-1::1
Simple Hit Counter
Skip to content

Products

Solutions

×
×
Sign In

HE

EN - EnglishCN - 简体中文DE - DeutschES - EspañolKR - 한국어IT - ItalianoFR - FrançaisPT - Português do BrasilPL - PolskiHE - עִבְרִיתRU - РусскийJA - 日本語TR - TürkçeAR - العربية
Sign In Start Free Trial

RESEARCH

JoVE Journal

Peer reviewed scientific video journal

Behavior
Biochemistry
Bioengineering
Biology
Cancer Research
Chemistry
Developmental Biology
View All
JoVE Encyclopedia of Experiments

Video encyclopedia of advanced research methods

Biological Techniques
Biology
Cancer Research
Immunology
Neuroscience
Microbiology
JoVE Visualize

Visualizing science through experiment videos

EDUCATION

JoVE Core

Video textbooks for undergraduate courses

Analytical Chemistry
Anatomy and Physiology
Biology
Cell Biology
Chemistry
Civil Engineering
Electrical Engineering
View All
JoVE Science Education

Visual demonstrations of key scientific experiments

Advanced Biology
Basic Biology
Chemistry
View All
JoVE Lab Manual

Videos of experiments for undergraduate lab courses

Biology
Chemistry

BUSINESS

JoVE Business

Video textbooks for business education

Accounting
Finance
Macroeconomics
Marketing
Microeconomics

OTHERS

JoVE Quiz

Interactive video based quizzes for formative assessments

Authors

Teaching Faculty

Librarians

K12 Schools

Biopharma

Products

RESEARCH

JoVE Journal

Peer reviewed scientific video journal

JoVE Encyclopedia of Experiments

Video encyclopedia of advanced research methods

JoVE Visualize

Visualizing science through experiment videos

EDUCATION

JoVE Core

Video textbooks for undergraduates

JoVE Science Education

Visual demonstrations of key scientific experiments

JoVE Lab Manual

Videos of experiments for undergraduate lab courses

BUSINESS

JoVE Business

Video textbooks for business education

OTHERS

JoVE Quiz

Interactive video based quizzes for formative assessments

Solutions

Authors
Teaching Faculty
Librarians
K12 Schools
Biopharma

Language

he_IL

EN

English

CN

简体中文

DE

Deutsch

ES

Español

KR

한국어

IT

Italiano

FR

Français

PT

Português do Brasil

PL

Polski

HE

עִבְרִית

RU

Русский

JA

日本語

TR

Türkçe

AR

العربية

    Menu

    JoVE Journal

    Behavior

    Biochemistry

    Bioengineering

    Biology

    Cancer Research

    Chemistry

    Developmental Biology

    Engineering

    Environment

    Genetics

    Immunology and Infection

    Medicine

    Neuroscience

    Menu

    JoVE Encyclopedia of Experiments

    Biological Techniques

    Biology

    Cancer Research

    Immunology

    Neuroscience

    Microbiology

    Menu

    JoVE Core

    Analytical Chemistry

    Anatomy and Physiology

    Biology

    Cell Biology

    Chemistry

    Civil Engineering

    Electrical Engineering

    Introduction to Psychology

    Mechanical Engineering

    Medical-Surgical Nursing

    View All

    Menu

    JoVE Science Education

    Advanced Biology

    Basic Biology

    Chemistry

    Clinical Skills

    Engineering

    Environmental Sciences

    Physics

    Psychology

    View All

    Menu

    JoVE Lab Manual

    Biology

    Chemistry

    Menu

    JoVE Business

    Accounting

    Finance

    Macroeconomics

    Marketing

    Microeconomics

Start Free Trial
Loading...
Home
JoVE Journal
Neuroscience
ב Vivo הדמיה מוחית שלמה של זחלי דגי זברה באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי תלת מימדי

Research Article

ב Vivo הדמיה מוחית שלמה של זחלי דגי זברה באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי תלת מימדי

DOI: 10.3791/65218

April 28, 2023

Eun-Seo Cho1, Seungjae Han1, Gyuri Kim1, Minho Eom1, Kang-Han Lee2, Cheol-Hee Kim2, Young-Gyu Yoon1,3

1School of Electrical Engineering,KAIST, 2Department of Biology,Chungnam National University, 3KAIST Institute for Health Science and Technology

Cite Watch Download PDF Download Material list
AI Banner

Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.

In This Article

Summary Abstract Introduction Protocol Representative Results Discussion Disclosures Acknowledgements Materials References Reprints and Permissions

Erratum Notice

Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice

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

Summary

מוצג כאן פרוטוקול להדמיית מוח שלם in vivo של דגי זברה זחלים באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי תלת ממדי. הליך הניסוי כולל הכנת דגימה, רכישת תמונה והדמיה.

