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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Nous présentons une méthode combinant les enregistrements de patch-clamp de la cellule entière et deux photons d’imagerie pour enregistrer des transitoires de Ca2 + en dendrites neuronales dans des tranches de cerveau aiguë.
Imagerie de calcium (Ca2 +) est un outil puissant pour étudier la dynamique spatio-temporelle de Ca2 + signaux intracellulaires dans les dendrites neuronales. Ca2 + fluctuations peuvent se produire à travers une variété de membrane et mécanismes intracellulaires et jouent un rôle crucial dans l’induction de la plasticité synaptique et la régulation de l’excitabilité dendritique. La capacité d’enregistrer différents types de signaux de Ca2 + en ramifications dendritiques est donc précieuse pour des groupes d’étudier comment dendrites intègrent l’information. L’avènement de la microscopie biphotonique a fait ces études beaucoup plus facile en résolvant les problèmes inhérents à l’imagerie dans les tissus vivants, tels que la diffusion de la lumière et le photovieillissement. En outre, grâce à la combinaison de techniques électrophysiologiques classiques avec deux photons Ca2 + imagerie, il est possible d’étudier Ca2 + fluctuations locales dans les dendrites neuronales en parallèle avec les enregistrements de l’activité synaptique Soma. Nous décrivons ici comment utiliser cette méthode pour étudier la dynamique des locaux Ca2 + transitoires (chats) dans les dendrites des interneurones inhibiteurs GABAergiques. La méthode peut être également appliquée à l’étude dendritiques Ca2 + signalisation dans différents types de neurones dans des tranches de cerveau aiguë.
La contribution d’un neurone à l’activité du réseau est en grande partie déterminée par la nature dynamique des entrées synaptiques qu’il reçoit. Traditionnellement, la principale méthode de caractérisation de l’activité synaptique dans les neurones s’est fondé sur les enregistrements de patch-clamp de la cellule entière somatique des courants postsynaptiques évoqués par stimulation électrique des axones de passage. Toutefois, la seule activité des synapses situées dans la partie proximale est véridiquement signalée dans ce cas1. En outre, afin d’évaluer les mécanismes spécifiques à synapse, enregistrements de paires de neurones et de dendrites à un endroit précis ont été utilisés pour cibler les synapses d’intérêt et les mécanismes d’intégration dendritique, respectivement. Une percée majeure dans le domaine de la physiologie synaptique a été atteint par un mariage des techniques optiques et électrophysiologiques. Excitation biphotonique microscopie à balayage laser (2PLSM) en combinaison avec les outils d’optogenetic et de Ca2 + imagerie peut révéler des détails extraordinaires de l’organisation dynamique de l’activité synaptique à connexions neuronales spécifiques dans des tranches de cerveau dans vitro et in vivo.
Plusieurs avantages principaux faits 2PLSM se démarquer de l’excitation classiques, un photon microscopy2: (1) en raison de la nature non linéaire d’excitation à deux photons, la fluorescence est générée uniquement dans le volume focal, et représentent tous les photons émis signaux utiles (pas besoin de trou d’épingle) ; (2) longueurs d’onde, utilisés en 2PLSM, pénètrent dans les tissus de diffusion plus efficacement ; en outre, les photons dispersés sont trop diluées pour produire l’excitation biphotonique et fluorescence de fond ; (3) le photovieillissement et phototoxicité sont également limités à plan focal. Par conséquent, malgré le coût élevé des systèmes 2 photons par rapport aux microscopes confocaux classiques, la 2PLSM reste une méthode de choix pour enquête à haute résolution de structure neuronale et la fonction dans les tissus vivants épais.
La première application de 2PLSM dans les tissus de diffusion a été à l’image de la structure et la fonction des épines dendritiques3. 2PLSM en combinaison avec Ca2 + imagerie a révélé cette fonction d’épines comme des compartiments isolés biochimiques. Puisque de nombreux types de neurones, il y a une correspondance biunivoque entre les épines et les synapses individuels4, deux photons Ca2 + imagerie bientôt est devenu un outil de reporting de l’activité des synapses individuelles en tissu intact5, 6,7,8. En outre, 2PLSM Ca2 + imagerie a été utilisée avec succès pour surveiller l’activité des canaux calciques unique et les interactions non linéaires entre les conductivités intrinsèques et synaptiques, ainsi que d’évaluer l’État et l’activité dépendante- régulation du Ca2 + signalisation neuronale dendrites5,6,7,8,9,10,11.
