成人下丘脑神经发生局灶性放射性抑制功能审讯

Summary

成人出生的哺乳动物神经元的功能仍然是研究的活跃领域。电离辐射抑制新的神经元的诞生。利用计算机断层扫描引导下焦照射（CFIR），特定的神经祖人群的三维解剖定位，现在可以用来评估成年神经发生的功能作用。

Abstract

成人出生的神经元的功能特性仍然是一个显著的挑战。的方法来抑制成年神经发生通过病毒侵入或交付的转基因动物具有使结果的解释从这些研究很难潜在的困惑。新的放射性工具但是新兴，，，允许一个通过无创小动物准确和精确的解剖定位研究成人出生的神经元的选择组的功能。焦点电离辐射抑制新的神经元的诞生和分化，并允许特定的神经祖地区的目标。为了照亮成人丘脑神经发生中起着生理过程的调控潜在的功能作用，我们开发了一个非侵入性的焦点照射技术来选择性地抑制成年出生的神经元下丘脑正中隆起的诞生。我们描述的方法对C omputer成像制导f OCAL 红外辐射（CFIR）交付，使精确和准确的解剖小动物为目标。 CFIR使用本地化三维体积图像引导和辐射剂量的靶向，减少辐射照射到非定标大脑区域，并允许保形的剂量分布与锐波束边界。该协议允许一个问关于成人出生的神经元的功能的问题，同时也开启区域在放射生物学，肿瘤生物学，免疫学等领域的问题。这些放射性的工具将有助于发现翻译在板凳到床边。

Introduction

最近的发现表明，成年哺乳动物大脑可以经历显着的塑性度。整个成年哺乳动物大脑¹专门龛产生成人出生的神经元。什么是这些成年出生的神经元的功能？而越是这样，就它们在生理和行为产生影响？研究这个话题历来集中在侧脑室和海马的颗粒下层区的脑室下区，然而，最近的研究已经在其他脑区，如哺乳动物下丘脑²表征神经。神经发生已经报道在产后和成人丘脑^2-10，和这些新生儿下丘脑神经元的功能仍然是调查的有源区。

成人出生的神经元的功能特性保持在一般的神经科学领域的显著挑战。规范的选择性抑制IFIC神经祖人群仍然有限，由于缺乏可用的分子标记所特有的单神经祖人口^11。因此，选择性删除成人出生的通过基因靶向这些神经前体细胞神经元仍然很困难。同样，病毒递送到目标成人出生的神经元遭受潜在的混杂变量，如引入损伤和炎症到环境^12。

新的放射性工具但是不断出现，，允许一个绕过这些的困惑，并通过在小动物准确和精确的解剖定位研究这些问题。电离辐射抑制新的神经元的诞生和分化，并允许非侵入性方法，针对神经祖人口^13-15。最近，我们描述的哺乳动物下丘脑正中隆起（ME）的，我们称之为下丘脑增殖区^（HPZ）2生发区</suP>。我们发现，当年轻的成年雌性小鼠给予高脂饮食（HFD），在神经发生高脂饮食喂养的小鼠的水平比他们的正常饮食（NC）大大高于美联储控制在这个ME区域^2。来测试下丘脑ME内成年神经是否调节代谢和体重，我们试图扰乱这一过程。正中隆起是一个小的单边结构在第三脑室从中调节激素释放的基极。为了抑制增殖和随后的神经发生不改变该大脑区域的其他生理功能，我们开发了一个非侵入性的焦点照射技术选择性抑制下丘脑正中隆起²刚出生的成年神经元的诞生。

一些团体已采用辐射抑制典型地区^14-28神经。然而，以往的影像学方法一般都针对大面积，或ofteÑ​​无意中还针对性其中神经发生已经报道多个脑区域，因此很难明确地关联起来，在特定的神经祖种群缺陷观察到的任何行为缺陷。为更有针对性的照射能力通过结合çomputer成像制导成像与 f OCAL光束红外辐射（CFIR）传递来实现精确的解剖定位^29-36放射性平台提供的。可针对特定的神经祖群³⁵的辐射束小至0.5mm的直径。这种方法使我们能够针对下丘脑ME和逮捕增殖并阻止神经发生的小动物。下面就这些祖人口放射治疗，生理和行为测试可以进行照亮成人出生的细胞的潜在功能。焦点目标是为我们的应用程序，因为特别重要的脑垂体是靠近下丘脑正中隆起，垂体照射可能会影响荷尔蒙功能，随后混淆的结果。

用于神经照射后的抑制的生物学基础仍不清楚。上一页辐射的研究依赖于大面积的横梁，得出的结论是神经的抑制是通过炎症反应^14，37介导的。因此，它是非常不清晰焦点照射是否能抑制神经发生的，因为它不会引起大幅度的炎症反应。然而，最近的研究本课题组在海马经典神经源性地区已经证明，用10 Gy的剂量高度聚焦照射可以抑制神经发生的至少4周照射³⁵后。

