RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
pl_PL
Menu
Menu
Menu
Menu
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Prezentowany tutaj jest protokół do obrazowania in vivo całego mózgu larw danio pręgowanego za pomocą trójwymiarowej mikroskopii fluorescencyjnej. Procedura eksperymentalna obejmuje przygotowanie próbki, akwizycję obrazu i wizualizację.
Jako model kręgowca, larwy danio pręgowanego są szeroko stosowane w neurobiologii i dają unikalną możliwość monitorowania aktywności całego mózgu w rozdzielczości komórkowej. W tym miejscu zapewniamy zoptymalizowany protokół do wykonywania obrazowania całego mózgu larw danio pręgowanego za pomocą trójwymiarowej mikroskopii fluorescencyjnej, w tym przygotowanie i unieruchomienie próbki, osadzanie próbki, akwizycję obrazu i wizualizację po obrazowaniu. Obecny protokół umożliwia obrazowanie in vivo struktury i aktywności neuronalnej mózgu larwy danio pręgowanego w rozdzielczości komórkowej przez ponad 1 godzinę przy użyciu mikroskopii konfokalnej i specjalnie zaprojektowanej mikroskopii fluorescencyjnej. Omówiono również krytyczne etapy protokołu, w tym montaż i pozycjonowanie próbki, zapobieganie tworzeniu się pęcherzyków i pyłu w żelu agarozowym oraz unikanie ruchu na obrazach spowodowanego niepełnym zestaleniem żelu agarozowego i paraliżem ryby. Protokół został zweryfikowany i potwierdzony w wielu ustawieniach. Protokół ten można łatwo dostosować do obrazowania innych narządów larwy danio pręgowanego.
Danio rerio) danio pręgowany (Danio rerio) został powszechnie przyjęty jako modelowy kręgowiec w neurobiologii, ze względu na jego przezroczystość optyczną w stadium larwalnym, szybki rozwój, niskie koszty utrzymania i dostępność różnorodnych narzędzi genetycznych1,2,3,4. W szczególności przezroczystość optyczna larw w połączeniu z genetycznie kodowanymi fluorescencyjnymi reporterami zdarzeń biologicznych5,6,7,8,9 zapewnia wyjątkową okazję do zobrazowania zarówno aktywności neuronalnej, jak i struktury na poziomie całego mózgu10,11,12,13,14. Jednak nawet w przypadku mikroskopu, który obsługuje rozdzielczość komórkową, uzyskane obrazy niekoniecznie zachowują informacje na poziomie pojedynczej komórki; Jakość obrazu optycznego może ulec pogorszeniu z powodu aberracji wprowadzanej przez żel agarozowy używany do mocowania próbki, ryby mogą być zamontowane pod kątem, przez co obszary zainteresowania nie są w pełni zawarte w polu widzenia mikroskopu, a ryby mogą poruszać się podczas zapisu, powodując artefakty ruchu na obrazach lub utrudniając dokładne wydobycie sygnału z obrazów.
Dlatego potrzebny jest skuteczny i powtarzalny protokół do pozyskiwania wysokiej jakości danych obrazowych przy minimalnym szumie i ruchu. Niestety, publicznie dostępne protokoły obrazowania całego mózgu larw danio pręgowanego in vivo15,16,17,18,19 tylko pobieżnie opisują procedurę, pozostawiając istotną część szczegółów, takich jak krzepnięcie agarozy, precyzyjne techniki montażu i pozycjonowanie próbki za pomocą kleszczy, każdemu eksperymentatorowi. Ponadto niespójności w metodach koncentracji i unieruchamiania agarozy 10,11,14,15,16,17,18,19 mogą prowadzić do problemów wynikających z ruchu ryb podczas procesu obrazowania.
Tutaj znajduje się szczegółowy protokół obrazowania całego mózgu larw danio pręgowanego za pomocą trójwymiarowej mikroskopii fluorescencyjnej. Rysunek 1 przedstawia graficzny przegląd protokołu: przygotowanie i unieruchomienie próbki, osadzanie próbki, akwizycja obrazu i wizualizacja po obrazowaniu. Strukturalne i funkcjonalne obrazowanie mózgu larwy danio pręgowanego in vivo zademonstrowano przy użyciu komercyjnego mikroskopu konfokalnego i specjalnie zaprojektowanego mikroskopu fluorescencyjnego. Protokół ten może być dostosowany przez praktyków do obrazowania mózgu z określonymi bodźcami sensorycznymi lub kontekstami zachowania, w zależności od potrzeb i projektu eksperymentu.
