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Research Article
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Erratum Notice
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
여기에서 우리는 깨어 있는 마우스에서 소교세포 역학과 신경 활동의 동시 이미징을 위해 아데노 관련 바이러스 주입과 두개골 창 이식을 결합한 프로토콜을 설명합니다.
뇌 기능은 말초 조직에서 파생된 신호의 지속적인 영향을 받기 때문에 뇌의 신경교세포가 말초의 다양한 생물학적 상태를 감지하고 신호를 뉴런으로 전달하는 방법을 밝히는 것이 중요합니다. 뇌의 면역 세포인 미세아교세포는 시냅스 발달과 가소성에 관여합니다. 따라서 신체의 내부 상태에 대한 반응으로 신경 회로 구성에 대한 미세아교세포의 기여도는 소교세포 역학과 신경 활동 사이의 관계에 대한 생체 내 이미징에 의해 비판적으로 테스트되어야 합니다.
여기에서 우리는 깨어 있는 생쥐에서 소교세포 역학과 신경 활동을 동시에 이미징하는 기술을 설명합니다. 적색 형광 단백질의 유전자 인코딩 칼슘 지표인 R-CaMP를 코딩하는 아데노 관련 바이러스를 미세아교세포에서 EGFP를 발현하는 CX3CR1-EGFP 형질전환 마우스의 일차 시각 피질의 2/3층에 주입했습니다. 바이러스 주사 후, 주사 부위의 뇌 표면에 두개골 창을 설치했습니다. 수술 4주 후 깨어 있는 생쥐의 생체 내 이광자 이미징은 신경 활동과 소교세포 역학이 1초 미만의 시간 해상도에서 동시에 기록될 수 있음을 입증했습니다. 이 기술은 소교세포 역학과 신경 활동 사이의 조정을 밝힐 수 있으며, 전자는 말초 면역 상태에 반응하고 후자는 내부 뇌 상태를 암호화합니다.
신체의 내부 상태가 동물의 뇌 기능에 지속적으로 영향을 미친다는 증거가 늘어나고 있습니다 1,2,3,4,5. 따라서 뇌 기능에 대한 더 깊은 이해를 얻으려면 뇌의 신경교 세포가 말초의 생물학적 상태를 모니터링하고 정보를 뉴런에 전달하는 방법을 밝히는 것이 중요합니다.
뇌의 면역 세포인 미세아교세포는 시냅스 발달과 가소성에 관여하며, 이는 뇌의 신경 회로의 특성을 조각합니다 6,7,8,9. 예를 들어, Wake et al.의 선구적인 연구는 소교세포 과정이 마우스 신피질에서 뉴런 활동 의존적 방식으로 시냅스와 접촉하고 인공 허혈이 미세아교세포와 장기간 접촉한 후 시냅스 손실을 유발한다는 것을 입증했습니다10. Tremblay et al. 시각적 경험의 변화가 시냅스와의 소교 세포 상호 작용의 양식을 변화시킨다는 것을 발견했다. 일차 시각 피질(V1)의 수지상 척추 회전율이 양안 박탈에 의해 증가하는 중요한 기간 동안, 암흑 적응은 소교세포 과정의 운동성을 감소시키고 시냅스 틈새와의 접촉 빈도와 미세아교세포에 내포된 세포 개재물의 수를 모두 증가시킨다11. 이러한 결과는 소교세포 과정이 신경 활동과 주변 환경을 감지하여 신경 회로를 리모델링한다는 것을 시사합니다. 또한, 최근 연구에 따르면 소교세포 감시는 깨어 있는 상태와 마취된 상태 간에 차이가 있으며, 이는 생리학적 조건에서 뉴런-미세아교세포 통신을 조사하기 위해 깨어 있는 마우스를 사용한 실험의 중요성을 시사한다12.
생체 내 이광자 칼슘 이미징은 살아있는 동물13,14,15에서 동시에 수백 개의 뉴런에서 진행 중인 뉴런 발화를 반영하는 칼슘 역학을 기록하는 강력한 도구입니다. 뉴런의 칼슘 이미징은 일반적으로 빠른 뉴런 반응을 추적하기 위해 수 Hz 이상의 시간 분해능을 필요로 한다16,17. 대조적으로, 소교세포 역학을 추적하는 이전 연구에서는 0.1Hz 미만의 비교적 낮은 시간 분해능에서 소교세포 구조를 샘플링했습니다18,19,20. 최근의 한 연구에서는 뉴런-미세아교세포 통신을 이해하기 위해 동시 이광자 이미징을 적용했습니다21. 그러나 동적 소교 세포가 깨어있는 마우스에서 수 Hz 이상의 시간적 해상도로 주변 신경 활동에 어떻게 반응하는지는 여전히 불분명합니다. 이 문제를 해결하기 위해 우리는 깨어 있는 마우스에서 1Hz 이상의 시간 해상도를 가진 신경 활동과 소교세포 역학의 동시 생체 내 이광자 이미징 방법을 설명합니다. 이 방법을 사용하면 더 높은 프레임 속도(픽셀 프레임 크기가 512 x 512픽셀인 최대 30Hz)로 깨어 있는 마우스에서 안정적인 이미징을 달성할 수 있으며 미세아교세포의 감시 행동 또는 깨어 있는 마우스의 신경 활동과의 상호 작용을 조사하는 데 더 유리한 방법을 제공합니다.
