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Neuroscience

Macropatch focale registrazioni delle correnti sinaptiche da giunzione neuromuscolare larvale della drosofila

Published: September 25, 2017 doi: 10.3791/56493

Summary

Delle correnti sinaptiche possono essere registrate focale da visualizzati boutons sinaptici alla giunzione neuromuscolare larve instar terza della drosofila . Questa tecnica consente il monitoraggio dell'attività di una singola bouton sinaptica.

Abstract

Drosophila della giunzione neuromuscolare (NMJ) è un sistema eccellente modello per studiare la trasmissione sinaptica glutamatergic. Descriviamo la tecnica delle registrazioni macropatch focale delle correnti sinaptiche da boutons visualizzati alle NMJ larvale della drosofila . Questa tecnica richiede la realizzazione personalizzata di registrazione micropipette, come pure un microscopio composto dotato di un alto ingrandimento, obiettivo a immersione in acqua a lunga distanza, ottica (DIC) contrasto differenziale di interferenza e una fluorescente allegato. L'elettrodo di registrazione è posizionato sulla sommità di una bouton sinaptica selezionata visualizzata con ottica DIC, epi-fluorescenza o entrambi. Il vantaggio di questa tecnica è che permette di monitorare l'attività sinaptica di un numero limitato di siti di rilascio. L'elettrodo di registrazione ha un diametro di alcuni micron, e i siti di rilascio posizionati di fuori del cerchio dell'elettrodo non influenzano significativamente le correnti registrate. Le correnti sinaptiche registrate hanno cinetica veloce e possono essere facilmente risolto. Questi vantaggi sono particolarmente importanti per gli studi di linee mutanti volare con maggiore attività sinaptica spontanea o asincrona.

Introduction

Drosophila è un sistema eccellente modello per studiare i meccanismi molecolari che controllano trasmissione sinaptica. Il sistema neuromuscolare in Drosophila è glutamatergici, e pertanto la drosofila giunzione neuromuscolare (NMJ) può essere utilizzata per studiare le caratteristiche conservate di glutamatergic rilascio. Da Jan e Jan Studio1, le larve instar terza è stato largamente utilizzato per studiare la trasmissione sinaptica spontanea ed evocata da monitoraggio potenziali eccitatori giunzione (giuridiche) o correnti (EJC). Giuridiche sono comunemente registrate intracellulare con un micro-elettrodo di vetro taglienti, e riflettono l'attività di NMJ intera, compresi tutti i boutons fare sinapsi al data fibra muscolare.

Al contrario, l'attività di un numero limitato di siti di rilascio possa essere registrata focale posizionando un suggerimento micropipetta vicino terminali neuronali o varicosità sinaptica. Questa tecnica è stata impiegata originariamente da Katz e Miledi2e focale registrazioni extracellulari sono state impiegate con successo in diverse preparazioni di NMJ, tra cui rana3,4,5, mouse6 , 7 , 8, crostaceo9,10,11,12,13,14,15,16e Drosofila17,18,19,20,21,22,23. Questo approccio è stato ulteriormente sviluppato da Dudel, che ottimizzato macropatch ricodifica elettrodi24,25. Nell'implementazione di Dudel, questa tecnica non si discostano l' allentato-patch-clamp metodo26.

NMJ larvale Drosophila ha chiaramente definito boutons sinaptici e linee transgeniche con tag fluorescente neuronale geneticamente codificato (Vedi Tabella materiali) sono prontamente disponibili. Questi vantaggi ci ha permesso di registrare EJC e mEJCs da un bouton sinaptico selezionato20,21,22. Qui, descriviamo questa tecnica in dettaglio.

