Summary

Laser nanosurgery van Cerebellar Axonen<em> In Vivo</em

Published: July 28, 2014
doi:

Summary

Twee-foton beeldvorming, gekoppeld aan laser nanodissection, zijn nuttige hulpmiddelen om degeneratieve en regeneratieve processen te bestuderen in het centrale zenuwstelsel met subcellulaire resolutie. Dit protocol laat zien hoe u een label, afbeelding en ontleden enkele klimmen vezels in de cerebellaire schors in vivo.

Abstract

Only a few neuronal populations in the central nervous system (CNS) of adult mammals show local regrowth upon dissection of their axon. In order to understand the mechanism that promotes neuronal regeneration, an in-depth analysis of the neuronal types that can remodel after injury is needed. Several studies showed that damaged climbing fibers are capable of regrowing also in adult animals1,2. The investigation of the time-lapse dynamics of degeneration and regeneration of these axons within their complex environment can be performed by time-lapse two-photon fluorescence (TPF) imaging in vivo3,4. This technique is here combined with laser surgery, which proved to be a highly selective tool to disrupt fluorescent structures in the intact mouse cortex5-9.

This protocol describes how to perform TPF time-lapse imaging and laser nanosurgery of single axonal branches in the cerebellum in vivo. Olivocerebellar neurons are labeled by anterograde tracing with a dextran-conjugated dye and then monitored by TPF imaging through a cranial window. The terminal portion of their axons are then dissected by irradiation with a Ti:Sapphire laser at high power. The degeneration and potential regrowth of the damaged neuron are monitored by TPF in vivo imaging during the days following the injury.

Introduction

Axonale doorsnijding gevolg van mechanische schade, toxische insult of neurodegeneratieve ziekten wordt meestal gevolgd door degeneratie van het distale gedeelte van de axon die wordt losgemaakt van het cellichaam 10-13. Op enkele uitzonderingen na 2,7,14,15, gescheiden axonen in het CZS van volwassen dieren zijn meestal niet in staat om een hergroei programma 16 te activeren.

Er is weinig bekend over de real-time dynamiek van degeneratieve gebeurtenissen op cellulair en subcellulair niveau. De ontwikkeling van nieuwe strategieën ter beperking van neuronale schade en het bevorderen van neuronale hergroei vereist, als eerste stap, verduidelijken het mechanisme waarmee singulier gewonde neuronale cellen degenereren en regenereren. Deze studie is het meest rechtstreeks door volgen van de dynamiek van een neuron in vivo. Terwijl de een-foton fluorescentie beeldvormende technieken worden beperkt door intense verstrooiing van zichtbaar licht, twee-foton excitatie diepe corticale lagen in li bereiktve muizen met subcellulaire resolutie 3,4,17. Gebruikmakend van transgene muizen waarin fluorescente proteïnen selectief uitgedrukt in subpopulaties van neuronen 18-20, is TPF microscopie toegepast op de exploratie van synaptische plasticiteit en axonale verlenging tijdens de ontwikkeling in vivo 21,22. D vermogen van singulier beschadigde neuronen teruggroeien na een blessure kan worden onderzocht door het koppelen in vivo controle door twee-foton beeldvorming met een model van letsel specifiek gericht op de axon van belang. Multi-foton absorptie van femtoseconde pulsen is gebruikt om enkele dendrieten of zelfs enkele stekels 5,23 verstoren. Bovendien is deze blessure paradigma laat snijden enkele axonale vertakkingen zonder verstoring van het contacteren van dendriet 6. In het kader van het ontleden van de functies die specifieke neuronale populatie laat hun axonen eenmaal beschadigd, cerebellaire klimvezels (CF) regenereren is een bruikbaar model siNVU ze behouden opmerkelijke plastische eigenschappen na een blessure, zelfs bij volwassen dieren 24,25. Onlangs langdurige beeldvorming van CF toonde aan dat deze axons in staat regrowing in de dagen laser axotomie 6 volgen.

Dit protocol beschrijft hoe olivocerebellair neuronen en hun axonen rek labelen door anterograde tracing. Zodra de neuronen van belang fluorescent gelabeld zijn, kunnen ze herhaaldelijk worden gecontroleerd op willekeurige tijdstippen gedurende weken of maanden onder een craniale venster. De procedure enkele axonale vertakkingen ontleden laser axotomie in vivo wordt dan geïllustreerd.

De hier gepresenteerde technieken bieden nieuwe inzichten in het mechanisme van axonale remodeling in vivo en kan helpen de ontwikkeling van therapeutische strategieën om neuronale degeneratie te beperken en te bevorderen axonale hergroei.

