Opisujemy protokół monitorowania zmian w aktywności neuronu doprowadzającego podczas poleceń motorycznych w modelowym systemie komórek rzęsatych kręgowców.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Opisujemy protokół monitorowania zmian w aktywności neuronu doprowadzającego podczas poleceń motorycznych w modelowym systemie komórek rzęsatych kręgowców.
Systemy sensoryczne zbierają wskazówki niezbędne do kierowania zachowaniem, ale zwierzęta muszą rozszyfrować, które informacje są biologicznie istotne. Lokomocja generuje sygnały aferentne, które zwierzęta muszą oddzielić od odpowiednich sygnałów sensorycznych otaczającego środowiska. Na przykład, gdy ryba pływa, przepływ generowany przez falowanie ciała jest wykrywany przez neuromasty mechanoreceptywne, składające się z komórek rzęsatych, które tworzą system linii bocznych. Komórki rzęsate następnie przekazują informacje o ruchu płynów z czujnika do mózgu za pośrednictwem neuronów doprowadzających czuciowo. Jednocześnie wyładowanie wynikające z polecenia motorycznego jest przekazywane do komórek rzęsatych, aby zapobiec przeciążeniu sensorycznemu. Uwzględnienie hamującego wpływu predykcyjnych sygnałów motorycznych podczas lokomocji ma zatem kluczowe znaczenie przy ocenie czułości systemu linii bocznej. Opracowaliśmy podejście elektrofizjologiczne in vivo do jednoczesnego monitorowania aktywności neuronu doprowadzającego tylnej linii bocznej i brzusznych korzeni ruchowych u larw danio pręgowanego (4-7 dni po zapłodnieniu), które mogą utrzymywać się przez kilka godzin. Zewnątrzkomórkowe zapisy neuronów aferentnych uzyskuje się za pomocą techniki luźnego zacisku łatowego, która może wykryć aktywność jednego lub wielu neuronów. Zapisy korzeni brzusznych są wykonywane przez skórę za pomocą szklanych elektrod w celu wykrycia aktywności neuronów ruchowych. Nasz protokół eksperymentalny daje możliwość monitorowania endogennych lub wywołanych zmian w bodźcach sensorycznych w zachowaniach motorycznych u nienaruszonych, zachowujących się kręgowców.
Neurony aferentne systemów mechanosensorycznych przekazują informacje z komórek rzęsatych do mózgu podczas słyszenia i równowagi. Elektrofizjologia może ujawnić wrażliwość neuronów aferentnych poprzez bezpośrednie zapisy. Podczas gdy łatanie całych komórek z komórek rzęsatych może być trudne, nagrywanie z dalszych neuronów doprowadzających jest łatwiejsze i umożliwia ocenę potencjałów czynnościowych w odpowiedzi na kontrolowane stymulacje1,2,3. Stymulacja komórek rzęsatych prowadzi do ich ugięcia, co modyfikuje struktury mechanosensoryczne, wywołując w ten sposób wzrost potencjałów czynnościowych (skoków) w neuronach doprowadzających4,5,6. Przy braku bodźców zewnętrznych, neurony aferentne również spontanicznie rosną z powodu wycieku glutaminianu z komórek rzęsatych do aferentnych zakończeń postsynaptycznych 7,8 i wykazano, że przyczyniają się do utrzymania czułości9,10. Rejestracja aktywności aferentnej za pomocą zacisku krosowego umożliwia obserwację czułości komórek rzęsatych i dynamiki sygnału, które nie są możliwe przy użyciu technik o niższej rozdzielczości czasowej, takich jak w mikrofonach11,12 lub funkcjonalne obrazowanie wapnia13,14,15. Poniższy protokół pozwoli na rejestrowanie aktywności aferentnej równolegle z poleceniami motorycznymi, aby ujawnić natychmiastowe zmiany wrażliwości komórek rzęsatych.