Wszystkie eksperymenty z danio pręgowanym zostały zatwierdzone przez Instytucjonalny Komitet ds. Opieki i Użytkowania Zwierząt (IACUC) KAIST (KA2021-125). Łącznie 12 dorosłych ryb danio pręgowanego z panneuronalną ekspresją wskaźnika wapnia GCaMP7a [Tg(huc:GAL4); Tg(UAS:GCaMP7a)] na kacper [mitfa(w2/w2); MPV17(A9/A9)] wykorzystano do hodowli. Grupa ta składała się z ośmiu samic i czterech samców w wieku od 3 do 12 miesięcy. Eksperymenty obrazowe przeprowadzono na larwach danio pręgowanego w 3-4 dni po zapłodnieniu (d.p.f.), w okresie, w którym nie można określić ich płci.
1. Przygotowanie próbki danio pręgowanego
2. 2% (wag./obj.) preparat w żelu agarozowym
3. Przykładowy montaż i pozycjonowanie
4. Akwizycja obrazu
5. Konfiguracja wizualizacji za pomocą napari
UWAGA: napari to wielowymiarowa przeglądarka obrazów o otwartym kodzie źródłowym w środowisku Pythona z renderingiem opartym na procesorze graficznym (GPU)33. Wtyczka napari-animation zapewnia programowe tworzenie filmów. Korzystanie z Fiji, programu do przetwarzania obrazów o otwartym kodzie źródłowym, jest zalecane do ogólnego przetwarzania obrazu, takiego jak filtrowanie i transformacja geometryczna (patrz Tabela materiałów). Kod źródłowy użyty do wizualizacji przy użyciu napari jest dostępny w serwisie GitHub (https://github.com/NICALab/Zebrafish-brain-visualization).
6. Wizualizacja struktur za pomocą napari
7. Przetwarzanie obrazów i wizualizacja aktywności neuronalnej za pomocą napari
UWAGA : Aby zobrazować obrazy aktywności neuronalnej w szeregach czasowych jako nałożone obrazy statycznego tła i aktywności, algorytm dekompozycji musi zostać zastosowany do surowych obrazów. Użyj implementacji algorytmu dekompozycji w programie MATLAB o nazwie BEAR24. Wersja MATLAB BEAR jest dostępna na GitHub (https://github.com/NICALab/BEAR).
Struktura i aktywność neuronalna mózgów larw danio pręgowanego wyrażających wskaźnik wapnia panneuronalny GCaMP7a (Tg(huc:GAL4); Tg(UAS:GCaMP7a))20,21,22z kacperem (mitfa(w2/w2); MPV17(A9/A9))34 tło zostało zobrazowane na 3-4 d.p.f. zgodnie z opisanym protokołem.
Dla wolumetrycznego obrazowania strukturalnego, próbka została zobrazowana za pomocą komercyjnego systemu konfokalnej do skanowania punktowego, wyposażonego w soczewkę obiektywu do zanurzania w wodzie 16x 0,8 NA. Laser wzbudzający o długości fali 488 nm został wykorzystany zarówno do obrazowania strukturalnego, jak i funkcjonalnego. Liczba klatek na sekundę, rozdzielczość obrazu, rozmiar piksela i rozmiar kroku osiowego wynosiły odpowiednio 0,25 Hz, 2048 x 2048, 0,34 μm i 1,225 μm. Akwizycja obrazu trwała około 1 h i 20 min. Wolumetryczne pole widzenia uzyskanego obrazu obejmowało obszary mózgu przodomózgowia, śródmózgowia i tyłomózgowia (Rysunek 4A). Ciała komórek nerwowych rdzenia przedłużonego, płytki móżdżku, tectum wzrokowego, habenuli i grzbietowej kresomózgowia w całym mózgu larwy danio pręgowanego 4 d.p.f. były wyraźnie widoczne na obrazach mikroskopii konfokalnej (Ryc. 4B). Renderowanie 3D obrazów z mikroskopii konfokalnej zostało przeprowadzone przy użyciu napari27, zgodnie z wyżej wymienionym protokołem (Rysunek 4C i Wideo 1).
Dla funkcjonalnego obrazowania w 2D, próbka została zobrazowana przy użyciu tego samego systemu mikroskopii konfokalnej, wyposażonego w soczewkę obiektywu zanurzającego wodę 16x 0,8 NA. Liczba klatek na sekundę, rozdzielczość obrazu i rozmiar piksela wynosiły odpowiednio 2 Hz, 512 x 256 i 1,5 μm. Ciała komórek nerwowych były wyraźnie widoczne zarówno w tle, jak i w nałożonej aktywności neuronalnej (Ryc. 5A,B).
