Opisujemy tutaj metody indukowania i analizowania zależnej od doświadczenia węchowego przebudowy synaptycznych kłębuszków nerkowych płata czułkowego w mózgu młodocianych Drosophila.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Opisujemy tutaj metody indukowania i analizowania zależnej od doświadczenia węchowego przebudowy synaptycznych kłębuszków nerkowych płata czułkowego w mózgu młodocianych Drosophila.
Doświadczenie zmysłowe węchu we wczesnym okresie życia powoduje dramatyczną przebudowę kłębuszków synaptycznych w mózgu młodocianych Drosophila, która jest empirycznie zależna od dawki, ograniczona czasowo i przejściowo odwracalna tylko w krótkim, dobrze zdefiniowanym okresie krytycznym. Kierunkowość przebudowy połączeń synaptycznych obwodów mózgu jest określana przez specyficzny zapach działający na klasę receptorów respondenta węchowych neuronów czuciowych. Ogólnie rzecz biorąc, każda klasa neuronów wyraża tylko jeden receptor zapachowy i unerwia pojedynczy węchowy kłębuszek synaptycznych. W modelu genetycznym Drosophila pełny wachlarz kłębuszków węchowych został precyzyjnie zmapowany na podstawie reakcji na zapach i wyników behawioralnych. Środek zapachowy maślanu etylu (EB) aktywuje neurony receptora Or42a unerwiające kłębuszki VM7. W krytycznym okresie wczesnego życia doświadczenia z EB napędzają zależną od dawki eliminację synaps w węchowych neuronach czuciowych Or42a. Czasowe okresy ekspozycji na dozowany zapach EB pozwalają na badanie zależnego od doświadczenia przycinania połączeń obwodowych w mózgu młodocianych. Obrazowanie pod mikroskopią konfokalną kłębuszków synaptycznych płata czułkowego odbywa się za pomocą markerów transgenicznych sterowanych receptorem Or42a, które zapewniają ilościowe określenie liczby synaps i objętości unerwienia. Zaawansowany zestaw narzędzi genetycznych Drosophila umożliwia systematyczną analizę mechanizmów komórkowych i molekularnych pośredniczących w przebudowie obwodów mózgowych.
Przebudowa obwodów mózgowych u młodych osobników we wczesnym okresie życia stanowi ostatnią szansę na duże zmiany w połączeniach synaptycznych, aby dopasować się do bardzo zmiennego, nieprzewidywalnego środowiska, w którym rodzi się zwierzę. Jako najliczniejsza grupa zwierząt, owady dzielą ten ewolucyjnie zachowany, fundamentalny mechanizm przebudowy okresu krytycznego1. Okresy krytyczne otwierają się wraz z nadejściem bodźca sensorycznego, wykazują odwracalne zmiany obwodu w celu optymalizacji łączności, a następnie zamykają się, gdy siły stabilizacyjne opierają się dalszej przebudowie2. Owady są szczególnie zależne od węchowych informacji sensorycznych i wykazują dobrze zdefiniowany węchowy okres krytyczny. Drosophila stanowi doskonały model genetyczny do badania tego zależnego od doświadczenia okresu krytycznego w mózgu młodocianego. Doświadczenie odorantu w ciągu pierwszych kilku dni po eklozji powoduje uderzające zmiany łączności obwodów w indywidualnie zidentyfikowanych kłębuszkach synaptycznych 3,4. Kierunek przebudowy zależy od konkretnego doświadczenia z wejściowym odorantem. Niektóre substancje zapachowe powodują wzrost objętości kłębuszka synaptycznego na kilka dni po ekklonizacji (DPE)3,5,6,7, podczas gdy inne substancje zapachowe powodują szybką eliminację synaps w krytycznym okresie 0-2 DPE, co skutkuje zmniejszeniem objętości unerwienia8,9,10. W szczególności, doświadczenie z zapachem maślanu etylu (EB) napędza zależne od dawki przycinanie synaptyczne neuronów receptora węchowego Or42a tylko w tym krytycznym okresie wczesnego życia8. Eliminacja synaps jest całkowicie odwracalna poprzez modulację dopływu zapachu EB w okresie krytycznym, ale staje się trwała po zamknięciu okresu krytycznego. To zależne od doświadczenia węchowego przycinanie synaptyczne stanowi cenny system eksperymentalny do wyjaśnienia czasowo ograniczonych mechanizmów leżących u podstaw przebudowy obwodów mózgu u młodych ludzi.
