Hier presenteren we een gedetailleerd protocol om neurale activiteit te onderzoeken in hersengebieden van transgene zebravissen die GCaMP-calciumindicatoren tot expressie brengen met behulp van confocale microscopie.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Hier presenteren we een gedetailleerd protocol om neurale activiteit te onderzoeken in hersengebieden van transgene zebravissen die GCaMP-calciumindicatoren tot expressie brengen met behulp van confocale microscopie.
Zebravislarven zijn een veelbelovend modelsysteem voor gewervelde dieren voor het bestuderen van de neurale mechanismen van gedrag. Hun doorschijnendheid en relatief eenvoudige neurale circuits vergemakkelijken het gebruik van optogenetische technieken bij cellulaire analyses van gedrag. Fluorescerende indicatoren van in vivo neurale activiteit, zoals GCaMP6's, zijn op grote schaal gebruikt om de neurale activiteit te bestuderen die verband houdt met eenvoudig gedrag bij larvale zebravissen. Hier presenteren we een protocol voor het detecteren van sensorische geïnduceerde activiteit in semi-ingeperkte zebravislarven met behulp van de transgene lijn Tg(elav3:GCaMP6s). In het bijzonder gebruiken we het chemische middel allylisothiocyanaat om een robuuste, reproduceerbare fluorescentierespons te induceren in een hersengebied op de grens van de achterhersenen en het ruggenmerg. We bespreken de mogelijke toepassingen van GCaMP6's voor optische monitoring van neurale activiteit tijdens een reeks gedragsparadigma's en de beperkingen van deze techniek. Ons protocol schetst een toegankelijke aanpak voor het monitoren van dynamische, gedragsgerelateerde in vivo neurale activiteit in de hersenen van de larvale zebravis.
Zebravissen vertegenwoordigen een diermodel van gewervelde dieren met traceerbaarheid voor gedetailleerd cellulair-moleculair neurobiologisch onderzoek. Larvale zebravissen bezitten ~100.000 neuronen 5 dagen na de bevruchting (dpf), aanzienlijk minder dan de hersenen van zoogdieren. Bovendien zijn zebravissen relatief doorschijnend, een eigenschap die optische studies van neurale structuur en functie mogelijk maakt 1,2,3,4,5. Er zijn verschillende optogenetische hulpmiddelen ontwikkeld voor gebruik in zebravissen, waaronder high-fidelity calciumindicatoren6, spanningssensoren 7,8 en activiteitsafhankelijke markers van neurale activiteit 9,10,11,12,13. Deze tools zijn complementair aan andere voordelen van dit model, zoals de ontvankelijkheid voor genetische modificaties 14,15,16,17 en de bereidheid waarmee zebravislarven chemicaliën absorberen die aanwezig zijn in badoplossingen 18,19,20,21.
Een verscheidenheid aan methoden is nuttig voor de optische fysiologie van zebravissen, met name twee-foton-, lichtblad- en confocale microscopie. Elk van deze technologieën moet twee gerelateerde resolutieproblemen in evenwicht brengen: optische toegang, inclusief lichtverstrooiing door omringend weefsel, en bemonsteringssnelheid, vooral voor het vastleggen van actiepotentiaalkinetiek op de schaal van minder dan milliseconden22. Er zijn dramatische verbeteringen opgetreden in in vivo calciumbeeldvorming met behulp van twee-fotonmicroscopie, maar deze methode is vaak beperkt tot een gezichtsveld van <1 mm2, en meestal kan slechts een enkel dieptevlak worden verkregen, waardoor het vastleggen van activiteit in grote delen van neurale circuits wordt beperkt22. Voor lichtbladmicroscopie lost het potentieel om de activiteit van bijna alle neuronen in de hersenen vast te leggen de gezichtsveldbeperking van twee-fotonmicroscopie op, maar de huidige camerasnelheden beperken het vastleggen fysiek tot ongeveer drie hersenvolumes per seconde bij 40 vlakken per hersenvolume in de larvale zebravis 1,23. Confocale microscopie is inferieur in zowel diepteresolutie als opnamesnelheid aan twee-foton- en lichtplaatmicroscopie. Confocale microscopie heeft de voordelen van wijdverbreide toegankelijkheid voor laboratoria over de hele wereld en het vermogen om reconstructies van het hele brein van neurale activiteit te maken met behulp van reporters van neurale activiteit, zoals cFos en p-ERK9. Bovendien, als kleine hersengebieden het doelwit zijn, kan de confocale microscoop een adequate temporele resolutie van neurale activiteit bieden.
