Методическая статья

Методы визуализации структурных и функциональных изменений в синапсах

2K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/63746

⸱

21 января 2022 г.

В этой статье

Аннотация

ОБСУЖДАЕМЫЕ СТАТЬИ:

Пекарек, Б. Т., Хант,. Дж., Белфорт, Б. Д. В., Лю, Г., Аренкель, Б. Р. Визуализация и количественная оценка интактных нейрональных дендритов с помощью очистки ткани CLARITY. Журнал визуализированных экспериментов: JoVE. (170), E62532 (2021).

Frankfurt, M., Bowman, R. Быстрая окраска Гольджи для визуализации дендритного позвоночника в гиппокампе и префронтальной коре. Журнал визуализированных экспериментов: JoVE. (178), E63404 (2021).

Śliwińska, M. A., Cały, A., Szymański, J., Radwańska, K. Serial Block-Face Scanning Electronscopy (SBEM) для исследования дендритных шипов. Журнал визуализированных экспериментов: JoVE. (176), e62712 (2021).

Chan, U., Gautam, D., West, A. E. Использование постнатальной электропорации in vivo для изучения морфологии нейронов мозжечковой гранулы и развития синапсов. Журнал визуализированных экспериментов: JoVE. (172), e62568 (2021).

Cuentas-Condori, A., Miller III, D. M. Визуализация дендритных шипиков у Caenorhabditis elegans. Журнал визуализированных экспериментов: JoVE. (175), e62676 (2021).

Редакционная статья

В возбуждающих синапсах в мозге млекопитающих пресинаптически высвобождаемый глутамат активирует рецепторы, встроенные в постсинаптическую мембрану 1,2. Прочность этих синаптических связей обусловлена пластичностью, зависящей от опыта, что позволяет осуществлять различные формы обучения и памяти 3,4,5,6,7,8,9. Патологические изменения количества синапсов и их сигнальных свойств приводят к изменению активности цепей и обработки информации, проявляющейся при многочисленных неврологических и психических расстройствах 10,11,12. Таким образом, существует острая необходимость в понимании основных механизмов, которые управляют нейронными связями и силой синаптических связей.

Возбуждающие синапсы образуются на дендритных шипах, крошечных постсинаптических выступах, содержащих каркасные белки, рецепторы, сигнальные факторы, цитоскелетные белки и тракционирующие органеллы 1,2,13,14,15,16. Эти сигнальные отсеки микронного размера позволяют контролировать синаптическую силу на основе синапса за синапсом13,16. Морфология дендритных шипиков варьируется по длине дендритов нейронов, при этом формы шипиков обычно описываются как тонкие, филоподиальные, короткие, грибовидныеили разветвленные. Важно отметить, что форма позвоночника коррелирует с синаптической функцией и стабильностью. Например, более крупные шипы имеют увеличенное количество рецепторов и большую синаптическую силу 16,17,18. В отличие от тонких шипов, более крупные шипы могут сохраняться в течение нескольких месяцев in vivo, что может обеспечить стабильные синаптические связии долгосрочное хранение памяти.

Морфологию и плотность шипа вдоль дендрита обычно отслеживают для изучения степени нейронных связей и свойств возбуждающих синапсов в определенной области мозга, как в нормальном, так и в болезненномсостоянии. Разработаны различные методы визуализации морфологии позвоночника в различных тканевых препаратах и модельных системах с использованием стандартной световой и флуоресцентной микроскопии, а также сверхразрешающей и электронной микроскопии (ЭМ)21. Эти мощные методы визуализации дали потрясающее представление о нашем современном понимании организации, функции и болезней мозга. Эта коллекция методов включает в себя важные методы визуализации для мониторинга морфологической сложности дендритов и шипиков, а также оптогенетические инструменты для активации и измерения нейронной активности в дендритах и одиночных шипах.

