樹状突起棘は、ほとんどの興奮性シナプスのシナプス後コンパートメントです。樹状突起スパインの形態の変化は、神経発達、老化、学習、および多くの神経学的および精神医学的障害の間に起こり、信頼性の高い樹状突起スパイン解析の重要性が強調されています。このプロトコルでは、自動 3 次元ニューロン再構成ソフトウェアを使用して、樹状突起スパインの形態を正確かつ再現性よく定量化する方法について説明します。
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樹状突起棘は、ほとんどの興奮性シナプスのシナプス後コンパートメントです。樹状突起スパインの形態の変化は、神経発達、老化、学習、および多くの神経学的および精神医学的障害の間に起こり、信頼性の高い樹状突起スパイン解析の重要性が強調されています。このプロトコルでは、自動 3 次元ニューロン再構成ソフトウェアを使用して、樹状突起スパインの形態を正確かつ再現性よく定量化する方法について説明します。
シナプス接続により、ニューロン間の情報の交換と処理が可能になります。興奮性シナプスのシナプス後部位は、しばしば樹状突起棘上に形成されます。樹状突起スパインは、シナプス可塑性、神経発達、神経疾患、精神疾患を中心とした研究で非常に興味深い構造です。樹状突起スパインは、その生涯の間に構造的変化を受け、総スパイン数、樹状突起スパインのサイズ、形態学的に定義されたサブタイプなどの特性は、さまざまなプロセスに応じて変化します。樹状突起スパインのこれらの構造変化を制御する分子メカニズムを明らかにするには、形態学的測定が必要です。これにより、実験的証拠を提供するために、正確で再現性のある樹状突起スパイン分析が義務付けられています。本研究では、Neurolucida 360(自動三次元ニューロン再構成ソフトウェア)を使用した樹状突起脊椎の定量化と分類のための詳細なプロトコルを概説します。このプロトコルにより、総脊椎密度、脊椎頭容積、脊椎サブタイプへの分類などの主要な樹状突起スパイン特性の決定が可能になり、樹状突起スパインの構造表現型の効果的な分析が可能になります。
樹状突起スパインは樹状突起の突起であり、しばしばグルタミン酸作動性シナプスのシナプス後部位を構成する1,2。樹状突起スパインは、シナプス可塑性の分野で特に興味深いものです。棘は、シナプスの強度が変化するとしばしば変化し、長期のシナプス増強では大きくて強くなり、長期的なシナプス抑制では小さくて弱くなります3,4,5,6,7。シナプス可塑性を超えて、樹状突起スパインのプロファイルは生涯を通じて変化します。初期の発達では、樹状突起スパインの形成と成長の期間があり、その後、定常状態に達するまで樹状突起スパインの剪定が行われます8,9,10。老化した脳では、脊椎の喪失は脳の萎縮と認知機能の低下を伴います11。さらに、多くの神経学的、神経変性、および精神医学的障害は、異常な樹状突起棘によって特徴付けられます。統合失調症に罹患した個人の複数の脳領域は樹状突起棘が少なく、これはおそらくシナプス刈り込みの変化に起因する12。自閉症スペクトラム障害は、樹状突起脊椎の病状によっても特徴付けられます13。樹状突起脊椎の喪失は、アルツハイマー病とパーキンソン病の両方の特徴です14,15。樹状突起スパインの特性の調査を含む幅広い研究トピックを考えると、正確なスパイン定量化の技術は最も重要です。
染色、すなわちゴルジ法、または色素充填または蛍光タンパク質の発現によるニューロンの標識は、樹状突起スパインの可視化のための一般的な方法である16,17,18。可視化されたスパインは、無料および市販のさまざまなソフトウェアクライアントで解析できます。分析の望ましい出力は、どのソフトウェアが最も使用されるかを決定する重要な要素です。フィジーは、樹状突起スパイン密度を中心とした問題に対する実行可能なソフトウェアオプションです。ただし、この手法は、バイアスの可能性をもたらす可能性のある時間のかかる手動カウントに大きく依存しています。SpineJなどの新しいプラグインでは、自動定量化が可能になり、さらにより正確な脊椎頸部分析が可能になります19。これらのアプローチの欠点は、SpineJが2次元の画像スタックに限定されているため、脊椎の体積を決定するための3次元分析が失われることです。さらに、これらのプロセスを介して脊椎のサブタイプ情報を取得することは困難になります。細い、キノコ、ずんぐりした、糸状足の4つの主要な脊椎サブタイプは、すべて個々の機能を暗示し、形態学20によって大きく分類されます。細い棘は、細長い首と明確な頭21によって特徴付けられます。キノコの棘は、はるかに大きく、顕著な背骨の頭を持っています22。ずんぐりした棘は短く、頭と首の間のばらつきがほとんどありません23。糸状足は未熟な棘で、長くて細い首を持ち、明らかに観察できる頭はありません24。分類は貴重な情報を提供しますが、スパインは連続した次元に存在します。カテゴリーへの分類は、形態学的測定の範囲に基づいています25,26。分類のためにスパインを手動で測定すると、このアプローチでは研究者の物流上の負担が増します。
特に3次元樹状突起スパイン解析に焦点を当てた他のソフトウェアオプションは、スパインの体積とサブタイプの特性27、28、29、30、31の調査に適しています。3次元解析では、z面の解像度の低さや汚れなどの困難さにもかかわらず、これらのソフトウェアオプションにより、ユーザーガイドによる半自動方式で樹状突起や樹状突起スパインの信頼性の高い3次元再構成が可能になります。同定されたスパインをそのサブタイプに自動的に分類することも、これらのスパイン解析ソフトウェアパッケージの一部に存在する機能です。これにより、潜在的なワークロードと実験バイアスの懸念を改善できます。Neurolucida 360は、信頼性と再現性のある3次元樹状突起脊椎の同定と分類を可能にする市販のソフトウェア1つです32。ここでは、このソフトウェアを使用して固定組織を効果的に調製し、画像を取得し、最終的に樹状突起スパインを定量および分類するための包括的なプロトコルを紹介します。
