W tym artykule przedstawiamy szybką mikrojonoforezę neuroprzekaźników jako technikę badania integracji sygnałów postsynaptycznych z dużą precyzją przestrzenną i czasową.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
W tym artykule przedstawiamy szybką mikrojonoforezę neuroprzekaźników jako technikę badania integracji sygnałów postsynaptycznych z dużą precyzją przestrzenną i czasową.
Jednym z podstawowych zainteresowań neuronauki jest zrozumienie integracji bodźców pobudzających i hamujących wzdłuż bardzo złożonej struktury drzewa dendrytycznego, co ostatecznie prowadzi do neuronalnej produkcji potencjałów czynnościowych w aksonie. Wpływ różnych parametrów przestrzennych i czasowych określonych wejść synaptycznych na wyjście neuronów jest obecnie badany, np. tłumienie wejściowe dendrytyczne zależne od odległości, zależna od lokalizacji interakcja przestrzennie segregowanych wejść, wpływ hamowania GABAergig na integrację pobudzającą, tryby integracji liniowej i nieliniowej i wiele innych.
Dzięki szybkiej mikrojonoforezie glutaminianu i GABA możliwe jest dokładne zbadanie przestrzennej i czasowej integracji pobudzenia glutaminergicznego i hamowania GABA-ergicznego. Krytyczne wymagania techniczne to albo wyzwalana lampa fluorescencyjna, dioda elektroluminescencyjna (LED), albo dwufotonowy mikroskop skaningowy do wizualizacji gałęzi dendrytycznych bez wprowadzania znacznych fotouszkodzeń tkanki. Ponadto bardzo ważne jest posiadanie wzmacniacza mikrojonoforezy, który pozwala na szybką kompensację pojemności pipet o wysokiej rezystancji. Kolejną istotną kwestią jest to, że żaden nadajnik nie jest mimowolnie uwalniany przez pipetę podczas eksperymentu.
Po ustaleniu, ta technika da wiarygodne i powtarzalne sygnały o wysokiej neuroprzekaźniku i specyficzności lokalizacji. W porównaniu do uncage'owania glutaminianu i GABA, szybka jonoforeza pozwala na korzystanie z obu nadajników w tym samym czasie, ale w bardzo odległych miejscach bez ograniczeń co do pola widzenia. Istnieją również zalety w porównaniu z ogniskową stymulacją elektryczną aksonów: w przypadku mikrojonoforezy lokalizacja miejsca wejściowego jest zdecydowanie znana i jest pewne, że uwalniany jest tylko interesujący nas neuroprzekaźnik. Należy jednak wziąć pod uwagę, że w przypadku mikrojonoforezy aktywowana jest tylko postsynapsa, a presynaptyczne aspekty uwalniania neuroprzekaźników nie są rozwiązane. W tym artykule pokazujemy, jak skonfigurować mikrojonoforezę w eksperymentach z wycinkami mózgu.
Neurony w ośrodkowym układzie nerwowym otrzymują różne sygnały synaptyczne dotyczące ich cienkich i rozgałęzionych procesów dendrytycznych1. Tam większość pobudzających wejść dendrytycznych jest pośredniczona przez synapsy glutaminergiczne. Synapsy te mogą być aktywowane w sposób rozproszony przestrzennie, co skutkuje postsynaptyczną liniową integracją pobudzających potencjałów postsynaptycznych (EPSP). Jeśli synapsy są aktywowane jednocześnie i w przestrzennej bliskości dendrytu, te bodźce pobudzające mogą być zintegrowane supraliniowo i generować kolce dendrytyczne2-5.
Ponadto, integracja bodźców pobudzających zależy od lokalizacji wejścia na drzewie dendrytycznym. Sygnały, które docierają do dystalnego obszaru kępek, są znacznie bardziej tłumione niż wejścia proksymalne ze względu na filtrowanie6. W hipokampie odległe dane wejściowe do dendrytów wierzchołkowych kępek są generowane przez inny region mózgu niż te na dendrytach proksymalnych7. Ekscytującym pytaniem jest zatem, w jaki sposób dane wejściowe synaptyczne są przetwarzane przez różne przedziały dendrytyczne i czy integracja dendrytyczna reguluje wpływ tych warstwowych danych wejściowych na odpalanie neuronów na różne sposoby.
