W niniejszej pracy przedstawiamy metodologię szybkiego obrazowania fluorescencyjnego z wysoką rozdzielczością przy użyciu barwników wrażliwych na napięcie w celu analizy szczegółowej aktywności neuronów w zwoju stomatogastrycznym kraba.
Artykuł metodologiczny
W niniejszej pracy przedstawiamy metodologię szybkiego obrazowania fluorescencyjnego z wysoką rozdzielczością przy użyciu barwników wrażliwych na napięcie w celu analizy szczegółowej aktywności neuronów w zwoju stomatogastrycznym kraba.
Obrazowanie neuronów z wykorzystaniem barwników napięciowo-czułych jest kluczową metodologią służącą zrozumieniu organizacji sieci neuronalnych oraz tego, w jaki sposób jednoczesna aktywność uczestniczących w nich neuronów prowadzi do wyłonienia się zintegrowanej funkcjonalności sieci. W niniejszej pracy przedstawiamy metodologię zastosowania tej techniki w odniesieniu do zidentyfikowanych neuronów generujących wzorce w zwoju stomatogastrycznym kraba. Demonstrujemy wprowadzanie do tych neuronów fluorescencyjnego barwnika napięciowo-czułego Di-8-ANEPPQ oraz pokazujemy, jak obrazować aktywność neuronów obciążonych barwnikiem przy użyciu systemu obrazowania z szybką kamerą CCD o wysokiej rozdzielczości MiCAM02. Prezentujemy analizę zarejestrowanych danych obrazowych przy użyciu oprogramowania BVAna powiązanego z systemem obrazowania MiCAM02. Jednoczesne obrazowanie szczegółowej aktywności wielu neuronów w zwoju stomatogastrycznym kraba z użyciem barwników napięciowo-czułych, stosowane razem z tradycyjnymi technikami elektrofizjologicznymi (rejestracjami wewnątrzkomórkowymi i zewnątrzkomórkowymi), otwiera zupełnie nowe możliwości zrozumienia zasad działania sieci neuronalnych centralnych generatorów wzorców.
1. Przygotowanie układu nerwowego stomatogastrycznego kraba
Dorosłe osobniki *pagurus L.* zostały pozyskane z lokalnych źródeł (Newcastle University, Dove Marine Laboratories) i utrzymywane w filtrowanej, napowietrzonej wodzie morskiej (10 - 12°C). Przed sekcją zwierzęta znieczulono, umieszczając je w lodzie na 20 - 40 min. Wykorzystano wyizolowane stomatogastryczne układy nerwowe (STNS)1. STNS przymocowano szpilkami w szalce Petri wyłożonej elastomerem silikonowym (ELASTOSIL RT-601, Wacker, Monachium, Niemcy) i poddano ciągłej perfuzji (7 - 12 mL/min) schłodzoną solą fizjologiczną (10-13°C). Sól fizjologiczna składała się z (mMol*l-1): NaCl, 440; MgCl2, 26; CaCl2, 13; KCl, 11; trismas base, 10; kwasu maleinowego, 5. Roztwór utrzymywano w stałej temperaturze 11 - 13°C i przy pH 7.4 - 7.6.
Szczegółowe etapy preparacji i sekcji STNS, w tym usuwanie osłonki zwoju żołądkowo-ustnego (STG), zostały przedstawione w artykule JoVE autorstwa Guttierez i Grashow1. Wszystkie eksperymenty zostały przeprowadzone zgodnie z dyrektywą Rady Wspólnot Europejskich z dnia 24listopada 1986 r. (86/609/EWG). Rysunek 1A przedstawia schemat STNS, a rysunek 1B pokazuje typowy STG po usunięciu osłonki, w którym neurony są rozmieszczone w formie płaskiego półkola w tylnej części zwoju.