Danio pręgowany (Danio rerio) wykorzystuje komórki rzęsate zawarte w neuromasztach, które tworzą system linii bocznych, do wykrywania ruchu wody względem ich ciała, co jest tłumaczone na sygnały neuronowe niezbędne do nawigacji16,17,18, unikanie drapieżników, chwytanie zdobyczy19,20, oraz schooling21. Przepływ wody może być również generowany samodzielnie przez ruchy pływania22,23,24, repiraration22,25,26, oraz feeding27. Zachowania te obejmują powtarzające się ruchy, które mogą męczyć komórki rzęsate i upośledzać czucie. Dlatego tak ważne jest, aby system linii bocznej rozróżniał bodźce przepływu zewnętrznego (eksaferentnego) i generowanego przez siebie (reaffeentnego). Wyładowanie wynikające z tego tłumi samodzielnie generowane sygnały przepływu podczas lokomocji u danio pręgowanego. Ten hamujący predykcyjny sygnał motoryczny jest przekazywany przez zstępujące neurony do receptorów czuciowych w celu modyfikacji danych wejściowych lub przerwania przetwarzania reaferentnego sprzężenia zwrotnego28,29. Przełomowe prace, które przyczyniły się do naszego wczesnego zrozumienia tego systemu sprzężenia zwrotnego, opierały się na preparatach in vitro, w których łączność i endogenna aktywność obwodu neuronalnego nie były zachowane28,30,31,32,33,34,35. Protokół ten opisuje podejście do zachowania nienaruszonego obwodu neuronalnego, w którym utrzymywana jest endogenna dynamika sprzężenia zwrotnego, umożliwiając w ten sposób lepsze zrozumienie następstwa wyładowania in vivo.
Protokół opisany tutaj opisuje, jak monitorować aktywność neuronów doprowadzających i ruchowych w tylnej linii bocznej jednocześnie u larw danio pręgowanego. Charakterystyka dynamiki sygnału aferentnego przed, w trakcie i po poleceniach motorycznych zapewnia wgląd w endogenne sprzężenie zwrotne w czasie rzeczywistym z ośrodkowego układu nerwowego, które moduluje wrażliwość komórek rzęsatych podczas lokomocji. Protokół ten określa, jakie materiały będą musiały zostać przygotowane przed eksperymentami, a następnie opisuje, jak sparaliżować i przygotować larwy danio pręgowanego. Protokół opisuje, w jaki sposób ustanowić stabilny luźny zapis plamy neuronów doprowadzających i zewnątrzkomórkowy zapis korzenia brzusznego (VR) neuronów ruchowych. Reprezentatywne dane, które można uzyskać za pomocą tego protokołu, przedstawiono na przykładowej osobie, a analizę przeprowadzono na wielu powtórzeniach protokołu eksperymentalnego. Wstępne przetwarzanie danych odbywa się za pomocą niestandardowych skryptów napisanych w programie MATLAB. Ogólnie rzecz biorąc, ten paradygmat eksperymentalny in vivo może zapewnić lepsze zrozumienie sensorycznego sprzężenia zwrotnego podczas lokomocji w modelowym systemie komórek rzęsatych kręgowców.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wszystkie eksperymenty i opieka nad zwierzętami zostały przeprowadzone zgodnie z protokołami zatwierdzonymi przez Komitet ds. Opieki i Użytkowania Zwierząt Uniwersytetu Florydy.
1. Przygotowanie materiałów do zapisów elektrofizjologicznych
2. Przygotowanie roztworu
3. Przygotowanie larw do zapisów elektrofizjologicznych
4. Zapis korzenia brzusznego
5. Zapis neuronu aferentnego
6. Akwizycja danych
7. Eutanazja
8. Wstępne przetwarzanie i analiza danych
UWAGA: Wstępne przetwarzanie i analiza danych będzie wymagało podstawowej wiedzy na temat kodowania wiersza poleceń.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Po prawidłowym unieruchomieniu larw danio-pręgowanego oraz uzyskaniu rejestracji z zwoju aferentnego bocznej linii tylnej i korzeni brzusznych (VR), aktywność zarówno neuronów aferentnych, jak i motorowych może być mierzona jednocześnie. Kanały rejestracji są wyświetlane przy użyciu protokołów rejestracji bez przerw (krok 1.4) w celu ciągłego monitorowania aktywności aferentnej i VR. W czasie rzeczywistym można zaobserwować spadki spontanicznej częstotliwości wyładowań aferentnych współbieżnie z aktywnością VR, co wskazu...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Opisany protokół eksperymentalny daje możliwość monitorowania endogennych zmian w bodźcach sensorycznych w zachowaniach motorycznych u nienaruszonych, zachowujących się kręgowców. W szczególności szczegółowo opisano podejście in vivo do wykonywania jednoczesnych zewnątrzkomórkowych zapisów neuronów aferentnych linii bocznej i brzusznych korzeni ruchowych u larw danio pręgowanego. Spontaniczna aktywność aferentna została wcześniej scharakteryzowana u danio pręgowanego bez uwzględnienia potencjalnej...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy deklarują brak sprzecznych interesów finansowych.