Abstract

כחיית מודל של בעלי חוליות, דגי זברה זחלים נמצאים בשימוש נרחב במדעי המוח ומספקים הזדמנות ייחודית לנטר את פעילות המוח כולו ברזולוציה התאית. כאן, אנו מספקים פרוטוקול אופטימלי לביצוע הדמיה מוחית שלמה של דגי זברה זחלים באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי תלת ממדי, כולל הכנת דגימה ואימוביליזציה, הטבעה של דגימה, רכישת תמונה והדמיה לאחר הדמיה. הפרוטוקול הנוכחי מאפשר הדמיה in vivo של המבנה והפעילות העצבית של מוח זברה זחל ברזולוציה תאית במשך יותר משעה באמצעות מיקרוסקופ קונפוקלי ומיקרוסקופ פלואורסצנטי מותאם אישית. כמו כן נדונים השלבים הקריטיים בפרוטוקול, כולל הרכבה ומיקום דגימה, מניעת היווצרות בועות ואבק בג'ל האגרוז, והימנעות מתנועה בתמונות הנגרמת כתוצאה מהתמצקות לא מלאה של ג'ל האגרוז ושיתוק הדג. הפרוטוקול אומת ואושר בהגדרות מרובות. פרוטוקול זה יכול להיות מותאם בקלות להדמיית איברים אחרים של דג זברה זחל.

Introduction

דג זברה (Danio rerio) אומץ באופן נרחב כבעל חוליות מודל במדעי המוח, בשל שקיפותו האופטית בשלב הזחל, התפתחותו המהירה, עלות התחזוקה הנמוכה שלו וזמינותם של כלים גנטיים מגוונים 1,2,3,4. בפרט, השקיפות האופטית של הזחלים בשילוב עם מדווחים פלואורסצנטיים מקודדים גנטית של אירועים ביולוגיים 5,6,7,8,9 מספקת הזדמנות ייחודית לדמיין הן פעילות עצבית והן מבנה ברמת המוח כולו 10,11,12,13,14 . עם זאת, גם עם מיקרוסקופ התומך ברזולוציה תאית, התמונות שנרכשו אינן שומרות בהכרח את המידע ברמת התא הבודד; איכות התמונה האופטית עלולה להיפגע עקב הסטייה שהוכנסה על ידי ג'ל האגרוז המשמש להרכבת דגימה, הדג עשוי להיות מותקן בזווית, ולכן אזורי העניין אינם מוכלים במלואם בתוך שדה הראייה של המיקרוסקופ, והדגים עשויים לנוע במהלך ההקלטה, לגרום לתוצרי תנועה בתמונות או לעכב חילוץ אות מדויק מהתמונות.

לפיכך, יש צורך בפרוטוקול יעיל וניתן לשחזור כדי להשיג נתוני תמונה באיכות גבוהה עם מינימום רעש ותנועה. למרבה הצער, פרוטוקולים זמינים לציבור להדמיית מוח שלם של דגי זברה זחלים in vivo 15,16,17,18,19 מתארים רק בקצרה את ההליך, ומשאירים חלקים ניכרים מהפרטים, כגון התמצקות אגרוז, טכניקות הרכבה מדויקות ומיקום דגימה באמצעות מלקחיים, לכל נסיין. בנוסף, חוסר עקביות בריכוז אגרוז ובשיטות אימוביליזציה 10,11,14,15,16,17,18,19 יכול להוביל לאתגרים הנובעים מתנועת דגים במהלך תהליך ההדמיה.

כאן, פרוטוקול מפורט להדמיית מוח שלם של זברי זחל באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי תלת מימדי. איור 1 מספק סקירה גרפית של הפרוטוקול: הכנת דגימה ואימוביליזציה, הטבעה של דגימה, רכישת תמונה והדמיה לאחר הדמיה. הדימות המבני והתפקודי של מוח הזברה הזחל in vivo מודגם באמצעות מיקרוסקופ קונפוקלי מסחרי ומיקרוסקופ פלואורסצנטי בהתאמה אישית. מטפלים יכולים להתאים פרוטוקול זה לדימות מוחי עם גירויים חושיים מסוימים או הקשרים התנהגותיים בהתאם לצרכי הניסוי ולעיצובו.

Protocol

כל הניסויים בדגי זברה אושרו על ידי הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים (IACUC) של KAIST (KA2021-125). סה"כ 12 דגי זברה בוגרים עם ביטוי פאן-עצבי של מחוון הסידן GCaMP7a [Tg(huc:GAL4); Tg(UAS:GCaMP7a)] על רקע קספר [mitfa(w2/w2);mpv17(a9/a9)] שימשו להרבעה. קבוצה זו כללה שמונה נקבות וארבעה זכרים, בגילאים הנעים בין 3 ל-12 חודשים. ניסויי הדמיה בוצעו בדגי זברה זחלים 3-4 ימים לאחר ההפריה (d.p.f), שלב שבו לא ניתן לקבוע את מינם.

