2020년 7월 9일
이 프로토콜은 흡광도 전압에 민감한 염료 및 포토다이오드 어레이를 사용하여 비 형이상무척추동물 종의 단일 세포 분해와 신경 인구 활성을 이미징하는 방법을 제시한다. 이 접근 방식을 통해 하루 동안 이미징 및 분석을 추구할 수 있는 빠른 워크플로우가 가능합니다.
이 기사는 포토다이오드 어레이와 전압에 민감한 염료를 사용하여 많은 수의 뉴런의 활동 전위를 동시에 기록하는 방법에 대한 자세한 설명을 나타냅니다. 간접적인 신경 활동의 칼슘 이미징과 비교했을 때, 우리가 사용하는 전압 민감성 염료는 날카로운 전극 기록과 직접적으로 유사하지만 많은 뉴런에 걸쳐 동시에 활동 전위를 기록합니다. 당사의 광학 이미징 워크플로우는 다양한 비형질전환 무척추동물 및 척추동물 시스템에서 단일 뉴런 및 단일 활동 전위 해상도로 네트워크 활동을 신속하게 시각화하도록 조정할 수 있습니다.
또한, 프로토콜의 절차를 시연하는 사람은 제 연구실의 Evan Hill이 맡을 것입니다. 40g의 Aplysia californica 동물을 마취하고 왁스를 칠한 해부 접시에 복부 쪽이 위로 향하도록 고정하는 것으로 시작합니다. 해부 가위를 사용하여 발의 가장 앞쪽을 따라 2-3cm 깊이의 정중선을 절개하고 절개 부위 양쪽에 있는 발판을 고정하여 중추신경계와 협측 종괴의 일부를 드러냅니다.
집게와 해부 가위를 사용하여 협측 덩어리를 조심스럽게 절개하여 대뇌신경절을 드러내고, 동물의 몸에 신경을 분포시키는 신경을 절단하여 중추 신경계를 절제하여 긴 길이의 신경을 자극합니다. 미뉴티안 핀을 사용하여 식염수가 채워진 엘라스토머가 늘어선 접시에 중추 신경계를 배치하고 펠티에 냉각 장치를 통과한 식염수를 접시에 관류하여 준비 온도를 섭씨 15-16도로 유지합니다. 겸자와 현미해부 가위를 사용하여 신경에서 과도한 결합 조직을 제거하고 이미지를 촬영할 신경절 또는 신경절에 있는 초집의 표재성 부분을 절개합니다.
그런 다음 세척한 중추신경계를 식염수 중 0.5%글루타르알데히드 용액에 20초 동안 담근 후 중추신경계를 식염수가 관류된 엘라스토머가 늘어선 접시에 다시 넣어 과도한 글루타르알데히드를 헹굽니다. 전압에 민감한 염료의 작업 용액을 준비하려면 이전에 준비된 RH 155의 고체 분취액에 500마이크로리터의 식염수를 추가하여 밀리리터당 0.3mg의 최종 염료 농도를 달성합니다. 그리고 휴대용 마이크로 디스펜서를 사용하여 염색할 신경절과 비슷한 직경의 폴리에틸렌 튜브 조각에 200마이크로리터의 용액을 로드합니다.
마이크로매니퓰레이터를 사용하여, 관의 끝을 표적 신경절 위에 조심스럽게 놓고, 신경절 위에 꼭 맞는 밀봉을 형성할 때까지 관을 내립니다. 마이크로 디스펜서 어플리케이터 손잡이를 한 시간 동안 5분마다 돌려 신경절에 더 많은 염료를 묻히도록 하고, 30분 후에 샘플을 확인하여 적절한 염색이 이루어지고 있는지 확인합니다. 염색 후 조명을 어둡게 유지한 상태에서 식염수 함유 이미징 챔버에서 제제를 배치할 왼쪽과 오른쪽에 적절한 완충 물질을 배치한 다음 중추 신경계를 챔버에 담그십시오.
적당한 크기의 커버슬립 조각을 조직 위로 누르고 커버슬립을 단단히 눌러 뉴런을 손상시키지 않고 조직을 평평하게 만듭니다. 그런 다음 이미징 챔버를 해부 현미경 아래에 놓습니다. 가상의 운동 프로그램을 유도하기 위해 신경을 자극하는 경우, PE100 폴리에틸렌 튜빙 세그먼트를 화염 위에서 조심스럽게 녹이면서 튜빙 세그먼트의 양쪽 끝을 부드럽게 당기고 원하는 지점에서 결과 테이퍼를 자릅니다.
다음으로, 두꺼운 벽의 유연한 폴리머 튜브를 폴리에틸렌 흡입 전극의 뒤쪽 끝에 부착합니다. 그런 다음 입 부분을 사용하여 음압을 생성하고 흡입 전극의 가늘어진 끝을 통해 소량의 식염수를 끌어들입니다. 현미경으로 자극할 신경의 끝을 전극으로 끌어당겨 전극의 식염수에 전기 전도를 방해할 수 있는 기포가 없는지 확인합니다.
신경절의 이미징을 위해, 챔버를 이미징 리그로 이동하고 레코딩 챔버를 통해 식염수 관류를 시작합니다. 제제 근처에 온도 프로브를 놓고 이미지화되는 종에 맞게 온도를 설정합니다. 하나의 염화은 와이어를 흡입 전극 아래에 놓고 전극의 식염수와 접촉하는지 확인하고 은 염화 은선을 흡입 전극 근처의 목욕 식염수에 놓습니다.
침수 렌즈를 식염수로 낮추고 베이스 다이어프램을 닫습니다. 서브 스테이지 콘덴서를 올리거나 내리고 다이어프램의 가장자리가 선명한 초점이 맞춰질 때까지 초점을 조정하여 Kohler 조명을 생성합니다. 이미지화할 준비물의 영역에 초점을 맞추고 동초점 디지털 카메라로 관심 신경절의 이미지를 획득합니다.
