このプロトコルは、複数の記憶関連脳領域にまたがるニューロンおよびアストロサイトからのカルシウム信号を同時に記録する方法を包括的に説明し、学習および記憶行動のパラダイムにおける応用を示しています。
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方法論記事
このプロトコルは、複数の記憶関連脳領域にまたがるニューロンおよびアストロサイトからのカルシウム信号を同時に記録する方法を包括的に説明し、学習および記憶行動のパラダイムにおける応用を示しています。
学習と記憶は、分散した脳領域をまたぐニューロンとアストロサイト間の協調に大きく依存しています。アストロサイトはシナプス伝達と神経の興奮性を調節し、記憶関連回路内の情報の符号化と統合に寄与します。アストロサイトとニューロンの地域内および地域間相関は、記憶障害や認知障害の理解に不可欠です。しかし、記憶行動中の複数の領域にわたるアストロサイトおよびニューロン活動を同時に監視することは技術的には依然として困難です。ここでは、アストロサイトやニューロンからのカルシウム信号を複数の記憶関連領域に同時に記録できる方法を提示します。この戦略は、細胞型特異的な二色遺伝子符号カルシウム指示器(GECI)、多チャネルファイバーフォトメトリーシステム、同期行動追跡を組み合わせ、内側前頭前野(mPFC)、海馬CA1領域、内側内嗅皮質(MEC)における神経細胞および星形細胞活動のリアルタイムモニタリングを実現します。代表的な結果は、物体認識課題中に領域や細胞タイプを超えた協調的なカルシウム動態を示しています。この手法は、学習および記憶プロセスの基盤となるアストロサイト–ニューロンの相互作用を検証するための再現可能かつ効率的な実験的枠組みを提供します。
学習と記憶は、情報を獲得、保存、取り出す基本的な認知プロセスであり、適応行動の形成に不可欠です。これらのプロセスは、空間ナビゲーション、物体認識、文脈的連想、意思決定など、さまざまな複雑な機能を支えています。さらに、アルツハイマー病、加年性認知疾患、外傷性脳損傷などの認知機能障害は、記憶形成に異常を示します。したがって、学習と記憶の神経基盤を包括的に理解するには、異なる細胞タイプ間の動的な相互作用を明らかにする必要があります。この相互作用は、情報の符号化と検索の過程で、これらの領域内でおよび領域間で起こります。
従来、記憶形成は主に神経活動によって決定されると考えられていました。しかし、広範な研究により、アストロサイトは情報の符号化、統合、検索を著しく調節することが示されています。これらはシナプス伝達の調節、神経の興奮性の調節、グリオ伝達物質の放出、代謝支援の提供によってこれを実現します。アストロサイトはニューロンと動的に相互作用し、双方向の通信は総称して「アストロサイト-ニューロンネットワーク」と呼ばれます9,10,11。したがって、アストロサイトとニューロン間の協調した相互作用を理解することは、学習と記憶の細胞およびネットワークのメカニズムを理解する上で極めて重要です。
学習と記憶は、複数の脳領域にわたる情報の動的統合に依存しています。アストロサイトとニューロンの相互作用は局所的なマイクロ回路に限定されず、記憶に関与する分散した脳領域、すなわち内側前頭前野(mPFC)、海馬CA1領域、内側内嗅皮質(MEC)に及びます。mPFCは記憶の定着や長期記憶の調節に関与していることが示されています。CA1はエピソード記憶の符号化と再活性化に中心的役割を果たします。MECは空間的およびマルチモーダル情報統合のハブとして機能し、海馬・皮質回路12、13、14、15、16に不可欠な入力を提供します。蓄積される証拠は、これらの領域のアストロサイトがニューロンと協調した横断的な動態に参加し、学習と記憶中の情報の流れや状態遷移に重要な役割を果たしていることを示唆しています17,18。
