$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Dendryty to wyspecjalizowane przedziały neuronalne, które odbierają i przetwarzają bodźce sensoryczne i synaptyczne. Złożona i stereotypowa struktura altan dendrytycznych jest przedmiotem intensywnych badań od czasu ich odkrycia. Stworzono szereg systemów modelowych, w tym neurony tektalne optyczne Xenopus, komórki zwojowe siatkówki kurcząt i neurony arboryzacji dendrytycznej (da) w systemie Drosophila, w celu zbadania rozwoju, przebudowy i plastyczności dendrytów neuronalnych1,2,3,4. Brzuszne neurony boczne Drosophila (LNvs) to grupa neuronów projekcji wzrokowej, początkowo zidentyfikowanych ze względu na ich ważne funkcje w dobowej regulacji zachowań much5. Badania wykazały również rolę larwalnych LNv jako bezpośredniego celu postsynaptycznego fotoreceptorów larwalnych (PR)6,7. Co ważne, hodowla rozwijających się larw w różnych reżimach oświetleniowych silnie wpływa na wielkość dendrytycznych altan LNvs, co dowodzi przydatności LNvs jako nowego modelu do badania plastyczności dendrytycznej7. Ostatnie prace naszej grupy wskazują ponadto, że zarówno rozmiar dendrytu LNv, jak i dynamiczne zachowanie gałęzi dendrytycznych wykazują plastyczność zależną od doświadczenia8,9. W ramach tych prac opracowaliśmy nowy protokół obrazowania na żywo i kwantyfikacji w celu przeprowadzenia analizy dynamiki dendrytów w LNv od larw w 2. lub 3. stadium rozwojowym.
Przezroczysta natura mózgu larwy Drosophila sprawia, że jest on idealny do obrazowania na żywo. Jednak dendrytyczne altany LNv znajdują się w gęsto unerwionym larwalnym neuropilu wzrokowym (LON) w centrum larwalnego płata mózgu6. Aby uchwycić obrazy drobnych gałęzi dendrytów i filopodiów w nienaruszonej tkance mózgowej, używamy mikroskopii dwufotonowej, która zwiększa głębokość penetracji światła i zmniejsza fototoksyczność podczas eksperymentów z obrazowaniem na żywo10. Korzystając z tej konfiguracji, z powodzeniem przeprowadziliśmy eksperymenty obrazowania na żywo na LNv przez ponad 30 minut, nie obserwując oczywistego pogorszenia morfologicznego neuronu. Ponadto manipulacje genetyczne z wykorzystaniem techniki Flip-out umożliwiły nam oznaczenie poszczególnych LNv za pomocą membrany oznaczonej jako GFP, co jest również kluczowe dla monitorowania ruchów poszczególnych gałęzi11,12,13.
Aby uchwycić dynamiczne zachowanie wszystkich gałęzi na altance dendrytycznej LNv z optymalną rozdzielczością optyczną, przeprowadziliśmy poklatkowe obrazowanie 3D na świeżo wypreparowanych eksplantatach mózgów larw z wysoką rozdzielczością przestrzenną na poziomie 1 minuty na klatkę przez 10 do 30 minut. Rozwijające się dendryty LNv są bardzo dynamiczne, z dużym procentem gałęzi wykazujących obserwowalne zmiany w ciągu 10 minut. Prowadzi to do jednego z głównych wyzwań technicznych w badaniu dynamiki dendrytów, jakim jest ilościowe określenie zachowania gałęzi na podstawie zestawów danych obrazu 4D. Wcześniej ustalone metody mają różne ograniczenia, w tym brak dokładności i nadmierny wymóg czasowy. W związku z tym opracowaliśmy metodę półautomatyczną, która łączy w sobie obróbkę obrazu, ręczne znakowanie terminali rozgałęzionych oraz automatyczne śledzenie punktowe 4D za pomocą oprogramowania do adnotacji obrazu. Obliczamy ruchy terminali rozgałęzionych w różnych punktach czasowych na podstawie współrzędnych 3D miejsc. Dane są następnie eksportowane i analizowane w celu uzyskania ilościowych pomiarów dynamiki gałęzi. Metoda ta dokładnie ocenia czas trwania i zakres zdarzeń wydłużania i retrakcji istniejących gałęzi, a także powstawania nowych gałęzi, co pozwala nam monitorować dynamikę dendrytów w dużej liczbie neuronów.