1. הכנת דגי זברה

  1. לאסוף עוברים לאחר גידול דגים בוגרים של קו מהונדס רצוי, כגון Tg (huc:GAL4); Tg(UAS:GCaMP7a)20,21,22, בצלוחית פטרי מלאה במי ביצה (ראו טבלת חומרים). מניחים את העוברים באינקובטור ב 28 מעלות צלזיוס ומעלים אותם ל 3-4 d.p.f. זחלים23,24,25.
    1. אם הרקע של דג הזברה אינו לבקנ, כדי לעכב היווצרות פיגמנטציה, העבירו את העוברים 24 שעות לאחר ההפריה (h.p.f.) לצלחת פטרי מלאה במי ביצה המכילים 200 מיקרומטר של 1-פניל 2-תיאוריאה (PTU; ראו טבלת חומרים)25,26. כל 24 שעות, מעבירים את הדג לצלחת חדשה עם מי ביצה טריים המכילים 200 מיקרומטר של PTU.
      הערה: דגי הזברה נשמרים בתנאים סטנדרטיים ב 28 ° C ו 14: 10 שעות אור: מחזור כהה. טיפול PTU ידוע להשפיע על ההתנהגות ותפקוד בלוטת התריס של זברי זחל27,28. לכן, חשוב להשתמש ב-PTU בזהירות ולשלוט בזהירות בגורמים מבלבלים פוטנציאליים בכל ניסוי.
  2. כדי למצוא את הדגימה המבטאת חלבונים פלואורסצנטיים בעלי עניין (למשל, GCaMP7a פאן-עצבי), סנן את הדגימה תחת מיקרוסקופ אפי-פלואורסצנטי ובחר דגימה עם ביטוי בהיר.
  3. הכינו את דגימת דגי הזברה 3-4 d.p.f. שנבחרה בצלחת פטרי מלאה במי ביצים (איור 2A).
    הערה: כדי לתעד פעילות עצבית ספונטנית, מומלץ להשתמש בדגימות בגילאי 80-100 h.p.f., מכיוון שרמת הפעילות הספונטנית נמוכה לפני 80 h.p.f. והתפתחות פיגמנטציה, אפילו עם רקע קספר, עלולה לפגוע באיכות התמונה לאחר 100 h.p.f.
  4. הכינו תמיסת פנקורוניום ברומיד 14,19,29,30,31 במינון 0.25 מ"ג/מ"ל על ידי הוספת 1 מ"ל של תמיסת מלאי במינון 2.5 מ"ג/מ"ל (ראו טבלת חומרים) ל-10 מ"ל מי הביצה. Aliquot תמיסת פנקורוניום ברומיד לתוך צינורות מיקרוצנטריפוגות 1.5 מ"ל.
  5. העבירו את הדגימה שהוקנתה מראש לצלחת הפטרי באמצעות פיפטת העברה.
    הערה: נסו לשאת כמות מינימלית של מי ביצים עם הדגימה.
  6. מעבירים 0.1 מ"ל של תמיסת פנקורוניום ברומיד לצלחת פטרי לשיתוק.
    הערה: לפנקורוניום ברומיד יש השפעה מדכאת פוטנציאלית על הפעילות העצבית בדגי זברהזחלים 32. חיוני לשקול בזהירות את ריכוז ומשך החשיפה לפנקורוניום ברומיד.

2. 2% (WT/VOL) הכנת ג'ל אגרוז

  1. הפעל בלוק חום והגדר את טמפרטורת היעד ל -37 מעלות צלזיוס. המתן עד שהיחידה תתחמם ותתאזן בטמפרטורה שנקבעה.
  2. יש להמיס 0.2 גרם של אבקת אגרוז בעלת נקודת התכה נמוכה (ראו טבלת חומרים) ב-10 מ"ל מי ביצה.
  3. מחממים את תמיסת האגרוז במיקרוגל ומערבבים אותה על ידי ניעור וערבול עד שהאגרוז מומס לחלוטין.
  4. הכניסו את ג'ל האגרוז לצינורות מיקרוצנטריפוגות בנפח 1.5 מ"ל ואחסנו את צינורות המיקרוצנטריפוגות על בלוק החום (איור 2B).
    הערה: בדוק אם הבועות בג'ל האגרוז נעלמו.

3. הרכבה ומיקום לדוגמה

  1. בדקו את הדגימה תחת סטריאומיקרוסקופ כדי לוודא שתנועת הזחלים נעצרה וכדי להעריך את בריאות הדגימה באופן חזותי על-ידי בדיקת פעימות הלב שלה (איור 2C). אם פעימות הלב איטיות מדי, השליכו את הדגימה.
    הערה: אם פעימות הלב של הדג המצולם איטיות מדי (למשל, מתחת ל-60 פעימות לדקה), ייתכן שלא ניתן יהיה לבצע הדמיה לטווח ארוך. כדי להעריך את בריאות הדג, ניתן לבדוק את קצב הלב באופן חזותי על ידי השוואתו לדגים אחרים באותה צלחת פטרי. זה יעזור להבטיח כי הדג המצולם הוא בריא ויציב מספיק עבור הליך ההדמיה.
  2. בעזרת פיפטת ההעברה, הכניסו דג זברה זחל בודד לתוך ג'ל האגרוז בצינור מיקרוצנטריפוגה בנפח 1.5 מ"ל (איור 2D).
    הערה: הקפד להשליך את פיפטה לאחר העברת הדגימה.
  3. יוצקים את ג'ל האגרוז לתוך צלחת פטרי כדי ליצור מעיל 1-2 מ"מ. מעבירים את הדגימה בצינורות המיקרוצנטריפוגות לצלחת הפטרי באמצעות פיפטת ההעברה, כך שהזחל ממוקם במרכז המנה.
    הערה: אם יש אבק ובועות בג'ל האגרוז, הסר אותם באמצעות פיפטת ההעברה.
  4. השתמשו במלקחיים כדי למקם את הדגימה בכיוון הרצוי כך שהראש והזנב יהיו שטוחים (איור 2E).
  5. סובבו את הדגימה באמצעות מלקחיים כך ששתי העיניים יהיו בגובה (איור 2F).
    הערה: יש להשלים הליכי יישור (מיקום וסיבוב) לפני שג'ל האגרוז מתחיל להתמצק.
  6. לאחר היישור, המתינו עד שג'ל האגרוז יתמצק (איור 2G,H).
    הערה: זמן ההמתנה לג'ל האגרוז להתמצק יכול לנוע בין 5-10 דקות, תלוי בנפח ובגודל הג'ל.
  7. לאחר התמצקות ג'ל האגרוז, מלאו את צלחת הפטרי במי ביצים והניחו את צלחת הפטרי עם הדגימה המשובצת על שלב המיקרוסקופ (איור 2I).

