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Identificar parceiros sinápticos precisos no sistema nervoso central (SNC) permite acompanhar a formação e o refinamento das conexões sinápticas durante o desenvolvimento do sistema nervoso. Assim, os esforços têm se concentrado no uso da microscopia eletrônica volumétrica (EM) para reconstruir não apenas conectomas completos em poderosos organismos modelo genéticos como Caenorhabditis elegans 1,2 e Drosophila melanogaster 3,4,5, mas também volumes eletromagnéticos em escala milimétrica de cérebros complexos de mamíferos, incluindo o córtex visualprimário do camundongo 6 e o córtex temporalhumano 7. Esses estudos fornecem uma visão única dos princípios organizacionais que fundamentam a conectividade sináptica no nível anatômico. No entanto, a caracterização funcional dos parceiros sinápticos fornece insights complementares sobre a conectividade neuronal e é necessária para validar achados anatômicos.
Drosophila oferece inúmeras vantagens para o estudo da conectividade neuronal, incluindo a disponibilidade de conectomas completos para a larva3, bem como para o sistema nervoso central adultofeminino 4 emacho 5, além de circuitos neuronais bem caracterizados que regulam comportamentos previsíveis 8,9,10. A rede nociceptiva larval representa um desses circuitos bem adequados para estudar a conectividade sinápticaprecisa 11. A reconstrução EM dessa rede revelou parcerias sinápticas detalhadas necessárias para processar estímulos nociceptivos, levando ao comportamento característico de escape conhecido como rolamentonocifensivo 12,13.
Dentro dessa rede, os neurônios de arborização dendrítica classe IV (cIVda)14 funcionam como nociceptores sensoriais primários responsáveis pela detecção dador 11,12,13,15,16. Seus corpos celulares e dendritos estão localizados periféricamente na parede corporal, enquanto seus axônios projetam-se na medula nervosa ventral larval (VNC)15. Dentro do SNC, os neurônios cIVda arborizam seus terminais axonais em um padrão estereotipado e formam a maioria de seus contatos sinápticos com os interneurônios da Bacia-4 11,12,13,17. Essa relação sináptica definida estabelece neurônios cIVda e interneurônios da Bacia-4 como um par ideal para avaliação funcional da conectividade sináptica in vivo. O desenvolvimento de métodos para analisar conexões funcionais entre parceiros sinápticos individualmente identificados facilitará a investigação dos mecanismos subjacentes ao desenvolvimento e refinamento sinápticos, especialmente em sistemas geneticamente tratáveis com circuitos neurais estereotipados.
CaMPARI (Integrador Ratiométrico Fotoativable Modulado com Cálcio)18 é um indicador fluorescente radiométrico geneticamente codificado cujo espectro de emissão se desloca em resposta a níveis elevados de cálcio intracelular. Sob condições de base, CaMPARI fluoresce em verde; Na presença de altas concentrações de cálcio e após exposição à luz de fotoconversão (~400 nanômetros (nm)), ele se converte irreversivelmente em fluorescênciavermelha 18. Como o influxo de cálcio nos neurônios pós-sinápticos é uma característica da ativação sináptica, a fotoconversão CaMPARI fornece uma leitura da sinalização sinápticafuncional 19,20.
Além do CaMPARI, a atividade neuronal pode ser visualizada usando sensores reversíveis, como indicadores de cálcio geneticamente codificados (GECIs), incluindo GCaMP ouRCAMP 21, assim como indicadores de voltagem geneticamente codificados (GEVIs)22 , como Arclight23, Ace2N-mNeon24 ou VARNAM25. Embora esses sensores rápidos e reversíveis sejam bem adequados para monitorar atividade transitória em tempo real, eles são suscetíveis a artefatos de movimento durante imagens in vivo . Em contraste, as propriedades integrativas e irreversíveis de fotoconversão do CaMPARI permitem a captura da atividade em uma janela de tempo definida, possibilitando a detecção da ativação neuronal mesmo quando os planos focais se deslocam durante a imagem20. Além disso, a fotoconversão CaMPARI pode ser ajustada ajustando a intensidade da luz violeta, permitindo a detecção de redução da força sináptica ou entradassublimiares 26. Essas propriedades permitiram o mapeamento de atividade em animais em movimento livre sem fixação ou amarramento da cabeça, incluindo estudos no córtex decamundongo 27, cérebro de peixe-zebra28, C. elegans29 e Drosophilaadulta 20.
Um protocolo é descrito para visualizar parceiros sinápticos funcionais via fotoconversão CaMPARI combinada com estimulação optogenética pré-sináptica usando microscopia confocal em larvas de Drosophila intactas e não dissecadas. Nessa abordagem, o CaMPARI é usado para detectar o influxo pós-sináptico de cálcio em interneurônios da Bacia-4 após a ativação optogenética de neurônios cIVda em larvas vivas do terceiro estágio. Os neurônios cIVda expressam a canalrodopsina ativada pela luz vermelha CsChrimson 30,31, enquanto os interneurônios da Bacia-4 expressam CaMPARI. A exposição à luz vermelha ativa seletivamente os nociceptores, imitando um estímulo nociceptivo de forma temporalmentecontrolada 16,30. Essa estratégia permite avaliar se a ativação pré-sináptica induz a fotoconversão CaMPARI dependente de cálcio em neurônios pós-sinápticos, fornecendo assim evidências funcionais da conectividade sináptica.
Diversas vantagens técnicas apoiam o uso do CaMPARI em combinação com o CsChrimson para análise da conectividade cIVda–Bacia-4. Primeiro, os dendritos cIVda formam um mosaico completo e não sobreposto da parede corporallarval 32, permitindo a ativação optogenética de neurônios sensoriais intactos sem efeitos de confusão causados por danos induzidospor dissecação 16. Segundo, embora as larvas estejam fisicamente imobilizadas em uma lâmina de microscópio, movimentos internos frequentemente alteram a posição do SNC e o plano focal durante a imagem; A fotoconversão CaMPARI é menos sensível a esses artefatos de movimento e fornece uma leitura estável e integrada no tempo da atividade neuronal. Terceiro, as propriedades integrativas e ajustáveis do CaMPARI permitem a detecção da atividade sináptica mesmo quando a força sináptica ou o número de contato são reduzidos, como durante estágios iniciais do desenvolvimento, apoiando assim estudos futuros sobre formação e refinamento das sinaptes.