記憶処理におけるアストロサイトとニューロンの相乗効果の認識は高まっていますが、自由に動く動物の行動中に複数の記憶関連脳領域にわたるアストロサイトとニューロンのカルシウム活動を同時に監視することには、依然として大きな技術的課題が残っています。二光子イメージングは高い空間分解能を持つが、深度と頭部固定の制限がある19,20;マルチチャネル電気生理学は高時間分解能の記録を可能にしますが、細胞型特異性に欠け、アストロサイト性カルシウム信号を識別できません。そのため、自由に動くマウスの複数の記憶関連脳領域にわたってアストロサイトおよびニューロンカルシウム信号を同時に記録できる手法が開発されました。遺伝的にコードされたカルシウム指示薬(GECI)は、Ca2+依存的なCaM/M13の立体構造変化を通じて、遺伝的にコードされた蛍光体の蛍光を調節する細胞内Ca2+の動態を報告します。二色GECIアプローチは、緑色および赤色のカルシウムセンサーなどのスペクトル分離可能な指標と細胞型特異的プロモーターを活用し、同じ脳領域内でアストロサイトおよびニューロンCa2+活性を同時に記録することを可能にします。細胞型特異的な二色GECI(GCaMP6fおよびjRGECO1a)とマルチチャネルファイバーフォトメトリーシステムを組み合わせることで、mPFC、CA1、MECのニューロンおよびアストロサイトにおけるカルシウム活性のリアルタイムモニタリングが実現しました。さらに、新しい物体認識(NOR)課題を例に挙げると、学習課題において脳領域や細胞タイプ間で協調したカルシウム動態が示されています。この手法は、学習および記憶中の脳領域をまたぐアストロサイト-ニューロンアンサンブル活動を調査するための再現性が高く信頼性が高く、スケーラブル性の高いプロトコルです。
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すべての動物実験は第三軍医大学動物ケア・利用委員会(動物倫理承認番号:AMUWEC20230126)によって承認され、第三軍医科大学の実験動物のケア・利用ガイドに従って倫理的に動物の扱いを確実にするために実施されました。試薬および使用機器は 材料表に記載されています。
実験者の安全を確保するため、生きた動物やウイルスベクターを含むすべての実験手順は、保護服、滅菌手袋、マスクを着用した状態で実施されました。すべての器具は使用前に徹底的に滅菌され、実験の表面は実験前後に70%エタノールで清掃されました。残った資材は機関の廃棄物処理規則に従って処分されました。すべての試薬や機器は、皮膚や目に直接触れないように扱われました。
1. 動物の調製とウイルス取り扱い
2. 立体型ウイルス注射
注:本研究では二段階のウイルス注射戦略が用いられました。現在の実験条件下では、この戦略は信頼性と安定的に実施可能であり、その結果の発現パターンは期待される細胞型特異的プロモータープロファイルと整合しています。
3. 多部位ファイバーフォトメトリープローブの埋め込み
注意:jRGECO1a注射直後に実施してください。
4. マルチチャンネルファイバーフォトメトリー記録
注:2つのカルシウム指標の安定かつ完全な発現を確保するため、2回目のウイルス注入から3週間後に多チャネル光ファイバー光度測定が行われ、記録が行われました。
5. データ処理と解析
注意:ファイバー光度測定記録におけるCa2⁺の過渡現象は、その振幅がノイズバンド21,22,23の標準偏差の3倍を超える場合にのみ、真の信号と分類してください。新規物体認識テスト(NORT)プロトコル24:D精細な物体の相互作用は、ネズミが物体に物理的に接触し、鼻でつついたり嗅いだりする現象を指します。信号定量化のために、基準線を-2〜-1秒のウィンドウ(相互作用開始時刻t=0時の相対的)の平均信号と定義します。ペリイベント解析ウィンドウは、各オブジェクトインタラクション開始の2秒前から4秒まで、確立されたプロトコルに従って設定します。


6. 記録後の組織学的検証
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上記のプロトコルに基づき、4か月齢のC57マウスのmPFC、CA1、MECを標的としたデュアルカラーマルチサイトファイバー記録が実施されました。本研究では、2段階のウイルス注入戦略を導入し、2つの指標を順次導入しました。実験条件下では、この戦略は信頼性かつ安定的に実施可能であり、得られる発現パターンは期待される細胞型特異的プロモータープロファイルと整合しています。
0日目にAAV5-GfaABC1D-GCaMP6fを3領域に注入し、14日目にAAV9-hSyn-NES-jRGECO1aを同じ座標に注入し、直後に線維埋め込みを行った(図1)。ウイルス発現を3週間行った後、自由に動くマウスのオープンフィールド探査および新規物体認識課題の両方で、アストロサイトおよびニューロンカルシウム信号が同時に記録されました。
ウイルス発現の細胞型特異性を検証するために、3つの領域すべてに対して免疫組織化学が実施されまし...
