In vivo Calcium Imaging of Mouse Geniculate Ganglion Neuron Reaktionen auf Geschmacksreize
Summary
Hier präsentieren wir, wie man das genikulierte Ganglion einer lebenden, betäubten Labormaus freilegt und wie man Kalziumbildgebung verwendet, um die Reaktionen von Ensembles dieser Neuronen auf Geschmacksreize zu messen, was mehrere Versuche mit verschiedenen Stimulanzien ermöglicht. Dies ermöglicht detaillierte Vergleiche, welche Neuronen auf welche Tastants reagieren.
Abstract
In den letzten zehn Jahren haben Fortschritte bei genetisch kodierten Kalziumindikatoren (GECIs) eine Revolution in der funktionellen In-vivo-Bildgebung gefördert. Mit Kalzium als Proxy für neuronale Aktivität bieten diese Techniken eine Möglichkeit, die Reaktionen einzelner Zellen innerhalb großer neuronaler Ensembles auf eine Vielzahl von Reizen in Echtzeit zu überwachen. Wir und andere haben diese Techniken angewendet, um die Reaktionen einzelner genikulater Ganglienneuronen auf Geschmacksreize abbilden, die auf die Zungen lebender anästhesierierter Mäuse angewendet werden. Das geniculate Ganglion besteht aus den Zellkörpern von Gustatorneuronen, die die vordere Zunge und den Gaumen innervieren, sowie einigen somatosensorischen Neuronen, die die Pinna des Ohres innervieren. Die Abbildung der geschmacksbedingten Reaktionen einzelner genikulater Ganglienneuronen mit GCaMP hat wichtige Informationen über die Tuning-Profile dieser Neuronen bei Wildtyp-Mäusen sowie eine Möglichkeit zum Nachweis peripherer Geschmacksfehlverdrahtungsphänotypen bei genetisch manipulierten Mäusen geliefert. Hier demonstrieren wir den chirurgischen Eingriff zur Freilegen des geniculaten Ganglions, die GCaMP-Fluoreszenzbildaufnahme, erste Schritte zur Datenanalyse und die Fehlerbehebung. Diese Technik kann mit transgen kodiertem GCaMP oder mit AAV-vermittelter GCaMP-Expression verwendet und modifiziert werden, um bestimmte genetische Untergruppen von Interesse abbilden (d. H. Cre-vermittelte GCaMP-Expression). Insgesamt ist die In-vivo-Calcium-Bildgebung von geniculaten Ganglien-Neuronen eine leistungsstarke Technik zur Überwachung der Aktivität peripherer Gustator-Neuronen und liefert ergänzende Informationen zu traditionelleren Ganznerven-Chorda-Tympani-Aufnahmen oder Geschmacksverhaltenstests.
Introduction
Eine Schlüsselkomponente des peripheren Geschmackssystems von Säugetieren ist das geniculate Ganglion. Zusätzlich zu einigen somatosensorischen Neuronen, die die Pinna des Ohres innervieren, besteht das Genikulat aus den Zellkörpern von Gustatorneuronen, die die vordere Zunge und den Gaumen innervieren. Ähnlich wie andere periphere sensorische Neuronen sind die geniculaten Ganglienneuronen pseudo-unipolar mit einem langen Axon, das peripher auf die Geschmacksknospen und zentral auf den Hirnstammkern des Solitärtraktsprojiziert 1. Diese Neuronen werden in erster Linie durch die Freisetzung von ATP durch Geschmacksrezeptorzellen aktiviert, die auf Geschmacksreize in der Mundhöhle reagieren2,3. ATP ist ein essentieller Neurotransmitter für die Geschmackssignalisierung, und P2rx-Rezeptoren, die von den gustatorischen Ganglienneuronen exprimiert werden, sind für ihre Aktivierung notwendig4. Angesichts der Tatsache, dass Geschmacksrezeptorzellen spezifische Geschmacksrezeptoren für eine bestimmte Geschmacksmodalität (süß, bitter, salzig, Umami oder sauer) exprimieren, wurde die Hypothese aufgestellt, dass gustatorische Ganglienneuronreaktionen auf Geschmacksreize ebenfalls eng abgestimmt wären5.