Protocol

1. Axonale Labeling Klimvezels codeerbaar door het injecteren of organische kleurstoffen geconjugeerd aan hoogmoleculaire dextranen molecuulgewicht of plasmide / virussen die de expressie van fluorescerende eiwitten 26-29 induceren. In dit protocol wordt de organische kleurstof Alexa Fluor Dextran 488 geïnjecteerd in de oliva om klimvezels label en visualiseren in de cerebellaire cortex (figuur 1). Al de hier beschreven procedures zijn goedgekeurd door het Italiaanse ministerie va…

Representative Results

Dit protocol wordt beschreven hoe axonale etikettering, in vivo beeldvorming en laser axotomy gedrag van individuele neuronen. De tijdlijn van het experiment wordt getoond in figuur 1. Een voorbeeld van CF gelabeld met Alexa Fluor 488 dextraan en zichtbaar gemaakt onder de craniale venster in vivo twee-foton microscopie wordt vermeld in Figuur 2. Zoals eerder gemeld 6,27, opgaande takken vertonen een hoge stabiliteit gedurende de…

Discussion

Dit protocol laat zien hoe de neuronen van de inferieure olijf labelen met een fluorescerende kleurstof. Vervolgens wordt de methode craniaal venster uitvoeren op de cerebellaire cortex beschreven. Deze techniek biedt optische toegang tot het eindgedeelte van olivocerebellair neuronen, het klimmen vezels. Helaas, de uitkomst van zowel de etikettering en craniotomy operatie is vrij laag, zelfs in de handen van geschoolde operatoren (meestal 1 op 3 muizen is gelabeld, en 1 op de 3 craniale ramen helder blijft na 1-2 weken…

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

We would like to thank Erica Lorenzetti for technical assistance on the injections and Irene Costantini for making figure 1. The research leading to these results has received funding from LASERLABEUROPE (Grant 284464, European Commission’s Seventh Framework Programme). This research project has also been supported by the Italian Ministry for Education, University and Research in the framework of the Flagship Project NANOMAX and by Italian Ministry of Health in the framework of the “Stem Cells Call for Proposals.” This work is part of the research activities of the European Flagship Human Brain Project and has been carried out in the framework of the International Center of Computational Neurophotonics foundation supported by “Ente Cassa di Risparmio di Firenze”.

Materials

Lab standard stereotaxic, rat and mouse Stoelting  51670
Borosilicate glass with filament Sutter Instrument Inc BF100-50-10
Germinator 500 (Glass bead sterilizer) Roboz
Microinjection dispense system Picospritzer
Small diameter round cover glass, #1 thickness, 3 mm, 100 pack (CS-3R) Warner Instruments  64-0720
Ti:Sapphire laser, 120 fs width pulses,  90 MHz repetition rate Coherent Chameleon 
Spongostan, haemostatic sponge  Ferrosan MS0005
Galvanometric mirrors  GSI Lumonics VM500+
Objective   Olympus XLUMPLFLN 20XW
Piezoelectric stage  Physik Instrumente P-721
Photomultiplier modules  Hamamatsu Photonics H7710-13
LabVIEW System Design Software National Instruments
Voren, 1 mg/ml (dexamethasone-21- isonicotinate) Boheringer Ingelheim
Rymadil (carprofen)  Pfizer
Lidocaine clorohydrate 2% ATI
Alexa488 dextran Life Technologies D22910

