9 Temmuz 2020
Bu protokol, transgenik olmayan omurgasız türlerde, absorbans voltajı duyarlı boyalar ve bir fotodiyot dizisi kullanılarak nöronal popülasyon aktivitesini tek hücreli çözünürlükle görüntüleme için bir yöntem sunar. Bu yaklaşım, görüntüleme ve analizin tek bir gün boyunca takip edilebildiği hızlı bir iş akışı sağlar.
Bu makale, aynı anda çok sayıda nörondan gelen aksiyon potansiyellerini kaydetmek için bir fotodiyot dizisinin ve voltaja duyarlı boyaların nasıl kullanılacağının ayrıntılı bir açıklamasını temsil eder. Dolaylı olan nöral aktivitenin kalsiyum görüntülemesi ile karşılaştırıldığında, kullandığımız voltaja duyarlı boyalar, keskin elektrot kayıtlarına doğrudan benzer, ancak aynı anda birçok nöron boyunca aksiyon potansiyelleri kaydeder. Optik görüntüleme iş akışımız, çeşitli transgenik olmayan omurgasız ve hatta omurgalı sistemlerinde tek nöron ve tek eylem potansiyeli çözünürlüğü ile ağ aktivitesini hızlı bir şekilde görselleştirmek için uyarlanabilir.
Ek olarak, protokolümüzdeki prosedürleri laboratuvarımdan Evan Hill gösterecek. 40 gramlık bir Aplysia californica hayvanını uyuşturarak ve mumlu astarlı bir diseksiyon kabına ventral tarafı yukarı bakacak şekilde sabitleyerek başlayın. Diseksiyon makası kullanarak, ayağın en ön kısmı boyunca iki ila üç santimetrelik bir orta hat kesisi yapın ve merkezi sinir sisteminin ve bukkal kütlenin bir kısmını ortaya çıkarmak için insizyonun her iki tarafındaki ayağın kanatlarını aşağı doğru sabitleyin.
Serebral gangliyonları ortaya çıkaran bukkal kütleyi dikkatlice incelemek için forseps ve diseksiyon makası kullanın ve merkezi sinir sistemini çıkarmak için hayvanın vücudunu innerve eden sinirleri kesin ve sinirin uzun bir uzunluğunun uyarılmasını sağlayın. Merkezi sinir sistemini tuzlu su dolgulu elastomer kaplı bir tabağa yerleştirmek için küçük pimler kullanın ve hazırlama sıcaklığını 15 ila 16 santigrat derece arasında tutmak için tabağı bir Peltier soğutma cihazından geçirilen tuzlu su ile perfüze edin. Sinirlerdeki fazla bağ dokusunu çıkarmak için forseps ve mikrodiseksiyon makasını kullanın ve görüntülenecek ganglion veya ganglion üzerindeki kılıfın yüzeysel bir kısmını inceleyin.
Daha sonra, fazla glutaraldehiti durulamak için merkezi sinir sistemini tuzlu su perfüze elastomer kaplı kaba geri döndürmeden önce, temizlenmiş merkezi sinir sistemini 20 saniye boyunca tuzlu su içinde% 0.5 glutaraldehit çözeltisine batırın. Voltaja duyarlı boyanın çalışma çözeltisini hazırlamak için, mililitre başına 0.3 miligramlık bir nihai boya konsantrasyonu elde etmek için önceden hazırlanmış bir RH 155 katı alikotuna 500 mikrolitre salin ekleyin. Ve 200 mikrolitre çözeltiyi, boyanacak ganglionunkine benzer bir çapa sahip bir polietilen boru parçasına yüklemek için el tipi bir mikro dağıtıcı kullanın.
Bir mikromanipülatör kullanarak, tüpün ucunu dikkatlice hedef ganglionun üzerine yerleştirin ve tüpü ganglion üzerinde sıkı bir sızdırmazlık oluşturana kadar indirin. Ganglion üzerine daha fazla boya zorlamak için mikrodağıtıcı aplikatör düğmesini bir saat boyunca her beş dakikada bir çevirin ve yeterli lekelenmenin meydana geldiğini doğrulamak için numuneyi 30 dakikada kontrol edin. Boyamadan sonra, ışıkları kısık tutarak, müstahzarın salin içeren görüntüleme odasına yerleştirileceği yerin soluna ve sağına uygun bir tampon malzeme yerleştirin ve ardından merkezi sinir sistemini odaya daldırın.
