones comisurales entre los hemisferios corticales cerebrales16. Además, esta tecnología permite manipulaciones que no son posibles con otros métodos, como la inhibición selectiva de proyecciones con precisión temporal fina utilizando halorrodopsina6,8,9. Además, la expresión específica del tipo celular de estas opsinas permite estimular o inhibir selectivamente componentes aislados en un circuito neuronal1,2,11,15,21. Como tal, estas novedosas herramientas optogenéticas permiten el análisis sin precedentes de las contribuciones neuronales a la fisiología y el comportamiento.
Aquí, describimos un protocolo para expresar canalrodopsina en el cerebro de ratón utilizando vectores virales adenoasociados (AAV)1,2. La transfección específica de las poblaciones neuronales objetivo se puede lograr utilizando este protocolo, con la elección adecuada de construcciones promotoras o ratones transgénicos que expresen Cre-recombinasa en las neuronas objetivo de interés y una construcción viral 'floxada'1,11,15,21 (Figura 1). Como ejemplos aquí, examinamos las proyecciones corticocorticales entre la corteza visual primaria (V1) y la corteza visual secundaria (V2) y también investigamos la proyección corticotalámica de la capa 6 desde la corteza sensorial somadora primaria (S1) hasta el núcleo medial ventroposterior (VPm). Combinamos esta expresión específica con la fotoestimulación de escaneo láser in vitro para evaluar la fisiología sináptica y la topografía funcional. La configuración presentada aquí permite el posicionamiento espacial preciso y el control de los loci de la fotoestimulación. Por último, describimos la visualización de patrones de expresión mediante microscopía confocal.
1. Cirugía e inyecciones
2. Preparación de rebanadas
3. Registro fisiológico
4. Fotoestimulación con escaneo láser
5. Imágenes de corte fijo
La fotoestimulación con escaneo láser de las proyecciones entre el área visual primaria (V1) y el área visual secundaria (V2) en el ratón se logró después de las inyecciones de pAAV-CaMKIIa-hChR2(H134R)-EYFP en V1 de un ratón Balb/C (Figura 3). El promotor de CaMKIIa en esta construcción viral impulsa la expresión específica de canalrodopsina-EYFP en neuronas glutamatérgicas excitadoras1,15. Después de la preparación de los cortes para el registro fisiológico, se observó la expresión de las fibras de canalrodopsina-EYFP, es decir, la epifluorescencia del EYFP conjugado, que atravesaba de V1 a V2 (Figura 3A). Además, también se observaron las fibras corticotalámicas en el núcleo geniculado lateral (LGN) (Figura 3A). Las grabaciones de pinzamiento de parche de célula completa de una neurona en V2 revelaron EPSC provocadas después de la fotoestimulación de escaneo láser de fibras que expresan canalrodopsina-EYFP en las capas inferiores de V2 (Figura 3B).
En otro ejemplo, la fotoestimulación con láser de las proyecciones corticotalámicas desde la capa 6 de la corteza somatosensorial primaria (S1) hasta el núcleo ventroposterior (VP) se llevó a cabo utilizando este protocolo. Aquí, utilizamos un enfoque de Cre-Lox para dirigirnos específicamente a la expresión de canalrodopsina en las neuronas de la capa 6 y las proyecciones corticotalámicas de interés. Explícitamente, inyectamos pAAV-Ef1a-DIO-hChR2(H134R)-EYFP-WPRE-pA en S1 de B6. Ratones Cg-Tg(Ntsr1-cre)GN220Gsat/Mmcd (Figuras 1 y 4). Esta cepa de ratón transgénica expresa Cre-recombinasa específicamente en las neuronas corticotalámicas de la capa6 21 y, por lo tanto, da lugar a la expresión de ChR-YFP solo en aquellas neuronas después de la transfección por la construcción AAV 'floxada'. Después de la preparación de los cortes, se observaron fibras de canalrodopsina-EYFP en las neuronas de la capa 6 y fibras que se proyectan a la capa 4 y VP (Figuras 4A y 4B). El registro fisiológico de una neurona VPm utilizando una pinza de parche de célula completa reveló que las EPSC podían obtenerse después de la fotoestimulación de escaneo láser cerca de la neurona registrada (Figuras 4C y 4D).