4. רכישת תמונות

  1. הפעל את מערכת המיקרוסקופ (לדוגמה, לייזרים, בקרים קונפוקליים, מיקרוסקופ ומחשב; ראה טבלת חומרים) וודא שהמערכת כולה פועלת.
  2. בחרו עדשה אובייקטיבית בהגדלה נמוכה ואתרו את הדגימה במרכז שדה הראייה.
  3. בחר עדשה אובייקטיבית לטבילה במים או טבילה במים עם הגדלה מתאימה (לדוגמה, עדשת 16x 0.8 צמצם מספרי (NA) טבילת מים; ראה טבלת חומרים). בצע התאמות עדינות בשדה הראייה.
  4. הגדר את פרמטרי ההדמיה (לדוגמה, גודל תמונה, עוצמת לייזר, זמן חשיפה, מספר מסגרות) באמצעות תוכנה לרכישת תמונה.
    הערה: הגדר את פרמטרי ההדמיה כדי להשיג את התוצאות הטובות ביותר האפשריות לצרכים ספציפיים (עיין בהגדרה לרכישת תמונה בסעיף תוצאות מייצגות). אם התמונה רוויה, הפחיתו את עוצמת הלייזר.
  5. מצא את המוח של הדגימה על ידי הזזת הבמה וקבע את עוביו באמצעות מצב תצוגה חיה בתוכנה על ידי שינוי מישורי המוקד באופן ידני למעלה ולמטה. הגדר את הגבול התחתון והעליון של אמצעי האחסון.
    הערה: ודא שהמוח כולו נמצא בשדה הראייה לאורך שני הכיוונים הצדיים והציריים.
  6. הגדר גודל צעד z בהתחשב ברזולוציה הצירית של המיקרוסקופ.
    הערה: גודל Z-step האופטימלי לדימות מוח הזברה הזחל תלוי בשיטת ההדמיה וברזולוציה של המיקרוסקופ. לדוגמה, נעשה שימוש בגודל z-step של 5 מיקרומטר בהתחשב בעובי יריעת האור והקוטר הממוצע של גופי התא10.
  7. המשך עם רכישת התמונה עבור שדה הראייה שנקבע.
    1. עבור הדמיה מבנית נפחית, קבל תמונה תלת-ממדית (x,y,z) של המוח כולו על ידי שינוי מישורי המוקד וקבלת תמונות דו-ממדיות של כל מישור z ברצף.
    2. עבור הדמיה תפקודית של מישור z יחיד, קבל תמונות סדרת זמן (x,y,t) של הפעילות העצבית של המוח בעומק מסוים.
    3. עבור דימות תפקודי נפחי, קבל תמונה 4-D (x,y,z,t) של הפעילות העצבית במוח כולו על ידי קבלת תמונות תלת-ממדיות ברצף.
      הערה: הגדר את מספר המסגרות בהתחשב בגודל הזיכרון הזמין של המחשב. זמן רכישה של פחות מ 1 שעה מומלץ בשל משך ההשפעה של pancuronium ברומיד.
  8. לאחר קבלת תמונות, שמור את התוצאות ורשום את פרמטרי ההדמיה (למשל, גודל פיקסלים, גודל צעד z, קצב פריימים, עוצמת לייזר) לניתוח תמונה.
  9. ייצא את התמונות בתבנית מתאימה לעיבוד נתונים ולניתוח תמונות.
    הערה: מומלץ לייצא תמונות בתבנית קובץ תמונה מתויגת (TIF). TIF תומך בדחיסת תמונה ללא אובדן נתונים ותואם לרוב תוכנות עיבוד התמונה ושפות התכנות. בנוסף, תבנית TIF תומכת בהכללת מטה-נתונים, כגון פרמטרי רכישה, רזולוציית תמונה ומידע רלוונטי אחר שיכול לסייע בפרשנות נתונים ובשחזורם.

5. הגדרה להדמיות באמצעות napari

הערה: napari הוא מציג תמונות רב-ממדי בקוד פתוח בסביבת Python עם עיבוד מבוסס יחידת עיבוד גרפי (GPU)33. תוסף napari-אנימציה מספק יצירה פרוגרמטית של סרטים. השימוש בפיג'י, תוכנת עיבוד תמונה בקוד פתוח, מומלץ לעיבוד תמונה למטרות כלליות, כגון סינון ושינוי צורה גיאומטרי (ראו טבלת חומרים). קוד המקור המשמש להדמיה באמצעות napari זמין ב- GitHub (https://github.com/NICALab/Zebrafish-brain-visualization).

  1. התקן napari ו napari-אנימציה באמצעות pip או conda. לאחר ההתקנה, צור קובץ מחברת jupyter חדש.
    הערה: הפעלה עם מחברת jupyter, שהיא כלי אינטראקטיבי עבור Python, מומלצת על פני סקריפט Python.
  2. ייבוא napari ו napari-אנימציה.