Ganze Nervenaufnahmen haben gezeigt, dass sowohl die Chorda-Tympani als auch die größeren oberen Petrosalnerven Gustatoriken leiten, die alle fünf Geschmacksmodalitäten zum geniculaten Ganglion6,7darstellen. Dies ließ jedoch immer noch Fragen über die Spezifität neuronaler Reaktionen auf ein bestimmtes Tastant offen: wenn es geschmacksmodalitätsspezifische Neuronen, polymodale Neuronen oder eine Mischung aus beidem gibt. Einzelfaseraufzeichnungen geben mehr Informationen über die Aktivität einzelner Fasern und ihre chemischenEmpfindlichkeiten 8,9,10, aber diese Methodik beschränkt sich auf die Erfassung von Daten aus einer kleinen Anzahl von Fasern. In ähnlicher Weise geben elektrophysiologische In-vivo-Aufzeichnungen einzelner Genikulat-Ganglienneuronen von Ratten Aufschluss über die Reaktionen einzelner Neuronen11,12,13, verlieren aber immer noch die Aktivität der Population und liefern relativ wenige Neuronenaufnahmen pro Tier. Um die Reaktionsmuster neuronaler Ensembles zu analysieren, ohne die Aktivität einzelner Neuronen aus den Augen zu verlieren, mussten neue Techniken eingesetzt werden.
Die Calcium-Bildgebung, insbesondere unter Verwendung genetisch kodierter Kalziumindikatoren wie GCaMP, hat diesen technischen Durchbruch gebracht14,15,16,17,18. GCaMP verwendet Kalzium als Proxy für neuronale Aktivität und erhöht die grüne Fluoreszenz, wenn der Kalziumspiegel in der Zelle ansteigt. Neue Formen von GCaMP werden weiterhin entwickelt, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern, die Bindungskinetik anzupassen und sich für spezialisierte Experimente anzupassen19. GCaMP bietet im Gegensatz zur Aufzeichnung ganzer Nerven eine Auflösung einzelner Neuronen und kann im Gegensatz zur Einzelfaser- oder Einzelzellaufzeichnung gleichzeitig die Reaktionen von Ensembles von Neuronen messen. Die Calcium-Bildgebung der Genikulatganglien hat bereits wichtige Informationen über die Tuning-Profile dieser Neuronen bei Wildtyp-Mäusen16,20geliefert und periphere Geschmacksfehlverdrahtungsphänotypen bei genetisch manipulierten Mäusen identifiziert18.
Eine große Schwierigkeit bei der Anwendung von In-vivo-Calcium-Bildgebungstechniken auf das geniculate Ganglion besteht darin, dass es in der knöchernen Paukenbulle eingekapselt ist. Um einen optischen Zugang zum Genikulat zu erhalten, ist eine heikle Operation erforderlich, um die Knochenschichten zu entfernen und gleichzeitig das Ganglion intakt zu halten. Zu diesem Zweck haben wir diesen Leitfaden erstellt, um anderen Forschern den Zugang zum geniculaten Ganglion zu helfen und die GCaMP-vermittelten fluoreszierenden Reaktionen dieser Neuronen abbilden, um Reize in vivo zu schmecken.
Protocol
Representative Results
Discussion
Diese Arbeit beschreibt ein Schritt-für-Schritt-Protokoll, um das geniculate Ganglion chirurgisch freizulegen und die Aktivität seiner Neuronen mit GCaMP6s visuell aufzuzeichnen. Dieses Verfahren ist dem zuvor beschriebenen17sehr ähnlich, mit einigen bemerkenswerten Ausnahmen. Erstens ermöglicht die Verwendung eines Kopfpfostens eine einfache Anpassung der Kopfpositionierung während der Operation. Zweitens, in Bezug auf die Stimulusabgabe, fließt der Ansatz von Wu und Dvoryanchikov Geschmack…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken S. Humayun für die Maushaltung. Die Finanzierung dieser Arbeit wurde teilweise durch den Brain Health Consortium Graduate and Postdoctoral Seed Grant (B.E.F.) und NIH-SC2-GM130411 der UTSA an L.J.M bereitgestellt.
