הערכת המורכבות בהיפוקמפוס דנדריטי בעכברים בגילאים בשיטת Golgi-Cox
Summary
כאן אנו מציגים פרוטוקול Golgi-Cox בפירוט רב. זו שיטה אמינה רקמת כתם מאפשר הערכה איכותית גבוהה של cytoarchitecture בהיפוקמפוס, ובכל רחבי המוח כולו, עם פתרון מינימלי.
Abstract
קוצים דנדריטים הם הבולטים של פירים דנדריטים נוירונים המכילים סינפסות מעוררות. ההבדלים המורפולוגיים וההסתעפויות של הדנדריטים העצביים בתוך ההיפוקמפוס מעורבים בהבנה קוגניטיבית וזיכרון. ישנן מספר גישות מכתים Golgi, אשר כולם היו שימושיים לקביעת המאפיינים המורפולוגיים של דנדריטים סוכות לייצר רקע ברור. השיטה הנוכחית Golgi-Cox, (וריאציה קלה של הפרוטוקול מסופק עם ערכת מכתים Golgi מסחרי), נועד להעריך כיצד מינון נמוך יחסית של התרופה chemotherapeutic 5-flurouracil (5-Fu) ישפיע על המורפולוגיה הדנדריטים , את מספר הקוצים, ואת המורכבות של arborization בתוך ההיפוקמפוס. 5-Fu מאופיינת באופן משמעותי את המורכבות הדנדריטים והורידה את צפיפות עמוד השדרה לאורך ההיפוקמפוס באופן ספציפי לאזור. הנתונים המוצגים מראים כי שיטת מכתים Golgi efמוכתמים בצורה נוקשה את הנוירונים הבוגרים ב- CA1, CA3, ואת gyrus משוננת (DG) של ההיפוקמפוס. פרוטוקול זה מדווח על הפרטים עבור כל צעד, כך שחוקרים אחרים יכולים לרקום כתם אמין ברחבי המוח עם תוצאות באיכות גבוהה ופתרון בעיות מינימלי.
Introduction
הדנדריטים הם החלק הגדול ביותר של נוירונים המקבלים ומעבדים קלט presynaptic 1 . לתהליכים הדנדריטים שלהם יש גיאומטריה מורכבת, שבה לענפים הפרוקסימליים יש קוטר גדול יותר מאשר הענפים הדיסטליים. כמו דנדריטים לפתח, הם יוצרים מספר קשרים עם נוירונים אחרים בתהליך המכונה arborization דנדריטים. היקף ודפוס של הסתעפות זו קובעת את כמות התשומות הסינפטי כי דנדריט יכול לעבד כראוי 2 .
דבורריזם arborization הוא תהליך הכרחי עבור פעילות גמישות הפלסטיות ופיתוח תקין של מעגלים נוירונים. הארכה, חזרה, הסתעפות וסינפוגנזה הם תהליכים מורכבים הכוללים תוכניות גנטיות פנימיות והשפעות מגורמים חיצוניים. ההבדלים המורפולוגיים וההסתעפויות של הדנדריטים העצביים בתוך ההיפוקמפוס מעורבים בהבנה קוגניטיבית וזיכרוןF "> 3 , 4. השינויים במורכבות הדנדריטים קשורים לשינויים פתופיזיולוגיים והתנהגותיים 5. הפרעות קשורות למספר מצבי מחלה, כולל תסמונת X שבירה ותסמונת דאון 6 .
הקוצים הדנדריטים הם תאים תת תאיים מיוחדים של דבורות arbors לקבל קלט מעורר בתוך מערכת העצבים המרכזית. ישנם שלושה סוגים מורפולוגיים של קוצים דנדריטים, עם שם של כל שיעור על פי גודלם וצורתם: 1) קוצים פטריות, אשר יש צפיפויות מורכבות postsynaptic עם קולטני גלוטמט יותר מאשר קוצים אחרים 7 ; 2) קוצים קטנטנים, שאין להם גזע; ו 3) קוצים דקים, המורכבת גזע מתמשך, צר ראש גלובלית 8 . נפח עמוד השדרה הדנדריטי משמש בחלקו להגדרתם, עם קוצים דקים בדרך כלל קטנים יותר (0.01 מיקרומטר 3 </sup>) לעומת קוצים פטריות (0.8 מיקרומטר 3 ) 9 , 10 . הקוצים מתייצבים עם ההתבגרות. לדוגמה, קוצים דקים או נסוג לאחר כמה ימים או להתפתח פטיש spines. לחלופין, קוצים הפטרייה יציבים יחסית יכול לשרוד במשך תקופה ארוכה.החוזק של קשרים נוירונים הוא חשב להיות מבוסס על מספר הקוצים ו / או נפח שלהם 11 , 12 , 13 .