6. הדמיה של מבנים באמצעות napari

  1. כדי להמחיש תמונות וליצור סרטים של מוח דג הזברה המעובד, טען את התמונה התלת-ממדית (x,y,z) ופתח את חלון napari. חברו את תוסף ההנפשה napari (איור 3A).
  2. קבעו פרמטרים כגון גודל ווקסל, מפת צבע ומגבלות ניגודיות בפקדי השכבה.
  3. התאימו את הגדרות המציג (למשל, פרספקטיבה, זוויות) בבד הציור.
  4. כדי ללכוד את התמונה המעובדת, לחץ על לחצן הלכידה באשף ההנפשה.
  5. ליצירת סרטים באמצעי האחסון המעובד, שנו את הגדרות המציג והוסיפו מסגרות ראשיות (איור 3B).
  6. לאחר הוספת מסגרות ראשיות, הגדר את מספר המסגרות (שלבים) בין מסגרות ראשיות באשף ההנפשה. שמור את ההנפשה המעובדת.

7. עיבוד תמונה והדמיית פעילות עצבית באמצעות napari

הערה: כדי להמחיש את תמונות סדרות הזמן של פעילות עצבית כתמונות שכבת-על של רקע סטטי ופעילות, יש להחיל אלגוריתם פירוק על התמונות הגולמיות. השתמש ביישום MATLAB של אלגוריתם פירוק בשם BEAR24. גרסת MATLAB של BEAR זמינה ב-GitHub (https://github.com/NICALab/BEAR).

  1. כדי לפרק את הרקע הסטטי ואת הפעילות העצבית, יש למרוח BEAR על תמונות סדרת הזמן הגולמית (x,y,t או x,y,z,t). לאחר הפירוק, שמרו את תמונות הרקע והפעילות העצבית כקובצי TIF (איור 3C).
  2. טען את תמונות הרקע והפעילות העצבית ופתח את חלון הנפרי. חבר את תוסף napari-animation.
  3. השתמשו במפת צבע אפורה לתמונות רקע ובמפת צבעים חמה לתמונות של פעילות עצבית (איור 3C).
  4. קבעו פרמטרים כגון אטימות ומגבלות ניגודיות בבקרי השכבה.
  5. ליצירת סרטים בעלי פעילות עצבית, שנו את הגדרות המציג והוסיפו מסגרות ראשיות לעיבוד ההנפשה.
  6. לאחר הוספת מסגרות ראשיות, הגדר את מספר המסגרות (שלבים) בין מסגרות ראשיות באשף ההנפשה. שמור את ההנפשה המעובדת.

Representative Results

המבנה והפעילות העצבית של מוחות הזברה הזחלים המבטאים אינדיקטור סידן פאן-עצבי GCaMP7a (Tg(huc:GAL4); Tg(UAS:GCaMP7a))20,21,22 עם קספר (mitfa(w2/w2);mpv17(a9/a9))34 רקע צולם ב 3-4 d.p.f. על ידי ביצוע הפרוטוקול המתואר.

לצורך הדמיה מבנית נפחית, הדגימה צולמה באמצעות מערכת מיקרוסקופיה קונפוקלית מסחרית לסריקה נקודתית המצוידת בעדשה אובייקטיבית 16x 0.8 NA לטבילת מים. לייזר עירור 488 ננומטר שימש הן לדימות מבני והן להדמיה תפקודית. קצב המסגרות, רזולוציית התמונה, גודל הפיקסלים וגודל המדרגה הצירית היו 0.25 הרץ, 2048 x 2048, 0.34 מיקרומטר ו-1.225 מיקרומטר, בהתאמה. רכישת התמונה ארכה כשעה ו-20 דקות. שדה הראייה הנפחי של התמונה הנרכשת כיסה את אזורי המוח במוח הקדמי, במוח התיכון ובמוח האחורי (איור 4A). גופי תאים עצביים של medulla oblongata, צלחת המוח הקטן, טקטום אופטי, הבנולה וטלנספלון גבי בכל המוח של 4 דגי זברה זחלים נראו בבירור בתמונות המיקרוסקופ הקונפוקלי (איור 4B). העיבוד התלת-ממדי של תמונות המיקרוסקופ הקונפוקלי בוצע באמצעות napari27 על-ידי ביצוע הפרוטוקול הנ"ל (איור 4C ווידאו 1).

לצורך הדמיה פונקציונלית בדו-ממד, הדגימה צולמה באמצעות אותה מערכת מיקרוסקופיה קונפוקלית, המצוידת בעדשה אובייקטיבית 16x 0.8 NA לטבילת מים. קצב המסגרות, רזולוציית התמונה וגודל הפיקסלים היו 2 הרץ, 512 x 256 ו-1.5 מיקרומטר, בהתאמה. גופי התאים העצביים נראו בבירור גם ברקע וגם בפעילות העצבית (איור 5A,B).

עבור הדמיה תפקודית תלת-ממדית, נעשה שימוש במערכת מיקרוסקופיה תלת-ממדית18 שתוכננה בהתאמה אישית, אשר הייתה מסוגלת לדמיין in vivo את הפעילות העצבית של מוח זברה זחל שלם עם שדה ראייה של 1,040 מיקרומטר × 400 מיקרומטר × 235 מיקרומטר ורזולוציות רוחביות וציריות של 1.7 מיקרומטר ו-5.4 מיקרומטר, בהתאמה. קצב ההדמיה היה עד 4.2 נפחים לשנייה. בדומה לעיבוד נתוני הדימות המבני, נפארי שימש לעיבוד תלת-ממדי של נתוני דימות הסידן במוח כולו (איור 5C ווידאו 2).