Doku üzerine uygun büyüklükte bir lamel parçası bastırın ve nöronlara zarar vermeden dokuyu düzleştirmek için lamel üzerine sıkıca bastırın. Ardından görüntüleme odasını diseksiyon mikroskobu altına yerleştirin. Hayali bir motor programı ortaya çıkarmak için bir siniri uyarıyorsanız, boru segmentinin her iki ucunu nazikçe çekerken bir PE100 polietilen boru segmentini bir alev üzerinde dikkatlice eritin ve elde edilen konikliği istenen noktada kesin.
Ardından, bir polietilen emme elektrodunun arka ucuna uzun bir kalın duvarlı esnek polimer boru takın. Daha sonra negatif basınç oluşturmak için bir ağız bölümü kullanın ve emme elektrodunun konik ucundan küçük bir hacimde salin çekin. Uyarılacak sinirin ucunu mikroskop altında elektrot içine çizin ve elektrottaki salinin elektrik iletimini kesintiye uğratabilecek kabarcıklardan yoksun olduğunu doğrulayın.
Ganglionun görüntülenmesi için, odayı görüntüleme donanımına taşıyın ve kayıt odasından salin perfüzyonunu başlatın. Preparatın yanına bir sıcaklık probu yerleştirin ve sıcaklığı görüntülenen tür için uygun şekilde ayarlayın. Emme elektroduna bir klorürlü gümüş tel yerleştirin, elektrottaki tuzlu suyla temas ettiğinden emin olun ve emme elektrodunun yanındaki banyo tuzlu suyuna bir gümüş gümüş klorür teli yerleştirin.
Suya daldırma merceğini tuzlu suya indirin ve taban diyaframını kapatın. Alt kademe kondansatörünü kaldırın veya indirin ve diyaframın kenarları keskin bir odak haline gelene kadar odağı ayarlayarak Kohler aydınlatması oluşturun. Görüntülenecek preparat bölgesine odaklanın ve parfokal dijital kamera ile ilgilenilen ganglionun bir görüntüsünü elde edin.
Kontrol paneli kazanç anahtarını 1X'e ayarlayın ve diyotların ortalama dinlenme ışığı yoğunluğunu kontrol etmek için dinlenme ışığı yoğunluğu düğmesine tıklayın. Bir stimülatörün LED lamba güç kaynağına gönderdiği voltaj seviyesini ayarlayın ve istenen aralığa gelene kadar ortalama dinlenme ışık yoğunluğu seviyesini kontrol etmeye devam edin. Ardından kayıt için kontrol paneli kazanç anahtarını 100X'e ayarlayın ve yayın veya hava tablasının yüzer olduğunu iki kez kontrol edin.
Işıklar hala sönükken, görüntüleme yazılımında dosya süresini, yolunu ve adını ayarlayın ve bilgisayarın kullanılabilir RAM'inin kapasitesine kadar dosyaları almak için Veri al'ı tıklayın. Küçük titreşimler optik kayıt verilerinde büyük artefaktlar oluşturabileceğinden, kayıt sırasında hareketsiz kalmaya dikkat edin. Alımdan hemen sonra verileri görüntülemek için, 464 diyotun tümü tarafından toplanan verileri ganglion görüntüsünün üzerine bindirmek için üst üste binen işlevi kullanın ve kaydedilen verileri ayrı bir izleme ekranında genişletmek için yazılımda temsil edilen diyotlardan herhangi birine tıklayın.
Diyotların hazırlığa göre tam bir hizalamasını elde etmek için, bir iğne deliği testi ile belirlenen X, Y ve büyütme faktörlerini girin. Aksiyon potansiyeli görünürlüğünü en üst düzeye çıkarmak ve sonraki spike sıralaması için nöron verimini artırmak için, hem düşük hem de yüksek frekanslı gürültüyü gidermek için beş ve 100 Hertz kesmeli bir bant geçiren Butterworth filtresi uygulayın. Filtrelenmiş optik verileri daha sonraki analizler için bir metin dosyası olarak kaydetmek için, sayfa ekranında TP filtre kutusunu seçin.