Wdzięcznie dziękujemy za wsparcie ze strony Narodowego Instytutu Zdrowia (DC010809), Narodowej Fundacji Nauki (IOS1257150, 1856237) oraz Whitney Laboratory for Marine Biosciences dla J.C.L. Chcielibyśmy podziękować byłym i obecnym członkom Liao Lab za inspirujące dyskusje.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Zlewka 100 ml | PYREX | 1000 | resceptacle do wytrawiania |
| 10x obiektyw do zanurzenia w wodzie | Olympus | UMPLFLN10xW | małe powiększenie do pozycjonowania larw i rejestrowania elektrody |
| 40-krotny obiektyw do zanurzenia w wodzie | Olympus | LUMPLFLN40XW | większe powiększenie do pozycjonowania końcówki elektrody i ustanawiania zacisku krosowego |
| abfload.m | dodatkowy plik kodowania, | napisany na zamówienie skrypt MATLAB do konwersji surowych nagrań elektrofizjologicznych do plików .mat | |
| AffVR_preprocess.m | dodatkowy plik kodowania, | niestandardowy skrypt MATLAB do wstępnego przetwarzania danych nagrania | |
| koncentryczne BNC | ThorLabs | 2249-C-12 | łączące kanały wzmacniacza i digitizera; wymagają 4 |
| kapilar ze szkła borokrzemianowego z żarnikiem | Warner Instrumenty | G150F-3 | średnica wewnętrzna: 0,86, średnica zewnętrzna: 1,50; szkło kapilarne używane do formowania elektrod rejestrujących |
| burst_detect | dodatkowy plik kodowania | niestandardowo napisana funkcja MATLAB niezbędna do uruchomienia komputera AffVR_preprocess.m | |
| NIE | NIE każdy komputer powinien działać | ||
| Zasilacz prądu stałego | Tenma | 72-420 | służy do elektrycznego wytrawiania kołków preparacyjnych |
| digitizer elektrofizjologii | Axon Instruments, Urządzenia molekularne | Axon DigiData 1440A | umożliwia akwizycję filamentu danych typu patch-clamp |
| Sutter Instrument Company | FB255B | Filament pudełkowy 2,5 mm stosowany w ściągaczach do mikropipet | |
| Szczypce drobnoziarniste | Fine Science Tools | Dumont #5 (0,05 x 0,02 mm) Nr kat. 11295-10 | służy do manipulowania larwami i wprowadzania szpilek |
| stopień stały DIC mikroskop | Mikroskop Olympus | BX51WI | służy do wizualizacji i ustanawiania zapisów typu patch-clamp |
| elastyczna, stożkowa końcówka do pipety | Fisher Scientific | 02-707-169 | elastyczne końcówki umożliwiają wprowadzenie do elektrody rejestrującej w celu dozowania roztworu zewnątrzkomórkowego na końcówce |
| FluoroDish | World Precision Instruments Inc. | FD3510-100 | nakrywka ze szklanym dnem naczynie do nagrywania |
| KimWipe KimTech | 34155 | chusteczka zadaniowa służy do odprowadzania nadmiaru płynu z larw | |
| Kwik-Gard | World Precision Instruments Inc. | 710172 | samomieszający się elastomer sylgardowy |
| MATLAB | MathWorks | R2020b | Oprogramowanie wiersza poleceń do wstępnego przetwarzania danych |
| wzmacniacz mikroelektrod | Axon Instruments, Molecular Devices | MultiClamp 700B | do nagrań dwukanałowych |
| Microforge | Narishige | MF-830 microforge | do polerowania elektrody nagrywającej |
| mikromanipulator jednostka sterująca | Siskiyou | MC1000-eR/T | 4-osiowy koordynator wybierania do sterowania mikromanipulatorem |