Do funkcjonalnego obrazowania 3D użyto specjalnie zaprojektowanego systemu mikroskopii 3D18, który był w stanie obrazować in vivo aktywność neuronalną całej larwy mózgu danio pręgowanego o polu widzenia 1,040 μm × 400 μm × 235 μm oraz rozdzielczościach bocznych i osiowych 1,7 μm i 5,4 μm, odpowiednio. Szybkość obrazowania wynosiła do 4,2 objętości na sekundę. Podobnie jak w przypadku renderowania danych obrazowania strukturalnego, napari użyto do renderowania 3D danych obrazowania wapnia całego mózgu (Rysunek 5C i wideo 2).

Rysunek 1: Przegląd procedury eksperymentalnej. Przygotowanie próbki danio pręgowanego i paraliż (etap 1). Preparat w żelu agarozowym 2% (wag./obj.) (krok 2). Przykładowy montaż i pozycjonowanie (krok 3). Akwizycja obrazu (krok 4). Przetwarzanie obrazu i wizualizacja struktury i aktywności neuronalnej (krok 5-7). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Eksperymentalna procedura przygotowania obrazowania całego mózgu. (A) Przesiewana próbka danio pręgowanego wyrażająca panneuronalny GCaMP7a na szalce Petriego wypełnionej wodą z jaj. (B) Sprzęt i materiały wymagane do montażu i pozycjonowania próbki. (1) Blok grzewczy w temperaturze 37 °C; (2) 2% (wag./obj.) żel agarozowy; (3) 1,5 ml probówka do mikrowirówki; (4) woda jajeczna; (5) 0,25 mg/ml roztworu bromku pankuronium; (6) szalka Petriego; (7) kleszcze; (8) Przenieść pipetę. (C) Stereomikroskopowy obraz sparaliżowanej próbki. strzałka wskazuje serce próbki. (D) Próbkę w probówce mikrowirówkowej o pojemności 1,5 ml przenosi się za pomocą pipety. Wstawka przedstawia powiększony widok obszaru ramkowego. (E) Próbkę (czarną strzałkę) umieszcza się w środku płytki Petriego za pomocą kleszczy. (F) Próbka jest wyrównywana za pomocą kleszczy. (G) Przykład nieprawidłowo osadzonej próbki. (H) Przykład wyrównanej próbki osadzonej. (I) Preparat umieszcza się na stoliku mikroskopowym pod soczewką obiektywu w celu uzyskania obrazu. Podziałka skali: 500 μm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Wizualizacja obrazów mózgu larw danio pręgowanego. (A) Renderowanie 3D obrazu z mikroskopii konfokalnej mózgu larwy danio pręgowanego (4 d.p.f) wyrażającego panneuronalny GCaMP7a. Do renderowania użyto napari, wielowymiarowej przeglądarki obrazów o otwartym kodzie źródłowym w środowisku Pythona. Okno napari zawiera kontrolki warstw (czerwona ramka), listę warstw (żółte pole), płótno (niebieska ramka) i kreatora animacji (zielona ramka). (B) Do renderowania animacji dodawane są klatki kluczowe z wieloma ustawieniami przeglądarki. (C) Obraz z mikroskopii konfokalnej 2-wymiarowego obrazowania poklatkowego aktywności neuronalnej w mózgu larwy danio pręgowanego. Obraz jest rozkładany na tło (po lewej) i aktywność neuronalną (w środku), a następnie nakładany (po prawej). Pasek skali: 100 μm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Obrazowanie struktury mózgu larwy danio pręgowanego. (A) Projekcja maksymalnej intensywności (MIP) obrazu z mikroskopii konfokalnej mózgu larwy danio pręgowanego (4 d.p.f.) wyrażającego panneuronalny GCaMP7a. Góra: boczny MIP. Dół: osiowy MIP. Każda granica zawiera przodomózgowie (czerwone), śródmózgowie (żółte) i tyłomózgowie (niebieskie). (B) Łącznie 10 wycinków osiowych na różnych głębokościach z wolumetrycznego obrazu mózgu (przy z = 25 μm, 50 μm, 75 μm, 100 μm, 125 μm, 150 μm, 175 μm, 200 μm, 225 μm, 250 μm, liczonych w górę od góry do dołu; z = 0 μm oznacza górną powierzchnię mózgu). Każde białe pole reprezentuje obszar mózgu (rdzeń przedłużony, płytka móżdżku, tectum nerwu wzrokowego, habenula i kresomózgowie grzbietowe). (C) Cały mózg odwzorowany za pomocą napari. Podziałka skali: 100 μm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Obrazowanie aktywności neuronalnej