Figure 1
איור 1: סקירה כללית של הליך הניסוי. הכנת דגימת דג זברה ושיתוק (שלב 1). הכנת ג'ל אגרוז 2% (wt/vol) (שלב 2). הרכבה ומיקום לדוגמה (שלב 3). רכישת תמונה (שלב 4). עיבוד תמונה והדמיית מבנה ופעילות עצבית (שלב 5-7). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: הליך ניסויי להכנת דימות מוחי שלם . (A) דגימת דג זברה מוקרנת המבטאת GCaMP7a פאן-עצבי בצלוחית פטרי מלאה במי ביצה. (ב) ציוד וחומר הדרושים להרכבה ומיקום של דגימות. (1) בלוק חום ב-37°C; (2) 2% (wt/vol) ג'ל אגרוז; (3) צינור מיקרוצנטריפוגה בנפח 1.5 מ"ל; (4) מי ביצים; (5) תמיסת פנקורוניום ברומיד 0.25 מ"ג/מ"ל; (6) צלחת פטרי; (7) מלקחיים; (8) פיפטה להעברה. (C) תמונה סטריאו-מיקרוסקופית של הדגימה המשותקת. החץ השחור מצביע על לב הדגימה. (D) הדגימה בצינור מיקרוצנטריפוגה בנפח 1.5 מ"ל מועברת באמצעות פיפטה. הכניסה מציגה תצוגה מוגדלת של אזור הקופסה. (E) הדגימה (חץ שחור) ממוקמת במרכז צלחת הפטרי באמצעות מלקחיים. (F) הדגימה מיושרת באמצעות מלקחיים. (G) דוגמה לדגימה מוטבעת שאינה מיושרת. (H) דוגמה למדגם מוטבע מיושר. (I) הדגימה ממוקמת על במת מיקרוסקופ מתחת לעדשה האובייקטיבית לצורך רכישת תמונה. סרגל קנה מידה: 500 מיקרומטר. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: הדמיה של תמונות מוח של דגי זברה זחליים . (A) עיבוד תלת-ממדי של תמונה במיקרוסקופ קונפוקלי של מוח זברה זחל (4 d.p.f) המבטא GCaMP7a פאן-עצבי. napari, מציג תמונות רב-ממדי בקוד פתוח בסביבת Python, שימש לרינדור. חלון napari כולל פקדי שכבות (תיבה אדומה), רשימת שכבות (תיבה צהובה), בד ציור (תיבה כחולה) ואשף הנפשה (תיבה ירוקה). (B) מסגרות ראשיות עם הגדרות מציג מרובות מתווספות לרינדור הנפשה. (C) תמונה במיקרוסקופ קונפוקלי של הדמיה דו-ממדית בהילוך מהיר של הפעילות העצבית במוח הזחל. התמונה מפורקת לרקע (משמאל) ולפעילות העצבית (באמצע), ואז לשכבת-על (מימין). סרגל קנה מידה: 100 מיקרומטר. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: מבנה הדמיה של מוח של דג זברה זחל. (A) הקרנה בעוצמה מרבית (MIP) של תמונה במיקרוסקופ קונפוקלי של מוח זברה זחל (4 d.p.f.) המבטא GCaMP7a פאן-עצבי. למעלה: MIP לרוחב. למטה: MIP צירי. כל גבול מכיל את המוח הקדמי (אדום), המוח התיכון (צהוב) והמוח האחורי (כחול). (B) סה"כ 10 פרוסות ציריות בעומקים מרובים מתמונה נפחית של המוח (ב-z = 25 מיקרומטר, 50 מיקרומטר, 75 מיקרומטר, 100 מיקרומטר, 125 מיקרומטר, 150 מיקרומטר, 175 מיקרומטר, 200 מיקרומטר, 225 מיקרומטר, 250 מיקרומטר, שנספרו כלפי מעלה מלמעלה למטה; z = 0 מיקרומטר מציין את פני השטח העליונים של המוח). כל קופסה לבנה מייצגת את אזור המוח (medulla oblongata, צלחת המוח הקטן, טקטום אופטי, הבנולה וטלנספלון גבי). (C) המוח כולו מעובד באמצעות napari. סרגל קנה מידה: 100 מיקרומטר. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5: הדמיה של פעילות עצבית במוח של דג זברה זחל. (A) תמונה במיקרוסקופ קונפוקלי של פעילות עצבית במוח של זחל זברה (4 d.p.f.) המבטא GCaMP7a פאן-עצבי. סרגל קנה מידה: 100 מיקרומטר. (B) תצוגה מוגדלת של האזור הארוז ב-A המראה את הפעילות העצבית בטקטום האופטי במספר נקודות זמן. סרגל קנה מידה: 20 מיקרומטר. (C) עיבוד תלת-ממדי של הפעילות העצבית של המוח כולו במוח הזחל של דג הזברה שנרכש באמצעות מיקרוסקופ מותאם אישית (משמאל: t = 133 שניות; ימין: t = 901 שניות). הפעילות העצבית מונחת על הרקע הסטטי. סרגל קנה מידה: 100 מיקרומטר. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 6
איור 6: דימות בהילוך מהיר עם ובלי סחף דגימה. (A) הדמיית קיטועי זמן של מוח הזברה הזחלני המבטא GCaMP7a פאן-עצבי עם סחף דגימה. מי ביצה נוספו לדגימה לפני התמצקות ג'ל האגרוז (שלב 3.6-3.7). הדג נע בכיוונים הרוחביים והציריים. (B) הדמיה בהילוך מהיר של מוח של דג זברה זחל ללא סחף דגימה. מי ביצים נוספו לדגימה לאחר התמצקות ג'ל האגרוז (שלב 3.6-3.7). סרגל קנה מידה: 100 מיקרומטר. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

וידאו 1: עיבוד תלת-ממדי של מבנה המוח כולו של זחל זברה (4 d.p.f.) מוח המבטא GCaMP7a פאן-עצבי. אנא לחץ כאן כדי להוריד סרטון זה.