询问在正中隆起成人出生的下丘脑神经元的功能，我们使用了精密的辐射ÐEVICE能够提供CT成像结合小直径的辐射光束，以抑制ME的神经发生。使用连接到机架旋转超过360°范围内的X射线管，我们提供电弧束微照射光束与使用机器人控制的试样台，其允许动物对象的过程中放射治疗的旋转（ 图1）的。高分辨率X射线探测器来采集图像时，扫描架处于水平位置^33。在这项研究中，CT图像重建为0.20毫米的各向同性体素尺寸。板载CT成像允许目标的识别，而动物是在治疗位置。使用的CT导航剂量规划软件，该软件是包含在我们的市售放射性平台，目标是局部的。通过CT成像提供本地化的投资回报率后，动物是由机器人样品台有四个度移动到适当的治疗位置自由里斯（X，Y，Z，θ）。通过龙门架和机器人阶段角度的组合，光束可 ​​以从几乎任何方向上的相对输送到动物，和立体定向圆弧状的治疗是可能的^29。对于这些和所有其他的成像研究中，小鼠被放置在一个固定装置，可以让递送麻醉剂异氟烷气体的同时限制移动。固定化床是CT兼容，并且连接到所述机器人样品载物台^34。

我们预计现金流利率将提供观念上的进步在很多研究领域。虽然我们使用的下丘脑正中隆起的放射性靶向作为该技术的原理证明，CFIR可以用来瞄准的原则任何微小的模式生物身体的任何区域。在神经科学，例如，我们预计这种技术可以用来评价积极增殖祖人口已建议EXIS功能吨，其他周器官，如最后区^38，39，穹窿^40，和垂体^41。关于成年神经发生的功能性作用，并确定行为的因果作用的长期争论现在也可以更好地解决。在鸣禽，这种技术可能会解决成年神经发生在维持鸟鸣^42，这已经阻碍了选择性抑制神经发生在特定的大脑区域的功能的强大和季节性行为中的作用。了解这种强大的行为模式可能揭示新的洞察成年神经发生的其他调控性二态行为的作用。可替代地，在新陈代谢字段，CFIR可以用来探索的肝细胞增殖的作用和它的代谢和能量平衡的作用的方面。可能在多个研究领域的概念提前通过引入这一技术的提高。

<p class=“jove_content”>在本文中，我们证明CFIR的精确解剖的焦点照射光束的瞄准能力。虽然我们最初开发这种小动物辐射研究平台（SARRP）为我们的研究，其他类似的设备现在市售，可以完成类似CT引导下焦照射^43，44。因此，我们推广这个现金流利率协议所要求的所有研究的平台，而不是那些具体的SARRP步骤。 CFIR超过先前放射方法的优点，以抑制神经发生的是，这种技术允许定位三维体积图像的指导和剂量的靶向，适形的剂量最小化暴露于非定标大脑区域，精度高的光束的几何形状允许保形的剂量分布与锐波束边界。我们概述了如何使用CT引导下成像剂量定向到特定的解剖区域，并在这样做时，如何以可视化的辐射用免疫组织化学染色法对γ-H2AX，DNA双链断裂^35，45-48的标记物剂量直接在组织中的分布。使用这种方法的神经性龛选择性照射可能对揭示的生理和疾病的新成人出生的神经元的功能作用显著影响。

Protocol

动物用法获得标准的管理和使用协议批准的机构动物护理和使用委员会。当前协议是用于在5.5-10周龄成年C57BL6 / J小鼠焦照射研究开发的，如先前所述（ 图2）2。然而，其他的年龄和小动物物种（大鼠，仓鼠，松鼠， 等等 ）也可使用，其前提是有效的麻醉协议和放射线参考图谱允许识别的感兴趣区（ROI），该区域是可用的。 1。 CT…

Representative Results

评估CT引导下定位和准确度该系统的机械校准对于确保从不同角度的光束都相交在一个点的关键。校准是通过一半自动的基于成像的方法，其中端至端的对准精度被测量为0.2mm 29。由于下丘脑正中隆起结构的体积小2此精度是非常关键的。为了测试这一点校准，我们测量的剂量分布具有嵌入在水等效塑性模拟小鼠模型35（ 图4B）GAFCHROMIC辐射敏?…

Discussion

CT引导下焦照射（CFIR）是一种新型的，完整的系统方法能够使用^CT-32的指导提供辐射场为目标，在机器人控制的小动物。 CFIR的交付高度集中的光束，以小动物模型的功能提供了新的研究机会弥合实验室研究和临床翻译。本文介绍了精确的辐射交付现金流利率的方法来专门针对下丘脑神经祖人口。我们在这里展示了如何通过免疫组化通过X线片和脑组织中校准和确认辐射传递特异性。

<p …

Materials

Name of the reagent	Company	Catalogue number	Comments
SARRP research platform	Xstrahl	RS225A	http://www.xstrahl.com/xstrahlrs225.htm
SARRP irradiation bunker	Xstrahl		Optional, but radiation exposure should be contained with alternative lead shielding
GAF chromic film	IPS	GAFchromic ETB2
Mouse phantom	Gammex	457	Purchase 0.5 cm x 30 cm x 30 cm solid water slabs from Gammex and cut to desired size.
Mouse anti-phospho-histone H2AX Ser139 antibody	Millipore, Inc.	05-636	clone JBW301
High-fat rodent diet	Research Diets	D12492i	60% of the calories as fat, food should be irradiated
Isoflurane	Baxter Healthcare Corporation	10019-360-40
0.01 M Sodium citrate	Fisher Scientific		1.471 g of sodium citrate dissolved in 500 ml deionized water
Superfrost Plus slides	Fisher Scientific	12-550-15
DAPI	Fisher Scientific		nuclear counterstain
Mounting medium	Fisher Scientific		Vectashield or Gelvatol is preferred