mózgu larwy danio pręgowanego. (A) Obraz z mikroskopii konfokalnej aktywności neuronalnej w mózgu larwy danio pręgowanego (4 d.p.f.) wyrażającego pan-neuronalny GCaMP7a. Pasek skali: 100 μm. (B) Powiększony widok obszaru ramkowego w A, pokazujący aktywność neuronalną w tektum wzrokowym w wielu punktach czasowych. Pasek skali: 20 μm. (C) Trójwymiarowe odwzorowanie aktywności neuronalnej całego mózgu w mózgu larwy danio pręgowanego uzyskane za pomocą specjalnie zaprojektowanego mikroskopu (po lewej: t = 133 s; po prawej: t = 901 s). Aktywność neuronalna jest nałożona na tło statyczne. Podziałka skali: 100 μm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6: Obrazowanie poklatkowe z dryfem próbki i bez niego. (A) Obrazowanie poklatkowe mózgu larwy drobnego danio pręgowanego wyrażającego panneuronalny GCaMP7a z dryfem próbki. Do próbki dodano wodę jajeczną przed zestaleniem żelu agarozowego (etap 3.6-3.7). Ryba poruszała się w kierunku bocznym i osiowym. (B) Obrazowanie poklatkowe mózgu larwy danio pręgowanego bez dryfu próbki. Wodę jajeczną dodano do próbki po zestaleniu żelu agarozowego (etap 3.6-3.7). Podziałka skali: 100 μm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Wideo 1: Trójwymiarowe renderowanie struktury całego mózgu larwy danio pręgowanego (4 d.p.f.) mózgu wyrażającego panneuronalny GCaMP7a. Kliknij tutaj, aby pobrać ten film.
Wideo 2: Trójwymiarowe renderowanie aktywności neuronalnej całego mózgu u larwy danio pręgowanego (4 d.p.f.) mózgu wyrażającego panneuronalny GCaMP7a. Kliknij tutaj, aby pobrać ten film.
Autorzy deklarują brak konfliktu interesów.
Prezentowany tutaj jest protokół do obrazowania in vivo całego mózgu larw danio pręgowanego za pomocą trójwymiarowej mikroskopii fluorescencyjnej. Procedura eksperymentalna obejmuje przygotowanie próbki, akwizycję obrazu i wizualizację.
Linie danio pręgowanego używane do obrazowania wapnia zostały dostarczone przez Zebrafish Center for Disease Modeling (ZCDM), Korea. Badania te były wspierane przez National Research Foundation of Korea (2020R1C1C1009869, NRF2021R1A4A102159411, RS-2023-00209473).
| Probówka do mikrowirówek 1,5 ml | SciLab | SL. Tub3513 | Do podwielokrotności żelu agarozowego i roztworu bromku pankuronium |
| 15 ml probówek Falcon | Falcon | 352096 | Do przygotowania żelu agarozowego i roztworu bromku pankuronium |
| 16 i razy; 0,8 NA soczewka obiektywowa do zanurzania w wodzie | Nikon | CFI75 LWD 16 razy; W | Soczewka obiektywowa do obrazowania całego mózgu |
| 1-fenylo 2-tiomocznik (PTU) | Sigma-Aldrich | P7629-10G | 200 μ M z 1-fenylo 2-tiomocznika (PTU) |
| 50 ml Probówki Falcon | Falcon | 352070 | Do przygotowania wody jajecznej |
| Jednorazowa pipeta transferowa | SciLab | SL. Pip3032 | Do przenoszenia larw danio pręgowanego |
| Woda jajeczna | N/A | N/D | 0,6 g soli morskiej w 10 l wody dejonizowanej |
| Kleszcze | Karl Hammacher GmbH | HSO 010-10 | Kleszcze używane do pozycjonowania próbek |
| Agaroza o niskiej temperaturze topnienia | Thermo Scientific | R0801 | 2% (wt/vol) żel agarozowy |
| Napari | Napari N | /A | Do wizualizacji obrazów mikroskopowych w 3D |
| NIS-Elements C | Nikon | N/A | Oprogramowanie do obrazowania do mikroskopu konfokalnego |
| Bromek pankuronium | Sigma-Aldrich | P1918-10MG | 0,25 mg/ml roztworu bromku pankuronium |
| szalka Petriego, 35 mm | SPL Nauki Biologiczne | 11035 | Szalka Petriego używana do zatapiania próbki Szalka |
| Petriego, 55 mm | SPL Nauki Biologiczne | 11050 | Przygotowanie larw danio pręgowanego po badaniu przesiewowym |
| System punktowej skaningowej mikroskopii konfokalnej (C2 Plus) | Nikon | N/A Mikroskop | konfokalny do obrazowania całego mózgu |
| Sól morska | Sigma-Aldrich | S9883-500G | Sól morska używana do przygotowania wody jajecznej |