Szalkę Petriego z STNS mocuje się do platformy roboczej mikroskopu obrazującego (BW51 WI; Olympus, Tokyo, Japonia) za pomocą plasteliny modelarskiej. Zarówno stolik mikroskopu, jak i sam mikroskop są zamontowane na stole wibroizolowanym (Scientifica, Uckfield, UK), aby zapobiec artefaktom ruchowym podczas rejestracji optycznej. Wzorce aktywności motorycznej generowane w zwoju żołądkowo-odbytniczym (STG) są monitorowane za pomocą rejestracji pozakomórkowej2-4. Odbywa się to w następujących krokach:
2. Przygotowanie roztworu barwnika
Użyliśmy fluorescencyjnego barwnika wrażliwego na napięcie Di-8-ANEPPQ (Cambridge Bioscience)5, który posiada podwójny ładunek dodatni ułatwiający wprowadzanie barwnika poprzez mikroelektrody przy użyciu dodatnich impulsów prądowych. Roztwór barwnika należy w miarę możliwości chronić przed światłem. Roztwór barwnika przygotowuje się w następujący sposób:
3. Wprowadzanie barwnika poprzez wstrzykiwanie wewnątrzkomórkowe za pomocą ostrych mikroelektrod
Do wprowadzenia barwnika do neuronów wykorzystaliśmy ostre mikroelektrody. W celu weryfikacji załadowania barwnika zastosowano system obrazowania MiCAM02 (SciMedia, Tokio, Japonia)6. System obrazowania posiada dwie kamery CCD: kamera HR posiada większy chip sensora (6.4 mm x 4.8 mm), co zapewnia lepszą rozdzielczość przestrzenną przy najlepszej rozdzielczości czasowej wynoszącej 1.4 ms, natomiast kamera HS posiada mniejszy (2.9 mm x 2.1 mm), lecz szybszy chip sensora, co umożliwia szybsze obrazowanie z najlepszą rozdzielczością czasową 0.7 ms. Etapy wprowadzania barwnika są następujące:
4. Obrazowanie barwionych neuronów
Aktywność pojedynczych neuronów można obrazować po przeprowadzeniu procedury wypełniania barwnikiem. Alternatywnie można wypełnić dwa lub więcej neuronów, aby obrazować jednoczesną aktywność kilku neuronów STG. W zasadzie wiele, a być może wszystkie neurony STG, może zostać wypełnione barwnikiem. Obrazowanie neuronów jest wykonywane za pomocą systemu obrazowania MiCAM 02 przy użyciu kamery HR. Procedura obrazowania przebiega w następujący sposób:
5. Analiza danych obrazowania optycznego
Do analizy danych obrazowych wykorzystaliśmy oprogramowanie BVAna (wersja 10.08; SciMedia Ltd, Tokio, Japonia) powiązane z systemem obrazowania MiCAM 02. Oprogramowanie to umożliwia wizualizację danych obrazowych i zapewnia również szereg narzędzi analitycznych. Kroki analizy i interpretacji danych są następujące:
6. Reprezentatywne wyniki
Rysunek 2 przedstawia jednoczesną rejestrację dwóch neuronów (LP, boczny neuron pyloryczny; PD, neuron rozszerzający pylorus) w generatorze centralnym pylorycznym STG kraba wraz z rejestracją z lvn. Optyczne rejestracje neuronów LP i PD, zidentyfikowanych na podstawie pomiarów wewnątrzkomórkowych, wykazują, że w rzeczywistości dobrze odpowiadają one rejestracjom zewnątrzkomórkowym przypisanym do neuronów LP i PD. Między optycznymi a lvn rejestracjami szczytów potencjałów czynnościowych występuje stałe opóźnienie wynoszące 12 ms (patrz wstawka na Rysunku 2), co wynika z opóźnienia przewodzenia aksonalnego między zwojem a miejscem rejestracji zewnątrzkomórkowej. Przedstawione dane pokazują również, że aktywność neuronalna w somie, odpowiadająca potencjałom czynnościowym rejestrowanych neuronów, jest wyraźnie wykrywalna.

Rycina 1. A) Schematyczny rysunek stomatogastrycznego układu nerwowego (STNS). CoG, zwój komisuralny; OG, zwój przełykowy; STG, zwój stomatogastryczny; stn, nerw stomatogastryczny; lvn, boczny nerw komorowy. B) Zwój stomatogastryczny (STG) kraba – obraz przedstawia półkolisty, tylny układ neuronów STG.

Rysunek 2. Symultaniczne rejestrowanie pojedynczego przebiegu neuronu PD i LP wraz z rejestracją lvn. Dane wykazują, że rejestracje optyczne i nerwowe bardzo dobrze się pokrywają i że możemy zidentyfikować aktywności neuronalne odpowiadające kolcom zarejestrowanym z nerwu. Wstawka przedstawia nałożenie kilku przebiegów potencjałów czynnościowych LP – zarejestrowanych zarówno optycznie, jak i elektrycznie – oraz ich średnią, co demonstruje zgodność między aktywnościami zarejestrowanymi optycznie i elektrycznie. Ze względu na to, że nasza metoda rejestracji optycznej nie odfiltrowuje niskoczęstotliwościowych komponentów danych, jesteśmy również w stanie zarejestrować wolne zmiany potencjału błonowego charakterystyczne dla neuronów PD i LP14.