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Protocol

1. fabbricazione di elettrodi di registrazione

  1. tirando gli elettrodi di vetro
    1. uso il seguente protocollo per l'estrattore di microelettrodi (Vedi Tabella materiali):
      1. linea 1: calore 510 tirare - velocità 30 tempo 250; Linea 2: Calore 490 Pull - velocità 30 tempo 250.
        Nota: Unità di tempo corrisponde a 0,5 ms per unità; le altre unità sono relative. Il valore del calore deve essere regolato per ogni filamento dopo viene eseguito il test rampa.
    2. Utilizzare un microscopio (ingrandimento x 35) per garantire che il diametro interno dell'elettrodo tirato è nella gamma di 7-10 µm ( Figura 1A). Conservare i capillari in contenitori ben chiusi per prevenire l'accumulo di polvere.
  2. Fuoco lucidatura
    1. capillari di fuoco polacco (80-90% del valore massimo del calore per 1-2 s) utilizzando una micro-forgia (Vedi Tabella materiali). Garantire il diametro interno finale dell'elettrodo lucido è 5 µm ( Figura 1A) 27.
  3. Piegatura
    Nota: due curve sono realizzate al fine di posizionare l'elettrodo sulla parte superiore del muscolo sotto un obiettivo ad alto ingrandimento.
    1. Uso l'apparecchio mostrato in Figura 1B. Difficoltà l'elettrodo nel manipolatore e posizionare la punta sul filamento, non toccando it.
    2. Set valore al 60-70% del massimo calore e premere il pedale della micro-forgia per 1-2 s (Vedi Tabella materiali) per riscaldare il filamento. Utilizzare un ago a forma di L per tirare delicatamente verso il basso la punta dell'elettrodo ( Figura 1B allargata). Fai la curva a circa 90 o ( Figura 1).
    3. Tenere l'elettrodo sopra la fiamma della torcia a mano usando il forcipe e fare alla seconda curva ad una distanza di 7-10 mm dal primo tornante e ad un angolo di circa 120 o ( Figura 1).

Figure 1
Figura 1. Fasi finali di fabbricazione micropipetta. (A) elettrodo suggerimenti dopo tirando e lucidatura di fuoco. (B. 1) l'installazione per la piegatura di punta. (B. 2), l'area circoscritta è mostrato allargata a destra. L'elettrodo e il filamento sono fissati in modo che la punta dell'elettrodo è posizionato leggermente di sopra del filo e non toccare. (C. 1) l'elettrodo di registrazione. (C. 2), l'area circoscritta è mostrato allargata a destra. La prima curva ha un angolo di circa 90°, e la distanza tra la prima curva e la punta dell'elettrodo è di circa 1 mm. scala bar = 3 mm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

2. ulteriori passaggi preparatori

  1. preparare heamolymph-come (HL3) soluzione (in mM): 70 NaCl, 5 KCl, 20 MgCl 2, 10 NaHCO 3, 5 trealosio, saccarosio 115, 5 HEPES e 1 mM CaCl 2; regolare il pH a 7,3 - 7.4. conservare la soluzione in frigorifero e fanno fresco ogni settimana.
  2. Rendere pipette di stimolazione lo stesso modo come registrazione vetro pipette, salvo non vi è alcuna necessità di piegarle.
    Nota: La preparazione di elettrodi di stimolazione è descritto in dettaglio in 28 e 27. Il diametro finale dopo lucidatura a fuoco dovrebbe essere nella gamma di 5-7 µm.
  3. Inserto una pipetta di stimolazione in un supporto di microelettrodo collegata ad una siringa.
  4. Piastre di dissezione di fabbricazione da piccole capsule di Petri (35 x 10 mm) rivestiti con resina epossidica di gomma del silicone (Vedi Tabella materiali), come descritto in 28.
    Nota: Gomma di Silicone dovrebbe essere completamente indurita prima dell'uso.
  5. Scegli un errante larve di terza-instar e sezionarla come descritto in 27 , 28 , 29 , 30.
    Nota: Per visualizzare boutons, utilizzare il ceppo volo CD8-GFP (Vedi Tabella materiali)
    1. forcipe di utilizzo (Vedi Tabella materiali), pick 3 rd instar larve da un flaconcino.
    2. Pin le larve, ponendo il primo perno posteriore e un altro pin anteriore (vicino a bocca ganci).
    3. Soluzione aggiungere HL3.
    4. Fare un taglio con forbici di primavera (Vedi Tabella materiali) fin dal perno superiore a quella inferiore sul lato dorsale delle larve.
    5. Pin il filetto di larve, immissione 2 pin aggiuntivi a sinistra e a destra delle larve.
    6. Rimuovere le budella e trachee utilizzando forcipe.
    7. Tagliare i nervi appena fuori il cavo ventrale del nervo usando forbici di primavera.