La morfología de las fibras marcadas se evaluó más fácilmente siguiendo los registros fisiológicos. Aquí, reseccionamos preparaciones de corte (50 μm) con expresión de canalrodopsina-EYFP en neuronas corticotalámicas de capa 6 (Figura 5). Esto reveló un patrón fino de fibras marcadas que atraviesan desde la capa 6 hasta la capa 4, donde terminaban y arborizaban extensamente (Figura 5A). Además, se observaron fibras corticotalámicas que entraban en la sustancia blanca viajando hacia el tálamo (Figuras 5A y 5B).

Figura 1. Ilustración esquemática de la expresión dirigida de canalrodopsina a través de un enfoque Cre-Lox. A los ratones transgénicos que expresan Cre-recombinasa en las poblaciones neuronales de interés se les inyecta un virus "floxed" que codifica canalrodopsina fusionada con una proteína fluorescente, como YFP. Después de la transfección, solo las neuronas con Cre-recombinasa expresarán canalrodopsina-EYFP. Haga clic aquí para ver la imagen más grande.

Figura 2. Ilustración esquemática de la configuración de la fotoestimulación. (A) Diagrama de la configuración de la fotoestimulación de escaneo láser. El rayo láser es guiado sucesivamente a través de un sistema de haz abierto hasta un obturador y un filtro de densidad neutra (N.D.). Un cubreobjetos refleja parte del haz a un fotodiodo conectado a un amplificador para mediciones de potencia láser. Los galvanómetros de espejo se utilizan para posicionar el rayo láser a través de una lente de escaneo, que guía el haz a través de un puerto lateral en la parte superior del microscopio. A continuación, el haz se refleja a través de la lente del objetivo hasta la preparación del corte mediante un espejo dicroico. Para más detalles, véase Lam y Sherman23 y Shepherd29. (B) Ejemplo del patrón de cuadrícula de fotoestimulación para el experimento representativo que se muestra en la Figura 3. La rejilla de estimulación de 16 x 16 se superpone a una fotomicrografía de la preparación del corte. Una estrella roja indica la ubicación de una neurona registrada mediante una pinza de parche de célula completa. La posición del rayo láser se guía a cada una de las 256 posiciones de la rejilla de estimulación mediante el posicionamiento computarizado de los galvanómetros de espejo. En la figura se muestran las posiciones del láser de los 5 primeros puntos de estimulación. Las respuestas de la neurona registrada a la fotoestimulación en cada uno de los sitios se muestran en la Figura 3. Haga clic aquí para ver la imagen más grande.

Figura 3. Fotoestimulación láser de las proyecciones corticocorticales de la corteza visual primaria (V1) a la corteza visual secundaria (V2) en el ratón. (A) Imagen epifluorescente de la preparación del corte que muestra fibras de canalrodopsina-EYFP de V1 a V2 y en el núcleo geniculado lateral (LGN). La expresión específica de canalrodopsina-EYFP en neuronas glutamatérgicas excitadoras está impulsada por una construcción viral que contiene el promotor CaMKIIa. (B) Corrientes postsinápticas excitatorias (EPSC) provocadas por una neurona en V2 después de la fotoestimulación de escaneo láser. La estrella roja indica el lugar de grabación. Barras de escala: (A) 500 μm, (B) 200 pA, 100 mseg. Haga clic aquí para ver la imagen más grande.

Figura 4. Fotoestimulación láser de las proyecciones corticotalámicas desde la corteza somatosensorial primaria (S1) hasta el núcleo ventroposterior (VP) en el ratón. (A) Imagen epifluorescente de la preparación del corte que muestra fibras de canalrodopsina-EYFP en S1. (B) Imagen epifluorescente de fibras marcadas en VP. (C) Corrientes postsinápticas excitatorias (EPSC) provocadas por una neurona VP después de la fotoestimulación de escaneo láser. (D) Gráfico de las EPSC medias. La estrella roja indica el lugar de grabación. Las trazas en caja en (C) se corresponden con los valores en caja en (D). Barras de escala: (A) 250 μm, (B) 250 μm, (C) 100 pA, 100 mseg. Haga clic aquí para ver la imagen más grande.

