We beschrijven een gevestigde techniek om te meten en geur-opgeroepen calcium antwoorden te analyseren in de antennaal kwab van het leven Drosophila melanogaster.
Methodenartikel
We beschrijven een gevestigde techniek om te meten en geur-opgeroepen calcium antwoorden te analyseren in de antennaal kwab van het leven Drosophila melanogaster.
De antennaal kwab is het primaire olfactorische centrum in de hersenen insecten en vertegenwoordigt de anatomische en functionele equivalent van de gewervelde bulbus olfactorius 1-5. Olfactorische informatie in de buitenwereld wordt doorgegeven aan de antennaal lob van olfactorische sensorische neuronen (OSNs), die tot verschillende regio's van neuropil genoemd glomeruli te scheiden op basis van de specifieke olfactorische receptor ze uit te drukken. Hier kunt OSN axonen synaps met zowel lokale interneuronen (LNS), waarvan de processen innerveren veel verschillende glomeruli, en projectie neuronen (PNS), die olfactorische informatie over te brengen naar hogere olfactorische gebieden van de hersenen.
Optische beeldvorming van de activiteit van OSNs, LNS en PN in de antennaal kwab - van oudsher gebruik van synthetische calcium-indicatoren (bijvoorbeeld calcium groen, Fura-2) of voltage-sensitieve kleurstoffen (bijv. RH414) - is al lang een belangrijke techniek om te begrijpen hoe olfactorische stimuli worden voorgesteld als ruimtelijke en temporele patronenvan de glomerulaire activiteit in vele soorten insecten 6-10. Ontwikkeling van genetisch gecodeerde neurale activiteit reporters, zoals fluorescerende calcium indicatoren G-CAMP 11,12 en Cameleon 13, bioluminescerende calcium indicator GFP-aequorine 14,15 of een reporter van synaptische transmissie is synapto-pHluorin 16 gemaakte olfactorisch systeem van de fruitvlieg, Drosophila melanogaster, in het bijzonder toegankelijk voor neurofysiologische beeldvorming, in aanvulling op zijn uitvoerig beschreven-moleculaire, elektrofysiologische en neuroanatomische eigenschappen 2,4,17. Deze reporters kunnen selectief worden uitgedrukt via binaire transcriptionele controle systemen (bijvoorbeeld GAL4/UAS 18, LexA / LexAop 19,20, Q-systeem 21) in gedefinieerde populaties van neuronen in de olfactorische circuits te ontleden met een hoge ruimtelijke en temporele resolutie hoe geur-opgeroepen neurale activiteit is vertegenwoordigd, gemoduleerd en getransformeerd 22-24 </ Sup>.
Hier beschrijven we de voorbereiding en analyse methoden om geur-reacties van de consument te meten in het Drosophila antennaal kwab met G-CAMP 25-27. Het dier preparaat minimaal invasieve en kan worden aangepast aan beeldvorming met breed gebied fluorescentie confocale en twee foton microscopen.
1. Montageblok Vergadering
2. Toebereiding van dieren
3. Geur Stimulus Levering
4. In vivo Imaging
5. Gegevensverwerking en-analyse
De gegevens worden verwerkt met behulp van ImageJ (met Mac biofotonica plug-in, www.macbiophotonics.ca ) en op maat geschreven programma's in Matlab en R als volgt:
6. Representatieve resultaten
We gebruikten de protocollen boven op te nemen en te analyseren propionzuur-reacties van de consument van vliegen te drukken G-CaMP1.6 28 onder de controle van de promotor voor de olfactorische co-receptor IR8a, die actief is in verschillende populaties van OSNs 29,30 ( figuren 3-5). Stimulatie met 1% propionzuur lokt stijging van de G-CAMP fluorescentie - met vermelding van toename van de intracellulaire calcium - in OSNs innerveren twee glomeruli, DC4 en DP1l (Figuur 3B). We illustreren verschillende manieren om die gegevens uit meerdere vliegen in Figuur 5: lijn sporen van activiteiten, heatmaps en een bar plot van piek reacties. Propionzuur-reacties van de consument hebben verschillende piek amplitudes en temporele dynamiek in DC4 en DP1l. En hoewel de reacties zijn over het algemeen robuust, kan variabiliteit tussen individuele dieren ook worden waargenomen in zowel de glomeruli (zie hijatmaps in figuur 5A). Kwantificering van de piek reacties (figuur 5B) laat een eenvoudige statistische vergelijking tussen glomeruli en verschillende geurstoffen in dieren. Echter, geur-opgeroepen calcium reacties hebben niet-uniforme temporele dynamiek, en het kwantificeren van de omvang met een enkele waarde zal deze complexiteit te negeren.

