Прикосновение — это самое раннее развитое чувство, которое играет центральную роль в том, как организмы воспринимают и реагируют на физический мир. Прикосновение обнаруживается низкопороговыми механорецепторами (LTMR), которые являются подтипами нейронов дорсального корневой ганглии (DRG), обнаруживающих безобидные механические стимулы, включая вмятины, вибрацию и отклонение волос 1,2. LTMR являются псевдоуниполярными и распространяют периферические аксоны в периферические ткани, формируя специфические для подтипа терминалы. Их центральные аксоны передают тактильную информацию центральной нервной системе, формируя синаптические связи с нейронамиспинного мозга 3. Однако способы создания и обслуживания сенсорных цепей плохо изучены.
Более ранние фундаментальные исследования на кошках в 1960-х и 1970-х годах впервые выявили эти функционально отличающиеся механорецепторы и их ответные свойства в волосатой коже 4,5. Подтипы LTMR классифицируются по их уникальной морфологии, скорости проводимости и свойствамотклика 2. Основные подтипы LTMR — это Aβ быстро адаптирующиеся (RA) и медленно адаптирующиеся (SA) LTMR, Aδ-LTMR и C-LTMR 2,6,7. Aβ RA-LTMR, Aδ-LTMRs и C-LTMR образуют продольные ланцетные комплексы вокругволосковых фолликулов 2. Aδ-LTMR образуют поляризованные ланцетные окончания вокруг волосяных фолликулов с хвостовой стороны, что является необходимым для их селективных реакций на отклонение волос7. Аксональные окончания в ланцетных комплексах тесно выровнены с волосковыми стержнями и покрыты пальцевидными отростками терминальных клеток Шванна, которые обеспечивают трофическую поддержку и влияют на аксональныйморфогенез 8,9,10. В голой коже аксоны Aβ RA-LTMR заканчиваются корпускулами Мейснера — яйцевидными структурами, расположенными внутри дермальных сосочков, настроенными на движение по коже 2,11.
Организация аксональных терминалов LTMR регулируется как внутренними программами, так и кожно-зависимыми сигналами в процессеразвития 12,13. При повреждении дисфункция LTMR связана с патологическими состояниями, такими как механическаяаллодиния 12,14. Тем не менее, механизмы развития и поддержания LTMR в целостной коже остаются неясными. Многое из того, что известно об их развитии, связано с фиксированными тканями, которые не могут охватить динамические процессы, происходящие invivo 6,15,16,17,18. Например, Aβ RA-LTMRs и Aδ-LTMR проявляют активную иннервацию вокруг волосяных фолликулов и аксональную обрезку в раннем постнатальномразвитии 19. Как достигается иннервация и поддержание волосяных фолликулов in vivo — остаётся неизвестным.
Двухфотонная лазерно-сканирующая микроскопия — передовая методика визуализации, позволяющая визуализировать флуоресцентно маркированные структуры в живых тканях — позволила осуществлять высококачественную in vivo визуализацию динамических физиологическихпроцессов 20,21. Во время двухфотонной съёмки короткие импульсы ближнего инфракрасного света возбуждают флуорофоры только в фокальной плоскости, ограничивая сигнал небольшим объёмом и минимизируя размытуюфлуоресценцию 21,22. Такое удержание значительно снижает фототоксичность и позволяет проводить трёхмерное, пространственно разрешённое изображение структур 20,23,24. Кроме того, длинные длины волн возбуждения, используемые в двухфотонной микроскопии, меньше рассеиваются внутри тканей, что позволяет глубже проникать и снижать уровень шума в сложныхусловиях 20,25,26. Например, двухфотонная визуализация выявила структурную синаптическую пластичность и нейронную активность в нейронах дорсального рогаспинного мозга 27,28,29. Кроме того, хроническая двухфотонная визуализация волосяных фолликулов in vivo выявила данные об их гомеостазе в коже ушеймыши 23. Поэтому двухфотонная микроскопия хорошо подходит для изучения структур LTMR в коже in vivo, особенно при повторении длительной визуализации для отслеживания изменений в развитии и хронических процессах.
В сочетании с генетически модифицированными линиями мышей, экспрессирующими флуоресцентные репортеры, двухфотонная микроскопия может выявить морфологию нейронов в коже3. В соматосенсорной системе жёлтый флуоресцентный белок (YFP), экспрессируемый под контролем промотора thy1 (Thy1-YFP30), селективно маркирует ланцетные комплексы Aβ-LTMR в волосатой коже и мейсснеровские корпускулы в голой коже30,31. У мышей Thy1-YFP маркированные аксоны положительно выражают миелиновый базовый белок и нейрофиламент, которые являются маркерами миелинизированных Aβаксонов 30,31. Кроме того, TrkBCreER, в котором тамоксифен-индуцируемая Cre рекомбиназа (CreER) обусловлена экспрессией гена TrkB (тропомиозин-рецепторкиназа B), селективно маркирует Aδ-LTMR в процессеразвития 7. В коже двухфотонная микроскопия наиболее эффективна для визуализации LTMR у анестезированных мышей, поскольку движение мыши влияет на получение изображения с высоким разрешением. Визуализация флуоресцентных белков на аксональных концах после экспрессии, вызванной CreER, требуется время, и необходимо определить минимальный период ожидания для каждой трансгенной линии. В целом эта методология может применяться для визуализации LTMR у мышей всех стадий развития и у взрослых.
Этот протокол объясняет процедуры использования двухфотонной микроскопии для изучения морфологии аксонов LTMR на волосатой и голой коже развивающихся и взрослых мышей с высоким разрешением. Протокол включает несколько советов по оптимальной высококачественной и хронической визуализации. Этот интегративный подход позволяет исследовать клеточные механизмы, управляющие сборкой и пластичностью сенсорных аксонов прикосновения in vivo.