Pekarek et al.22 представляют относительно быстрый, высокопроизводительный протокол для визуализации и количественной оценки структуры нейрональных дендритов глубоко внутри интактной нервной ткани. Авторы выполняют методочистки тканей, который удаляет липиды из мозговой ткани и помогает свести к минимуму рассеяние света при последующей визуализации23. После очистки Z-стеки нейронов, экспрессирующих флуоресцентные белки, собирали с помощью конфокальной или двухфотонной микроскопии. Анализ изображений и автоматизированная количественная оценка позволили точно измерить плотность и форму колючек, а также сложность дендритного дерева. Этот протокол позволяет одновременно визуализировать структуры, начиная от одиночных шипов и заканчивая дендритными деревьями, и устраняет трудоемкий и потенциально опасный этап резки тонких сечений. Этот метод будет очень полезен исследователям, стремящимся количественно оценить изменения морфологии позвоночника и дендритной сложности в интактных тканях мозга после введения или удаления интересующего гена (генов).

Разработанное более 100 лет назад24 года, окрашивание по методу Гольджи остается мощным инструментом для визуализации организации нервной системы и морфологии нейронов. В этом методе разреженные популяции нейронов окрашиваются микрокристаллизацией хромата серебра, что позволяет визуализировать аксоны, дендритные деревья и шипы25. Франкфурт и Боуманподробно описывают протокол быстрой пропитки Гольджи для визуализации нейронов и дендритных шипиков в гиппокампе крысы и медиальной префронтальной коре. Авторы демонстрируют, как подготавливать, окрашивать и визуализировать ткань для последующей световой микроскопии, а также количественно оценивать плотность колючек вдоль дендритных деревьев. Описанный здесь протокол обеспечивает последовательную, надежную пропитку нейронов и снижает воздействие токсичных химических веществ.

В то время как световая и флуоресцентная микроскопия хорошо подходят для визуализации дендритов и шипиков, ЭМ позволяет визуализировать пре- и постсинаптические структуры с нанометровым разрешением. Подходы ЭМ обычно используются для измерения ультраструктурных свойств синапсов, включая размеры постсинаптической плотности, а также количество и размер синаптических везикул21. В этой коллекции Śliwińska et al.27 предлагают протокол для получения трехмерных (3D) ЭМ-изображений с помощью сканирования Serial Block-face Electron Microscopy (SBEM) в тканях гиппокампа мыши28,29. В частности, они описывают, как подготавливать образцы, встраивать ткани в смолу, монтировать и обрезать образцы, выполнять SBEM и анализировать изображения для создания 3D-реконструкций. Этот протокол позволяет получать высококонтрастные изображения с четко очерченными мембранами и может быть адаптирован для различных типов тканей.

Во время развития нервной системы нейроны претерпевают драматические морфологические изменения, так как синаптические связи формируются и уточняются нервной активностью30,31. Чтобы отследить созревание нейронов в развивающемся мозжечке, Chan et al.32 предлагают протокол постнатальной электропорации развивающихся гранулярных нейронов in vivo. Здесь исследователи ввели и электропорировали ДНК в задний мозг постнатальных детенышей мышей, чтобы трансфицировать разреженную популяцию нейронов флуоресцентными белками. Конфокальная микроскопия высокого разрешения и 3D-визуализация позволили исследователям охарактеризовать морфологию дендритов и дендритных когтей на нескольких стадиях постнатального развития. Важно отметить, что этот подход может позволить вставлять или удалять гены, которые могут влиять на созревание и функционирование гранулярных клеток, и будет представлять большой интерес для исследователей, изучающих развитие мозжечка и созревание гранулярных нейронов.