Le calcium est un omniprésent second messager intracellulaire, et son organisation spatio-temporelle subcellulaire détermine la direction de réactions physiologiques, de modifications de la force synaptique à la régulation des ions canaux, croissance dendritique et la colonne vertébrale, comme Bien que la mort cellulaire et la survie. Dendritiques Ca2 + élévations se produisent via l’activation de multiples voies. Potentiels d’action (PA), backpropagating pour les dendrites, ouvrir de canaux voltage-dépendants de calcium12 et produire des transitoires relativement globales Ca2 + (chats) dans les dendrites et les épines13. La transmission synaptique est associée à l’activation de postsynaptique Ca2 +-récepteurs perméables (NMDA, Ca2 +-perméable AMPA et kaïnate), déclenchement synaptique chats6,14,15. Enfin, SUPRALINÉAIRE Ca2 + événements peuvent être générés en dendrites sous certaines conditions11,12,13,16.
Deux photons Ca2 + imagerie en combinaison avec les enregistrements électrophysiologiques de patch clamp emploie synthétique Ca2 +-indicateurs fluorescents, qui sont généralement livrés par le biais de l’électrode de patch pendant les enregistrements de cellules entières . Une méthode standard pour la quantification de Ca2 + dynamique repose sur l’indicateur de double méthode17,18. Il utilise deux fluorophores avec des spectres d’émission bien séparées (par exemple, une combinaison d’un rouge Ca2 +-insensible colorant vert Ca2 + indicateurs, tels que l’Oregon vert BAPTA-1 ou Fluo-4) et présente plusieurs avantages par rapport à la méthode de l’indicateur unique. Tout d’abord, un Ca2 +-colorant insensible est utilisé pour localiser les petites structures d’intérêt (ramifications dendritiques et épines) où l’imagerie2 + Ca sera effectuée. Deuxièmement, le rapport entre la variation de la fluorescence verte et rouge (ΔG/R) est calculé en guise de [Ca2 +], qui est pratiquement insensible aux variations de fluorescence de base en raison de fluctuations [Ca2 +]017 , 18. en outre, les changements de fluorescence peuvent être calibrés en termes absolus, Ca2 + concentration19.
Une préoccupation générale lors de l’exécution de deux photons Ca2 + imageries expériences en tranches aiguës est la cellule santé et la stabilité de l’acquisition d’image en raison de la puissance du laser haute généralement utilisée. En outre, dans les2 + expériences d’imagerie, de Ca on se préoccupe de la perturbation et l’importante surestimation de subcellulaire Ca2 + dynamique dû au fait que servent d’indicateurs de Ca2 + très mobiles exogène Ca2 + mémoires tampons. Ainsi, le choix de l’indicateur de Ca2 + et sa concentration dépend du type neuronal, l’amplitude attendue des chats et la question expérimentale.
Nous avons adapté la méthode biphotonique Ca2 + imagerie pour recherche de Ca2 + fluctuations de dendrites de GABAergique interneurones9,10,11,20,21 , 22. alors que la majeure partie des premiers Ca2 + études d’imagerie ont été effectuées dans les principaux neurones, interneurones inhibiteurs présenter une grande variété de mécanismes2 + Ca fonctionnels qui sont distincts de ceux des cellules pyramidales20 , 23 , 24. ces mécanismes interneurone spécifiques (par exemple, Ca2 + perméables récepteurs AMPA) pourraient jouer un rôle spécifique dans la régulation de l’activité des cellules. Dendritiques Ca2 + signalisation dans des interneurones est une cible tentante pour complément d’enquête, deux photons Ca2 + imagerie dans les dendrites des cellules présente des difficultés supplémentaires, d’un diamètre plus mince des dendrites et manque d’épines pour une particulièrement élevé Ca2 + liaison capacité endogène. Comme nos recherches portent sur l’étude des interneurones hippocampe, le protocole suivant, alors qu’il y a lieu à différentes populations de neurones, a été adapté pour faire face à ces défis.
