Cartographie précise du cerveau pour effectuer l’imagerie in vivo répétitive de la dynamique neuro-immune chez les souris
Summary
Ce protocole décrit une technique chronique d’implantation de fenêtre crânienne qui peut être employée pour l’imagerie longitudinale des structures neuro-glio-vasculaires, des interactions, et de la fonction dans les conditions saines et malades. Il sert d’alternative complémentaire à l’approche d’imagerie transcrânienne qui, bien que souvent préférée, possède certaines limites critiques.
Abstract
Le système nerveux central (SNC) est régulé par un jeu complexe de cellules neuronales, gliales, stromales et vasculaires qui facilitent sa fonction appropriée. Bien que l’étude de ces cellules dans l’isolement in vitro ou ensemble ex vivo fournit des informations physiologiques utiles; les caractéristiques saillantes de la physiologie des cellules neuronales seront manquées dans de tels contextes. Par conséquent, il est nécessaire d’étudier les cellules neuronales dans leur environnement in vivo natif. Le protocole détaillé ici décrit l’imagerie répétitive in vivo à deux photons des cellules neuronales dans le cortex des rongeurs comme un outil pour visualiser et étudier des cellules spécifiques sur de longues périodes de temps d’heures à mois. Nous décrivons en détail l’utilisation de la vascularisation cérébrale grossièrement stable comme une carte grossière ou des dendrites fluorescentes étiquetées comme une belle carte de certaines régions du cerveau d’intérêt. En utilisant ces cartes comme clé visuelle, nous montrons comment les cellules neuronales peuvent être déplacées avec précision pour l’imagerie in vivo répétitive ultérieure. À l’aide d’exemples d’imagerie in vivo de microglies, de neurones et de cellules NG2+ étiquetées fluorescentement, ce protocole démontre la capacité de cette technique à permettre la visualisation répétitive de la dynamique cellulaire dans le même emplacement du cerveau sur de longues périodes de temps, ce qui peut aider à mieux comprendre les réponses structurelles et fonctionnelles de ces cellules en physiologie normale ou en suivant des insultes pathologiques. Si nécessaire, cette approche peut être couplée à l’imagerie fonctionnelle des cellules neuronales, par exemple, avec l’imagerie du calcium. Cette approche est particulièrement une technique puissante pour visualiser l’interaction physique entre les différents types de cellules du SNC in vivo lorsque des modèles de souris génétiques ou des colorants spécifiques avec des étiquettes fluorescentes distinctes pour étiqueter les cellules d’intérêt sont disponibles.
Introduction
Le système nerveux central (SNC) est régi par un jeu complexe d’interactions entre divers types de cellules résidentes, y compris les neurones, la glia et les cellules associées aux vaisseaux. Traditionnellement, les cellules neuronales ont été étudiées dans des cellules isolées, co-cultivées1,,2,3,4,5 (in vitro) ou des tissus cérébraux excisés (ex vivo)6,7,8,9,10 contextes. Cependant, il est nécessaire de mieux comprendre le comportement des cellules neuronales et les interactions dans l’environnement natif du cerveau intact in vivo. Dans ce protocole, nous décrivons une méthode de cartographie in vivo des régions d’intérêt et de ré-image précise de ces régions dans les futures sessions d’imagerie pour suivre les interactions complexes entre les différents types de cellules du SNC sur de longues périodes de temps.
