私たちは、光遺伝学的アプローチを使用して前脳回路の機能的トポグラフィーとシナプス特性を特徴付ける方法を記述し、in vitroでニューロン集団を光刺激します。
方法論記事
私たちは、光遺伝学的アプローチを使用して前脳回路の機能的トポグラフィーとシナプス特性を特徴付ける方法を記述し、in vitroでニューロン集団を光刺激します。
感覚前脳は複雑に接続された細胞タイプで構成されていますが、その機能特性はまだ完全には解明されていません。これらの前脳回路の相互作用を理解することは、最近、ニューロン活動の光媒介調節のための光遺伝学的方法の開発によって支援されています。ここでは、ウイルス媒介トランスフェクションを介して光遺伝学的に発現するチャネルロドプシンのレーザー走査光刺激を使用して、in vitroで前脳回路の機能構成を調べるためのプロトコルについて説明します。このアプローチは、トランスジェニックマウスにおけるcre-lox組換えの有用性も利用して、特定のニューロン細胞タイプでの発現を標的としています。トランスフェクション後、ニューロンは全細胞パッチクランプを使用してスライス調製物に生理学的に記録され、チャネルロドプシン発現繊維のレーザー走査型光刺激に対するニューロンの誘発応答が測定されます。このアプローチにより、機能的なトポグラフィーとシナプス特性の評価が可能になります。形態学的相関は、生スライスまたは後固定組織の共焦点顕微鏡を用いて、チャネルロドプシン発現繊維の神経解剖学的発現をイメージングすることによって得ることができる。これらの方法により、従来のアプローチに拡張された前脳回路の機能的研究が可能になります。
哺乳類の前脳の精巧な回路は、その絡み合った構成要素の機能的役割を解剖するための実験的な課題を提起しています。これらの関係を解きほぐすことは、最近、ニューロン集団とその投影を特異的に刺激および阻害するための光遺伝学的方法の開発によって支援されています1-3。これらのアプローチは、光に応答する膜チャネルの遺伝的に制御された発現を利用します4-6。特に注目すべきは、光依存性イオンチャネルであるチャネルロドプシンが、光刺激後にニューロン膜を脱分極させ、発現ニューロンとその突起の興奮につながる4,7。逆に、光依存性塩化物ポンプであるハロロドピンは、膜を過分極し、したがって、標的の投影を阻害する6,8,9。これらのオプシンのいくつかの変種が操作されており、目的のニューロン集団におけるトランスフェクションおよび発現のために複数のベクターが作製され、これらのオプシンを構成的に発現する、またはそれらの発現のcre-loxを介した制御を可能にするトランスジェニックマウス系統が操作されています1,2,10,11。
これらの光遺伝学的方法と材料の有用性は、現代の実験的神経科学に革命をもたらし、生物の生理学と行動における特定の神経回路の役割の解剖を可能にしました12-15。特に、これらの方法は、in vitroスライス調製物16-20を用いた脳回路の機能解剖に強力に適用することができる。この文脈では、この方法の主な利点の1つは、大脳皮質半球16の間の交連接続など、厚いスライスで保存することが不可能ではないにしても困難な長距離突起の生理機能を特徴付ける能力である。さらに、この技術により、ハロロドプシン6,8,9を用いた微細な時間精度による投影の選択的阻害など、他の方法では不可能な操作が可能になります。さらに、これらのオプシンの細胞型特異的発現により、神経回路内の単離された成分を選択的に刺激または阻害することができる1,2,11,15,21。このように、これらの新しい光遺伝学的ツールは、生理学と行動へのニューロンの寄与の前例のない分析を可能にします。
ここでは、アデノ随伴ウイルス(AAV)ベクター1,2を使用してマウスの脳でチャネルロドプシンを発現するためのプロトコルについて説明します。標的ニューロン集団の特異的トランスフェクションは、このプロトコルを使用して達成でき、目的の標的ニューロンでCre-recombinaseを発現するプロモーターコンストラクトまたはトランスジェニックマウスと「floxed」ウイルスコンストラクト1,11,15,21(図1)を適切に選択できます。ここでは、例として、一次視覚野(V1)と二次視覚野(V2)の間の皮質皮質突起を調べ、一次体性感覚野(S1)から腹後内側核(VPm)への第6層皮質視床突起についても調べます。この特異的発現をin vitroでのレーザー走査型光刺激と組み合わせて、シナプス生理学と機能トポグラフィーを評価します。ここで紹介するセットアップにより、光刺激の軌跡の正確な空間配置と制御が可能になります。最後に、共焦点顕微鏡を用いた発現パターンの可視化について説明します。
1. 手術と注射
2. スライスの準備
3. 生理学的記録
4. レーザー走査型光刺激