Nie tylko właściwości funkcjonalne, cechy morfologiczne dendrytu, lokalizacja i grupowanie wejść wpływają na dendrytyczną integrację wejść pobudzających, również dodatkowe wejścia hamujące z końcówek GABA-ergicznych decydują o skuteczności synaps glutaminergicznych8,9. Te różne aspekty integracji synaptycznej mogą być idealnie zbadane za pomocą mikrojonoforezy neuroprzekaźników, która umożliwia przestrzennie zdefiniowane zastosowanie różnych neuroprzekaźników w domenach dendrytycznych. Pokazujemy tutaj, jak skutecznie ustalić mikrojonoforezę glutaminianu i GABA w celu zbadania integracji sygnału w neuronach.
Do tego zastosowania używane są pipety o wysokiej rezystancji z cienką końcówką, wypełnione stężonymi roztworami neuroprzekaźników. Pipety te są umieszczone blisko zewnętrznej błony komórki, gdzie znajdują się receptory neuroprzekaźników. Wymagana jest dobra wizualizacja gałęzi dendrytycznych. Najlepiej osiągnąć to za pomocą barwników fluorescencyjnych, które wprowadza się za pomocą pipety krostowej. Następnie bardzo krótki (<1 ms) impuls prądowy (w zakresie 10 - 100 nA) jest wykorzystywany do wyrzucenia naładowanych cząsteczek neuroprzekaźnika. Dzięki tym krótkim impulsom i efektywnej kompensacji pojemności, potencjały lub prądy postsynaptyczne mogą być wywoływane z dużą precyzją czasową i przestrzenną, co oznacza, że lokalizacja wejścia pobudzającego jest dokładnie znana. Mikrojonoforeza glutaminianu może aktywować synapsy w określonym promieniu, który jest mniejszy niż 6 μm, jak pokazano tutaj (ryc. 19), ale możliwe jest również osiągnięcie rozdzielczościpojedynczej synapsy 10-12.
Heine, M., i inni wykazali, że rozdzielczość przestrzenna szybkiej mikrojonoforezy może być nawet dostosowana do rozmiarów plamek poniżej 0,5 μm, co jest mniejsze niż rozmiary plamek osiągane regularnie przy dwufotonowym rozszczepianiu glutaminianu13. Dzięki szybkiej mikrojonoforezie można łatwo użyć dwóch lub więcej pipet jonoforowych i umieścić je w różnych, nawet odległych miejscach na drzewie dendrytycznym. W ten sposób można badać integrację zdarzeń pobudzających, w tym tych z różnych szlaków. Możliwe jest również jednoczesne użycie pipety jonoforetycznej wypełnionej glutaminianem i GABA. W ten sposób można badać wpływ hamowania GABA-ergicznego w różnych miejscach w stosunku do bodźca pobudzającego (hamowanie na ścieżce, poza ścieżką). Również wpływ hamowania przez interneurony ukierunkowane na określone domeny neuronalne, takie jak dendryty dystalne, soma lub aksony14, można zbadać za pomocą jonoforezy GABA. W hodowanych neuronach szybka mikrojonoforeza daje możliwość znacznie bardziej szczegółowego zbadania rozmieszczenia pojedynczych synaps i elementarnych aspektów komunikacji synaptycznej w neuronach10,11.