Le développement d’approches d’imagerie in vivo a fourni des gains significatifs pour la bonne compréhension de la fonction neuronale11,12,13,14,15. Plus précisément, ces approches offrent plusieurs avantages par rapport aux approches traditionnelles in vitro et ex vivo. Tout d’abord, les systèmes d’imagerie in vivo ont des composants cellulaires et tissulaires physiologiquement pertinents tels que la vascularisation avec le répertoire complet des interactions cellulaires pour fournir une compréhension complète de la physiologie du réseau neuronal. Deuxièmement, les résultats récents suggèrent que lorsqu’ils sont retirés de leur environnement natif, certaines cellules neuronales (telles que les microglies) perdent des caractéristiques importantes de leur identité et donc la physiologie16,17 qui peuvent être préservées dans le cadre in vivo. Troisièmement, les systèmes d’imagerie in vivo offrent la possibilité d’étudier des études longitudinales stables de plusieurs semaines à plusieurs mois pour étudier les interactions cellulaires du SNC. Enfin, compte tenu des preuves croissantes des contributions du système immunitaire périphérique18,19 et du microbiome20,21 en physiologie du SNC, les systèmes in vivo fournissent une plate-forme pour interroger ces contributions et effets sur les cellules du SNC. Ainsi, les approches qui utilisent l’imagerie in vivo longitudinale pour étudier la physiologie neuro-immune et les interactions dans les états sains, blessés et malades sont un grand ajout complémentaire aux approches traditionnelles.
Dans ce protocole, nous décrivons une approche fiable de l’image de différents types de cellules dans le cerveau, y compris les microglies, les neurones et les cellules NG2+ comme exemples. Deux approches pour visualiser les cellules neuronales in vivo ont été développées : l’approche du crâne éclaircie et le crâne ouvert avec une approche crânienne de fenêtre. Bien que les approches minces de crâne soient en usage et sont préférées parce qu’elles surmontent certains des inconvénients de l’approche ouverte de crâne telle que l’activation de cellules gliales, la dynamique plus élevée-que-physiologique de la colonne vertébrale et l’utilisation des agents anti-inflammatoires22,23,24,25, approches de crâne amincie montrent également quelques inconvénients critiques. Tout d’abord, la procédure d’amincissement est une procédure très délicate que de nombreux chercheurs trouvent difficile à perfectionner surtout lorsque le ré-amincissement est nécessaire. C’est le cas parce qu’il est souvent difficile pour les expérimentateurs de s’assurer qu’ils ont éclairci le crâne à une profondeur d’environ 20 μm. Deuxièmement, pour des comparaisons adéquates entre les souris, l’amincissement devrait être identique et une variété de succès d’amincissement entre les séances d’imagerie ou les souris pourrait compliquer la visualisation des structures neuronales. Troisièmement, lorsqu’ils sont utilisés pour l’imagerie longitudinale, les animaux avec des crânes amincis ne peuvent être utilisés que pour un nombre limité de séances lorsque le ré-amincissement du crâne est utilisé. Forth, puisque certains du tissu osseux reste encore, la clarté dans la profondeur de l’imagerie pourrait être compromise à partir de l’approche du crâne éclaircie permettant une grande visualisation de plus superficielle, mais pas autant avec des régions plus profondes. À la lumière de cela, des structures cérébrales plus profondes comme l’hippocampe, ne peuvent pas être correctement photographiés avec l’approche du crâne éclaircie. Ces considérations soulèvent la nécessité d’approches alternatives et complémentaires qui pourraient surmonter ces préoccupations.
Alternative à l’approche du crâne éclaircie, l’approche d’implantation de la fenêtre du crâne ouverte utilise une procédure dans laquelle le crâne est remplacé par un couvercle en verre optiquement clair. Cela permet un nombre quasi illimité de séances d’imagerie. En outre, étant donné le remplacement du crâne par le couvercle en verre, cette méthode permet une fenêtre de visualisation claire des cellules du cerveau marquées fluorescentement pendant de longues périodes de temps d’heures à des mois et, par conséquent, peut être utilisé pour étudier l’activité cellulaire et les interactions qui sont pertinentes pour la physiologie, le vieillissement et la pathologie.