Наконец, протоколы Куэнтаса-Кондори и Миллера33 используют визуализацию сверхвысокого разрешения34, оптогенетику35 и визуализацию динамики кальция на живых клетках36 для изучения активности ГАМКергических нейронов у нематоды C. elegans. Используя конфокальный микроскоп, оснащенный для визуализации со сверхвысоким разрешением, авторы экспрессируют флуоресцентные белки в дендритах для измерения частоты различных форм шипов. Кроме того, авторы оценивают нейронную функцию по экспрессии оптогенетического белка пресинаптически и показателя кальция постсинаптически После световой активации окончаний в отдельных дендритных шипах наблюдались переходные процессы кальция. Эти протоколы, наряду с недавними открытиями38, подчеркивают захватывающее использование C. elegans в качестве мощной модельной системы для отслеживания морфологии позвоночника и синаптической активности.

Взятые вместе, протоколы, описанные в этой коллекции методов, дополнят и без того богатый набор инструментов, доступных для визуализации нейронной структуры и функции21. Применение этих методов в будущих исследованиях, вероятно, даст дополнительное представление о процессах, которые управляют синаптической пластичностью, связанной с обучением, и клеточных механизмах, лежащих в основе болезненных состояний.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Мы благодарим Шелли Ньюфер за ее полезные комментарии к этой рукописи. Эта работа была профинансирована Университетом Дьюка и Программой Фонда Чарльза Лафита по психологическим и нейронаучным исследованиям в Университете Дьюка.

