Dit artikel presenteert een protocol voor in vivo registratie van elektrische activiteit van hypothalamische peptiderge neuronen met behulp van elektrofysiologie van de hele cel patch-clamp in intacte larvale zebravissen.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
* These authors contributed equally
Dit artikel presenteert een protocol voor in vivo registratie van elektrische activiteit van hypothalamische peptiderge neuronen met behulp van elektrofysiologie van de hele cel patch-clamp in intacte larvale zebravissen.
De hypothalamus is een oud hersengebied dat verschillende aspecten van fysiologie en gedrag reguleert, waaronder slaap en waakzaamheid, eetlust, energiehomeostase, angst, depressie en sociale interactie. Specifieke neuronale populaties in de hypothalamus oefenen hun effecten uit via de afgifte van neurotransmitters en neuropeptiden. Patch-clamp-opname van hele cellen is een onmisbare benadering voor het bestuderen van de rol van deze factoren in synaptische transmissie en hersenfunctie. Het is echter een uitdaging om toegang te krijgen tot hypothalamische neuronen voor elektrofysiologische opnames bij intacte zoogdieren vanwege hun locatie diep in de hersenen. Als gevolg hiervan is ons begrip van de intrinsieke eigenschappen en fysiologische functies van hypothalamische neuronen beperkt. De larvale zebravis is een nuttig alternatief model om hypothalamische neuronen te bestuderen vanwege zijn transparante en kleine, maar goed geconserveerde hersenen van gewervelde dieren. Hier presenteren we een protocol voor in vivo patch-clamp-opnames van hele cellen van hypothalamische neuronen in intacte larvale zebravissen. Met behulp van deze techniek kunnen we peptiderge neuronen in de hypothalamus registreren, de reacties van deze neuronen op sensorische stimuli onderzoeken en hun effecten op stroomafwaartse neuronen onderzoeken. Deze experimentele techniek biedt dus een nuttige benadering om de fysiologische functies van hypothalamische neuropeptiderge neuronen bij intacte dieren te bestuderen.
Als een populair diermodel van gewervelde dieren worden zebravissen (Danio rerio) veel gebruikt in neurowetenschappelijk onderzoek en hebben ze verschillende voordelen1. Hun aanvulling van genen en hersenarchitectuur is sterk geconserveerd bij zoogdieren, en ze hebben een rijk gedragsrepertoire, waardoor ze nuttig zijn om genetische en neuronale mechanismen te bestuderen die ten grondslag liggen aan gedrag zoals slaap, angst, depressie en sociale interactie 2,3,4,5,6 . Hun kleine formaat en lage onderhoudskosten maken ze ideaal voor high-throughput screening van genen of geneesmiddelen gericht op de behandeling van neuropsychiatrische aandoeningen 7,8. Ten slotte maakt de optische transparantie van larvale zebravissen, gecombineerd met geavanceerde light-sheet microscooptechnieken en de beschikbaarheid van meerdere fluorescerende reporters, ze bijzonder geschikt voor het monitoren van neuronale en astrogliale activiteit met cellulaire resolutie in de hele hersenen 9,10,11.
De hypothalamus van de zebravis, die zich diep in het ventrale diencephalon bevindt, is anatomisch en moleculair geconserveerd met de hypothalamus van zoogdieren, maar is 2-3 ordes van grootte kleiner, wat een eenvoudiger systeem biedt om de hypothalamusfunctie te bestuderen12. Hypothalamische neuronen vormen uitgebreide synaptische verbindingen met meerdere hersengebieden, waaronder de thalamus, hersenstam, hypofyse en telencephalon, waardoor ze fysiologische homeostase, neuro-endocriene signalering en autonoom gedrag reguleren13,14. Een dergelijke modulatie van gedrag en fysiologie is grotendeels gebaseerd op neuropeptiden, dit zijn aminozuren met een korte keten die werken door zich te binden aan G-proteïne-gekoppelde receptoren (GPCR's)15. In tegenstelling tot de afgifte van snelwerkende aminozuurneurotransmitters in de synaps, kunnen neuropeptiden over langere afstanden diffunderen via volumetransmissie en langzame modulerende effecten hebben op synaptische transmissie en neuronale exciteerbaarheid16.
Recente studies bij zebravissen hebben verschillende functies van hypothalamische neuropeptiden onthuld door middel van multidisciplinaire benaderingen, zoals calciumbeeldvorming van de hele hersenen, eencellige RNA-sequencing, high-throughput gedragsanalyse en neuronale circuitmapping 4,12,17,18. Deze opkomende technieken hebben ons vermogen getransformeerd om cellulaire diversiteit op grote schaal te karakteriseren, moleculaire mechanismen te overbruggen met neuropeptidefuncties op circuitniveau en neurale circuits in kaart te brengen die ten grondslag liggen aan specifiek gedrag19,20. Deze benaderingen blijven echter beperkt in hun vermogen om de snelle fysiologische dynamiek en precieze synaptische mechanismen op te lossen die ten grondslag liggen aan de neuropeptidefunctie.
