신피질(neocortex)의 일차 감각 영역은 발달 과정에서 독특한 자발적 활동을 보입니다. 이 기사에서는 생체 내 신생아 마우스의 영역별 동기 활동을 분석하기 위해 개별 뉴런 활동과 주요 감각 영역을 시각화하는 방법을 설명합니다.
방법 논문
* These authors contributed equally
신피질(neocortex)의 일차 감각 영역은 발달 과정에서 독특한 자발적 활동을 보입니다. 이 기사에서는 생체 내 신생아 마우스의 영역별 동기 활동을 분석하기 위해 개별 뉴런 활동과 주요 감각 영역을 시각화하는 방법을 설명합니다.
포유류의 뇌는 출생 전과 출생 후 기간 동안 세포 수준과 회로 수준 모두에서 역동적인 발달 변화를 겪습니다. 이러한 발달 변화에 기여하는 수많은 유전자의 발견에 따라, 이제 신경 세포 활동도 이러한 과정을 실질적으로 조절하는 것으로 알려져 있습니다. 발달 중인 대뇌 피질에서 뉴런은 각 주요 감각 영역에 특화된 동기화된 활동 패턴을 나타냅니다. 이러한 패턴은 성숙한 피질에서 관찰되는 것과 현저하게 다르며, 영역 특이적 발달 과정을 조절하는 역할을 강조합니다. 발달 중 신경 활동의 결핍은 다양한 뇌 질환으로 이어질 수 있습니다. 이러한 발견은 신경 발달의 활동 패턴의 기저에 있는 조절 메커니즘을 조사할 필요성을 강조합니다. 이 논문은 신생아 마우스의 주요 감각 영역과 신경 세포 활동을 시각화하고, 생체 내에서 이광자 현미경을 사용하여 대뇌 피질 하위 필드 내 개별 뉴런의 활동을 이미지화하고, 하위 필드 관련 활동 상관 관계를 분석하기 위한 일련의 프로토콜을 요약합니다. 우리는 체성 감각 피질의 개별 배럴 내에서 패치워크와 같은 동기 활동의 대표적인 결과를 보여줍니다. 또한 다양한 잠재적 응용 프로그램과 이 프로토콜의 몇 가지 제한 사항에 대해서도 설명합니다.
대뇌 피질에는 뚜렷한 기능을 가진 여러 감각 영역이 있습니다. 영역은 해당 감각 기관에서 시작된 입력을 받으며, 대부분 척수 또는 뇌간을 통해 전달되고 시상 1,2을 통해 전달됩니다. 주목할 만한 점은, 각 주요 감각 영역의 뉴런은 초기 발달 단계에서 독특하게 동기화된 활동을 보이는데, 이는 또한 감각 기관 또는 하부 신경 중추에서 시작되지만, 성숙한 피질에서 관찰되는 활동과는 본질적으로 다르다3.
예를 들어, 신생아 설치류에서 주요 시각 영역(V1)은 망막(망막파)에서 시작되어 망막근두근을 보존하면서 전체 시각 경로를 통해 전파되는 파동과 같은 활동을 나타냅니다4. 일차 청각 영역(A1)은 성숙한 뇌의 등주파 대역에 해당하는 띠 모양의 하위 영역으로 조직된 동기 활동을 나타냅니다. 이 활동은 달팽이관의 내부 유모 세포(inner hair cells) 5,6에서 발산됩니다. 일차 체성 감각 영역(primary somatosensory area, S1)에 있는 배럴 피질(barrel cortex)은 개별 배럴 내의 레이어 4 뉴런, 즉 개별 수염에 반응하는 뉴런이 동시에 활성화되는 패치워크와 같은 활동 패턴을 보여준다7. 삼차신경절(trigeminal ganglion)에서 유래한 것으로 제안되었지만, 활동의 원인은 알려져 있지 않다7. 결과적으로, 신생아 활동 패턴은 각 주요 감각 영역과 영역 내 하위 영역 내에서 전문화됩니다. 신경 활동과 주요 감각 영역의 구조를 동시에 시각화하면 이러한 활동 패턴이 감각 시스템의 발달에 기여하는 바에 대한 조사를 용이하게 할 수 있습니다.
이 기사에서는 일련의 프로토콜을 요약했습니다: (1) 시상피질 축삭돌기7에서 적색 형광 단백질을 발현하는 TCA-RFP 마우스를 사용하여 GCaMP 및 일차 감각 영역의 희소 라벨링을 사용하여 개별 신경 세포 활동을 시각화하고, (2) 생체 내에서 이광자 현미경을 사용하여 신생아 마우스의 단일 세포 수준 활동을 이미지화합니다, (3) S1 배럴 피질 내의 활동 상관 관계를 분석합니다. 대표적인 결과는 출생 후 일(P)6 마우스의 개별 배럴 내에서 패치워크와 같은 동기화된 활동을 보여줍니다. 몇 가지 제한 사항에도 불구하고 이 기술은 만성 이미징, 여러 감각 영역에 걸친 광시야 이미징 및 다양한 조작 실험에 사용할 수 있습니다. 발달 중 신경 세포의 활동에 대한 다면적인 분석은 뇌 회로 형성 메커니즘에 대한 우리의 이해를 풍부하게 할 것입니다.