모든 실험은 도쿄대학 의학연구과 의학부의 동물윤리위원회와 유전자 재조합 실험 안전성 위원회의 승인을 받아 그 지침에 따라 수행되었습니다.
1. 준비
2. AAV 주입
3. 두개골 창 이식
참고: 두개골 창 이식은 같은 날 AAV 주사 후에 이루어집니다.
4. 미세아교세포와 신경 칼슘 역학의 생체 내 이광자 이미징
우리는 이 프로토콜에 설명된 대로 8주령 CX3XR1-EGFP 형질전환 마우스의 V1에서 AAV 주사 및 두개골 창 이식을 수행했습니다. 수술 4주 후, 우리는 V1의 2/3층에서 R-CaMP 기반 신경 활동과 소교세포 역학에 대한 생체 내 이광자 이미징을 동시에 수행했습니다(그림 4 및 비디오 1). 이미징 동안, 마우스를 러닝 머신에 놓고 자유롭게 달릴 수 있도록했습니다. 이미지는 25x, 1.1NA 대물렌즈 및 GaAsP PMT를 사용하여 0.25μm/픽셀의 공간 해상도로 30Hz의 프레임 속도로 획득되었습니다. EGFP와 R-CaMP는 모두 1,000nm의 파장에서 여기되었고, EGFP 형광(525/50nm 방출 필터)과 R-CaMP 형광(593/46nm 방출 필터)이 동시에 수집되었습니다. 모션 아티팩트를 최소화하기 위해 수집된 데이터를 등록한 후 배경 노이즈를 줄이기 위해 4프레임마다 1프레임으로 평균화했습니다. 격자 시각적 자극을 마우스에 제시하고 뉴런과 개별 수지상 가시의 시각적 반응을 분석했습니다(그림 4D). 미세아교세포과정은 빠른 역동성을 보였고 10초 이내에 형태가 변했습니다(그림 4E 및 비디오 1). 논의 섹션에서 자세히 설명했듯이 AAV 주입이 실패했을 때 R-CaMP의 발현을 감지할 수 없었습니다. 수술이 성공적이지 않으면 EGFP와 R-CaMP의 신호를 관찰할 수 없었습니다.

그림 1: AAV 주입 . (A) 실리콘 튜브를 사용하여 유리 피펫을 26G Hamilton 주사기에 연결했습니다. (B) AAV 주입을 위한 설정. (C) AAV 용액은 수직 축에서 전방으로 60° 기울어진 유리 피펫을 통해 주입되었습니다. (D) 열린 두개골 절차의 개략도(3.3단계에서 설명됨). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 두개골 창 및 헤드 플레이트. (A) 두개골 창 이식의 개략도. (B) 맞춤형 헤드 플레이트가 사용되었습니다. 오른쪽 반구에서 촬영하려면 오른쪽에 짧은 팔을 사용해야 합니다. (C) 두개골 창과 이식된 머리 판이 있는 마우스의 등쪽 모습. (D) 그림 2C에 표시된 두개골 창의 고배율도. (E) 맞춤형 정위 기구로 고정된 마우스의 등쪽 모습. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 생체 내 이광자 이미징을 위한 설정. (A) 차광 장치의 등쪽 모습. (B) 차광 장치의 측면도. (C) 대물 렌즈 아래 헤드 플레이트에 음영 장치가 있는 마우스의 모습. 마우스는 러닝 머신에 놓입니다. (D) 이광자 여기 현미경으로 봅니다. 시각적 자극을 나타내는 모니터가 그림의 오른쪽에 배치됩니다. 대물 렌즈는 모니터에서 대물 렌즈로 빛을 피하기 위해 음영 장치와 검은색 알루미늄 호일로 덮여 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: 수지상 척추의 소교세포 역학 및 시각적 반응. (A-C) 12주 된 CX3XR1-EGFP 형질전환 마우스에서 V1의 레이어 2/3에 있는 EGFP(+) 미세아교세포 및 R-CaMP(+) 뉴런의 시간 평균 이미지. 각 채널에서의 신호 강도는 독립적으로 정규화되었다. (D) 수지상 척추의 시각적 반응. 검은색 화살표가 있는 줄무늬 다이어그램은 회색 열로 표시된 타이밍에 표시된 격자 자극의 방향을 나타냅니다. 칼슘 미량에서 회색 선은 개별 반응을 나타내고 검은 색 선은 평균을 나타냅니다. 오른쪽 삽입물에서 노란색 화살촉은 칼슘 미량을 획득하기 위해 관심 영역(ROI)이 생성된 수지상 척추를 나타냅니다. (E) 소교세포과정(청록색 화살촉)은 10초 만에 빠른 후퇴를 보였다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
비디오 1: 신경 활동 및 소교세포 역학의 이광자 이미징. 12주 된 CX3XR1-EGFP 형질전환 마우스에서 V1의 레이어 2/3에 있는 EGFP(+) 미세아교세포 및 R-CaMP(+) 뉴런의 이미징 데이터. 영화의 왼쪽에서 자홍색은 뉴런의 R-CaMP를 나타내고 녹색은 미세아교세포의 EGFP를 나타냅니다. 동영상의 중앙은 EGFP 신호에 해당하고 오른쪽은 R-CaMP 신호에 해당합니다. 각 채널에서의 신호 강도는 독립적으로 정규화되었다. 동영상의 프레임 속도는 실제 속도보다 40배 빠릅니다. 스케일 바 = 10 μm 이 비디오를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
저자는 공개 할 것이 없습니다.