Dans l’ensemble, nous détaillons les étapes qui peuvent être suivies pour implanter des fenêtres crâniennes chroniques à travers une craniotomie stéréotaxique qui permet l’imagerie in vivo des régions cérébrales d’intérêt. Nous décrivons également comment la vascularisation cérébrale grossièrement stable ou les dendrites fluorescentes étiquetées pourraient être utilisées pour générer une carte grossière ou fine, respectivement des régions d’intérêt du cerveau. Cette approche peut ensuite être utilisée pour l’imagerie répétée sur plusieurs séances. L’importance de cette technique réside donc dans sa capacité à imager les changements à long terme ou la stase dans les éléments du cerveau, y compris l’arrangement, la morphologie et les interactions des différents types cellulaires.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’avènement de l’imagerie in vivo à deux photons a ouvert des possibilités d’explorer la pléthore d’interactions cellulaires et de dynamiques qui se produisent dans le cerveau sain. Les premières études se sont concentrées sur l’utilisation de l’approche ouverte de craniotomy de crâne à l’image dendrites neuronales par l’imagerie aiguë et chronique37,38. Cela peut également être utilisé pour élucider les interactions neuroimmunes dan…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous remercions les membres du laboratoire Eyo d’avoir discuté des idées présentées dans ce manuscrit. Nous remercions le Dr Justin Rustenhoven du Kipnis Lab de l’Université de Virginie pour le don de NG2DsRed souris33. Ce travail est soutenu par le financement du National Institute of Neurological Disorders and Stroke du National Institute of Health à U.B.E (K22 NS104392).
Materials
| Coverglass (3mm) | Warner Instruments | 64-0726 | |
| Cyanoacrylate glue (Krazy Glue) | Amazon | https://www.amazon.com/Krazy-Glue-Original-Purpose-Instant/dp/B07GSF31WZ/ref=sr_1_2?keywords=krazy+glue&qid=1583856837&s=pet-supplies&sr=8-2 | |
| Demi Ultra LED Curing Light System | Dental Health Products, Inc | 910860-1 | |
| Dental Drill | Osada: www.osadausa.edu | EXL-M40 | |
| Drill Bit | Fine Science Tools | #19008-07 | |
| Eye Ointment | Henry Schien | 1338333 | |
| iBond Total Etch (Primer glue) | Chase Dental Supply (Heraeus Kulzer) | 66040094 | |
| Rhodamine B | Millipore Sigma | 81-88-9 (R6626) | |
| Tetris Evoflow glue (Final glue) | Top Dent (Ivoclar Vivadent) | #595956 | |
| Wahl Brav Mini+ | Amazon | https://www.amazon.com/Wahl-Professional-Animal-BravMini-41590-0438/dp/B00IN24ILE/ref=asc_df_B00IN24ILE/?tag=hyprod-20&linkCode=df0&hvadid=167141013968&hvpos=&hvnetw=g&hvrand=12368793083893626704&hvpone=&hvptwo=&hvqmt=&hvdev=c&hvdvcmdl=&hvlocint=&hvlocphy=9008337&hvtargid=pla-332197544154&psc=1 |
References
- Engle, S. J., Blaha, L., Kleiman, R. J. Best Practices for Translational Disease Modeling Using Human iPSC-Derived Neurons. Neuron. 100 (4), 783-797 (2018).
- Osaki, T., Shin, Y., Sivathanu, V., Campisi, M., Kamm, R. D. In Vitro Microfluidic Models for Neurodegenerative Disorders. Advanced Healthcare Materials. 7 (2), (2018).
- Croushore, C. A., Sweedler, J. V. Microfluidic systems for studying neurotransmitters and neurotransmission. Lab Chip. 13 (9), 1666-1676 (2013).
- Wu, V. W., Schwartz, J. P. Cell culture models for reactive gliosis: new perspectives. J Neuroscience Research. 51 (6), 675-681 (1998).
- Abbott, N. J. Astrocyte-endothelial interactions and blood-brain barrier permeability. Journal of Anatomy. 200 (6), 629-638 (2002).
- Humpel, C. Organotypic brain slice cultures: A review. Neurosciences. 305, 86-98 (2015).
- Pena, F. Organotypic cultures as tool to test long-term effects of chemicals on the nervous system. Current Medicinal Chemistry. 17 (10), 987-1001 (2010).