Ссылки

  1. Okabe, S. Molecular anatomy of the postsynaptic density. Molecular and Cellular Neurosciences. 34 (4), 503-518 (2007).
  2. Sheng, M., Hoogenraad, C. C. The postsynaptic architecture of excitatory synapses: a more quantitative view. Annual Review of Biochemistry. 76, 823-847 (2007).
  3. Citri, A., Malenka, R. C. Synaptic plasticity: multiple forms, functions, and mechanisms. Neuropsychopharmacology. 33 (1), 18-41 (2008).
  4. Derkach, V. A., et al. Regulatory mechanisms of AMPA receptors in synaptic plasticity. Nature Reviews. Neuroscience. 8 (2), 101-113 (2007).
  5. Herring, B. E., Nicoll, R. A. Long-term potentiation: From CaMKII to AMPA receptor trafficking. Annu Rev Physiol. 78, 351-365 (2016).
  6. Newpher, T. M., Ehlers, M. D. Glutamate receptor dynamics in dendritic microdomains. Neuron. 58 (4), 472-497 (2008).
  7. Shepherd, J. D., Huganir, R. L. The cell biology of synaptic plasticity: AMPA receptor trafficking. Annual Review of Cell and Developmental Biology. 23, 613-643 (2007).
  8. Malenka, R. C., Bear, M. F. LTP and LTD: an embarrassment of riches. Neuron. 44 (1), 5-21 (2004).
  9. Nicoll, R. A. A Brief History of Long-Term Potentiation. Neuron. 93 (2), 281-290 (2017).
  10. Blanpied, T. A., Ehlers, M. D. Microanatomy of dendritic spines: emerging principles of synaptic pathology in psychiatric and neurological disease. Biological Psychiatry. 55 (12), 1121-1127 (2004).
  11. Penzes, P., et al. Dendritic spine pathology in neuropsychiatric disorders. Nature Neuroscience. 14 (3), 285-293 (2011).
  12. Newpher, T. M., et al. Regulation of spine structural plasticity by Arc/Arg3.1. Seminars in Cell & Developmental Biology. 77, 25-32 (2018).
  13. Bourne, J. N., Harris, K. M. Balancing structure and function at hippocampal dendritic spines. Annual Review of Neuroscience. 31, 47-67 (2008).
  14. Hotulainen, P., Hoogenraad, C. C. Actin in dendritic spines: connecting dynamics to function. The Journal of Cell Biology. 189 (4), 619-629 (2010).
  15. Kennedy, M. J., Ehlers, M. D. Organelles and trafficking machinery for postsynaptic plasticity. Annual Review of Neuroscience. 29, 325-362 (2006).
  16. Nishiyama, J., Yasuda, R. Biochemical Computation for Spine Structural Plasticity. Neuron. 87 (1), 63-75 (2015).
  17. Holtmaat, A. J., et al. Transient and persistent dendritic spines in the neocortex in vivo. Neuron. 45 (2), 279-291 (2005).
  18. Matsuzaki, M., et al. Structural basis of long-term potentiation in single dendritic spines. Nature. 429 (6993), 761-766 (2004).
  19. Kasai, H., et al. Structure-stability-function relationships of dendritic spines. Trends in Neurosciences. 26 (7), 360-368 (2003).
  20. Hayashi-Takagi, A., et al. Labelling and optical erasure of synaptic memory traces in the motor cortex. Nature. 525 (7569), 333-338 (2015).
  21. Arenkiel, B. R., Ehlers, M. D. Molecular genetics and imaging technologies for circuit-based neuroanatomy. Nature. 461 (7266), 900-907 (2009).
  22. Pekarek, B. T., et al. Imaging and quantification of intact neuronal dendrites via CLARITY tissue clearing. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (170), (2021).
  23. Chung, K., et al. Structural and molecular interrogation of intact biological systems. Nature. 497 (7449), 332-337 (2013).
  24. Pannese, E. The Golgi stain: invention, diffusion and impact on neurosciences. Journal of the History of the Neurosciences. 8 (2), 132-140 (1999).
  25. Gabbott, P. L., Somogyi, J. The 'single' section Golgi-impregnation procedure: methodological description. Journal of Neuroscience Methods. 11 (4), 221-230 (1984).
  26. Frankfurt, M., Bowman, R. Rapid Golgi stain for dendritic spine visualization in hippocampus and prefrontal cortex. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (178), (2021).
  27. Sliwinska, M. A., et al. Serial Block-Face Scanning Electron Microscopy (SBEM) for the Study of Dendritic Spines. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (176), (2021).
  28. Wanner, A. A., Kirschmann, M. A., Genoud, C. Challenges of microtome-based serial block-face scanning electron microscopy in neuroscience. Journal of Microscopy. 259 (2), 137-142 (2015).
  29. Smith, D., Starborg, T. Serial block face scanning electron microscopy in cell biology: Applications and technology. Tissue & Cell. 57, 111-122 (2019).
  30. Reichardt, L. F. Neurotrophin-regulated signalling pathways. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B. Biological Sciences. 361 (1473), 1545-1564 (2006).
  31. Kolodkin, A. L., Tessier-Lavigne, M. Mechanisms and molecules of neuronal wiring: a primer. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 3 (6), (2011).
  32. Chan, U., Gautam, D., West, A. E. Utilizing in vivo postnatal electroporation to study cerebellar granule neuron morphology and synapse development. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (172), (2021).
  33. Cuentas-Condori, A., Miller, D. M. Imaging dendritic spines in Caenorhabditis elegans. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (175), (2021).
  34. Jacquemet, G., et al. The cell biologist's guide to super-resolution microscopy. Journal of Cell Science. 133 (11), (2020).
  35. Rajasethupathy, P., Ferenczi, E., Deisseroth, K. Targeting Neural Circuits. Cell. 165 (3), 524-534 (2016).
  36. Lin, M. Z., Schnitzer, M. J. Genetically encoded indicators of neuronal activity. Nature Neuroscience. 19 (9), 1142-1153 (2016).
  37. Huff, J. The Airyscan detector from ZEISS: confocal imaging with improved signal-to-noise ratio and super-resolution. Nature Methods. 12, (2015).
  38. Cuentas-Condori, A., et al. C. elegans neurons have functional dendritic spines. eLife. 8, (2019).

Перепечатки и разрешения

Больше статей

Synapse VisualizationStructural ChangesNeuronal DendritesCLARITY Tissue ClearingGolgi StainDendritic SpineHippocampusPrefrontal CortexSerial Block-Face Scanning Electron MicroscopySBEMCerebellar Granule NeuronsSynapse DevelopmentCaenorhabditis ElegansImaging Techniques