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本研究では、マウスの複数の記憶関連脳領域におけるアストロサイトおよびニューロンカルシウム活動を同時に記録する方法を開発しました。単一領域イメージング28や電気生理学的手法とは異なり、多領域同期記録は分散記憶ネットワーク間の協調した動態を捉え、学習と記憶の研究に強力なツールであることが証明されています。細胞型特異的なデュアルカラーGECIとマルチチャネルファイバーフォトメトリーシステムおよび行動連動型取得を組み合わせることで、この手法は脳領域や細胞タイプをまたいで集団活動の長期的安定記録を可能にします。このプラットフォームは、学習および記憶行動に関与するアストロサイト–ニューロン回路内の異なる空間的機能的結合性のマッピングを可能にします。
共注射は蛍光指標
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著者による金銭的またはその他の利益相反は一切宣言されていません。
ジャ・ロウさんは技術支援で、Sai Te Xin Si(AIツール)は言語編集支援で表彰されています。この研究は、中国国家自然科学基金(助成金番号82371485、82588301、32400932)および重慶自然科学基金(助成金番号)から支援を受けました。CSTB2024NSCQ-JQX0024、2024年NSCQ-MSX1104)。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 75 RN 5uL SYR W/O NEEDLE | Hamilton | 7634-01 | ウイルス注入用マイクロピペットに接続 |
| AAV5-GfaABC1D-GCaMP6f | Addgene | 52925 | アストロサイト特異的なGCaMP6f発現 |
| AAV9-hSyn-NES-jRGECO1a | Addgene | 100854 | ニューロン特異的な赤シフトカルシウムインジケーター |
| Bepanthen Eye and Nasal Ointment | Bepanthen | MA0008 | 角膜の乾燥を防ぐ |
| セラミックスリーブ付きバンドル光ファイバー | Inper | BFO-1x3-W1.25 | 埋め込まれたファイバーを測光システムに接続 |
| カメラ | Mind Vision | MV-SUA502C-T | カルシウム信号と同期した行動ビデオ |
| 歯科用セメント | NISSIN | Super-Bond C&B | フェルールを頭蓋骨に固定 |
| フェルールホルダー | Inper | SCH-1.25 | 埋め込み中にセラミックフェルールをしっかりと保持 |
| イソフルラン気化器&麻酔システム | RWD Life Science | R510-29 | 麻酔誘導と維持用 |
| マルチチャンネルファイバー測光システム | RWD Life Science | R821 | デュアルカラー記録用 |
| OFRSソフトウェア | RWD Life Science | 記録されたカルシウム信号を分析 | |
| 光ファイバー | RWD Life Science | R-FOC-BL200C-39N | 標的脳領域に埋め込まれる |
| ステレオタキシック機器 | RWD Life Science | 68801 | 精密なウイルス注入とファイバー埋め込み用 |
| シリンジポンプ | KD Scientific | 788130 | 制御された速度でウイルスを送達 |
| 組織接着剤 | 3M Animal Care Products | 1469SB Vetbond | 切開部の閉鎖用 |
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