Ce protocole a été exécuté avec un microscope confocal de deux photons commercial, qui était équipé de deux détecteurs externes, non-descanned (NDDS™), modulateur électro-optique (MOE) et un Dodt balayage dégradé contraste (CGT) et installé sur une table optique. Le microscope a été couplé avec un laser Ti : Sapphire de multiphoton mode bloqué à 800 nm (> 3 W, 140 impulsions fs, 80 Hz fréquence de répétition). Le système d’imagerie était équipé d’une plate-forme d’électrophysiologie standard, y compris une chambre de perfusion avec contrôle de température, une plateforme de traduction avec deux micromanipulateurs, un amplificateur de la microélectrode contrôlé par ordinateur, un numériseur, une stimulation appareil et logiciel d’acquisition de données.
Toutes les expériences ont été réalisées selon les orientations de bien-être de l’Animal Protection Comité de Université Laval et le Conseil canadien de protection des animaux.
1. préliminaire préparation (facultatif : préparer 1 jour à l’avance)
2. préparation de la tranche hippocampe
3. enregistrements de Patch-clamp de la cellule entière
4. deux photons Ca2 + imagerie
5. immunohistochimie pour Post Hoc Identification morphologique des cellules enregistrés
Remarque : Après 1 nuit de fixation en PFA, les tranches peuvent être stockés dans un tampon phosphate (PB) avec azide de sodium (0,5 %) pendant environ 1 mois.
6. analyse des chats

En utilisant le protocole présenté ici, nous avons obtenu des chats évoquées par injection de courant somatique et par la stimulation électrique dans les dendrites des interneurones oriens/alveus dans la région CA1 de l’hippocampe. Après patcher un neurone, identifié selon sa forme et sa position, nous avons acquis linescans travers une dendrite proximale en plusieurs points au vu des distances depuis le soma (Figure 1 a). Nous avons observé une diminution de l’amplitude des chats induite par backpropagating APs comme la distance entre le soma a augmenté (l’indicatif du verbe réduite AP amplitude ou baisse dépendant de la distance de distribution des canaux calcium, Figure 1 b). Après l’immunohistochimie (à l’aide de conjugué streptavidine Alexa Fluor 546), nous avons pu récupérer l’étiquetage de la biocytine de la cellule et identifier le neurone enregistré comme une cellule bistratified avec un axone d’occupation strate oriens et stratum radiatum (Figure 1 C). dans la seconde expérience, une pipette de stimulation a été portée à un site distal dendritique. Analyse le long de la dendrite, nous étions alors en mesure d’évaluer l’amplitude des signaux2 + Ca postsynaptiques dans une branche dendritique (Figure 2 a–C) en réponse à une stimulation électrique des axones de passage. Les chats postsynaptiques diffèrent entre voisins microdomaines dendritiques (segment 1 à 6 ; Figure 2D), qui pourrait être associé à une propagation du signal Ca2 + de la zone d’initiation et/ou de différents mécanismes post-synaptiques impliqués.

Figure 1 : Exemple représentatif des transitoires d’évoquée par AP Ca2 + . (A) Maximum projection d’un des deux photons Z-pile (13 µm) d’un interneurone patché rempli de Alexa-594 (20 µM). Lignes blanches indiquent l’emplacement et la longueur de linescans. (B) Traces montrant les chats chez aux endroits indiqués sur la trace d’a. Top montre le train AP court généré par injection de courant somatique lors de l’enregistrement du procès. Échelle de temps est le même sur toutes les traces montrés. (C) Maximum projection d’un confocal Z-pile montrant l’étiquetage de la biocytine de la cellule. S/n : Oriens/Alveus ; PYR : Stratum Pyramidale ; RAD : Stratum Radiatum. