急性脳切片におけるシナプス結合ニューロンのパッチクランプ記録と同時細胞内バイオサイトン充填により、それらの構造的および機能的特性の相関分析が可能になります。このプロトコルの目的は、ニューロンのマイクロ回路からの電気生理学的記録とその後の形態学的分析の本質的な技術的ステップを説明することです。
方法論記事
急性脳切片におけるシナプス結合ニューロンのパッチクランプ記録と同時細胞内バイオサイトン充填により、それらの構造的および機能的特性の相関分析が可能になります。このプロトコルの目的は、ニューロンのマイクロ回路からの電気生理学的記録とその後の形態学的分析の本質的な技術的ステップを説明することです。
同時細胞内ビオシチン充填急性脳スライス標本における2つ(またはそれ以上)のシナプス結合したニューロン(対の録音)からのパッチクランプ記録の組み合わせは、それらの構造的および機能的特性の相関分析を可能にする。この方法では、その形態および電気生理学的応答パターンの両方によって前およびシナプス後ニューロンを同定し、特徴付けることが可能である。対になった記録は、これらのニューロン間の接続パターン並びに化学的および電気的シナプス伝達の両方の性質を研究することができます。ここでは、ニューロンの形態の最適な回復とともに信頼性の高いペアの録音を得るために必要な手順のステップバイステップの説明を与える。私たちは、化学シナプスまたはギャップ結合を介して接続されたニューロンのペアは、脳スライス標本で識別されている方法を説明します。私たちは、ニューロンがdendritの彼らの3D形態を得るために再構築されているかを概説しますICと軸索ドメインとどのようにシナプスの連絡先が特定され、ローカライズされています。これらは強く接続性の推定値に影響を与えるので、我々はまた、特に、脳スライスの準備中に、樹状および軸索切断をに関連するものを対に記録技術の注意事項と制限事項について説明します。しかし、対になった記録アプローチの汎用性のそれは、脳内で識別ニューロンのマイクロ回路でシナプス伝達のさまざまな側面を特徴付ける貴重なツールのままになります。
2シナプス結合されたニューロン間の神経マイクロ回路は、脳内の大規模ネットワークの構築ブロックでシナプス情報処理の基本単位である。そのようなニューロンのマイクロ回路の特徴付けのための前提条件は、前およびシナプス後パートナーニューロンの両方の形態学的および機能的特性を知ることがシナプス結合(単数または複数)およびその構造的および機能的メカニズムのタイプである。しかし、シナプス結合の多くの研究で、超小型回路内のニューロンのうちの少なくとも一方は、十分に特徴付けされていない。これは多くの場合、シナプスの接続性の研究に使用される比較的非特異的刺激プロトコルに起因する。したがって、シナプス前ニューロンの構造的および機能的特性のいずれかのすべてまたは唯一のかなり小さい程度に識別されていない( すなわち、マーカータンパク質の発現など )。マーカーSによって細胞内染色との組み合わせでペアの録音ビオシチン、neurobiotinまたは蛍光染料などのuchが小さなニューロンのマイクロ回路を研究するために適しています。この技術は、一方が、同時に、形態学的に同定されたシナプス結合の多くの構造的および機能的パラメータを調査することを可能にする。
2つのニューロン間のいわゆる「単一の」単シナプス接続は、急性スライス標本を使用して両方の皮質及び皮質下の脳領域1-10に研究されてきた。最初に、鋭い微小電極は、これらの実験で使用した。以降、パッチクランプ記録は、より低い騒音レベルと改善された時間分解能でのシナプス信号の記録を得るために使用した。
重要な技術的進歩は、赤外線微分干渉コントラスト(IR-DIC)光学11-14、かなりことができるトンとなるように脳切片におけるニューロンの視認性及び識別を改善顕微鏡技術を使用することであったO視認シナプス結合15-17からの記録を入手。一般的には、対になった記録は、急性スライス標本で行われている。ごく少数の出版物は、生体 18-20 でシナプス接続ニューロンからの録音を報告可能です。
対になった録音の最も重要な利点は、機能的特徴は、光および電子顕微鏡レベルの両方で、形態素解析と組み合わせることができるという事実である( 例えば、参照、7,16,21)。組織化学的処理の後、シナプス接続ニューロンペアの樹状突起と軸索形態がトレースされます。続いて、これらのパラメータは、特定のシナプス結合の目的の分類のための基礎を提供することができる等の長さ、空間密度、配向、分岐パターンとして形態学的特徴を定量化することが可能である。さらに、神経connectiを研究するために使用されるほとんどの他の技術とは対照的にVITY、対になった録音は、また単一のシナプス結合のためのシナプスの連絡先の識別を可能とする。これは、光学および電子顕微鏡16,21-27の組み合わせを使用して、または樹状突起棘のカルシウムイメージング28,29を用いて直接行うことができる。それがシナプス後受容体チャネルを介してカルシウム流入を必要とするが、後者のアプローチのみではなく、興奮抑制結合を研究することができる。
アゴニスト/アンタゴニストのアプリケーションと組み合わせて- -対に定義されたニューロンのマイクロ回路におけるシナプス伝達の詳細な分析に加えて、記録はまた、シナプス可塑性ルール30,31または研究を可能にするようなアセチルコリン32およびアデノシンなどの神経伝達物質によるシナプス伝達の調節を33。