- Humpel, C. Organotypic Brain Slice Cultures. Current Protocols in Immunology. 123 (1), 59 (2018).
- Heine, C., Franke, H. Organotypic slice co-culture systems to study axon regeneration in the dopaminergic system ex vivo. Methods in Molecular Biology. 1162, 97-111 (2014).
- Croft, C. L., Futch, H. S., Moore, B. D., Golde, T. E. Organotypic brain slice cultures to model neurodegenerative proteinopathies. Molecualar Neurodegeneration. 14 (1), 45 (2019).
- Denk, W., Strickler, J. H., Webb, W. W. Two-photon laser scanning fluorescence microscopy. Science. 248 (4951), 73-76 (1990).
- Kerr, J. N., Denk, W. Imaging in vivo: watching the brain in action. Nature Review Neurosciences. 9 (3), 195-205 (2008).
- Akassoglou, K., et al. In Vivo Imaging of CNS Injury and Disease. Journal of Neuroscience. 37 (45), 10808-10816 (2017).
- Tran, C. H., Gordon, G. R. Astrocyte and microvascular imaging in awake animals using two-photon microscopy. Microcirculation. 22 (3), 219-227 (2015).
- Tvrdik, P., Kalani, M. Y. S. In Vivo Imaging of Microglial Calcium Signaling in Brain Inflammation and Injury. International Journal of Molecular Sciences. 18 (11), 2366 (2017).
- Bennett, F. C., et al. A Combination of Ontogeny and CNS Environment Establishes Microglial Identity. Neuron. 98 (6), 1170-1183 (2018).
- Bohlen, C. J., et al. Diverse Requirements for Microglial Survival, Specification, and Function Revealed by Defined-Medium Cultures. Neuron. 94 (4), 759-773 (2017).
- Mueller, K. L., Hines, P. J., Travis, J. Neuroimmunology. Science. 353 (6301), 760-761 (2016).
- Kipnis, J., Filiano, A. J. Neuroimmunology in 2017: The central nervous system: privileged by immune connections. Nature Reviews Immunology. 18 (2), 83-84 (2018).
- Moloney, R. D., Desbonnet, L., Clarke, G., Dinan, T. G., Cryan, J. F. The microbiome: stress, health and disease. Mammalian Genome. 25 (1-2), 49-74 (2014).
- Skonieczna-Zydecka, K., Marlicz, W., Misera, A., Koulaouzidis, A., Loniewski, I. Microbiome-The Missing Link in the Gut-Brain Axis: Focus on Its Role in Gastrointestinal and Mental Health. Journal of Clinical Medicine. 7 (12), 521 (2018).
- Xu, H. T., Pan, F., Yang, G., Gan, W. B. Choice of cranial window type for in vivo imaging affects dendritic spine turnover in the cortex. Nature Neuroscience. 10 (5), 549-551 (2007).
- Pan, F., Gan, W. B. Two-photon imaging of dendritic spine development in the mouse cortex. Developmental Neurobiology. 68 (6), 771-778 (2008).
- Yang, G., Pan, F., Parkhurst, C. N., Grutzendler, J., Gan, W. B. Thinned-skull cranial window technique for long-term imaging of the cortex in live mice. Nature Protocols. 5 (2), 201-208 (2010).
- Grutzendler, J., Yang, G., Pan, F., Parkhurst, C. N., Gan, W. B. Transcranial two-photon imaging of the living mouse brain. Cold Spring Harbor Protocols. 2011 (9), (2011).
- Jung, S., et al. Analysis of fractalkine receptor CX(3)CR1 function by targeted deletion and green fluorescent protein reporter gene insertion. Molecular Cell Biology. 20 (11), 4106-4114 (2000).
- Liu, Y. U., et al. Neuronal network activity controls microglial process surveillance in awake mice via norepinephrine signaling. Nature Neuroscience. 22 (11), 1771-1781 (2019).
