Ten protokół dostarcza kompleksowego opisu metody jednoczesnego rejestrowania sygnałów wapniowych z neuronów i astrocytów w wielu obszarach mózgu związanych z pamięcią i demonstruje jej zastosowanie w paradygmacie zachowania uczenia się i pamięci.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Ten protokół dostarcza kompleksowego opisu metody jednoczesnego rejestrowania sygnałów wapniowych z neuronów i astrocytów w wielu obszarach mózgu związanych z pamięcią i demonstruje jej zastosowanie w paradygmacie zachowania uczenia się i pamięci.
Uczenie się i pamięć zależą krytycznie od koordynacji między neuronami i astrocytami w różnych obszarach mózgu. Astrocyty modulują transmisję synaptyczną i pobudliwość neuronów, przyczyniając się tym samym do kodowania i konsolidacji informacji w obwodach związanych z pamięcią. Wewnątrz- i międzyregionalne korelacje między astrocytami a neuronami są kluczowe dla zrozumienia zaburzeń pamięci i poznawczych. Jednak jednoczesne monitorowanie aktywności astrocytów i neuronów w wielu regionach podczas zachowania związanego z pamięcią pozostaje technicznie wyzwaniem. Przedstawiono tu metodę, która umożliwia jednoczesne rejestrowanie tych sygnałów wapniowych od astrocytów i neuronów w kilku obszarach związanych z pamięcią. Ta strategia łączy komórkowo-specyficzne dwukolorowe, genetycznie zakodowane wskaźniki wapnia (GECI), wielokanałowy system fotometrii światłowodowej i zsynchronizowane śledzenie zachowań, aby osiągnąć monitorowanie w czasie rzeczywistym aktywności neuronowej i astrocytowej w środkowym przedczołowym korze (mPFC), obszarze CA1 hipokampu i środkowym korze zakrętu sklepieniowego (MEC). Wyniki reprezentatywne wykazują skoordynowane dynamiki wapnia między regionami i typami komórek podczas zadania rozpoznawania obiektów. Ta metoda zapewnia powtarzalny i wydajny eksperymentalny рамка dla badania interakcji astrocyt–neuron leżących u podstaw procesów uczenia się i pamięci.
Uczenie się i pamięć to fundamentalne procesy poznawcze, które obejmują zdobywanie, przechowywanie i odzyskiwanie informacji, które są niezbędne do tworzenia adaptacyjnych zachowań. Procesy te leżą u podstaw wielu złożonych funkcji, takich jak nawigacja przestrzenna, rozpoznawanie obiektów, asocjacja kontekstowa i podejmowanie decyzji. Ponadto choroby dysfunkcji poznawczych, w tym choroba Alzheimera, choroba poznawcza związana z wiekiem i urazy mózgu, wykazują nieprawidłowości w tworzeniu pamięci1,2,3. Dlatego też, pełne zrozumienie podstawy neuronowej uczenia się i pamięci wymaga wyjaśnienia dynamicznej interakcji między różnymi typami komórek. Interakcja ta ma miejsce w obrębie i między tymi regionami podczas kodowania i odzyskiwania informacji.
Tradycyjnie uważano, że tworzenie pamięci jest przede wszystkim określone przez aktywność neuronów. Jednak rozległe badania wykazały, że komórki gleju znacząco regulują kodowanie, konsolidację i odzyskiwanie informacji. Osiągają to poprzez modulacje transmisji synaptycznej, regulację pobudliwości neuronów, uwalnianie gliotransmiterów i zapewnienie wsparcia metabolicznego4,5,6,7,8. Komórki gleju dynamicznie współdziałają z neuronami, a dwukierunkowa komunikacja jest na ogół nazywana "siecią komórek glejowych i neuronowych"9,10,11. Dlatego zrozumienie zsynchronizowanych interakcji między komórkami gleju a neuronami jest kluczowe dla zrozumienia mechanizmów komórkowych i sieciowych uczenia się i pamięci.