Tutaj prezentujemy szczegółowy protokół używany do indukowania i analizowania zależnego od doświadczenia EB przycinania synaptycznego węchowych neuronów czuciowych receptora Or42a we wczesnym okresie życia. Pokazujemy, że zakończenia synaptyczne Or42a w płacie anteny kłębuszków nerkowych VM7 mogą być specyficznie znakowane przez transgeniczne kierowanie markerem mCD8::GFP na uwięzi błonowej, albo bezpośrednio połączonym z promotorem Or42a (Or42a-mCD8::GFP)11 lub przy użyciu systemu wyrażeń binarnych Gal4/UAS (Or42a-Gal4 sterujący UAS-mCD8::GFP)12. Poszczególne synapsy neuronów Or42a mogą być podobnie znakowane za pomocą ukierunkowanej transgenicznej ekspresji markerów presynaptycznej strefy aktywnej połączonych z szeregiem znaczników fluorescencyjnych (np. Bruchpilot::RFP)8 lub sygnału o dużej gęstości elektronów do analiz synaps ultrastrukturalnych (np. miniSOG-mCherry)8. Zakończenia synaptyczne Or42a można obrazować za pomocą kombinacji laserowej skaningowej mikroskopii konfokalnej i transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Pokazujemy, że przycinanie kłębuszków synaptycznych Or42a jest zależne od dawki EB, skalując się do stężenia doznania zapachowego w czasie. Procentowa zawartość substancji zapachowej EB rozpuszczonej w oleju mineralnym używanym jako nośnik może być różna, podobnie jak czas trwania ekspozycji na środek zapachowy u zwierząt w stadium rozwoju. Na koniec pokazujemy metody stosowane do analizy zakresu przycinania kłębuszków synaptycznych poprzez pomiar intensywności i objętości fluorescencji unerwienia VM7. Liczbę synaps można również określić ilościowo, licząc znakowane punkty synaptyczne i mierząc parametry ultrastruktury synaptycznej za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej8. Ogólnie rzecz biorąc, przedstawiony tutaj protokół jest potężnym podejściem, które umożliwia systematyczną analizę zarówno komórkowych, jak i molekularnych mechanizmów pośredniczących w przycinaniu połączeń synaptycznych obwodu węchowego Drosophila w młodzieńczym okresie krytycznym. Ogólna konfiguracja ekspozycji na zapach opisana w tym badaniu została wykorzystana w poprzednich badaniach z wykorzystaniem innych zapachów i oznaczaniem innych kłębuszków nerkowych3,7.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Ekspozycja na substancje zapachowe
2. Sekcja mózgu
3. Immunocytochemia mózgu
4. Obrazowanie konfokalne
5. Pomiary synaptyczne
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Rysunek 1 przedstawia schemat pracy dla metod ekspozycji na odoranty w okresie krytycznym zależnym od doświadczeń węchowych oraz obrazowania mózgu. Protokół rozpoczyna się od dopasowania wieku poczwarek w stadium pharate przed samym wyjściem z poczwarki (Rysunek 1A). Poczwarki umieszcza się w komorach z odorantem na 4 h, a następnie nowo wyklute osobniki przenosi się do świeżych fiolek, albo do komór kontrolnych z nośnikiem, albo do komór z dawką odorantu EB (
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedstawiony tutaj protokół ekspozycji na substancje zapachowe i obrazowania mózgu może być wykorzystany do wiarygodnego indukowania i ilościowego określania zależnego od doświadczenia węchowego przycinania kłębuszków nerkowych węchowych neuronów czuciowych we wczesnym okresie życia. Wcześniejsze badania wykorzystujące ten paradygmat leczenia do zbadania przebudowy obwodu węchowego rozpoczęły ekspozycję na zapach w 2dobie po eklozji 3,4,5
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy deklarują brak sprzecznych interesów.
Dziękujemy pozostałym członkom Broadie Lab za ich cenny wkład. Figury zostały stworzone przy użyciu BioRender.com. Prace te były wspierane przez granty Narodowego Instytutu Zdrowia MH084989 i NS131557 dla K.B.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Do ekspozycji na zapach | |||
| Drosophila fiolki | Genesee Scientific | 32-110 | |
| Maślan etylu | Sigma Aldrich | E15701 | |
| Probówki do mikrowirówek | Fisher Naukowy | 05-408-129 | |
| Olej mineralny | Sigma Aldrich | M3516 | |
| Komory zapachowe | Glasslock | ||
| Pędzle malarskie | Winsor & Newton | Series 233 | |
| Parafilm | Thermofisher | S37440 | |
| Siatka druciana | Scienceware | 378460000 | |
| Brain Dissection | |||
| Etanol, 190 proof | Decon Labs | 2801 | Rozcieńczony do 70% |
| kleszczy | Fine Science Tools | 11251-30 | Dumont #5 |
| Paraformaldehyd | Mikroskop elektronowy Sciences | 157-8 | Rozcieńczony do 4% |
| szalki Petriego | Fisher Scientific | 08-757-100B | |
| Solanka buforowana fosforanami | Thermo Fisher Scientific | 70011-044 | Rozcieńczona do 1x |
| sacharozy | Fisher Scientific | BP220-1 | |
| Sylgard | Mikroskop Elektronowy Nauki | 24236-10 | |
| Triton-X 100 | Fisher Scientific | BP151-100 | |
| Brain Immunocytochemia | |||
| 488 kozia anty-kurczak | Invitrogen | A11039 | |
| 546 kozia antyszczura | Invitrogen | A11081 | |
| Albumina surowicy bydlęcej | Sigma Aldrich | A9647 | |
| Kurczak anty-GFP | Abcam | 13970 | |
| Szkiełka nakrywkowe | Avantor | 48366-067 | 25 x 25 mm |
| Taśma dwustronna | Scotch | 34-8724-5228-8 | |
| Fluoromount-G | Mikroskop elektronowy Sciences | 17984-25 | |
| Szkiełka mikroskopowe | Fisher Scientific | 12-544-2 | 75 x 25 mm |
| Lakier do paznokci | Sally Hansen | 109 | Xtreme Wear, Niewidoczna |
| Normalna kozia surowica | Sigma Aldrich | G9023 | |
| Szczurze badania rozwojowe anty-CadN | Bank hybrydoma | AB_528121 | |
| Mikroskop konfokalny/Analiza | |||
| dowolny komputer/laptop | |||
| Carl Zeiss | Zeiss 510 META | ||
| Oprogramowanie | Fidżi Fidżi | Wersja 2.14.0/1.54f |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.