Figura 5: Imagen de las neuronas de la capa 6 que expresan canalrodopsina-EYFP en la corteza somatosensorial primaria (S1) del ratón. (A-B) Neuronas marcadas en la capa 6 y fibras que se proyectan a la capa 4 y a la sustancia blanca. Barras de escala: (A) 250 μm, (B) 250 μm. Haga clic aquí para ver la imagen más grande.
El protocolo descrito detalla un enfoque para la evaluación in vitro de la topografía funcional y la fisiología de los circuitos neuronales, que no se limita a la investigación de los circuitos del prosencéfalo, es decir , los del tálamo y la corteza. Se han puesto a disposición de la comunidad científica varias construcciones virales para la transfección optogenética y se pueden obtener fácilmente del UNC Vector Core. Para obtener una descripción de las construcciones virales fácilmente disponibles, consulte el UNC Vector Core31, la página de recursos de optogenética en el Laboratorio Deisseroth de la Universidad de Stanford32 y el laboratorio de neurobiología sintética Boyden en MIT33. Estos laboratorios han desarrollado variantes de estas opsinas y permiten una amplia gama de modos para controlar la excitabilidad neuronal1,2. La obtención de estos vectores del núcleo de vectores de UNC requiere un Acuerdo de transferencia de material de los laboratorios de origen. En este protocolo, observamos que la adición de polibeno mejora la eficacia de la transfección. Además, otra variable que influye en la expresión es el período de recuperación posquirúrgica, en el que observamos que un período de al menos 14 días es suficiente para obtener una expresión robusta en las vías del prosencéfalo de los ratones.
Para la transfección dirigida de grupos neuronales específicos, se han desarrollado varias líneas de ratones transgénicos Cre, que se pueden utilizar en combinación con construcciones virales de marco de lectura abierto inverso 'floxed' que se han desarrollado11. Varias cepas pertinentes a la investigación en neurociencia están disponibles a través de los Centros Regionales de Recursos de Ratones Mutantes34. Los atlas de los patrones de expresión de Cre-recombinasa en estas líneas transgénicas se ofrecen a través de la base de datos GENSAT35. Además, Jackson Labs ofrece varias cepas Cre-transgénicas, así como otras que expresan constitutivamente opsinas en grupos neuronales específicos. Un paso crítico para utilizar estas líneas de ratones es tener en cuenta el tiempo necesario para obtener y establecer una colonia de reproducción, que puede variar según la cepa particular de interés.
Para la fotoestimulación, hemos utilizado y adaptado la configuración desarrollada por el Shepherd Lab de la Universidad Northwestern, descrita en un protocolo reciente29. Aunque está optimizado para el desbloqueo de glutamato, esta configuración también es susceptible de fotoestimulación de canalrodopsina sin modificaciones. Esta configuración permite un control espacial preciso y el posicionamiento de los loci de fotoestimulación, lo que permite una evaluación de la topografía funcional de la inervación de canalrodopsina de las neuronas registradas. Aunque el control espacial se mejora con este método de fotoestimulación, es más costoso que los métodos que utilizan iluminación de campo basada en LED20. Además, la falta de uniformidad del tejido cerebral es una limitación de la optogenética o de cualquier técnica que implique la manipulación de la luz. Sin embargo, en la práctica, rara vez es un factor, ya que los resultados se interpretan principalmente de manera cualitativa. En caso de que se necesite una comparación más cuantitativa entre las regiones del cerebro, siempre se puede usar la máxima intensidad de luz para lograr respuestas "saturadas".