| ściągacz do mikropipet | Sutter Instrument Company | Flaming/Brown P-97 | do wciągania szkła kapilarnego do elektrod rejestrujących |
| Jednostka sterująca mikroskopu | Siskiyou | MC1000e | ustawia mikroskop wokół stałego stolika i przygotowania |
| zmotoryzowany mikromanipulator | Siskiyou | MX7600 | pozycjonuje scenę czołową i dołączoną elektrodę nagrywającą do nagrywania z zaciskiem krosowym |
| MultiClamp Commander | Molecular Devices | 2.2.2 | do pobrania ze strony pobierania Axon MultiClamp 700B Commander |
| optyczny stół powietrzny | Newport Corporation | VH3036W-OPT | do izolacji mikroskopu pływającego i minimalizującego wibracje podczas nagrań |
| pCLAMP | Molecular Devices | 10.7.0 | do pobrania ze strony Axon pCLAMP 10 Akwizycja danych elektrofizjologicznych i Oprogramowanie do analizy Pobierz stronę |
| z markerem permanentnym | Sharpie | zamówienie z amazon.com | do oznaczania krawędzi natarcia elektrody VR w celu zapewnienia prawidłowej orientacji podczas wkładania do uchwytu na pipety |
| szalka Petriego | Falcon | 35-3001 | służy do zanurzania larw w paralitycznym |
| uchwycie na pipety | Urządzenia molekularne | 1-HL-U | trzyma elektrodę nagrywającą i łączy się ze sceną czołową |
| przetwornik pneumatyczny | Fluke Biomedical Instruments | DPM1B | do sterowania elektrodą rejestrującą ciśnienie wewnętrzne |
| wodorotlenek potasu | Sigma-Aldrich | 221473-25G | wytrawiacz do trawienia szpilki rozwarstwiające |
| rurki silikonowe | rurki Tygon | 14-169-1A | rurka do podłączenia przetwornika pneumatycznego do uchwytu pipety |
| spike_detect | dodatkowy plik | kodowaniaspecjalnie napisana funkcja MATLAB niezbędna do uruchomienia | |
| mikroskopu stereoskopowego | AffVR_preprocess.m Carl Zeiss | Stemi 2000-C | służy do wizualizacji końcówek szpilek i podczas przygotowywania larw |
| żyletki o prostej krawędzi Żyletka | Canopus | zamów od amazon.com | tnie drut wolframowy podczas wykonywania szpilek rozwarstwiających |
| swimbout_detect | dodatkowego pliku | kodowanianiestandardowo napisana funkcja MATLAB niezbędna do uruchomienia | |
| strzykawki | Becton Dickinson Compoany | 309602 | wypełniony roztworem zewnątrzkomórkowym do wstrzykiwania do elektrod rejestrujących |
| pipeta transferowa | Sigma-Aldrich | Z135003-500EA | jednorazowa, niesterylna pipeta do przenoszenia larw |
| trikainy metanosulfonian | Syndel | 12854 | Farmaceutyczny środek przeciwzapalniczy stosowany do eutanazji larw w dużych dawkach. |
| drut wolframowy | World Precision Instruments Inc. | 715500 | 0,002 cala, 50,8 cala; m średnica; służy do produkcji kołków rozpoznawczych |
| jednostka filtracji próżniowej | Sigma-Aldrich | SCGVU11RE | jednorazowe, sterylne, próżniowe jednostki filtracyjne używane do sterylizacji roztworu zewnątrzkomórkowego stosowany do elektrofizjologii dzwonek elektrody |
| zacisk napięciowy cęgi prądowe góra | Urządzenia molekularne | CV-7B | dostarczane ze wzmacniaczem MultiClamp 700B używanym jako lewy i prawy stopień główny |
| &alfa;-bungarotoksyna | ThermoFisher | B1601 | do unieruchamiania larw przed zapisem |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.