- Stowell, R. D., et al. Noradrenergic signaling in the wakeful state inhibits microglial surveillance and synaptic plasticity in the mouse visual cortex. Nature Neuroscience. 22 (11), 1782-1792 (2019).
- Sun, W., et al. In vivo Two-Photon Imaging of Anesthesia-Specific Alterations in Microglial Surveillance and Photodamage-Directed Motility in Mouse Cortex. Frontiers in Neuroscience. 13, 421 (2019).
- Juczewski, K., Koussa, J., Kesner, A., Lee, J., Lovinger, D. Stress and behavioral correlates in the head-fixed method. bioRxiv. , (2020).
- Feng, G., et al. Imaging neuronal subsets in transgenic mice expressing multiple spectral variants of GFP. Neuron. 28 (1), 41-51 (2000).
- Eyo, U. B., et al. P2Y12R-Dependent Translocation Mechanisms Gate the Changing Microglial Landscape. Cell Reports. 23 (4), 959-966 (2018).
- Nishiyama, A., Komitova, M., Suzuki, R., Zhu, X. Polydendrocytes (NG2 cells): multifunctional cells with lineage plasticity. Nature Review Neurosciences. 10 (1), 9-22 (2009).
- Zhu, X., Bergles, D. E., Nishiyama, A. NG2 cells generate both oligodendrocytes and gray matter astrocytes. Development. 135 (1), 145-157 (2008).
- Hughes, E. G., Kang, S. H., Fukaya, M., Bergles, D. E. Oligodendrocyte progenitors balance growth with self-repulsion to achieve homeostasis in the adult brain. Nature Neuroscience. 16 (6), 668-676 (2013).
- Berthiaume, A. A., et al. Dynamic Remodeling of Pericytes In Vivo Maintains Capillary Coverage in the Adult Mouse Brain. Cell Reports. 22 (1), 8-16 (2018).
- Trachtenberg, J. T., et al. Long-term in vivo imaging of experience-dependent synaptic plasticity in adult cortex. Nature. 420 (6917), 788-794 (2002).
- Holtmaat, A. J., et al. Transient and persistent dendritic spines in the neocortex in vivo. Neuron. 45 (2), 279-291 (2005).
- Wang, C., Mei, L. In utero electroporation in mice. Methods in Molecular Biology. 1018, 151-163 (2013).
- Matsui, A., Yoshida, A. C., Kubota, M., Ogawa, M., Shimogori, T. Mouse in utero electroporation: controlled spatiotemporal gene transfection. Journal of Visualized Experiments. (54), e3024 (2011).
- Chakrabarty, P., et al. Capsid serotype and timing of injection determines AAV transduction in the neonatal mice brain. PLoS One. 8 (6), 67680 (2013).
- Guenthner, C. J., Miyamichi, K., Yang, H. H., Heller, H. C., Luo, L. Permanent genetic access to transiently active neurons via TRAP: targeted recombination in active populations. Neuron. 78 (5), 773-784 (2013).
- Pilz, G. A., et al. Live imaging of neurogenesis in the adult mouse hippocampus. Science. 359 (6376), 658-662 (2018).
- Wu, J., et al. Kilohertz two-photon fluorescence microscopy imaging of neural activity in vivo. Nature Methods. 17 (3), 287-290 (2020).
- Yang, W., Yuste, R. In vivo imaging of neural activity. Nature Methods. 14 (4), 349-359 (2017).
- Hannan, S., et al. In vivo imaging of deep neural activity from the cortical surface during hippocampal epileptiform events in the rat brain using electrical impedance tomography. Neuroimage. 209, 116525 (2020).
- Kulkarni, R. U., et al. In Vivo Two-Photon Voltage Imaging with Sulfonated Rhodamine Dyes. ACS Central Science. 4 (10), 1371-1378 (2018).
- Chamberland, S., et al. Fast two-photon imaging of subcellular voltage dynamics in neuronal tissue with genetically encoded indicators. Elife. 6, (2017).