제어판 게인 스위치를 1X로 설정하고 휴면 광 강도 버튼을 클릭하여 다이오드의 평균 휴면 광 강도를 확인합니다. 볼륨을 조정하십시오.tage 자극기에서 LED 램프 전원 공급 장치로 전송된 e 레벨을 선택하고 원하는 범위에 도달할 때까지 평균 휴안광 강도 수준을 계속 확인합니다. 그런 다음 녹음을 위해 제어판 게인 스위치를 100X로 설정하고 스프링 또는 에어 테이블이 떠 있는지 다시 확인하십시오.
조명이 여전히 어둡게 표시된 상태에서 이미징 소프트웨어에서 파일 길이, 경로 및 이름을 설정하고 데이터 가져오기를 클릭하여 컴퓨터의 사용 가능한 RAM 용량까지 파일을 가져옵니다. 작은 진동으로 인해 광 기록 데이터에 큰 아티팩트가 발생할 수 있으므로 녹음하는 동안 가만히 있지 않도록 주의하십시오. 수집 직후 데이터를 보려면 중첩 기능을 사용하여 464개의 다이오드 모두가 수집한 데이터를 신경절 이미지 위에 중첩하고 소프트웨어에 표시된 다이오드 중 하나를 클릭하여 기록된 데이터를 별도의 추적 화면에서 확장하십시오.
준비물과 관련하여 다이오드를 정확하게 정렬하려면 핀홀 테스트에 의해 결정된 X, Y 및 배율 계수를 입력합니다. 활동 전위 가시성을 극대화하고 후속 스파이크 정렬을 위한 뉴런 수율을 개선하려면 5 및 100 헤르츠 컷오프가 있는 대역 통과 버터워스 필터를 적용하여 저주파 잡음과 고주파 잡음을 모두 제거합니다. 후속 분석을 위해 필터링된 광학 데이터를 텍스트 파일로 저장하려면 페이지 화면에서 TP 필터 상자를 선택합니다.
그리고 출력 탭에서 페이지를 ASCII로 저장을 선택합니다. 그런 다음 나타나는 대화 상자에 적절한 파일 이름을 입력합니다. 불가사리 포식자와의 피부 접촉은 트리토니아 디오메디아의 탈출 수영을 유발하여 리드미컬한 일련의 전신 굴곡으로 구성되어 안전한 곳으로 밀어냅니다.
이 그림에는 페달 신경 3의 자극 전, 자극 중 및 후의 활동을 기록하는 20개의 다이오드의 원시 및 필터링된 데이터가 표시됩니다. 수집 직후, 기록 어레이의 모든 464 다이오드에 의해 측정된 신호는 이미징 소프트웨어의 준비 이미지 위에 지형적으로 표시될 수 있습니다. 이 분석에서 필터링된 다이오드 트레이스를 독립 구성 요소 분석(ICA)으로 스파이크하여 정렬하면 53개의 고유한 뉴런 트레이스가 생성되었으며 그 중 30개가 여기에 표시되어 있습니다.
Aplysia californica에 대한 강한 혐오감의 꼬리 자극은 동물을 빠르게 앞으로 빠르게 움직이게 하는 머리 돌진과 꼬리 당기기의 여러 주기의 질주 기간과 그 후의 기어 다니는 기간으로 구성된 두 부분으로 구성된 리드미컬한 탈출 반응의 반복적인 파동을 이끌어냅니다. 이 대표적인 분석에서는 20분 동안 연속으로 광학 녹음을 한 후 페달 신경 9를 자극하여 질주 크롤링 운동 프로그램 시퀀스를 유도했습니다. 기록된 81개의 모든 뉴런에서 나온 신호의 확률론적 가우스 공간 분포는 신경절에 매핑되었습니다.
전체 녹음에 적용된 차원 축소는 탈출 프로그램의 질주 및 크롤링 단계가 주요 구성 요소 공간에서 별개의 영역을 차지하고 다른 궤적을 형성한다는 것을 보여주었습니다. 이 프로토콜을 시도할 때 중요한 고려 사항에는 염색 최적화, 진동 최소화, 염료의 광표백을 최소화하면서 준비물을 통해 PDA로 충분한 빛을 라우팅하는 것이 포함됩니다. 모집단 수준 네트워크 통찰력을 드러낸 획득 후 분석의 예로는 비지도 학습 알고리즘의 합의 클러스터링을 통한 기능적 앙상블 감지와 주성분 분석을 사용한 차원 축소가 있습니다.
당사의 포토다이오드 어레이 기반 이미징 시스템과 흡수성 전압 민감 염료 사용을 결합하면 장기간에 걸친 동적 네트워크 진화를 모니터링할
수 있습니다.본 연구는 무척추동물에서 단일 세포 해상도로 신경 세포 군 활동을 영상화하는 방법을 제시합니다. 특히 전압 민감 염료와 포토다이오드 어레이를 사용합니다. 이 기술을 통해 하루 안에 여러 뉴런 내의 네트워크 활동을 신속하게 시각화할 수 있습니다.
This method enables direct, high-resolution monitoring of neuronal network dynamics in non-transgenic species, supporting comparative neuroscience and target validation in preclinical models. By capturing action potentials across dozens of neurons simultaneously, it provides mechanistic de-risking for neurotherapeutic discovery. The approach enhances predictive confidence in early-stage screening by linking network activity to behaviorally relevant outputs.
The method integrates into early discovery workflows by transforming raw optical data into network-level insights through spike sorting and dimensionality reduction, enabling hypothesis-driven screening campaigns.