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : Postsynaptique Ca2 + transitoires induites par une rafale de stimulation électrique (3 stimuli à 100Hz). (A) Maximum projection d’un des deux photons Z-pile (148 µm) montrant un interneurone patché rempli d’Alexa-594. Pointes de flèche blanches pointent vers l’emplacement des bornes axonales dans la couche pyramidale, ce qui suggère que l’interneurone est une cellule de panier. (B) plan focal unique illustrant la branche dendritique où l’électrode de stimulation a été placée. Ligne pointillée montre l’emplacement de l’IRLS montré (C1 et C2). (C) les Images illustrant le résultat d’un balayage linéaire dans le rouge (1 ; Alexa-594 ; 20 µM) et vert (2 ; Oregon Green Bapta-5N ; Canaux de 300 µM). Les images ont été mis en cellule en segments plus petits pour analyser la propagation de la réponse montrant les transitoires Ca2 + (chats) plus de 30 µm. (D) Traces induites dans les segments affichés dans C2. Haut de la page trace indique la réponse de tension à une stimulation électrique au niveau somatique a été enregistrée au cours du procès d’imagerie. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
| Solution | Composant | Concentration (mM) |
| ACSF-Normal | NaCl | 124 |
| KCl | 2.5 | |
| NaH2PO4 | 1.25 | |
| MgSO4 | 2 | |
| NaHCO3 | 26 | |
| Glucose | 10 | |
| CaCl2 | 2 | |
| ACSF-récupération | NaCl | 124 |
| KCl | 2.5 | |
| NaH2PO4 | 1.25 | |
| MgSO4 | 3 | |
| NaHCO3 | 26 | |
| Glucose | 10 | |
| CaCl2 | 1 | |
| ACSF-saccharose | KCl | 2 |
| NaH2PO4 | 1.25 | |
| MgSO4 | 7 | |
| NaHCO3 | 26 | |
| Glucose | 10 | |
| Saccharose | 219 | |
| CaCl2 | 1 | |
| K+-Patch solution basée sur | K+- gluconate | 130 |
| HEPES | 10 | |
| MgCl2 | 2 | |
| Sel de phosphocreatin di (tris) | 10 | |
| ATP-Tris | 2 | |
| GTP-Tris | 0,2 | |
| Biocytine | 72 | |
| Alexa-594 | 0,02 | |
| Oregon vert-BAPTA-1 | 0,2 |
Tableau 1 : recettes Solution. Composés et les concentrations des solutions utilisées au cours du protocole.
| Problème | Solution |
| Impossible de patcher neurone sain | Recherchez les signes que les tranches sont en mauvaise santés : ratatinée ou gonflement des cellules, les noyaux visibles, etc.. Dans l’affirmative, jeter les tranches. Vérifiez également la résistance de patch-pipette et l’osmolalité de la solution-patch ; Remplacez-les si les valeurs ne sont pas dans la plage appropriée. |
| Signal de fluorescence des dendrites est faible | Attendre plus longtemps pour la cellule à remplir. Si un obstacle empêche la patch-solution de diffusion dans la cellule, essayez d’appliquer une petite quantité de pression négative dans la pipette. |
| La stimulation électrique n’est pas susciter une réponse Ca2 + | Vérifier la présence d’un artefact dans l’enregistrement électrophysiologique. Cas d’absence, recherchez un court-courts-circuits/stimulant dysfonctionnements. Le cas échéant, augmenter l’intensité de la stimulation ou déplacer la pipette de stimulation plus près la dendrite. Il est à noter que la distance entre l’électrode de stimulation et la dendrite ne doit pas dépasser 8 um pour empêcher directe dépolarisation des dendrites en étudiant les réponses synaptiques. |
| Évoqués signal Ca2 + est trop haute/sature le Ca2 + indicateur | Réduire la puissance du laser. Si le problème persiste dans plusieurs cellules, utilisez un indicateur différent de Ca2 +, avec une plus faible affinité Ca2 +. |
| Signal référence Ca2 + augmente progressivement au cours de l’expérience | Attendre une période plus longue entre les balayages individuels. Si la ligne de base est toujours en augmentation, arrêter acquisition ; Il indique que la santé de la cellule est probablement en déclin. |
| Amplitude du Ca2 + signal diminue lors de l’analyse | Réduit la puissance du laser ou effectuer un zoom arrière (si applicable). |
| Dendrite se fragmente (« blebbing ») après la numérisation | Réduire la puissance du laser ou effectuer un zoom arrière. Si blebbing se limite à la dendrite ciblée, choisissez un autre dendrite et réduit la puissance du laser / zoom arrière. Si plusieurs dendrites sont blebbing, arrêter l’acquisition. |
| Signaux de fluorescence sont « drifting » hors de la ligne de balayage après balayages | Réduire le mouvement dans la tranche en réduisant la vitesse de perfusion du fsca. Avant l’application de correctifs, faire vous ne savez que la tranche est fermement maintenue en place par un filet. |
Tableau 2 : tableau de dépannage. Solutions aux problèmes courants qui peuvent survenir lors d’un Ca2 + expérience d’imagerie.