Además, hemos utilizado los programas de software Tidelwave y Ephus escritos en Matlab para controlar la fotoestimulación de escaneo láser y la adquisición de datos25,26. Sin embargo, se recomienda que aquellos que configuren un sistema similar empleen el software Ephus26 más nuevo, que tiene soporte disponible a través del sitio de desarrollo de Janelia Farms30. Un paso clave es elegir cuál de estos paquetes de software utilizar, ya que sus requisitos de hardware difieren ligeramente. Además, los programas de análisis de mapas se adaptan a sus respectivos programas de adquisición de datos.
Varios de estos pasos se pueden modificar para adaptarse a la configuración particular del profesional. Las inyecciones de soluciones virales se pueden realizar con mecanismos de administración además de una jeringa, por ejemplo , las pipetas de vidrio capilares extraídas a diámetros de punta de ~40 μm también funcionan bien. Para las cirugías, se puede sustituir por un soporte de cabeza no estereotáxico si tales coordenadas no son necesarias para guiar las inyecciones. Además, las composiciones de ACSF y soluciones intracelulares pueden modificarse en función de los requisitos experimentales particulares, por ejemplo , sustituyendo una solución intracelular de cesio o cloruro para aislar las corrientes inhibitorias. Además, una alternativa a la obtención de imágenes de patrones de expresión en cortes fijos también se puede realizar en el corte vivo en un equipo de imágenes adecuado con un sistema de perfusión por baño.
En resumen, este protocolo permitirá al médico caracterizar la topografía funcional y la fisiología sináptica de las proyecciones in vitro, lo que puede no ser posible utilizando métodos estándar, p. ej. caracterización de proyecciones de largo alcance que no se pueden conservar en un corte. El protocolo de transfección descrito se puede aplicar a experimentos optogenéticos in vivo 1-3,12,14, ya que el mecanismo de administración es el mismo. Finalmente, aunque este protocolo describe la transfección de ratones, muchos de los vectores virales disponibles se pueden usar para transfectar y expresar teóricamente estas opsinas en una amplia gama de especies de mamíferos, lo que permite una gran cantidad de estudios comparativos y específicos de especies1-3.
Los autores declaran que no tienen intereses contrapuestos. El autor (CCL) recibió una beca de publicación de Leica Microsystems, que produce un instrumento utilizado en esta filmación de este protocolo.
Este trabajo fue financiado por la subvención R03 DC 011361 de los NIH/NIDCD, la subvención LAV3202 de SVM CORP, la subvención EPSCoR de NSF-LA PFUND86 y una subvención de publicación de Leica Microsystems (CCL) y la subvención R01 DC 008794 (SMS) de los NIH/NIDCD.
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Polybrene | Santa Cruz Biotech | SC134220 | |
| Solución de paraformaldehído al 32% | EMS | 15714 | |
| VECTASHIELD | Vector Labs | H-1400 | |
| AAV construcciones virales | UNC Vector Core | NA | |
| Mouse Cabezal estereotáctico | Stoelting | 51730 | |
| Inyector Nanocool | Harvard Aparato | 703040 | |
| Láser UV: 355 nm, Nd:YVO4; 1 W; | DPSS Lasers, Inc | 3500 | |
| Galvonomómetros | Cambridge Scanning | 6210 | |
| espejos | Cambridge Scanning | 6m2003S-A | |
| montura | Cambridge Scanning | 6102103L | |
| cable | Cambridge Scanning | 6010-19-120 | |
| controlador/controlador | Cambridge Scanning | 67121-1 | |
| Obturador - Recubrimiento ZM (compatible con UV) | Uniblitz | L23-ZM2 | |
| Controlador de obturador | Uniblitz | VMM-D1 | |
| Amplificador de corriente | Stanford Research Systems | SR570 | |
| 6713 placa | National Instruments | 777741-01 | |
| 2110 caja de conexiones | National Instruments | 777643-01 | |
| PCI-MIO-16E-4 | National Instruments | 777383-01 | |
| BNC-2090 | National Instruments | 777270-01 | |
| Cables | National Instruments | 184749-01 | |
| MATLAB | Mathworks | ||
| TCS SP2 | Leica Microsystems |
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