3. Le registrazioni elettriche della EJC

Figure 2
Figura 2. La configurazione di registrazione. Il campione NMJ appuntato al silicio rivestito di Petri (freccia) è posizionato sopra la fase mobile del microscopio composto verticale dotato di funzionalità di epifluorescenza, un obiettivo di alto ingrandimento e due micromanipolatori. Il microscopio è disposto su un tavolo antivibrazione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. Registrazione
    1. posto di Petri con la preparazione sul tavolino del microscopio ( Figura 2). Inserire l'elettrodo di riferimento nel bagno.
    2. Riempire l'elettrodo di registrazione con HL3 soluzione. Nell'ambito dell'obiettivo 10x (Vedi Tabella materiali), immergere l'elettrodo nel bagno e posto sopra i muscoli 6 e 7 dei segmenti addominali 2, 3 o 4 utilizzando il micromanipolatore (Vedi Tabella materiali) ( Figura 3 A. 1 e a. 2).
    3. Passare l'obiettivo a 60 x (Vedi Tabella materiali). Concentrarsi sulla zona di interesse utilizzando epi-fluorescenza o ottica DIC. Posizionare la punta dell'elettrodo in cima bouton sinaptico ( Figura 3 b. 1-3).
    4. Premere l'elettrodo molto delicatamente sul muscolo. Una pressione eccessiva può danneggiare la giunzione neuromuscolare o indurre un aumento nell'attività sinaptica spontanea. Assicurarsi che la punta dell'elettrodo non sia intasato - in questo caso, sostituire it.
    5. Accendere l'amplificatore, scheda A/D e il computer.
    6. Scegliere la modalità di morsetto di tensione dell'amplificatore.
    7. Avviare il software di acquisizione e scegliere il ' privo di gap ' modalità.
    8. Osservare la comparsa di mEJCs sullo schermo del computer.
    9. Assicurarsi che l'ampiezza del mEJCs è nella gamma di 0,2 - 0,7 na.
      Nota: EJC più piccoli indicano che l'elettrodo di registrazione ha difetti o che non è posizionato correttamente.

Figure 3
Figura 3. Visualizzazione dei boutons sinaptici. (A), A immagine di campo chiaro di un hemi-segmento sotto i 10 x ingrandimento (a. 1) e l'area circoscritta allargata che mostra i muscoli 6 e 7 (a. 2, la freccia contrassegna l'elettrodo di registrazione). Barra della scala = 50 µm. (B) boutons sinaptici sono visualizzati in una riga di Drosophila con un marcatore neuronale geneticamente codificato (CD8-GFP) utilizzando l'imaging epi-fluorescenza (b. 1) o DIC ottica (b. 2). Immagini sono prese con il 60 x obiettivo e il cubo di filtro per l'imaging di GFP (Vedi Tabella materiali). Synaptiboutons c sono contrassegnati con le frecce, e una sovrapposizione di fluorescente e DIC immagini è mostrata in b. 3. Barra della scala = 10 µm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. stimolazione
    1. utilizzando un micromanipolatore, sotto un controllo visivo, posizionare l'elettrodo di stimolazione vicino l'assone che innervano segmenti addominali 2-4.
    2. Applica pressione negativa tirando il pistone della siringa collegato alla pinza porta elettrodo, in modo che l'axon è tirato dentro l'elettrodo ( Figura 2).
    3. Accendere lo stimolatore. Ruotare la manopola sull'unità di isolamento (Vedi Tabella materiali) impostare una corrente pari a zero, e poi delicatamente aumentare, fino a quando appaiono EJC (o fino a quando non viene raggiunta la soglia).
    4. Eseguire la stimolazione in un regime di suprathreshold, con la corrente di stimolazione aumentata circa due volte, rispetto alla soglia per l'osservazione della EJC.
      Nota: Nella nostra esperienza, tale intensità di stimolazione è ottimale per evitare errori di potenziale di azione e di infornamento del potenziale di azione. Ad esempio, se EJC comparire la corrente di stimolazione di 0.2 mA, utilizzare una corrente di 0,4 mA in tutto l'esperimento.
  2. Guarnizione di
    1. misurare la resistenza di tenuta dell'elettrodo macropatch registrazione girando l'interruttore di resistenza dell'elettrodo dell'amplificatore a " prova di tenuta " posizione. Osservare che il valore della resistenza di guarnizione in GΩ verrà visualizzato nel " attuale " finestra.
    2. Assicurarsi che la resistenza di tenuta è nella gamma di 0.5 - 2 M Ω. I valori fuori di questo intervallo indicano che l'elettrodo è lucidato non correttamente o non correttamente posizionato.
    3. Monitorare la resistenza di tenuta durante la registrazione, facendo attenzione che rimanga costante in tutto l'esperimento.