Materials
| 1 x #5 Inox Forceps | Fine Science Tools | NC9792102 | |
| 1ml Syringe with luer lock | Fisher Scientific | 14-823-30 | |
| 2 x #3 Inox Forceps | Fine Science Tools | M3S 11200-10 | |
| 27 Gauge Blunt Dispensing Needle | Fisher Scientific | NC1372532 | |
| 3M Vetbond | Fisher Scientific | NC0398332 | |
| 4-40 Machine Screw Hex Nuts | Fastenere | 3SNMS004C | |
| 4-40 Socket Head Cap Screw | Fastenere | 3SSCS04C004 | |
| Absorbent Points | Fisher Scientific | 50-930-668 | |
| Acesulfame K | Fisher Scientific | A149025G | |
| Artificial Tears | Akorn | 59399-162-35 | |
| BD Allergist Trays with Permanently Attached Needle | Fisher Scientific | 14-829-6D | |
| Blunt Retractors | FST | 18200-09 | |
| Breadboard | Thor Labs | MB8 | |
| Citric Acid | Fisher Scientific | A95-3 | |
| Cohan-Vannas Spring Scissors | Fine Science Tools | 15000-02 | |
| Contemporary Ortho-Jet Liquid | Lang | 1504 | |
| Contemporary Ortho-Jet Powder | Lang | 1520 | |
| Cotton Tipped Applicators | Fisher | 19-062-616 | |
| Custom Head Post Holder | eMachineShop | See attached file 202410.ems | |
| Custom Metal Head Post | eMachineShop | See attached file 202406.ems | |
| DC Temperature Controller | FHC | 40-90-8D | |
| Digital Camera, sCMOS OrcaFlash4 Microscope Mounted | Hamamatsu | C13440 | |
| Disection Scope | Leica | M80 | |
| Hair Clippers | Kent Scientific | CL7300-Kit | |
| IMP | Fisher Scientific | AAJ6195906 | |
| Ketamine | Ketaved | NDC 50989-996-06 | |
| LED Cold Light Source | Leica Mcrosystems | KL300LED | |
| Luer Lock 1/16" Tubing Adapters | Fisher | 01-000-116 | |
| Microscope | Olympus | BX51WI | |
| Mini-series Optical Posts | Thorlabs | MS2R | |
| MPG | Fisher Scientific | AAA1723230 | |
| MXC-2.5 Rotatable probe Clamp | Siskiyou | 14030000E | |
| NaCl | Fisher Scientific | 50-947-346 | |
| petri dishes | Fisher Scientific | FB0875713A | |
| Pressurized air | Airgas | AI Z300 | |
| Quinine | Fisher Scientific | AC163720050 | |
| Self Sticking Labeling Tape | Fisher Scientific | 159015R | |
| Silicone Pinch Valve Tubing 1/32" x 1/16" o.d. (per foot) | Automate Scientific | 05-14 | |
| Sola SM Light Engine | Lumencor | ||
| Snap25-2A-GCaMP6s-D | JAX | 025111 | |
| Student Fine Scissors | Fine Science Tools | 91460-11 | |
| Surgical Probe | Roboz Surgical Store | RS-6067 | |
| Surgical Probe Holder | Roboz Surgical Store | RS-6061 | |
| Thread | Gütermann | 02776 | |
| BD Intramedic Tubing | Fisher Scientific | 22-046941 | |
| Two Stage Gas Regulator | Airgas | Y12FM244B580-AG | |
| Tygon vinyl tubing – 1/16" | Automate Scientific | 05-11 | |
| Valvelink8.2 digital/manual controller | Automate Scientific | 01-18 | |
| Valvelink8.2 Pinch Valve Perfusion System | Automate Scientific | 17-pp-54 | |
| Xylazine | Anased | NADA# 139-236 |
References
- Krimm, R. F. Factors that regulate embryonic gustatory development. BMC Neuroscience. 8, 4 (2007).
- Taruno, A., Matsumoto, I., Ma, Z., Marambaud, P., Foskett, J. K. How do taste cells lacking synapses mediate neurotransmission? CALHM1, a voltage-gated ATP channel. Bioessays. (35), 1111-1118 (2013).