שיטת הקולי הקלסית הקלאסית והווריאציות המודרניות יותר שלה היו מועילות לבחינת המורפולוגיה והצפיפות של עמוד השדרה הדנדריטים. היבט ייחודי אחד של מכתים Golgi היא כי כתמי אקראי על 5% מכלל הנוירונים, המאפשר מעקב אחר נוירונים בודדים 14 , 15 . אמנם את המנגנון המדויק שבו Golgi מתכתמי אוד נוירונים בודדים עדיין לא ידוע, העיקרון של השיטה מבוססת על התגבשות של כרומט כסף (Ag 2 CrO 4 ) 16 , 17 . ישנם שלושה סוגים עיקריים של שיטת Golgi: Golgi מהירה, Golgi-Cox, ואת Golgi-Kopsch 18 , 19 . כל שלוש שיטות להתחיל עם שלב הדגירה הראשונית של מלחי כרום במשך מספר ימים עד חודשים, אבל יש הבדלים מפתח מסוימים ביניהם. Golgi מהירה משתמשת tetroxide אוסמיום בשלב הראשון, ואילו Golgi-Kopsch כולל paraformaldehyde. מכתים הן מהיר Golgi ו Golgi-Kopsch ואחריו הדגירה של פתרון חנקתי 1-2% כסף במשך כ -7 ימים. שיטת Golgi-Cox משתמשת כלוריד כספית אשלגן dichromate במקום חנקתי כסף יש זמן הספגה של 2-4 שבועות. הרקמות נחתכות וממוקמות במהירות באמוניה מדוללתפתרון, ואחריו מסדר צילום כדי להסיר מלחים. מבין שלושת הסוגים, שיטת Golgy-Cox נחשבת הטובה ביותר להכתים את הנמלים הדנדריטים ללא הפרעות רקע רבות, בין היתר, משום שמוצרי הבדולח אינם מופיעים על פני הרקמה (בניגוד לשיטת Golgi המהירה) 17 , 20 , 21 .
השיטה הנוכחית היא וריאציה קלה של הפרוטוקול שסופק עם ערכת מכתים Golgi מסחרי, והוא נועד להעריך כיצד מינון נמוך יחסית של 5-פו ישפיע על המאפיינים המורפולוגיים הדנדריטים וצפיפות עמוד השדרה. כל הנתונים שנרכשו יכולים לספק תובנה נוספת כיצד טיפול כימותרפי משפיע על המעגל העצבית.
Protocol
Representative Results
Discussion
לעומת טכניקות מודרניות יותר, שיטת Golgi-Cox יש כמה יתרונות שהופכים אותו לשיטה המועדפת לבדיקת מורפולוגיה עמוד השדרה: 1) מכתים ניתן להשתמש עבור כל רקמה, 2) אור בסיסי מיקרוסקופ ההתקנה היא כל מה שצריך לרכוש תמונות מבוסס Golgi, 3) ההדמיה Golgi-Cox הוא מהיר יותר מאשר הדמיה confocal, ו 4) חלקים …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי מענק פיילוט תחת NIH P20 GM109005 (ARA) ועל ידי המרכז לתרגום Neuroscience IDeA תוכנית הפרס P30 GM110702.
Materials
| superGolgi Kit | Bioenno Lifesciences | 30100 | Contains hazardous materials. |
| PBS 10X powder concentrate | Fisher | BP665-1 | |
| Triton X-100 | Sigma | 9002-93-1 | |
| Permount | Fisher | SP 15-100 | |
| Slide cover | Fisher | 12-546-14 | |
| 7mL Transfer pipette | Globe Scientific | 135030 | |
| 10 mL Falcon tubes | BD Biosciences | 352099 | |
| Foil | Fisher | 01-213-105 | |
| 12-well plate | BD Biosciences | 353043 | |
| 200 proof Ethanol | Pharmco-AAPER | 111000200 | |
| Xylene | Acros Organics | 1330-20-7 | Hazardous. |
| Permabond 200 | Permabond LLC | GF2492 | |
| 25 mL serological pipette | Sigma | SIAL1489 | |
| Parafilm | Midsci | HS234526C | |
| Vibratome | World Precision Instruments | NVSLM1 | |
| C57Bl/6 Male Mice | The Jackson Laboratory | 000664 | |
| Axio Imager 2 | ZEISS | Multiple components, see website for details. | |
| AxioCam MRc Camera | ZEISS | 426508-9902-000 | |
| Staining Dish , Green | Tissue-Tek | 62541-12 | |
| Staining Dish Set | Electron Microscopy Sciences | 70312-20 | |
| Motorized Pipet Filler | Fisher | 03-692-168 | |
| Neurolucida | mbf Bioscience | ||
| Neurolucida Explorer | mbf Bioscience | ||
| Prism | GraphPad |
References
- Stuart, G. J., Spruston, N. Dendritic integration: 60 years of progress. Nat Neurosci. 18 (12), 1713-1721 (2015).
- Jan, Y. N., Jan, L. Y. Branching out: mechanisms of dendritic arborization. Nat Rev Neurosci. 11 (5), 316-328 (2010).