Uczenie się i pamięć opierają się na dynamicznej integracji informacji w wielu regionach mózgu. Interakcje między komórkami gleju a neuronami nie ograniczają się do lokalnych mikroobwodów, ale rozciągają się na rozproszone regiony mózgu zaangażowane w pamięć, w tym środkową korę przedczołową (mPFC), obszar CA1 hipokampu i środkową korę przedczołową (MEC). mPFC jest zaangażowana w konsolidację pamięci i regulację długotrwałej pamięci; CA1 jest kluczowe dla kodowania i reaktywacji pamięci epizodycznej; a MEC służy jako centrum integracji informacji przestrzennych i multimodalnych, dostarczając istotnych wejść do obwodu hipokampalno-korowego12,13,14,15,16. Rosnące dowody sugerują, że komórki gleju w tych regionach uczestniczą w zsynchronizowanych dynamicznych procesach między regionami wraz z neuronami, odgrywając kluczowe role w przepływie informacji i przejściach stanowych podczas uczenia się i zapamiętywania17,18.
Chociaż zwiększono rozpoznanie synergetycznej funkcji komórek gleju i neuronów w przetwarzaniu pamięci, nadal istnieje znaczny wyzwanie techniczne w jednoczesnym monitorowaniu aktywności wapniowej zarówno w komórkach gleju, jak i w neuronach w wielu regionach mózgu związanych z pamięcią podczas zachowania wolno poruszających się zwierząt. Obrazowanie dwufotonowe oferuje wysoką rozdzielczość przestrzenną, ale jest ograniczone przez głębokość i fiksację głowy19,20; wielokanałowa elektrofizjologia umożliwia rejestrację z wysoką rozdzielczością czasową, ale brakuje specyficzności typu komórki i nie może rozróżnić sygnałów wapniowych komórek gleju. Dlatego opracowano metodę, która umożliwia jednoczesne rejestrowanie sygnałów wapniowych komórek gleju i neuronów w wielu regionach mózgu związanych z pamięcią u myszy poruszających się swobodnie. Genetycznie zakodowane wskaźniki wapnia (GECI) raportują dynamikę Ca2+ wewnątrzkomórkową poprzez Ca2+-zależne zmiany konformacyjne w CaM/M13, które modulują fluorescencje genetycznie zakodowanych fluoroforów. Dwukolorowe podejścia GECI wykorzystują spektralnie rozdzielne wskaźniki, takie jak zielone i czerwone czujniki wapnia, wraz z promotorami specyficznymi dla typu komórek, aby umożliwić jednoczesne rejestrowanie aktywności Ca2+ komórek gleju i neuronów w tej samej okolicy mózgu. Łącząc dwukolorowych wskaźników GECI specyficznych dla typu komórki (GCaMP6f i jRGECO1a) oraz wielokanałowy system fotometrii światłowodowej, osiągnięto monitorowanie w czasie rzeczywistym aktywności wapniowej w neuronach i komórkach gleju w mPFC, CA1 i MEC. Co więcej, biorąc jako przykład zadanie nowej rozpoznawalności obiektów (NOR), wykazano zsynchronizowaną dynamikę wapniową w różnych regionach mózgu i typach komórek podczas zadań uczenia się. Ta metoda jest rozmnażalnym, niezawodnym i skalowalnym protokołem do badania aktywności zespołów komórek glejowych i neuronowych w różnych regionach mózgu podczas uczenia się i zapamiętywania.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wszystkie eksperymenty na zwierzętach zostały zatwierdzone przez Komitet ds. Opieki nad Zwierzętami i ich Użytkowania Uniwersytetu Trzeciej Akademii Medycznej Wojskowej (Numer zgody etycznej na eksperymenty na zwierzętach: AMUWEC20230126) i przeprowadzone zgodnie z Przewodnikiem Uniwersytetu Trzeciej Akademii Medycznej Wojskowej ds. Opieki nad Zwierzętami Laboratoryjnymi, aby zapewnić etyczne traktowanie zwierząt. Stosowany sprzęt i reagenty są wymienione w Tabeli Materiałów.
Aby zapewnić bezpieczeństwo eksperymentatora, wszystkie procedury eksperymentalne z udziałem żywych zwierząt i wektorów wirusowych były wykonywane przy użyciu odzieży ochronnej, sterylnych rękawic i maseczki. Wszystkie instrumenty były dokładnie sterylizowane przed użyciem, a powierzchnie eksperymentalne były czyszczone 70% etanolem przed i po każdym eksperymencie. Pozostałe materiały były usuwane zgodnie z instytucjonalnymi przepisami dotyczącymi utylizacji odpadów. Wszystkie reagenty i sprzęt były obsługiwane tak, aby uniknąć bezpośredniego kontaktu ze skórą lub oczami.