- Taruno, A., et al. Taste transduction and channel synapses in taste buds. Pflugers Archiv-European Journal of Physiology. 473, 3-13 (2021).
- Kinnamon, S. C., Finger, T. E. A taste for ATP: neurotransmission in taste buds. Frontiers in Cell Neuroscience. 7, 264 (2013).
- Chandrashekar, J., Hoon, M. A., Ryba, N. J., Zuker, C. S. The receptors and cells for mammalian taste. Nature. 444 (7117), 288-294 (2006).
- Yarmolinsky, D. A., Zuker, C. S., Ryba, N. J. Common sense about taste: from mammals to insects. Cell. 139 (2), 234-244 (2009).
- Ninomiya, Y., Tonosaki, K., Funakoshi, M. Gustatory neural response in the mouse. Brain Research. 244 (2), 370-373 (1982).
- Formaker, B. K., MacKinnon, B. I., Hettinger, T. P., Frank, M. E. Opponent effects of quinine and sucrose on single fiber taste responses of the chorda tympani nerve. Brain Research. 772 (1-2), 239-242 (1997).
- Frank, M. The classification of mammalian afferent taste nerve fibers. Chemical Senses. 1 (1), 53-60 (1974).
- Ogawa, H., Yamashita, S., Sato, M. Variation in gustatory nerve fiber discharge pattern with change in stimulus concentration and quality. Journal of Neurophysiology. 37 (3), 443-457 (1974).
- Sollars, S. I., Hill, D. L. In vivo recordings from rat geniculate ganglia: taste response properties of individual greater superficial petrosal and chorda tympani neurones. Journal of Physiology. 564, 877-893 (2005).
- Yokota, Y., Bradley, R. M. Geniculate ganglion neurons are multimodal and variable in receptive field characteristics. Neurosciences. 367, 147-158 (2017).
- Breza, J. M., Curtis, K. S., Contreras, R. J. Temperature modulates taste responsiveness and stimulates gustatory neurons in the rat geniculate ganglion. Journal of Neurophysiology. 95 (2), 674-685 (2006).
- Chen, T. W., et al. Ultrasensitive fluorescent proteins for imaging neuronal activity. Nature. 499 (7458), 295-300 (2013).
- Luo, L., Callaway, E. M., Svoboda, K. Genetic dissection of neural circuits: A decade of progress. Neuron. 98 (4), 865 (2018).
- Barreto, R. P. J., et al. The neural representation of taste quality at the periphery. Nature. 517, 373-376 (2015).
- Wu, A., Dvoryanchikov, G. Live animal calcium imaging of the geniculate ganglion. Protocol Exchange. , 106 (2015).
- Lee, H., Macpherson, L. J., Parada, C. A., Zuker, C. S., Ryba, N. J. P. Rewiring the taste system. Nature. 548 (7667), 330-333 (2017).
- Dana, H., et al. High-performance calcium sensors for imaging activity in neuronal populations and microcompartments. Nature Methods. 16 (7), 649-657 (2019).
- Wu, A., Dvoryanchikov, G., Pereira, E., Chaudhari, N., Roper, S. D. Breadth of tuning in taste afferent neurons varies with stimulus strength. Nature Communications. 6, 8171 (2015).
- Yarmolinsky, D. A., et al. Coding and plasticity in the mammalian thermosensory system. Neuron. 92 (5), 1079-1092 (2016).
- . dF Over F movie ImageJ Plugin Available from: https://gist.github.com/ackman678/5817461 (2014)
- Cantu, D. A., et al. EZcalcium: Open-source toolbox for analysis of calcium imaging data. Frontiers in Neural Circuits. 14, 25 (2020).
- Giovannucci, A., et al. CaImAn an open source tool for scalable calcium imaging data analysis. Elife. 8, (2019).
- Zhang, J., et al. Sour sensing from the tongue to the brain. Cell. 179 (2), 392-402 (2019).
- Lee, D., Kume, M., Holy, T. E. A molecular logic of sensory coding revealed by optical tagging of physiologically-defined neuronal types. bioRxiv. , 692079 (2019).
- Moeyaert, B., et al. Improved methods for marking active neuron populations. Nature Communication. 9 (1), 4440 (2018).