וידאו 2: עיבוד תלת-ממדי של פעילות עצבית של המוח כולו במוח זחל של דג זברה (4 d.p.f.) המבטא GCaMP7a פאן-עצבי. אנא לחץ כאן כדי להוריד סרטון זה.

Discussion

המחברים מצהירים כי אין ניגודי עניינים.

Disclosures

מוצג כאן פרוטוקול להדמיית מוח שלם in vivo של דגי זברה זחלים באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי תלת ממדי. הליך הניסוי כולל הכנת דגימה, רכישת תמונה והדמיה.

Acknowledgements

קווי דגי הזברה המשמשים להדמיית סידן סופקו על ידי מרכז דגי הזברה למידול מחלות (ZCDM), קוריאה. מחקר זה נתמך על ידי הקרן הלאומית למחקר של קוריאה (2020R1C1009869, NRF2021R1A4A102159411, RS-2023-00209473).

Materials

פלקון
צינור מיקרוצנטריפוגה 1.5 מ"לSciLabSL. Tub3513כדי לכלול ג'ל אגרוז ותמיסת פנקורוניום ברומיד
15 מ"ל צינורות פלקון352096להכנת ג'ל אגרוז ותמיסת פנקורוניום ברומיד
16 & פעמים; 0.8NA טבילה במים עדשה אובייקטיביתניקוןCFI75 LWD 16 ופעמים; עדשתאובייקט W להדמיית מוח שלם
1-פניל 2-תיאוריאה (PTU)סיגמא-אולדריץ'P7629-10G200 μ M של 1-פניל 2-thiourea (PTU)
50 מ"ל צינורות בזFalcon352070להכנת מי ביצים
פיפטת העברה חד פעמיתSciLabSL. Pip3032להעברת זחלי דג זברה
מי ביצהN/AN/A0.6 גרם מלח ים ב-10 ליטר מים נטולי יונים
מלקחייםKarl Hammacher GmbHHSO 010-10מלקחיים המשמשים למיקום דגימה
נקודת התכה נמוכה agaroseThermo ScientificR08012% (wt/vol) agarose gel
Napari NapariN/Aלהדמיית תמונות מיקרוסקופיה בתלת מימד
NIS-Elements CNikonN/Aתוכנת הדמיה למיקרוסקופ קונפוקלי
פנקורוניום ברומידסיגמא-אולדריץ'P1918-10MG0.25 מ"ג/מ"ל של תמיסת פנקורוניום ברומיד
צלחת פטרי, 35 מ"מSPL מדעי החיים11035צלחת פטרי המשמשת להטמעת מדגם
צלחת פטרי, 55 מ"מSPL מדעי החיים11050להכנת זחלי דג הזברה לאחר ההקרנה
מערכת מיקרוסקופיה קונפוקלית לסריקת נקודה (C2 Plus)מיקרוסקופ קונפוקלי של NikonN/Aלהדמיית מוח שלם
מלח ים סיגמא-אולדריץ'S9883-500 גרםמלח ים המשמש להכנת מי ביצים