1. Przygotowanie zwierząt i manipulacja wirusami
2. Sterylotaktyczne wstrzyknięcie wirusa
UWAGA: W tym badaniu zastosowano dwuetapową strategię wstrzyknięcia wirusa. W obecnych warunkach eksperymentalnych strategia ta może być niezawodnie i stabilnie wdrożona, a wynikający wzorzec ekspresji jest zgodny z oczekiwanym profilem promotora specyficznego dla typu komórek.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Na podstawie opisanej powyżej procedury, wykonano podwójne wielo-stanowiskowe rejestrowanie włókien u myszy C57 w wieku 4 miesięcy, skierowane na mPFC, CA1 i MEC. W niniejszym badaniu zastosowaliśmy dwuetapową strategię wstrzyknięć wirusowych w celu sekwencyjnego wprowadzenia dwóch wskaźników. W naszych warunkach eksperymentalnych, ta strategia może być niezawodnie i stabilnie wdrożona, a wynikający wzorzec ekspresji jest zgodny z oczekiwanym profilem promotora specyficznego dla typu komórki.
...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
W tej pracy opracowano metodę jednoczesnego rejestrowania aktywności wapniowej komórek astrocytowych i neuronów w wielu obszarach mózgu myszy związanych z pamięcią podczas nauki i zachowań związanych z pamięcią. W odróżnieniu od pojedynczej rejestracji obrazowej regionu28 lub technik elektrofizjologicznych, synchroniczna rejestracja wielo-regionalna rejestruje skoordynowane dynamiki w rozproszonych sieciach pamięci, co czyni ją potężnym narzędziem do badania nauki i pamięci9
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie deklarują żadnych sporów interesów, finansowych lub innego rodzaju.
Pani Jia Lou jest wymieniana za wsparcie techniczne, a Sai Te Xin Si (narzędzie AI) jest wymieniana za pomoc w redagowaniu językowym. Ta praca otrzymała wsparcie od Narodowej Fundacji Nauk Przyrodniczych Chin (grant nr 82371485, 82588301, 32400932) oraz Fundacji Nauk Przyrodniczych Chongqing w Chinach (grant nr CSTB2024NSCQ-JQX0024, 2024NSCQ-MSX1104).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 75 RN 5uL SYR W/O NEEDLE | Hamilton | 7634-01 | Łączy się z mikropipetą do iniekcji wirusowej |
| AAV5-GfaABC1D-GCaMP6f | Addgene | 52925 | Astrocytospecyficzna ekspresja GCaMP6f |
| AAV9-hSyn-NES-jRGECO1a | Addgene | 100854 | Neuronowy czerwono przesunięty wskaźnik wapnia |
| Bepanthen Eye and Nasal Ointment | Bepanthen | MA0008 | Zapobiega wysychaniu rogówki |
| Bundled optical fibers with ceramic sleeves | Inper | BFO-1x3-W1.25 | Łączy zaimplantowane włókna z systemem fotometrii |
| Camera | Mind Vision | MV-SUA502C-T | Wideo zachowań zsynchronizowane z sygnałami wapniowymi |
| Dental cement | NISSIN | Super-Bond C&B | Używany do zamocowania tulejek do czaszki |
| Ferrule holder | Inper | SCH-1.25 | Przytrzymywanie ceramicznej tulejki bezpiecznie podczas implantacji |
| Isoflurane vaporizer & Anesthesia system | RWD Life Science | R510-29 | Do indukcji i podtrzymiwania znieczulenia |
| Multi-channel fiber photometry system | RWD Life Science | R821 | Do dwukolorowego nagrywania |
| OFRS software | RWD Life Science | Analiza nagranych sygnałów wapniowych | |
| Optical fibers | RWD Life Science | R-FOC-BL200C-39N | Zaimplantowane w docelowej części mózgu |
| Stereotaxic instrument | RWD Life Science | 68801 | Używany do precyzyjnej iniekcji wirusowej i implantacji włókien |
| Syringe pump | KD Scientific | 788130 | Dostarcza wirusa w kontrolowanych szybkościach |
| Tissue glue | 3M Animal Care Products | 1469SB Vetbond | Do zamknięcia nacięć |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.