Dit artikel beschrijft een methode die gebruik maakt van confocale microscopie om neurale activiteit vast te leggen in transgene zebravissen die GCaMP6's pan-neuronaal tot expressie brengen. Er zijn verschillende vergelijkbare protocollen ontwikkeld met behulp van zebravislarven om de functie van neurale paden te begrijpen 24,25,26,27,28,29. De belangrijkste kenmerken van verschillende van deze protocollen, zoals time-lapse-beeldvorming, fluorescerende indicatoren van calciumdynamiek en live beeldvorming, zijn gecombineerd om neurale activiteit te meten in een kleine populatie neuronen in het centrale zenuwstelsel van de zebravis als reactie op allylisothiocyanaat (AITC), een aversieve chemische irriterende stof 11,26,27,29,30,31 . AITC lokt een hersenbrede respons uit die gericht is op het achterhersengebied11. Een cluster van neuronen net caudaal naar de achterhersenen speelt een rol bij de voortbeweging en een langdurige reactie op AITC. Deze respons duurt langer dan de verwijdering van de aversieve stimulus30. Door het gezichtsveld te beperken, zijn we erin geslaagd om neurale activiteit in deze neurale cluster te detecteren, zoals weerspiegeld door de fluorescentieverandering in neuronen die GCaMP6's tot expressie brengen. We bieden technieken, richtlijnen en best practices om voldoende spatiotemporele resolutie te bereiken met behulp van confocale microscopie. Daarnaast bespreken we de beperkingen van onze optische opnamemethode. Ondanks deze beperkingen zou de methode het mogelijk moeten maken om een verscheidenheid aan neurobiologische verschijnselen te onderzoeken, waaronder geheugen en sensomotorische verwerking.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Alle procedures waarbij dieren worden gebruikt, zijn goedgekeurd door de Institutional Animal Care Use Committee van de California State University, Fullerton (Protocol # 2023-1310).
1. Statiefzetten van larvale zebravissen in agarose met een laag smeltpunt
2. Opzetten en beeldvorming onder confocale microscopie met stimulustoepassing
3. Analyse van het GCaMP-signaal met behulp van FIJI
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Toediening van allylisothiocyanaat veroorzaakt een calcium-geassocieerd neuraal signaal bij larvale zebravissen
De toediening van AITC (stap 2.6) veroorzaakt een wijdverbreide toename van GCaMP6s-geassocieerde neurale activiteit in de hersenen van de larvale zebravis11,30. We zagen een verhoogd fluorescerend signaal in een klein deel van de hersenen na het toepassen van AITC, zoals weergegeven in
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
We hebben aangetoond dat neurale activiteit kan worden geregistreerd in de hersenen van zebravislarven met behulp van GCaMP6's in combinatie met confocale microscopie; de lagere opnamesnelheden die nodig zijn als gevolg van de langzamere kinetiek van GCaMP's kunnen worden gecompenseerd door het waargenomen hersengebied te verkleinen6. Reporters met snellere temporele dynamiek (d.w.z. GCaMP6f) zijn beschikbaar, maar de superieure temporele resolutie gaat meestal te...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs verklaren dat het onderzoek is uitgevoerd zonder enige commerciële of financiële relaties die kunnen worden opgevat als een potentieel belangenconflict.
Dit werk werd ondersteund door een subsidie aan ACR van de National Institutes of Health (SC2GM1304854) en een subsidie aan DLG van de National Science Foundation (2050850).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Low Melting Point Agarose | Invitrogen | 16520-100 | Verdund tot 3% |
| Allyl Isothiocyanate (AITC) | Sigma Aldrich | 377430 | Chemische stimulator |
| E3 | N/A | N/A | Water-medium voor zebravislarven |
| Glass Bottom Dishes | Thermo Fisher Scientific | 12-567-400 | Gebalikt voor zebravissen tijdens beeldvormingsexperimenten |
| Micropipette (10-100 uL) | Cole-Parmer | 21600-14 | Apparaat gebruikt voor het maken van AITC-verdunningen |
| Microscope Slides | Fisherbrand | 12-550-A3 | Gebalikt om naar fenotype te screenen |
| Mirror Finish Forceps | DUMONT | 11251-23 | Gebalikt om zebravissen in agarose te oriënteren |
| myTEMP Mini Digital Incubators | Benchmark | H2200-HC | Opvangruimte voor zebravissen; ingesteld op 28,5°C |
| Nitrile Gloves | MedPRIDE | MPR-50504 | Basis-PPE |
| Petri Dishes | VWR | 89107-632 | Container voor zebravissen |
| Posi-Click Tubes | DENVILLE | C-2171 | Gebalikt voor AITC-verdunning |
| Samco Polyurethane Transfer Pipettes | Thermo Fisher Scientific | 225 | Apparaat gebruikt om dier te selecteren/toegediend verdunde bolus van AITC |
| Stemi SV11 Apo Microscope | Zeiss | 1.25496E+11 | Gebalikt om zebravissen te plaatsen |
| Transgenic Larval Zebrafish (2 tot 7 DPF) | N/A | N/A | Dierlijke testsubjects; Tg(elav3:GCaMP6s)-stam |
| Zeiss Confocal Microscope (Model LSM9) | Zeiss | 3523004097 | Beeldvorming van vissen |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.