5. 固定スライスイメージング
マウスの一次視覚野(V1)と二次視覚野(V2)の間の突起のレーザー走査光刺激は、Balb/CマウスのV1にpAAV-CaMKIIa-hChR2(H134R)-EYFPを注入した後に達成されました(図3)。このウイルスコンストラクトのCaMKIIaプロモーターは、興奮性グルタミン酸作動性ニューロンにおけるチャネルロドプシン-EYFPの特異的発現を促進します1,15。生理学的記録のためのスライスの調製後、チャネルロドプシン-EYFP繊維の発現、すなわち標識EYFPの落射蛍光がV1からV2にトラバースされることが観察されました(図3A)。さらに、外側膝状核(LGN)の皮質視床線維も観察されました(図3A)。V2のニューロンからの全細胞パッチクランプ記録により、V2の下層でチャネルロドプシン-EYFP発現繊維をレーザー走査光刺激した後に誘発されるEPSCが明らかになりました(図3B)。
別の例では、一次体性感覚皮質(S1)の第6層から腹後核(VP)への皮質視床突起のレーザー走査光刺激が、このプロトコルを使用して達成されました。ここでは、Cre-Loxアプローチを使用して、目的の第6層ニューロンと皮質視床突起におけるチャネルロドプシンの発現を特異的に標的としました。具体的には、B6のS1にpAAV-Ef1a-DIO-hChR2(H134R)-EYFP-WPRE-pAを注入した。Cg-Tg(Ntsr1-cre)GN220Gsat/Mmcdマウス(図1、図4)このトランスジェニックマウス系統は、第6層皮質視床ニューロン21においてCre−リコンビナーゼを特異的に発現し、したがって、「フロックス化された」AAVコンストラクトによるトランスフェクション後のニューロンにおいてのみChR−YFP発現をもたらす。スライスの調製後、チャネルロドプシン-EYFP線維が第6層ニューロンおよび第4層およびVPに突出する線維において観察された(図4Aおよび4B)。全細胞パッチクランプを用いたVPmニューロンからの生理学的記録により、記録されたニューロンの近くでレーザー走査光刺激を行った後にEPSCが誘発されることが明らかになりました(図4Cおよび4D)。
標識された繊維の形態は、生理学的記録の後により容易に評価されました。ここでは、第6層皮質視床ニューロンにおけるチャネルロドプシン-EYFP発現を有するスライス調製物(50μm)を切除しました(図5)。これにより、標識された繊維が第6層から第4層まで横断し、そこで広範囲に終端および剥離する微細なパターンが明らかになりました(図5A)。さらに、視床に向かって横切る白質に入る皮質視床線維が観察されました(図5Aおよび5B)。

図 1.Cre-Loxアプローチによるチャネルロドプシンの標的発現の概略図。 目的のニューロン集団でCre-recombinaseを発現するトランスジェニックマウスに、YFPなどの蛍光タンパク質に融合したチャネルロドプシンをコードする「floxed」ウイルスを注射します。トランスフェクション後、Cre-リコンビナーゼを持つニューロンのみがチャネルロドプシン-EYFPを発現します。拡大画像を表示するにはここをクリックしてください。

図 2.光刺激セットアップの概略図。(A)レーザー走査型光刺激装置の図。レーザービームは、オープンビームシステムを介してシャッターとND(ND)フィルターに連続的に導かれます。カバースリップは、ビームの一部をレーザーパワー測定用のアンプに接続されたフォトダイオードに反射します。ミラーガルバノメーターは、レーザービームをスキャンレンズを通して位置決めするために使用され、スキャンレンズはビームを顕微鏡上部のサイドポートに導きます。次に、ビームは対物レンズを通してダイクロイックミラーを使用してスライス調製物に反射されます。詳細については、Lam and Sherman23 と Shepherd29 を参照してください。(B)図3に示す代表的な実験の光刺激グリッドパターンの例。16 x 16の刺激グリッドは、スライス調製物の顕微鏡写真に重ね合わせられます。赤い星は、全細胞パッチクランプを使用して記録されたニューロンの位置を示します。レーザービームの位置は、ミラー検流計のコンピューター化された位置決めによって、刺激グリッド内の256の位置のそれぞれにガイドされます。図には、最初の5つの刺激部位のレーザー位置が示されています。各部位での光刺激に対する記録されたニューロンからの応答を図3に示します。拡大画像を表示するにはここをクリックしてください。