여기에서 우리는 깨어 있는 마우스에서 소교세포 역학과 신경 활동의 동시 이미징을 위해 아데노 관련 바이러스 주입과 두개골 창 이식을 결합한 프로토콜을 설명합니다.
바이러스 벡터를 제공해 주신 Masashi Kondo 박사와 Masanori Matsuzaki 박사에게 감사드립니다. 이 연구는 과학 연구 보조금 (20H00481, 20A301, 20H05894, 20H05895 to S.O.), 일본 의학 연구 개발기구 (JP19gm1310003 및 JP17gm5010003 - SO 및 JP19dm0207082 - HM), UTokyo Center for Integrative Science of Human Behavior (CiSHuB), 일본 과학 기술청 Moonshot R &D (JPMJMS2024 - HM), 뇌 과학 재단 (H. M.에게).
| 10인치 LCD 모니터 | EIZO | DuraVision FDX1003 | 그레이팅 시각 자극을 제시하기 위해 |
| 26G Hamilton 주사기 | Hamilton | 701N | |
| 27G 바늘 | Terumo | NN-2719S | |
| AAV-hSyn-R-CAMP1.07 | N/A | N/A | Matsuzaki 교수님의 연구실에서 친절하게 선물되었습니다 |
| 활성탄 가루 | Nacalai tesque | 07909-65 | |
| 블랙 알루미늄 호일 | THORLABS | BKF12 | |
| CX3CR1-EGFP 마우스 | 잭슨 실험실 | IMSR_JAX: 005582 | CX3CR-1EGFP/+ 내인성 Cx3cr1 locus의 제어 하에 뇌의 미세아교세포에서 EGFP를 발현하는 넉인/녹아웃 마우스. |
| DENT SILICONE-V | Shofu Inc | N/A | 헤드 플레이트에 차광 장치 부착용 |
| 치과 시멘트(퀵 레진, 액체) | Shofu Inc | N/A | AB |
| 치과 시멘트(퀵 레진, 분말) | Shofu Inc | N/A | B 컬러 3 |
| 드릴 | Toyo Associates | HP-200 | |
| 유리 모세관 피펫 | Drummond Scientific Company | 2-000-075 | |
| 유리 디스크 (대) | Matsunami | N / A | 직경 4mm, 0.15 & 두께 0.02mm |
| 유리 디스크 (소) | Matsunami | N/A | 직경 2mm, 0.525± 두께 0.075mm |
| 헤드 플레이트 | 사용자 정의 | N / A | 재질 : SUS304, 두께 : 0.5mm, 모양은 그림 2B 참조 |
| 지혈 섬유 | Davol Inc | 1010090 | |
| ImageJ 피지 소프트웨어 | 무료 소프트웨어 | 데이터 등록 | |
| 용 인스턴트 접착제 (아론 알파) | Daiichi Sankyo | N / A | |
| Isoflurane | Pfizer | N / A | |
| 리도카인 | 아스트라제네카 | 해당 없음 | |
| MATLAB 2017b | 매스웍스 | 해당 없음 | 데이터 등록 및 처리용 |
| Meloxicam | Tokyo Chemical Industry | M1959 | |
| 마이크로인젝터 | KD Scientific | KDS-100 | |
| 마이크로피펫 풀러 | Sutter Instrument Company | P-97 | |
| 다광자 여기 현미경 | NIKON | N/A | 상업명은 "A1MP+"입니다. |
| 대물 렌즈 | NIKON N | /A | 상업명은 "CFI75 apochromat 25xC W"입니다. |
| 파라핀 액체 | Nacalai tesque | 26132-35 | |
| Psychtoolbox | 무료 소프트웨어 | 격자 시각적 자극 | |
| 음영 장치 | 발표 사용자 정의 | N / A | |
| 실체 현미경 | 라이카 | M165 FC | |
| 입체 운동 기구 | Narishige 과학 기기 | SR-611 | 수술 |
| 입체 요법 기기 | 사용자 정의 | N / A | 2 광자 현미경 마 |
| 개 | ISIS | VXB1079 | |
| 수술 용 실크 | Ethicon | K881H | |
| 디딜 방아 | 사용자 정의 | N / A | |
| UV 광 경화제 | Norland Products Inc | NOA 65 | |
| 기화기 | Penlon | Sigma Delta | 마취 기계 |