Les auteurs ont pas concurrentes d’intérêts financiers ou autres conflits d’intérêts.
Nous présentons une méthode combinant les enregistrements de patch-clamp de la cellule entière et deux photons d’imagerie pour enregistrer des transitoires de Ca2 + en dendrites neuronales dans des tranches de cerveau aiguë.
Ce travail a été soutenu par le Conseil des instituts de recherche en santé, Sciences naturelles et en génie (subvention à la découverte du CRSNG) et la Fondation Savoy. OC a été soutenu par une bourse de doctorat du CRSNG.
| Souche animale : Souris CD1 | Charles River | 022 | |
| Isoflurane | AbbVie Corporation | 0B506-099 | |
| CGP 55845 chlorhydrate | Abcam | ab120337 | |
| Chlorure de calcium  ; | Sigma-Aldrich | C4901 | |
| D-(+)-Glucose  ; | Sigma-Aldrich | G8270 | |
| HEPES | Sigma-Aldrich | H3375 | |
| Chlorure de magnésium  ; | Sigma-Aldrich | M8266 | |
| Sulfate de magnésium heptahydraté | Sigma-Aldrich | 230391 | |
| Paraformaldéhyde en poudre, 95 % | Sigma-Aldrich | 158127 | |
| Chlorure de potassium  ; | Sigma-Aldrich | P3911 | |
| Gluconate de potassium | Sigma-Aldrich | P1847 | |
| Azoture de sodium  ; | Sigma-Aldrich | S2002 | |
| Bicarbonate de sodium  ; | Sigma-Aldrich | S8875 | |
| Chlorure de sodium  ; | Sigma-Aldrich | S5886 | |
| Saccharose  ; | Sigma-Aldrich | S9378 | |
| Triton X-100  ; | Sigma-Aldrich | T9284 | |
| Base Trizma  ; | Chlorhydrate de trizma Sigma-Aldrich | T1503 | |
|   ; | Sigma-Aldrich | T3253 | |
| Phosphate de sodium dibasique dihydraté | Sigma-Aldrich | 71643 | |
Phosphate de sodium monobasique monohydraté  ; | Sigma-Aldrich | S9638 | |
| Biocytine | Sigma-Aldrich | B4261 | |
| Alexa Fluor 594 Hydrazide | ThermoFisher Scientific | A10438 | |
| SR95531 (Gabazine)  ; | Abcam | ab120042 | |
Adénosine triphosphate (ATP)-Tris | Sigma-Aldrich | A9062 | |
Guanosine (GTP)-Na+ | Sigma-Aldrich | G8877 | |
Oregon Green BAPTA-1 | ThermoFisher Scientific | O6812 | |
Phosphocréatine di(tris) salt | Sigma-Aldrich | P1937 | |
Alexa-546 conjugué à la streptavidine | ThermoFisher Scientific | S11225 | |
Patch Capillaires en verre borosilicaté | World Precision Instruments | 1B100F-4 | |
Theta Capillaires en verre borosilicaté | Sutter Instrument | BT-150-10 | |
P-97 Extracteur de micropipettes flamboyantes/brunes | Sutter Instrument | ||
TCS SP5 Microscope multiphotonique confocal | Leica Microsystems | ||
Chameleon Ultra II Ti :Laser multiphotonique saphir  ; | Logiciel d’acquisition | d’imagerie LAS AF cohérent||
| Leica Microsystems | |||
Contrôleur de température TC-324B | Warner Instruments | ||
MultiClamp 700B | Amplifier Molecular Devices | ||
Digidata 1440A | Digitizer Molecular Devices | ||
Confocal Traducteur | Siskiyou | ||
Micromanipulateur | Siskiyou | ||
pClamp Logiciel d’acquisition de données | Dispositifs moléculaires | ||
A365 Isolateur de stimulus à courant constant | World Precision Instruments | ||
Vibraplane Table | optique Kinetic Systems |