References

  1. Choi, T. -. Y., Choi, T. -. I., Lee, Y. -. R., Choe, S. -. K., Kim, C. -. H. Zebrafish as an animal model for biomedical research. Experimental & Molecular Medicine. 53 (3), 310-317 (2021).
  2. Ahrens, M. B., et al. Brain-wide neuronal dynamics during motor adaptation in zebrafish. Nature. 485 (7399), 471-477 (2012).
  3. Panier, T., et al. Fast functional imaging of multiple brain regions in intact zebrafish larvae using selective plane illumination microscopy. Frontiers in Neural Circuits. 7, 65 (2013).
  4. Bianco, I. H., Kampff, A. R., Engert, F. Prey capture behavior evoked by simple visual stimuli in larval zebrafish. Frontiers in Systems Neuroscience. 5, 101 (2011).
  5. Akerboom, J., et al. Optimization of a GCaMP calcium indicator for neural activity imaging. Journal of Neuroscience. 32 (40), 13819-13840 (2012).
  6. Chen, T. -. W., et al. Ultrasensitive fluorescent proteins for imaging neuronal activity. Nature. 499 (7458), 295-300 (2013).
  7. Piatkevich, K. D., et al. A robotic multidimensional directed evolution approach applied to fluorescent voltage reporters. Nature Chemical Biology. 14 (4), 352-360 (2018).
  8. Tian, L., et al. Imaging neural activity in worms, flies and mice with improved GCaMP calcium indicators. Nature Methods. 6 (12), 875-881 (2009).
  9. Looger, L., et al. Fast and sensitive GCaMP calcium indicators for imaging neural populations. Biorxiv. , (2021).
  10. Ahrens, M. B., Orger, M. B., Robson, D. N., Li, J. M., Keller, P. J. Whole-brain functional imaging at cellular resolution using light-sheet microscopy. Nature Methods. 10 (5), 413-420 (2013).
  11. Prevedel, R., et al. Simultaneous whole-animal 3D imaging of neuronal activity using light-field microscopy. Nature Methods. 11 (7), 727-730 (2014).
  12. Chhetri, R. K., et al. Whole-animal functional and developmental imaging with isotropic spatial resolution. Nature Methods. 12 (12), 1171-1178 (2015).
  13. Ahrens, M. B., Engert, F. Large-scale imaging in small brains. Current Opinion in Neurobiology. 32, 78-86 (2015).
  14. Yoon, Y. -. G., et al. Sparse decomposition light-field microscopy for high speed imaging of neuronal activity. Optica. 7 (10), 1457-1468 (2020).
  15. Randlett, O., et al. Whole-brain activity mapping onto a zebrafish brain atlas. Nature Methods. 12 (11), 1039-1046 (2015).
  16. Cong, L., et al. Rapid whole brain imaging of neural activity in freely behaving larval zebrafish (Danio rerio). eLife. 6, e28158 (2017).
  17. Bruzzone, M., et al. Whole brain functional recordings at cellular resolution in zebrafish larvae with 3D scanning multiphoton microscopy. Scientific Reports. 11 (1), 11048 (2021).
  18. Cho, E. -. S., Han, S., Lee, K. -. H., Kim, C. -. H., Yoon, Y. -. G. 3DM: deep decomposition and deconvolution microscopy for rapid neural activity imaging. Optics Express. 29 (20), 32700-32711 (2021).
  19. Zhang, Z., et al. Imaging volumetric dynamics at high speed in mouse and zebrafish brain with confocal light field microscopy. NatureBiotechnology. 39 (1), 74-83 (2021).
  20. Muto, A., Ohkura, M., Abe, G., Nakai, J., Kawakami, K. Real-time visualization of neuronal activity during perception. Current Biology. 23 (4), 307-311 (2013).
  21. Köster, R. W., Fraser, S. E. Tracing transgene expression in living zebrafish embryos. Developmental Biology. 233 (2), 329-346 (2001).
  22. Park, H. C., et al. Analysis of upstream elements in the HuC promoter leads to the establishment of transgenic zebrafish with fluorescent neurons. Developmental Biology. 227 (2), 279-293 (2000).
  23. Avdesh, A., et al. Regular care and maintenance of a zebrafish (Danio rerio) laboratory: an introduction. Journal of Visualized Experiments. (69), e4196 (2012).
  24. Westerfield, M. . The zebrafish book. A guide for the laboratory use of zebrafish (Danio rerio). 4th edition. , (2000).
  25. Morsch, M., et al. Triggering cell stress and death using conventional UV laser confocal microscopy. Journal of Visualized Experiments. (120), e54983 (2017).
  26. Antinucci, P., Hindges, R. A crystal-clear zebrafish for in vivo imaging. Scientific Reports. 6, 29490 (2016).
  27. Parker, M. O., Brock, A. J., Millington, M. E., Brennan, C. H. Behavioral phenotyping of casper mutant and 1-pheny-2-thiourea treated adult zebrafish. Zebrafish. 10 (4), 466-471 (2013).
  28. Elsalini, O. A., Rohr, K. B. Phenylthiourea disrupts thyroid function in developing zebrafish. Development Genes and Evolution. 212 (12), 593-598 (2003).
  29. Han, S., Cho, E. -. S., Park, I., Shin, K., Yoon, Y. -. G. Efficient neural network approximation of robust PCA for automated analysis of calcium imaging data. Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention. , 595-604 (2021).
  30. Shin, C., et al. Three-dimensional fluorescence microscopy through virtual refocusing using a recursive light propagation network. Medical Image Analysis. 82, 102600 (2022).
  31. Eom, M., et al. Statistically unbiased prediction enables accurate denoising of voltage imaging data. bioRxiv. , (2022).
  32. Johnston, L., et al. Electrophysiological recording in the brain of intact adult zebrafish. Journal of Visualized Experiments. (81), e51065 (2013).
  33. Sofroniew, N., et al. napari: a multi-dimensional image viewer for Python. Zenodo. , 3555620 (2022).
  34. White, R. M., et al. Transparent adult zebrafish as a tool for in vivo transplantation analysis. Cell Stem Cell. 2 (2), 183-189 (2008).
  35. Mickoleit, M., et al. High-resolution reconstruction of the beating zebrafish heart. Nature Methods. 11 (9), 919-922 (2014).
  36. Voleti, V., et al. Real-time volumetric microscopy of in vivo dynamics and large-scale samples with SCAPE 2.0. Nature Methods. 16 (10), 1054-1062 (2019).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission

Play Video

<em>ב Vivo</em> הדמיה מוחית שלמה של זחלי דגי זברה באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי תלת מימדי
JoVE logo
Contact Us Recommend to Library
Research
  • JoVE Journal
  • JoVE Encyclopedia of Experiments
  • JoVE Visualize
Business
  • JoVE Business
Education
  • JoVE Core
  • JoVE Science Education
  • JoVE Lab Manual
  • JoVE Quizzes
Solutions
  • Authors
  • Teaching Faculty
  • Librarians
  • K12 Schools
  • Biopharma
About JoVE
  • Overview
  • Leadership
Others
  • JoVE Newsletters
  • JoVE Help Center
  • Blogs
  • Site Maps
Contact Us Recommend to Library
JoVE logo

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. All rights reserved

Privacy Terms of Use Policies
WeChat QR code