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すべての動物用処置は、学内研究における動物の使用に関する米国国立衛生研究所ガイドラインに従い、国立精神衛生研究所の動物管理および使用委員会によって承認されました。
1.固定海馬スライスの調製
2. 高解像度共焦点イメージング
3. 樹状突起スパインの定量化
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この解析方法を効果的に活用するには、トレースする樹状突起セグメントを選択することから始まります。 図1で説明したように、トレースに理想的な樹状突起は、他の樹状突起に近接していません。樹状突起が並行して実行されると、隣接する樹状突起からスパインが不適切に識別される可能性があります。樹状突起は、異なるz平面で直接交差するか、垂直に走っているため、正確な樹状突起トレースも非常に困難になります。樹状突起の厚さの違いに注意することも重要です。以前に報告されたように、背骨の密度には、さまざまな厚さの樹状突起による重要な違いがあります36。また、分岐点37からの距離が長くなると、同じ樹状突起に違いが生じることもある。同じ順序と厚さの樹状突起をトレースし、理想的には同様の分岐点の起点を持つ樹状突起を追跡することで、樹状突起スパイン密度の既存の不均一性を制御できます。一部の調製物で分岐点を特定することは実行不可能であることが判明するかもしれませんが、樹状突起の厚さは常に樹状突起追跡の制御可能な要素であ...
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このプロトコルでは、サンプル調製、イメージング、および3次元再構成ソフトウェアを使用した樹状突起スパインの定量化と分類のプロセスの具体的な手順について詳しく説明します。このソフトウェアは、さまざまな調査に貢献する堅牢な構造データを生成できる強力なツールです。プロセス全体を通じて、このプロトコルを方法論的な負担を軽減し、データの全体的な出力を向上させるための重要なステップがいくつかあります。樹状突起スパインの標識方法は、研究者がこのプロトコルに着手する前に最初に考慮すべきことの1つです。スパインの定量化に関する問題は、標識方法が不十分であることから生じる可能性があります。スパインで低レベルで発現する特定のタンパク質を染色すると、ソフトウェアにとってシグナルが低すぎる可能性があります。また、最も明るい蛍光樹状突起をトレースすることでバイアスが発生する可能性があることにも注意する必要があります。異なる蛍光性樹状突起が異なる生理学的特性を持つかどうかは不明ですが、それでも考慮すべきプロトコルの制限です。さらに、THY1-YFP-H系統などの一部のトランスジェニック系統では、樹状...
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著者には、開示すべき利益相反はありません。
技術支援を提供してくださったCarolyn Smith氏、Sarah Williams Avram氏、Ted Usdin氏、NIMH SNIRに感謝いたします。さらに、コルゲート大学ベセスダ生物医学研究研究グループに感謝します。この作業は、NIMH学内プログラム(1ZIAMH002881からZ.L.)の支援を受けています。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 518F 液浸オイル | ツァイス | 444960-0000-000 | |
| クライオスタット | ライカ | CM3050S | スライス調製用 |
| ファイン フォーセプス | FST | 11150-10 | |
| 止血鉗子 | FST | 13020-12 | |
| 大型手術用ハサミ | FST | 14002-16 | |
| LSM 880 共焦点顕微鏡 | ツァイス | LSM 880 | |
| 顕微鏡カバー ガラス | フィッシャーブランド | 12-541-035 | |
| ミニ蠕動ポンプ II | ハーバード装置 | 70-2027 | 灌流用 |
| Neurolucida 360 | MBF Bioscience | v2022.1.1 | 脊椎解析ソフトウェア |
| Neurolucida Explorer | MBF Bioscience | v2022.1.1 | 脊椎解析ソフトウェア |
| OCT Compound | さくらファインテック | 4583 | のクライオスタット切片用 |
| ッシャーブランド | F79-1 | ||
| アポクロマート63x / 1.40オイルDIC | ツァイス | 440762-9904-000 | |
| ブレード | FST10022-00 | ||
| 手術用ハサミ | FST14060-09 | ||
| スパチュラ | FST | 10091-12 | |
| スクロー | FIsherbrand | S5-500 | |
| スーパーフロスト プラス マイクロスライド | Diagger | ES4951+ | |
| Vectashield HardSet マウント ミディアム | ベクター ラボラトリーズ | H-1400-10 |
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