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全ての実験手順は、動物の保護、ドイツの動物保護法のためのEU指令(Tierschutzgesetz)と欧州実験動物学協会連合会のガイドラインに従って実施されてきた。
電気生理学1.セットアップ
ペアリング記録を開始する前に、電気生理学のセットアップを構築する必要があります。このようなセットアップが組み立てられるかを簡単な概要は以下のとおりである:
2.脳スライスの準備
3.ペアパッチクランプ記録とビオシチン充填
シナプス結合の種類に応じて3つの異なるアプローチがシナプス結合したニューロンを見つけるために使用される。 (ほとんどの興奮性の接続が期待できるように)接続確率が低い場合は、次の手順に従っ
4.組織化学的処理
5.神経復興シナプス問い合わせローカリゼーション
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対になった記録は、形態学的に同定されたユニまたは双方向のシナプス結合の詳細な特徴付けのための選択の方法、ならびにギャップジャンクション(電気的)接続( 図1)である。体性感覚バレル皮質の層4における対の記録の例を図1Aに示されている。一方向性の興奮性および抑制性シナプス接続の両方が( 図1B、C)特徴づけることができる。さらに、対になった録音は、ペアの両方のニューロンが互いに前とシナプス後である、接続から、双方向のシナプス結合、 すなわちから録音することができます。これは、抑制性介在ニューロンと興奮性ニューロンからの記録を示し、図1Dに示されている。興奮性ニューロン(赤色トレース)に活動電位を誘発するとシナプス後抑制性介在ニューロン(黒のトレース)でEPSPをもたらす。しかし、活動電位は、エボとき介在ニューロンにヒツジシラミバエ、IPSP、興奮ニューロンに記録することができる。 図1Eは、ギャップ結合を介して、またはギャップジャンクシ...
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シナプス結合された興奮性および/または抑制性ニューロンからの対応のある記録は、神経マイクロ回路の研究のための非常に汎用的なアプローチである。だけでなく、このアプローチは、一つのニューロン型の間のシナプス接続を推定することを可能にするだけでなく、接続および前およびシナプス後ニューロンの形態の機能的特性を決定することができない。さらに、アゴニストおよび/またはアンタゴニストは容易にスライス標本中のニューロンに適用することができる。これは、1つは、シナプス伝達32またはシナプス放出16,17,38,39の、例えば、量子解析を使用して定義された単一のシナプス結合の詳細な特徴付けの特性に神経調節物質の効果を研究することができる。化学的および/または電気(ギャップジャンクション)シナプス結合の発見は、このプロトコルの最も重要なステップです。そこで、接続比率に応じて、シナプス結合を見つけるための別のアプローチを記載されているとしているタイプ(化学/電気)。
軸索の合計軸索の長さのわずかな部分が回収されるように、スライス標本の主な欠点は、長距離軸索投...
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著者は利益相反を宣言しません。
私たちは、神経科学医学研究所、INM-2、ユーリッヒ研究センターの「神経微小回路の機能」グループのすべてのメンバーと、アーヘン工科大学の医学部、JARA、アーヘン工科大学精神医学・心理療法・心身医学科の「皮質微小回路の機能」グループの全員に感謝したいと思います。この研究は、DFGのBarrel Cortex Function(BaCoFun)研究グループの支援を受けて行われました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| アンプ | HEKA | EPC 10 USB トリプル | 2 - 3 プリアンプ付き |
| 顕微鏡 | オリンパス | BX51WI | 2 カメラポート、4X 対物レンズ、40X 水浸対物レンズ付き |
| カメラ | TILL Photonics | VX55 | 赤外線 CCD カメラ |
| ワークステーション | Luigs &Neumann | Infrapatch 240 | 、電動x-yステージ、顕微鏡用電動フォーカス軸 |
| Micromanipulator | Luigs &Neumann | SM-5 | x-y-z マニピュレーター 2 - 3 プリアンプ用 |
| ファラデーケージ | Luigs &Neumann | ||
| Anti-vibration table | Newport Spectra-Physics | ||
| Patchmaster | HEKA | ||
| Microtome | Microm International | HM650V | |
| Micropipette puller | HEKA | Sutter P-97 | |
| Neurolucida system | Microbrightfield | with Neurolucida and Neuroexplorer softwares |
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