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모든 실험은 구마모토 대학과 국립 유전학 연구소의 동물 실험 지침에 따라 실시하고 동물 실험위원회의 승인을 받았습니다.
1. 자궁 내 전기천공법(IUE)
2. 두개골 창 수술
3. 이광자 칼슘 이미징
4. 분석
(1)액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
그림 1은 본 프로토콜을 사용하여 시각화된 P6 새끼의 배럴 피질에서 레이어 4 뉴런 활동의 대표적인 결과를 보여줍니다. 녹색 채널(GCaMP)과 적색 채널(TCA-RFP)의 2광자 이미지를 시간적으로 평균화하여 그림 1A에 표시했습니다. TCA-RFP 형광은 GCaMP 형광보다 훨씬 약했기 때문에 GCaMP 신호가 적색 채널로 누출되었습니다(그림 1A1,A2). 14개의 ROI는 GCaMP 발현 뉴런에서 도출되었습니다(그림 1A,4). RFP 이미지는 충분히 선명했지만(그림 1A2) 배럴 가장자리를 보다 정확하게 정의하기 위해 단광자 컨포칼 현미경으로 촬영한 100μm 두께의 접선 슬라이스에서 얻은 z ...
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자발적인 활동이 감각기관 또는 하부신경계에서 발생하여 성숙한신경계3와 동일한 경로를 통해 일차 감각 영역으로 이동한다는 점을 감안할 때, 주요 감각 영역과 해당 영역 내에서 이미지화된 뉴런의 위치를 정의하는 것이 중요하다. 이 프로토콜에서는 시상피질 축삭돌기(thalamocortical axons)와 GCaMP를 드문드문 발현하는 초신성 시스템(Supernova system)을 시각화하는 형질전환 마우스를 사용하여 이 요구 사항을 해결했다8. 이러한 기술을 통해 각 감각 영역뿐만 아니라 영역 내 하위 영역 내의 활동 패턴을 분석할 수 있었으며, 이는 감각 시스템의 발달 메커니즘을 조사하는 수단을 제공했습니다.
이 프로토콜은 S1 배럴 영역 내에서 패치워크와 같은 활동을 관찰하는 방법을 요약하지만, V17...
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저자는 선언할 경쟁 재정적 이해관계가 없습니다.
이 연구는 일본 과학 진흥 협회(Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Transformative Research Areas (B))(22H05092, 22H05094) 및 과학 연구 보조금 20K06876, AMED(보조금 번호 21wm0525015), 다케다 과학 재단, 나이토 재단, 가토 기념 생명과학 재단, 고와 생명 과학 재단, NIG-JOINT(24A2021) (H.M.까지)의 지원을 받았습니다. 일본 과학 진흥 협회 과학 연구 보조금 19K06887 및 22K06446, 고다마 의학 연구 기념 기금, 우에하라 기념 재단, 가토 기념 생명 과학 재단 및 다케다 과학 재단 (N.N-T.). TCA-RFP 마우스에 대해 Takuji Iwasato 박사에게 감사드립니다.
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| 흡인기 튜브 어셈블리 | Drummond | 2-040-000 | |
| CaCl2• 2H2O | Nacalai | 06731-05 | |
| Electroporator | BEX | GEB14 | |
| 안약(Scopisol) | Senju Pharmaceutical | N/A | |
| 형광 실체 현미경 | Leica | M165FC | |
| Glucose | Nacalai | 16806-25 | |
| 가열 패드 | Muromachi Kikai | FHC-HPS | |
| HEPES | Gibco | 15630-080 | |
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| KCl | Nacalai | 28514-75 | |
| MgSO4• 7H2O | Wako | 131-00405 | |
| 마이크로피펫 풀러 | Narishige | PC-100 | |
| 다광자 레이저 | Spectra-Physics | Mai Tai eHP DeepSee | |
| 다광자 현미경 | Zeiss | LSM 7MP | |
| NaCl Nacalai | 31320-05 | ||
| 부직포(Kimwipe) | Kimberly Clark | S-200 | |
| 인산염 완충 식염수 (PBS) | Nacalai | 27575-31 | |
| 플라스미드 : CAG-loxP-STOP-loxP-GCaMP6s-ires-tTA-WPRE | Addgene | pK175 | |
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