図 3.マウスの一次視覚野(V1)から二次視覚野(V2)への皮質突起のレーザー走査光刺激。(A)V1からV2までのチャネルロドプシン-EYFP線維および外側膝状核(LGN)内のチャネルロドプシン-EYFP線維を示すスライス調製物の落射蛍光画像。興奮性グルタミン酸作動性ニューロンにおけるチャネルロドプシン-EYFPの特異的発現は、CaMKIIaプロモーターを含むウイルスコンストラクトによって駆動されます。(B)レーザー走査型光刺激後にV2のニューロンから誘発される興奮性シナプス後電流(EPSC)。赤い星印は収録場所を示します。スケールバー:(A)500μm、(B)200pA、100msec.拡大画像を表示するにはここをクリックしてください。

図 4.マウスの一次体性感覚皮質(S1)から腹後核(VP)への皮質視床突起のレーザー走査型光刺激。(A)S1にチャネルロドプシン-EYFP繊維を示すスライス調製物のエピ蛍光画像。(B)VPの標識繊維のエピ蛍光画像。(C)レーザー走査型光刺激後にVPニューロンから誘発される興奮性シナプス後電流(EPSC)。(D)平均EPSCのプロット。赤い星印は収録場所を示します。(C) のボックス化されたトレースは、(D) のボックス化された値に対応します。スケールバー:(A)250μm、(B)250μm、(C)100pA、100msec. 拡大画像を表示するにはここをクリックしてください。

図5. マウスの一次体性感覚皮質(S1)におけるチャネルロドプシン-EYFPを発現する第6層ニューロンのイメージング。(A-B)第6層のニューロンと第4層に突出する線維、および白質に標識されたニューロン。スケールバー:(A)250μm、(B)250μm.拡大画像を表示するにはここをクリックしてください。
記載されているプロトコルは、前脳回路、すなわち視床および皮質の回路の調査に限定されない、神経回路の機能的トポグラフィーおよび生理学のin vitro評価のためのアプローチを詳述する。光遺伝学的トランスフェクション用のいくつかのウイルスコンストラクトが科学界に提供されており、UNC Vector Coreから容易に入手できます。すぐに入手できるウイルス構築物の説明については、UNC Vector Core31、スタンフォード大学32のDeisserothラボ、およびMITのBoyden合成神経生物学ラボ33の光遺伝学リソースページを参照してください。これらのオプシンの変異体はこれらの研究室によって開発されており、ニューロンの興奮性を制御するための幅広いモードを可能にします1,2。UNC Vector Coreからこれらのベクターを入手するには、元のラボからの材料移転契約が必要です。このプロトコルでは、ポリブレンの添加がトランスフェクションの有効性を高めることに注目します。さらに、発現に影響を与える別の変数は手術後の回復期間であり、マウスの前脳経路で堅牢な発現を得るには少なくとも14日間の期間で十分であることに注意します。
特定のニューロン群の標的トランスフェクションのために、いくつかのCreトランスジェニックマウス系統が開発されており、開発された「floxed」逆オープンリーディングフレームウイルスコンストラクトと組み合わせて使用できます11。神経科学研究に関連するいくつかの株は、変異マウス地域リソースセンター34を通じて入手できます。これらのトランスジェニック系統におけるCre-リコンビナーゼ発現パターンのアトラスは、GENSATデータベース35を通じて提供されます。さらに、Jackson Labsは、いくつかのCreトランスジェニック株、および特定のニューロングループでオプシンを構成的に発現する他の株を提供しています。これらのマウス系統を利用するための重要なステップは、繁殖コロニーの取得と確立に必要な時間を考慮に入れることであり、これは関心のある特定の系統によって異なる場合があります。
光刺激については、最近のプロトコル29に記載されている、ノースウェスタン大学のシェパードラボによって開発されたセットアップを利用し、適応させました。グルタミン酸のアンケージングに最適化されていますが、このセットアップは、変更なしでチャネルロドプシンの光刺激にも適しています。このセットアップにより、光刺激遺伝子座の正確な空間制御と位置決めが可能になり、記録されたニューロンのチャネルロドプシン神経支配の機能的トポグラフィーの評価が可能になります。空間制御は、この光刺激の方法によって強化されるが、LEDベースのフィールド照明20を利用する方法よりも法外なコストがかかる。さらに、脳組織の不均一性は、光遺伝学、または光の操作を伴う技術の制限です。しかし実際には、結果は主に定性的な方法で解釈されるため、それが要因になることはめったにありません。脳領域間のより定量的な比較が必要な場合は、いつでも最大光強度を使用して「飽和」応答を達成できます。