Obrazowanie neuronów STG z wykorzystaniem barwników wrażliwych na napięcie8,9 w połączeniu z tradycyjnymi metodami elektrofizjologicznymi (rejestracjami wewnątrz- i zewnątrzkomórkowymi) pozwala na lepsze zrozumienie funkcjonowania tego małego, dobrze znanego, a wciąż złożonego układu neuronalnego. STG stanowi prototyp sieci neuronalnych generatorów centralnych wzorców (CPG) (obejmuje sieci rytmiczne pyloryczne i żołądkowe)10,,11, zatem lepsze zrozumienie wyłaniających się właściwości funkcjonalnych STG pomoże również zrozumieć, w jaki sposób sieci CPG w ogóle generują swoją funkcjonalność na poziomie sieciowym. Sieci CPG odgrywają krytyczną rolę w kontroli motorycznej12, a także w wyższych funkcjach poznawczych13, w konsekwencji lepsze zrozumienie ich właściwości emergentnych może mieć istotny wpływ na wiele dziedzin neuronauki.
Nie zgłoszono żadnych konfliktów interesów.
Wyrażamy wdzięczność za wsparcie udzielone przez School of Computing Science oraz Faculty of Science, Agriculture and Engineering Uniwersytetu w Newcastle, Uniwersytet w Ulm oraz firmę SciMedia Ltd (Tokio, Japonia).
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| MiCAM02 | SciMedia | System obrazowania | |
| BVAna v.10.08 | SciMedia | Oprogramowanie do analizy danych dla systemu obrazowania MiCAM 02 | |
| HL-151 | Moritex, Tokio, Japonia | Halogenowe źródło światła o bardzo niskim tętnieniu | |
| BX51 WI | Olympus Corporation | Mikroskop pionowy do obrazowania epifluorescencyjnego | |
| Obiektyw obrazujący 20x | Olympus Corporation | XLUMPLFL20XW/0.95 | NA 0.95, WD 2.0mm |
| Obiektyw obrazujący 10x | Olympus Corporation | UMPLFL10XW | NA 0.30, WD 3.3mm |
| Kostka filtracyjna z filtrem wzbudzenia 480-550 nm i filtrem emisyjnym 590nm | Olympus Corporation | MSWG2 | |
| Stół antywibracyjny | Scientifica Ltd | 63-534 | |
| Manipulator elektrod PatchStar | Scientifica Ltd | PS-7000C | Manipulator mikroelektrod |
| CED Power 1401 | Cambridge Electronic Design | Płyta akwizycji danych | |
| Oscyloskop DL708E | Yokogawa | Wzmacniacz wewnątrzkomórkowy | |
| AC wzmacniacz różnicowy | University of Kaiserslautern, Niemcy | Wzmacniacz zewnątrzkomórkowy | |
| Wytwornica elektrod P-97 Flaming – Brown | Sutter Instrument Co. | Wytwornica elektrod | |
| Mikrowirówka Sigma Microcentrifuge 1-14 | Sigma-Aldrich | Wirówka | |
| Pipety Genex Pipettors Mline | Scientific Laboratory Supplies LTD | PIP7774 | PIP7774 |
| Szklana mikropipeta z włóknem | Science Products | GB100TF 8P | Szkło do mikr–lektrod |
| MicroFil – 34G | World Precision Instruments, Inc. | Igła Microfil | |
| Spike 2 v6.10 | Cambridge Electronic Design | Oprogramowanie do elektrofizjologii | |
| Di-8-ANEPPQ | Cambridge BioScience | BT61014 | Fluorescencyjny barwnik wrażliwy na napięcie |
| Kwas Pluronic F-127, DMSO | Invitrogen | P-3000MP | Rozpuszczalnik |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S9888 | Składnik soli kraba |
| CaCl2 . 2H2O | Sigma-Aldrich | C3881 | Składnik soli kraba |
| KCl | Sigma-Aldrich | P3911 | Składnik soli kraba, roztwór elektrolitu |
| MgCl2 . 6H2O | Sigma-Aldrich | M9272 | Składnik soli kraba |
| Trizma base | Sigma-Aldrich | T1503 | Składnik soli kraba |
| Kwas maleinowy | Sigma-Aldrich | M0375 | Składnik soli kraba |
| Elastosil RT-601 | Wacker, Monachium, Niemcy | Wykładzina szalek Petriego |