De patch-clamp-techniek, ontwikkeld door Neher en Sakmann, blijft de gouden standaard voor het onderzoeken van neuronale fysiologie vanwege de ongeëvenaarde temporele resolutie en biofysische precisie, waardoor directe meting van membraanpotentiaalfluctuaties, synaptische stromen en ionkanaaldynamiek mogelijk is21,22. Deze techniek is vooral van onschatbare waarde voor het bestuderen van neuropeptiderge cellen, waarvan de karakteristieke barstpatronen en neuromodulerende invloeden directe elektrofysiologische metingen vereisen om hun rol in gedrag en homeostase volledig te begrijpen 15,16,23.
Hier hebben we een geoptimaliseerd protocol ontwikkeld dat betrouwbare patch-clamp-opnames van hele-cel patch-clamp-opnames van larvale zebravissen hypothalamische peptiderge neuronen mogelijk maakt, ondanks de technische uitdagingen die de diepe anatomische locatie van deze neuronen met zich meebrengt. Deze methodologie biedt directe toegang tot de elektrische activiteit van deze cellen, waardoor gedetailleerd onderzoek mogelijk is naar hun reacties op visuele en auditieve stimulus (Figuur 1). Door patch-clamp elektrofysiologie te integreren met optogenetica, kunnen we functionele connectiviteit tussen hypothalamische circuits en stroomafwaartse neuronen nauwkeurig karakteriseren (Figuur 2 en Figuur 3), waardoor de studie van neuropeptiden in fysiologische homeostase en gedragscontrole wordt vergemakkelijkt. Deze benadering overbrugt een kritieke leemte in neurowetenschappelijk onderzoek, waardoor mechanistische verkenning van de functie van hypothalamische neuronen op biofysisch, cellulair en circuitniveau tegelijkertijd mogelijk is.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Alle experimenten werden goedgekeurd door het Institutional Care and Use Committee (IACUC) van de Shanghai University (dierprotocol YS 2025-169) en IACUC van het California Institute of Technology (dierprotocol 1836). Zebravissen werden vanaf 5 tot 7 dagen na de bevruchting (dpf) gevoed met raderdiertjes en gebruikt voor experimenten. In dit stadium van ontwikkeling wordt het geslacht nog niet bepaald. Voor de kweek werden volwassen zebravissen op een parelmoer [mitfa(w2/w2)] achtergrond24 gebruikt.
1. Oplossingen en recepten
2. Voorbereiding en dissectie van zebravissen
3 Opname van patch-clamp voor de hele cel
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
In dit manuscript presenteren we een verbeterde in vivo patch-clamp-opnametechniek voor hele cellen voor het onderzoeken van hypothalamische neuronen in intacte zebravissen, met name gericht op hypocretine (Hcrt) neuronen.
Zoals weergegeven in Figuur 1, maakt onze methodologie directe elektrofysiologische opnames mogelijk van deze neuronen diep in de hersenen in een intact dier (Figuur 1A), w...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Het hier beschreven protocol maakt patch-clamp-opnames mogelijk van peptiderge neuronen in de hypothalamus van de larvale zebravis, een van de diepste en technisch meest uitdagende hersengebieden om toegang te krijgen. Vanwege de inherente moeilijkheid van deze voorbereiding vereisen succesvolle patch-clamp-opnames nauwgezette aandacht voor een paar kritische parameters, namelijk pipetkwaliteit, benaderingstechniek, zuiverheid van de oplossing en weefselgezondheid. Deze factoren bepalen ...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs verklaren geen belangenconflicten en niets openbaar te maken.
We willen Dr. Daniel Wagenaar bedanken voor zijn hulp bij het ontwerpen van apparaten voor optogenetische experimenten. Dit werk werd ondersteund door subsidies R35 NS122172 en R34 NS126800 van de National Institutes of Health aan DAP en het Shanghai Overseas Talents Introduction Program aan R.Z.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Amplifier | Axon | 700B | |
| Borosilicate glass capillaries | Sutter | BF100-58-10 | |
| CCD camera | Dage-MTI | IR-1000 | |
| Computers for electrophysiological recordings | Dell | Precision 3660 | |
| Digidata | Axon | 1440A | |
| Faraday Cage | Op maat gemaakt | ||
| Forceps | F.S.T. | Dumont #5 | |
| Incubator | Lonroy | GZP-150B | |
| Membrane filter | Millipore Sigma | SLGV004SL | |
| Micro knife | F.S.T. | 10318-14 | |
| Objective | Olympus | Mplan 5X/0.1; UMPlanFI/IR 60X/0.9w | |
| Peristaltic pump | Longer | BT100-1L | |
| Pipette holder | Narishige | H-7 | voor dissectie |
| Puller | Sutter Instrument | p-97 | |
| Stereomicroscope for fluorescent screening and dissection | Olympus | SZX16 | |
| Stimulator | A.M.P.I | Master8 | |
| Three-dimensional micromanipulator | Sutter Instrument | MPC-325 | |
| Upright infrared DIC microscope | Olympus | BX51WI | |
| Vibration isolator table | TMC | 61-541-06 | |
| Video monitor | SUNSPO | SP-717 | |
| Water bath | Yiheng | HWS-12 | |
| X-Y translator | Op maat gemaakt |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.