さらに、レーザー走査光刺激とデータ収集を制御するために、Matlabで記述されたTidelwaveとEphusの両方のソフトウェアプログラムを使用しました25,26。しかしながら、同様のシステムを設定する者は、Janelia Farms開発サイト30を通じて利用可能なサポートを有する、より新しいEphusソフトウェア26を採用することが推奨される。ハードウェア要件はわずかに異なるため、重要なステップは、これらのソフトウェア パッケージのどれを使用するかを選択することです。さらに、マップ分析プログラムは、それぞれのデータ収集プログラムに合わせて調整されています。
これらのステップのいくつかは、開業医の特定の設定に合わせて変更できます。ウイルス溶液の注入は、シリンジ以外の送達機構を使用して行うことができ、たとえば、~40 μmのチップ直径に引っ張られたキャピラリーガラスピペット も うまく機能します。手術の場合、注射のガイドにそのような座標が必要ない場合は、非定位固定ヘッドホルダーを置き換えることができます。さらに、ACSFおよび細胞内溶液組成は、例えば、抑制電流を分離するためにセシウムまたは高塩化物細胞内溶液を置換する など 、特定の実験要件に応じて変更され得る。また、固定スライスにおける発現パターンのイメージングに代わる方法も、浴灌流システムを備えた適切なイメージングリグ上のライブスライスで行うことができる。
要約すると、このプロトコルにより、開業医は、標準的な方法では不可能である可能性のある、in vitro での投影の機能的トポグラフィーとシナプス生理学を特徴付け ることができます。スライスで保持できない長距離投影を特徴付けます。記載されているトランスフェクションプロトコルは、送達メカニズムが同じであるため、 in vivo光遺伝学的実験1〜3、12、14に適用できます。最後に、このプロトコルはマウスのトランスフェクションを記述していますが、利用可能なウイルスベクターの多くを使用して、理論的にはこれらのオプシンを幅広い哺乳類種にトランスフェクションおよび発現させることができ、したがって、無数の比較および種特異的な研究が可能になります1-3。
著者らは、競合する利益はないと宣言している。 著者(CCL)は、このプロトコルのこの撮影に使用される機器を製造するライカマイクロシステムズから出版助成金を受け取りました。
この研究は、NIH/NIDCD grant R03 DC 011361、SVM CORP grant LAV3202、NSF-LA EPSCoR grant PFUND86、Leica Microsystems (CCL) および NIH/NIDCD grant R01 DC 008794 (SMS) からの出版助成金によって支援されました。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| ポリブレン | サンタクルス バイオテクノロジー | SC134220 | |
| パラホルムアルデヒド 32% 溶液 | EMS | 15714 | |
| VECTASHIELD | ベクター ラボ | H-1400 | |
| AAV ウイルス コンストラクト | UNC ベクター コア | NA | |
| マウス 定位ヘッドホルダー | Stoelting | 51730 | |
| ナノクール インジェクター | ハーバード装置 | 703040 | |
| UVレーザー:355 nm、Nd:YVO4; 1 W; | DPSSレーザー株式会社 | 3500 | |
| ガルボノメーター | ケンブリッジスキャン | 6210 | |
| ミラー | ケンブリッジスキャン | 6m2003S-A | |
| マウント | ケンブリッジスキャン | 6102103L | |
| ケーブル | ケンブリッジスキャン | 6010-19-120 | |
| ドライバー/コントローラー | ケンブリッジスキャン | 67121-1 | |
| シャッター - ZMコーティング(UV対応) | Uniblitz | L23-ZM2 | |
| シャッターコントローラー | Uniblitz | VMM-D1 | |
| 電流増幅器 | スタンフォードリサーチシステムズ | SR570 | |
| 6713ボード | ナショナルインスツルメンツ | 777741-01 | |
| 2110 ブレイクアウトボックス | ナショナルインスツルメンツ | 777643-01 | |
| PCI-MIO-16E-4 | ナショナルインスツルメンツ | 777383-01 | |
| BNC-2090 | ナショナルインスツルメンツ | 777270-01 | |
| ケーブル | ナショナルインスツルメンツ | 184749-01 | |
| MATLAB | Mathworks | ||
| TCS SP2 | ライカマイクロシステム |
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