W tym artykule pokazujemy szczegółowo, jak ustanowić jonoforezę glutaminianu i GABA do stosowania w ostrych wycinkach mózgu, co pozwala na badanie synaptycznej integracji bodźców pobudzających i hamujących w zależności od lokalizacji wejścia, siły wejścia i czasu, samodzielnie lub w interakcji. Wskażemy zalety i ograniczenia tej techniki oraz sposoby skutecznego rozwiązywania problemów.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Wymagania systemowe
2. Przygotuj rozwiązania
3. Wyciągnij i przetestuj pipety jonoforetyczne
4. Przygotuj plastry mózgu
5. Ustanów zapis całej komórki
6. Umieść pipetę jonoforetyczną i wygeneruj postsynaptyczny potencjał jonoforetyczny
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Prostym podejściem do określenia zasięgu przestrzennego jontoforezy jest stopniowe wycofywanie pipety jontoforetycznej z dendrytu, przy zachowaniu stałego poziomu wyrzucanego glutaminianu. Stwierdziliśmy, że zasięg przestrzenny stymulacji mikro-jontoforetycznej miał średnicę około 12 μm (Rysunek 1 przedstawia promień). Głębokość, na jaką jontoforeza może być zastosowana w tkance, zależy od sztywności pipety. Jednakże pipety jontoforetyczne niezbędne do eksperymentów na skrawkach (Rysunek 2
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Tutaj wyjaśniamy, jak zastosować szybką mikrojonoforezę neuroprzekaźników do zbadania integracji synaptycznej na dendrytach. Technika ta została z powodzeniem wykorzystana do zbadania glutaminergicznej i GABA-ergicznej transmisji synaptycznej w różnych regionach mózgu in vitro i in vivo9,20-22. Mikrojonoforeza jest stosowana od ponad 60 lat, ale we wczesnych latach była głównie stosowana do miejscowego stosowania neuroprzekaźników i leków w powolnych lub pośrednich skalach czasowych23
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.
Dziękujemy Hansowi Reinerowi Polderowi, Martinowi Fuhrmannowi i Walkerowi Jacksonowi za uważne przeczytanie rękopisu. Autorzy otrzymali dofinansowanie, które zostało zapewnione przez Ministerstwo Badań Naukowych MIWF kraju związkowego Nadrenia Północna-Westfalia (SR), BMBF-Projekträger DLR Amerykańsko-niemiecka współpraca w dziedzinie neuronauki obliczeniowej (CRCNS; S.R.), Centra Doskonałości w Chorobach Neurodegeneracyjnych (COEN; S.R.) oraz programu finansowania studiów stacjonarnych Uniwersytetu w Bonn (BONFOR; S.R.).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Material | |||
| Dwufotonowy laserowy mikroskop skaningowy (TRIM Scope II) oraz Ultima IV, Prairie Technologies, Middleton, Wisconsin) | LaVision Biotec, Bielefeld, Niemcy | ||
| Dwufotonowy laserowy mikroskop skaningowy Ultima IV | Prairie Technologies, Middleton, Wisconsin, USA& | nbsp; | |
| Ti:Szafirowy ultraszybki laser impulsowy | Chameleon Ultra II, koherentny | ||
| Obiektyw 60x, NA 0.9 | Olympus | ||
| Mikroskop pionowy Zeiss Axioskop 2 FS | TILLPhotonika, Grä felfing, Niemcy | ||
| Monochromator | TILLPhotonika, Grä felfing, Niemcy | ||
| System mikrojonoforetyczny MVCS-02 | NPI Electronics, Tamm, Niemcy | ||
| Ściągacz Sutter P-97 | Sutter Instrument Company, Novato, CA& | nbsp; | |
| Włókna szklane (150 GB F 8P) | Science Products, Hofheim, Niemcy | ||
| Reagent | |||
| Alexa Fluor 488 hydrazydowe | sondy molekularne technologie życia | A-10436 | |
| Sondy molekularne | Alexa Fluor 594 | A-10438 | |
| NaCl | Sigma Aldrich | S7653 | |
| KCl | Sigma Aldrich | P9333 | |
| NaH2PO4 | Sigma Aldrich | S8282 | |
| NaHCO3 | Sigma Aldrich | S6297 | |
| Sacharoza | Sigma Aldrich | S7903 | |
| CaCl2 | Sigma Aldrich | C5080 | |
| MgCl2 | Sigma Aldrich | M2670 | |
| Glukoza | Sigma Aldrich | G7528 | |
| K-Gluconate | Sigma Aldrich | G4500 | |
| HEPES-acid | Sigma Aldrich | H4034 | |
| Fosfokreatyna | Sigma Aldrich | P7936 | |
| EGTA | Sigma Aldrich | E3889 | |
| Kwas glutaminowy | Sigma Aldrich | G8415 | |
| GABA | Sigma Aldrich | A5835 | |
| NaOH | Merck | 1.09137.1000 | |
| HCl | Merck | 1.09108.1000 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.