Ve çıktı sekmesi altında, sayfayı ASCII olarak kaydet'i seçin. Ardından, görüntülenen iletişim kutusuna uygun bir dosya adı girin. Deniz yıldızı yırtıcısı ile ten teması, Tritonia diomedia'nın onu güvenli bir yere iten ritmik bir dizi tüm vücut esnemesinden oluşan kaçış yüzmeyi tetikler.
Bu şekilde, pedal siniri üçünün uyarılması öncesinde, sırasında ve sonrasında aktiviteyi kaydeden 20 diyottan alınan ham ve filtrelenmiş veriler gösterilmektedir. Elde edildikten hemen sonra, kayıt dizisinin 464 diyotunun tümü tarafından ölçülen sinyaller, görüntüleme yazılımındaki hazırlığın bir görüntüsü üzerinde topografik olarak görüntülenebilir. Bu analizde, filtrelenmiş diyot izlerinin bağımsız bileşen analizi veya ICA ile başak sıralaması, 30'u burada gösterilen 53 benzersiz nöronal iz verdi.
Aplysia californica'ya karşı güçlü bir caydırıcı kuyruk uyaranı, hayvanı hızlı bir şekilde ileri doğru hareket ettiren birkaç döngü baş akciğeri ve kuyruk çekmesinden oluşan bir dörtnala periyodundan ve ardından bir sürünme periyodundan oluşan iki parçalı ritmik bir kaçış tepkisinin tekrarlanan dalgalarını ortaya çıkarır. Bu temsili analizde, 20 dakikalık sürekli bir optik kaydın bir dakikasında, pedal siniri dokuz, dörtnala sürünen motor program dizisini ortaya çıkarmak için uyarıldı. Kaydedilen 81 nöronun tümünden gelen sinyallerin olasılıksal Gauss uzamsal dağılımları ganglion üzerine haritalandı.
Tam kayda uygulanan boyutsallık azaltması, kaçış programının dörtnala ve sürünme aşamalarının farklı alanları işgal ettiğini ve ana bileşen uzayında farklı yörüngeler oluşturduğunu ortaya koydu. Bu protokolü denerken, göz önünde bulundurulması gereken önemli hususlar şunlardır: boyamayı optimize etmek, titreşimi en aza indirmek ve boyanın fotoağartılmasını en aza indirirken preparat boyunca PDA'ya yeterli ışığı yönlendirmek. Nüfus düzeyinde ağ içgörülerini ortaya çıkaran satın alma sonrası analiz örnekleri arasında, denetimsiz öğrenme algoritmasında konsensüs kümeleme yoluyla işlevsel topluluk tespiti ve temel bileşen analizi kullanılarak boyutsallığın azaltılması yer alır.
Fotodiyot dizisi tabanlı görüntüleme sistemimizin ve emici voltaja duyarlı boyaların kullanımının kombinasyonu, uzun süreler boyunca dinamik ağ gelişiminin izlenmesini sağlar.
Bu çalışma, omurgasızlarda tek hücre çözünürlüğü ile nöronel popülasyon aktivitesinin görüntüleme yöntemi sunar, özellikle voltaja duyarlı boyalar ve bir fotodiyot dizisi kullanarak. Bu teknik, tek bir gün içinde birden fazla nöron arasındaki ağ aktivitesinin hızlı görselleştirilmesine olanak tanır.
This method enables direct, high-resolution monitoring of neuronal network dynamics in non-transgenic species, supporting comparative neuroscience and target validation in preclinical models. By capturing action potentials across dozens of neurons simultaneously, it provides mechanistic de-risking for neurotherapeutic discovery. The approach enhances predictive confidence in early-stage screening by linking network activity to behaviorally relevant outputs.
The method integrates into early discovery workflows by transforming raw optical data into network-level insights through spike sorting and dimensionality reduction, enabling hypothesis-driven screening campaigns.