Figuur 1. Schema van het montageblok (A) voor en (B) na invoering van de vlieg en (C) een bovenaanzicht van dichtbij (naar 31).

Figuur 2. Schematische voorstelling van de experimentele set-up.

Figuur 3. (A) Bovenaanzicht van de vlieg preparaat na stap 2.8 (links) en ruwe fluorescentie beeld van de antennal lobben voorzien van G-CaMP1.6 (Genotype: IR8a promotor: GAL4; UAS: G-CaMP1.6). DC4 en DP1l glomeruli kan worden onderscheiden door hun morfologie, grootte en positie en zijn in het rood en blauw, resp.
(B) Gekleurde beeld van de reactie propionzuur (1% v / v). Het beeld overeen met de AF / F van de piek van de reactie berekend zoals beschreven in stap 5.6 (zie Figuur 5A). De colorscale aan de linkerkant geeft de% AF / F-waarde. De zwarte cirkels geven de positie en grootte van het gebied van belang gebruikt om de te kwantificeren (zie figuur 5).

Figuur 4. Corrigeren bleken van de fluorescerende reporter signaal. Voorbeelden van het effect van bleekmiddel correctie beschreven in stap 5.3. Voorbeeld van gegevens op het linker paneel kan worden gecorrigeerd zonder grote veranderingen in de vorm van de respons. Voorbeeld van gegevens op het rechterdeel wordt ernstige gevolgen hebben voored door bleekmiddel correctie, waarschijnlijk omdat het signaal wegvalt en wordt onderhouden onder de uitgangswaarden na de geur stimulus beëindiging.