4. Analisi

  1. analizza le registrazioni che impiegano software per analisi personalizzato (Vedi Tabella materiali).
    Nota: Il nostro laboratorio utilizza software in-House Quantan 31, che è personalizzato per il rilevamento della EJC e mEJCs registrato focale ( Figura 4). Questo software include un filtro gaussiano digitale e permette la rilevazione dei picchi quantal sovrapposte eventi multi-quantali ( Figura 4A). Altri approcci sono descritti in 17.

Figure 4
Figura 4. Analisi quantale. Rilevamento di mEJCs (A) ed EJC (B) da Quantan software. L'area eventi è contrassegnato in verde, e picchi sono contrassegnati da frecce rosse. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Representative Results

Macropatch focale registrazioni attivare monitoraggio attività sinaptica da selezionati boutons sinaptici (Figura 5). Quando l'elettrodo è posizionato sulla sommità di una bouton sinaptica (Figura 5A, sito 1), il mEJCs registrato (Figura 5, sito 1) hanno un ampiezze significativamente superiore al livello di rumore e affilate lievitazione (in una gamma di millisecondo). Quando l'elettrodo di registrazione viene spostata lontano il bouton sinaptico di alcuni micron (Figura 5A, sito 2), le ampiezze del declino registrato mEJCs quasi al livello di rumore (figura 5B, sito 2). EJC registrato a malapena può essere distinto dal rumore ed essi hanno prolungato la lievitazione (Figura 5, sito 2 versus sito 1).

Il numero limitato di siti di rilascio contribuendo alla EJC registrato e mEJCs, come pure la cinetica rapida delle correnti sinaptiche registrato focale, consente la rilevazione accurata degli eventi di rilascio nei mutanti con elevata attività sinaptica. Questo può essere chiaramente illustrato dalle registrazioni di mEJCs da complexin null mutante (Figura 6A). Attività spontanea è drasticamente elevata in questo mutante32, e pertanto mEJPs registrato intracellulare si sovrappongono e non può essere chiaramente distinto da altro (Figura 6B), mentre le registrazioni focale22 accurata rilevazione degli eventi di rilascio spontaneo (Figura 4A).

Figure 5
Figura 5. Registrazioni di EJC e mEJCs da una selezionata bouton. (A) posizionando l'elettrodo sopra una bouton selezionata (sito 1) e allontanando il bouton (sito 2). Le immagini mostrano il CD8-GFP taggati NMJ visualizzato con epi-fluorescenza (a. 1), elettrodo di registrazione sopra la fibra del muscolo (a. 2), e sovrapposizioni (a. 3, a. 4), con l'elettrodo posizionato sul sito 1 (a. 3) o (sito 2 A. 4). barra della scala = 10 µm. (B) mEJCs registrato dal bouton (sito 1) sono chiaramente distinto dal rumore della registrazione e hanno fasi di crescita rapide. Al contrario, mEJCs registrato dal sito 2 non può essere distinto in modo affidabile dal rumore della registrazione, le loro ampiezze sono ridotti molteplice e hanno un decorso più lento. (C) The ampiezze delle EJC registrata dal bouton (sito 1) supera di molte volte che le ampiezze delle EJC registrate dal sito 2, e hanno anche più rapida cinetica. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 6
Nella figura 6. Macropatch focale contro registrazioni intracellulari. Focale registrazioni attivare rilevazione accurata delle mEJCs nel mutante complexin null (A), mentre le registrazioni intracellulari (B) da questa Mostra mutante rilasciare gli eventi che si sovrappongono e non possono essere rilevati in modo affidabile. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Discussion

Drosophila rappresenta un organismo modello vantaggioso per studiare la trasmissione sinaptica. Sono state utilizzate diverse configurazioni di registrazione alle NMJ larvale, tra cui registrazioni intracellulari di potenziali sinaptici, registrazioni di correnti sinaptiche con due elettrodi tensione morsetto33,34e focale macropatch registrazioni di correnti sinaptiche descritte qui. La seconda tecnica permette la quantificazione precisa della trasmissione sinaptica a boutons visualizzato in quel momento.