Referencias

  1. Strata, P., Rossi, F. Plasticity of the olivocerebellar pathway. Trends Neurosci. 21, 407-413 (1998).
  2. Carulli, D., Buffo, A., Strata, P. Reparative mechanisms in the cerebellar cortex. Prog Neurobiol. 72, 373-398 (2004).
  3. Zipfel, W., Williams, R., Webb, W. Nonlinear magic: multiphoton microscopy in the biosciences. Nature Biotechnology. 21, 1369-1377 (2003).
  4. Helmchen, F., Denk, W. Deep tissue two-photon microscopy. Nature Methods. 2, 932-940 (2005).
  5. Sacconi, L., et al. In vivo multiphoton nanosurgery on cortical neurons. J Biomed Opt. 12, 050502 (2007).
  6. Allegra Mascaro, A. L., et al. In vivo single branch axotomy induces GAP-43-dependent sprouting and synaptic remodeling in cerebellar cortex. Proc Natl Acad Sci USA. 110, 10824-10829 (2013).
  7. Ylera, B., et al. Chronically CNS-injured adult sensory neurons gain regenerative competence upon a lesion of their peripheral axon. Curr Biol. 19, 930-936 (2009).
  8. Canty, A. J., et al. In-vivo single neuron axotomy triggers axon regeneration to restore synaptic density in specific cortical circuits. Nat Commun. 4, 2038 (2013).
  9. Canty, A. J., et al. Synaptic elimination and protection after minimal injury depend on cell type and their prelesion structural dynamics in the adult cerebral cortex. J Neurosci. 33, 10374-10383 (2013).
  10. Waller, A. Experiments on the Section of the Glossopharyngeal and Hypoglossal Nerves of the Frog, and Observations of the Alterations Produced Thereby in the Structure of Their Primitive Fibres. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 140, 423-429 .
  11. Hilliard, M. A. Axonal degeneration and regeneration a mechanistic tug of war. J Neurochem. 108, 23-32 (2009).
  12. Kerschensteiner, M., Schwab, M. E., Lichtman, J. W., Misgeld, T. In vivo imaging of axonal degeneration and regeneration in the injured spinal cord. Nat Med. 11, 572-577 (2005).
  13. Luo, L., O’Leary, D. D. Axon retraction and degeneration in development and disease. Annu Rev Neurosci. 28, 127-156 (2005).
  14. Chauvet, N., Prieto, M., Alonso, G. Tanycytes present in the adult rat mediobasal hypothalamus support the regeneration of monoaminergic axons. Exp Neurol. 151, 1-13 (1998).
  15. Morrison, E. E., Costanzo, R. M. Regeneration of olfactory sensory neurons and reconnection in the aging hamster central nervous system. Neurosci Lett. 198, 213-217 (1995).
  16. Cafferty, W. B., McGee, A. W., Strittmatter, S. M. Axonal growth therapeutics regeneration or sprouting or plasticity. Trends Neurosci. 31, 215-220 (2008).
  17. Svoboda, K., Yasuda, R. Principles of Two-Photon Excitation Microscopy and Its Applications to Neuroscience. Neuron. 50, 823-839 (2006).
  18. Feng, G., et al. Imaging neuronal subsets in transgenic mice expressing multiple spectral variants of GFP. Neuron. 28, 41-51 (2000).
  19. Tomomura, M., Rice, D. S., Morgan, J. I., Yuzaki, M. Purification of Purkinje cells by fluorescence-activated cell sorting from transgenic mice that express green fluorescent protein. Eur J Neurosci. 14, 57-63 (2001).
  20. De Paola, V., Arber, S., Caroni, P. AMPA receptors regulate dynamic equilibrium of presynaptic terminals in mature hippocampal networks. Nat Neurosci. 6, 491-500 (2003).
  21. Holtmaat, A., Svoboda, K. Experience-dependent structural synaptic plasticity in the mammalian brain. Nature reviews. Neuroscience. 10, 647-658 (2009).
  22. De Paola, V., et al. Cell type-specific structural plasticity of axonal branches and boutons in the adult neocortex. Neuron. 49, 861-875 (2006).
  23. Allegra Mascaro, A., Sacconi, L., Pavone, F. Multi-photon nanosurgery in live brain. Frontiers in neuroenergetics. 2, 21 (2010).
  24. Rossi, F., van der Want, J., Wiklund, L., Strata, P. Reinnervation of cerebellar Purkinje cells by climbing fibres surviving a subtotal lesion of the inferior olive in the adult rat. II. Synaptic organization on reinnervated Purkinje cells. The Journal of comparative neurology. 308, 536-554 (1991).
  25. Carulli, D., Buffo, A., Strata, P. Reparative mechanisms in the cerebellar cortex. Progress in neurobiology. 72, 373-398 (2004).
  26. Grasselli, G., Mandolesi, G., Strata, P., Cesare, P. Impaired sprouting and axonal atrophy in cerebellar climbing fibres following in vivo silencing of the growth-associated protein GAP-43. PLoS One. 6, e20791 (2011).
  27. Nishiyama, H., Fukaya, M., Watanabe, M., Linden, D. J. Axonal motility and its modulation by activity are branch-type specific in the intact adult cerebellum. Neuron. 56, 472-487 (2007).
  28. Shinoda, Y., Sugihara, I., Wu, H. S., Sugiuchi, Y. The entire trajectory of single climbing and mossy fibers in the cerebellar nuclei and cortex. Prog Brain Res. 124, 173-186 (2000).
  29. Strata, P., Tempia, F., Zagrebelsky, M., Rossi, F. Reciprocal trophic interactions between climbing fibres and Purkinje cells in the rat cerebellum. Prog Brain Res. 114, 263-282 (1997).
  30. Mostany, R., Portera-Cailliau, C. A craniotomy surgery procedure for chronic brain imaging. J Vis Exp. (12), (2008).
check_url/es/51371?article_type=t

Play Video

Citar este artículo
Allegra Mascaro, A. L., Sacconi, L., Pavone, F. S. Laser Nanosurgery of Cerebellar Axons In Vivo. J. Vis. Exp. (89), e51371, doi:10.3791/51371 (2014).

View Video