Figuur 5 (A) Top. Tijd dynamiek van calcium reacties van glomeruli DC4 (links) en DP1l (rechts) propionzuur (1% v / v). De zwarte sporen tonen de mediaan van de gemiddelde AF / F in de regio van belang (zie figuur 3B) over acht dieren. Het grijze oppervlak geeft het verschil tussen de eerste en derde kwartielen van de verdeling. Presentatie van de mediaan en kwartiel waarden geeft meer informatie over de variabiliteit en de verdeling van de waargenomen respons dan de gemiddelde en de standaard fout. De groene en magenta vakken geven de gemiddelde frame naar de top reacties figuur 3B en gekwantificeerd in figuur 5B berekenen. Onder: de heatmaps tonen de respons gegevens voor alle individuele dieren in aparte rijen, met AF / F-waarden represented door de colorscale (uiterst rechts). De horizontale zwarte balken geven de tijd en duur van de stimulus. (B) De mediane piek reacties op propionzuur over acht dieren voor DC4 en DP1l glomeruli. De fout balken geven het bereik tussen de eerste en derde kwartiel van de verdeling.
De bereiding en analysemethoden hier beschreven worden gebruikt om de geur-reacties van analyseren een populatie van cellen in de antennaal nok (OSNs, LN en PN) die een corresponderende bestuurder transgen is. Terwijl beschrijven we de toepassing ervan met behulp van een fluorescentie microscoop, kunnen optische beeldvorming van deze voorbereiding ook worden uitgevoerd met behulp van confocale of twee-foton microscopie 22,32. Inderdaad laatstgenoemde instrumenten verlichten lichtverstrooiende probleem breed microscopie, waardoor de resolutie van beelden te verminderen, vooral wanneer grote aantallen neuronen drukken de reporter. Deze voorbereiding meestal opnames van geur-reacties van de consument toelaat voor minstens een half uur, maar deze keer kan aanzienlijk langer of korter zijn, afhankelijk van het aantal en de lengte van de geregistreerde metingen, de belichtingstijd voor elk frame en de inter-stimulus interval. Bovendien kunnen twee foton excitatie verminderen fotobleken van de fluorescerende reporter alsmede cellulaire fototoxiciteit, de meting mogelijk gedurende langere perioden 22,32.
Ongeacht de keuze van de microscoop, de verplaatsing van de vlieg hersenen in het hoofd capsule is het meest voorkomende probleem bij beeldvorming in intacte dieren. Terwijl de beweging correctie kan corrigeren kleine problemen (stap 5.1), is het meestal beter alleen om op te nemen van zeer stabiele preparaten. Strategieën om bewegingsartefacten te verminderen zijn onder meer: (i) de juiste beperken van de proboscis van de vlieg met de cactus wervelkolom, (ii) het immobiliseren van de vlieg de benen door de vaststelling van hen om het podium met eicosaan (voor 2,6 stap) (eicosaan kan worden gesmolten bij ~ 37 ° C; gebruik maken van een zilveren draad uit te breiden en te verfijnen de punt van de soldeerbout voor dit doel), (iii) inkeping de slokdarm (zichtbaar tussen de antennaal zenuwen) met fijne pincet.
Naast G-CaMP1.6 gebruikt, een aantal geoptimaliseerde versies van G-cAMP en andere calcium indicatoren zijn,die verschillen in hun signaal-ruisverhouding, baseline fluorescentie en temporele dynamiek 12,28,33. De precieze keuze van de sensor moet rekening houden met alle van deze eigenschappen, het type van neuronen te analyseren en de biologische vraag worden aangepakt. De huidige sensoren melden calcium veranderingen die vrij goed correleren met actiepotentialen 12,34, en de verdere verbetering, in combinatie met een toenemend aantal specifieke genetische bestuurder lijnen 35 zal blijven om het potentieel van optische beeldvorming van neurale activiteit in het intacte vliegen te verbeteren.
De auteurs hebben niets te onthullen.
Wij erkennen Silke Sachse en Beate Eisermann in de ontwikkeling van deze methodiek, Pablo Traversa voor het tekenen van het montageblok blauwdrukken en Daniela Pelz voor het gebruik van het schema in figuur 1. We zijn dankbaar voor Silke Sachse, Pavan Ramdya en Raphael Rytz voor commentaar op het manuscript. R. Bell wordt ondersteund door een Boehringer Ingelheim Stichting PhD Fellowship. Onderzoek in het laboratorium van R. Benton's wordt gefinancierd door een European Research Council Starting Independent Researcher Grant en de Zwitserse National Science Foundation.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Reagens | Leverancier | Catalogusnummer | Reacties |
| Cactus wervelkolom | Tuincentrum | ~ 7mm lange dunne, niet te flexibel | |
| Hars | String instrument winkel | ||
| Twee componenten silicium | WPI | KWIK-SIL | |
| Op maat gemaakte plexiglas montageblok | Blauwdrukken die beschikbaar zijn vanaf http://neuro.uni-konstanz.de/j ove_mountingblock_blueprint / | ||
| Koper roosters | Athene Grids | G220-5 | Meestal gebruikt voor elektronenmicroscopie monsters. |
| Schroeven | Bouwmarkt | 2 mm diameter | |
| Kunststof dekglaasjes | Plano-em | L4193 | 22 X 22 mm |
| Soldeerbout tips | Conrad | 830283-62 | |
| Gereglementeerde voeding | Conrad | 511407-62 | |
| Dunne draad | Isabellenhütte | Isa-ohm | 0,013 mm |
| Eicosaan | Sigma | 21,927-4 | |
| Microscoop | Zeiss | Axioexaminer D1 | |
| CCD camera | Visitron | CoolSNAP HQ | |
| Metafluor | Visitron | Acquisitie software | |
| Monochromator | Visitron | Visichrome | |
| Breekbare bladen | Fine Science Tools | 10050-00 | |
| Houder voor mes | WPI | 14134 | |
| Sapphire mes | WPI | 500314 | Dubbel gezoomd mes 1mm |
| Membraan gas pompen | KNF Neuberger AG | NMP 830 KVE | |
| Sapphire meshouder | WPI | 500317 | |
| Drie weg klep | Lee Company | LFAA1200118H | Configuratie E |
| Rotameter 500 ml / min | Analyt-MTC | 112-08SA | |
| Rotameter 5 L / min | Analyt-MTC | 102-08SA | |
| Bijenwas | Siladent Technik | 209212 | ; |
| Cellulose pad | Kettenbach Medische | 31003 | |
| Pincet | Plano-em | T5130 | Dumont biologie # 5 |
| Spuiten | BD | 300928 | 2ml, Discardit II, 2pieces |
| Naalden | Braun Sterican | 4665120 | 1,2 mm OD |