Il successo del protocollo descritto dipende criticamente la capacità di visualizzare chiaramente l'area di interesse e di personalizzare la preparazione di elettrodi di registrazione. Così, qualità DIC ottica, un obiettivo a immersione in acqua ad alto ingrandimento con una lunga distanza di lavoro e attrezzature personalizzate per fuoco lucidatura e piegatura di elettrodi di registrazione sono di fondamentale importanza.

Il vantaggio di questo approccio è che permette di monitorare l'attività di alcune sinapsi che sono posizionati sotto l'elettrodo di registrazione. Va notato, tuttavia, boutons posizionato vicino al bordo dell'elettrodo può anche contribuire all'attività registrata. È fondamentale, pertanto, che la posizione dell'elettrodo, come pure la resistenza di sigillo, non cambia nel corso dell'esperimento.

La capacità di monitorare l'attività di una singola bouton potenzialmente combinabile con recenti tecnologie di imaging. Ad esempio, rilevazione ottica di attività alle singole zone attive35 può essere combinato con focale registrazioni della EJC e mEJC, e questo potrebbe accoppiare la risoluzione spaziale di rilevamento ottico con risoluzione temporale delle registrazioni elettriche.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

Supportato dalla concessione NIH R01 MH 099557

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Sutter P-97 Sutter instrument P-97 Microelectrode puller
Narishige MF-830 Narishige MF-830 Microforge
WPI MF200 WPI MF200 Microforge
Glass capilaries WPI B150-86-10 Glass capilaries
Microtorch 1WG61 Grainer 1WG61 Microtorch
Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit Dow Corning SYLGARD 184 Silicone for dissection plates preparation
Dissection pins Amazon B00J5PMPJA Pins for larvae positioning
Tweezers WPIINC 500342 Tweezers for placing pins, removing the guts and tracheas.
Scissors WPIINC 501778 Scissors for cutting the cuticula of the larvae and nerves.
Olympus BX61WI Olympus BX61WI Upright microscope
Olympus Lumplan FL N 60x Olympus UPLFLN 60X Microscope objective 60X
Olympus UPlan FL N 10x Olympus Uplanfl N 10X Microscope objective 10X
Narishige Micromanipulator Narishige MHW-3 Three-axis Water Hydraulic Micromanipulator
npi Electronic GmbH ELC-03XS npi Electronic GmbH ELC-03XS Electrophysiological amplifier
A.M.P.I Master 8 A.M.P.I. Master 8 Electrical stimulator
A.M.P.I Iso-Flex A.M.P.I. Iso-Flex Stimulus isolator
TMC antivibration table TMC 63-9090 Antivibration table
TMC Faraday cage TMC 81-333-90 Faraday cage
Digidata 1322A Axon Instruments Digidata 1322A Digidata
Computer Dell Dell Dimension 5150 Computer with Win XP OS
Electrode holder WPI MEH3SW Electrode holder
Optical filter Omega optical XF 115-2 Filter cube for Green Fluorescent Protein (GFP) detection
pCLAMP 8 Axon Instruments 8.0.0.81 Software for signal recording
Quantan In-house software - Software for signal processing
Canton-S (Wildtype) Bloomington Stock Center 64349 Control fly line
cpx SH1 Generous Gift of J.T. Littleton - Complexin knock-out fly line with increased spontaneous exocytosis
CD8-GFP Bloomington Stock Center 5137 Fly line with neuronal fluorescent (GFP) Tag

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References

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Neuroscienze problema 127 boutons sinaptici elettrofisiologia EJC mEJC nervo terminale extracellulare sinaptiche correnti registrazioni elettriche
Macropatch focale registrazioni delle correnti sinaptiche da giunzione neuromuscolare larvale <em>della drosofila</em>
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Vasin, A., Bykhovskaia, M. FocalMore

Vasin, A., Bykhovskaia, M. Focal Macropatch Recordings of Synaptic Currents from the Drosophila Larval Neuromuscular Junction. J. Vis. Exp. (127), e56493, doi:10.3791/56493 (2017).

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