- Kulkarni, V. A., Firestein, B. L. The dendritic tree and brain disorders. Mol Cell Neurosci. 50 (1), 10-20 (2012).
- Kasai, H. Structural Dynamics of Dendritic Spines in Memory and Cognition. Trends Neurosci. 33 (3), 121-129 (2010).
- von Bohlen Und Halbach, O. Structure and function of dendritic spines within the hippocampus. Ann Anat. 191 (6), 518-531 (2009).
- Wayman, G. A., et al. Activity-dependent dendritic arborization mediated by CaM-kinase I activation and enhanced CREB-dependent transcription of Wnt-2. Neuron. 50 (6), 897-909 (2006).
- Bourne, J. N., Harris, K. M. Balancing structure and function at hippocampal dendritic spines. Ann Rev Neurosci. 31, 47-67 (2008).
- Lai, K. O., Ip, N. Y. Structural plasticity of dendritic spines: the underlying mechanisms and its dysregulation in brain disorders. Biochim Biophys Acta. 1832 (12), 2257-2263 (2013).
- Harris, K. M. Structure, development, and plasticity of dendritic spines. Current Op Neurobiol. 9 (3), 343-348 (1999).
- Harris, K. M., Kater, S. B. Dendritic spines: cellular specializations imparting both stability and flexibility to synaptic function. Ann Rev Neurosci. 17, 341-371 (1994).
- Leuner, B., Shors, T. J. Stress, anxiety, and dendritic spines: what are the connections. 神经科学. 251, 108-119 (2013).
- Harris, K. M., Fiala, J. C., Ostroff, L. Structural changes at dendritic spine synapses during long-term potentiation. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 358 (1432), 745-748 (2003).
- Kasai, H., Matsuzaki, M., Noguchi, J., Yasumatsu, N., Nakahara, H. Structure-stability-function relationships of dendritic spines. Trends Neurosci. 26 (7), 360-368 (2003).
- Das, G., Reuhl, K., Zhou, R. The Golgi-Cox method. Methods Mol Biol. 1018, 313-321 (2013).
- Koyama, Y. The unending fascination with the Golgi method. OA Anat. 1 (3), 24 (2013).
- Pasternak, J. F., Woolsey, T. A. On the “selectivity” of the Golgi-Cox method. J Comp Neurol. 160 (3), 307-312 (1975).
- Friedland, D. R., Los, J. G., Ryugo, D. K. A modified Golgi staining protocol for use in the human brain stem and cerebellum. J Neurosci Methods. 150 (1), 90-95 (2006).
- Rosoklija, G., et al. Optimization of Golgi methods for impregnation of brain tissue from humans and monkeys. J Neurosci Methods. 131 (1-2), 1-7 (2003).
- de Castro, F., Lopez-Mascaraque, L., De Carlos, J. A. Cajal: lessons on brain development. Brain Res Rev. 55 (2), 481-489 (2007).
- Gabbott, P. L., Somogyi, J. The “single” section Golgi-impregnation procedure: methodological description. J Neurosci Methods. 11 (4), 221-230 (1984).
- Zaqout, S., Kaindl, A. M. Golgi-Cox staining step by step. Front Neuroanat. 10 (38), (2016).
- . Vibroslice NVSL & Vibroslice NVSLM123 Available from: https://www.wpiinc.com/clientuploads/pdf/NVSL_NVSLM1_IM.pdf (2000)
- . . Neurolucida 11.03. , (2017).
- Sholl, D. A. Dendritic organization in the neurons of the visual and motor cortices of the cat. J Anat. 87 (4), 387-406 (1953).
- Pillai, A. G., et al. Dendritic morphology of hippocampal and amygdalar neurons in adolescent mice is resilient to genetic differences in stress reactivity. PLoS ONE. 7 (6), (2012).
- Morley, B. J., Mervis, R. F. Dendritic spine alterations in the hippocampus and parietal cortex of alpha7 nicotinic acetylcholine receptor knockout mice. 神经科学. 233, 54-63 (2013).
- Titus, A. D., et al. Hypobaric hypoxia-induced dendritic atrophy of hippocampal neurons is associated with cognitive impairment in adult rats. 神经科学. 145 (1), 265-278 (2007).
- Groves, T. R., et al. 5-Fluorouracil chemotherapy upregulates cytokines and alters hippocampal dendritic complexity in aged mice. Behavioral Brain Research. 316, 215-224 (2017).
- Risher, W. C., Ustunkaya, T., Singh Alvarado, J., Eroglu, C. Rapid Golgi analysis method for efficient and unbiased classification of dendritic spines. PloS One. 9 (9), (2014).
- Kaufmann, W. E., Moser, H. W. Dendritic anomalies in disorders associated with mental retardation. Cerebral cortex. 10 (10), 981-991 (2000).
- Kulkarni, V. A., Firestein, B. L. The dendritic tree and brain disorders. Mol Cell Neurosci. 50 (1), 10-20 (2012).
