Morfolojik Ölçümler dayanarak büyük ölçekli yeniden düzenlemesi ve Bağımsız, Unbiased Kümelenme Seçici Populasyonlarında Nöronlar Sınıflandıran
Summary
Bu protokol değiştirilmiş kuduz virüsü floresan işaretlerini ifade ve bağımsız, tarafsız küme farklı nöronal alt sınıfları arasında morfolojik metrik kapsamlı karakterizasyonu olanak analizleri ile retrograd enfeksiyonu takiben etiketli seçici nöronal popülasyonlarının büyük ölçekli rekonstrüksiyon açıklar.
Abstract
Bu protokol, bağımsız ve tarafsız kümelenme kullanımı ile birlikte nöronların büyük ölçekli rekonstrüksiyon seçici nöronal nüfus arasında gözlenen morfolojik özelliklerinin kapsamlı bir anket oluşturmak için analiz özetliyor. Bu tekniklerin kombinasyonu Nöroanatomik verilerin toplanması ve analiz için yeni bir yaklaşım oluşturmaktadır. Birlikte, bu teknikler büyük ölçekli etkinleştirmek ve selektif nöronal popülasyonlarının dolayısıyla daha kapsamlı, örnekleme ve bir nüfus içinde morfolojik benzersiz nöronal sınıfları tanımlamak için tarafsız nicel yöntemler kurmak.
protokol seçici nöronlar etiketlemek için modifiye kuduz virüsünün kullanımını özetliyor. ilgi hedef beyin yapısına stereotaksik enjeksiyonu takiben retrograd tracer gibi kuduz virüsü eylemleri G-silinmiş ve nöronlarda EGFP teslimat ve ifade için bir araç olarak hizmet vermektedir. nöronların çok sayıda bu kullanarak enfekteteknik ve bireysel nöronların "Golgi gibi" tam doldurur üreten, kendi dendritler boyunca GFP ifade eder. Buna göre, virüs aracılı retrograd izleme yöntemi tam hücre içi dolgular üreterek geleneksel boya bazlı retrograd izleme teknikleri geliştirir.
çalışılan beyin bölgesi tüm bölgelerini kapsayan bireysel iyi izole edilmiş nöronları temsili bir örneği elde etmek için yeniden için seçilir. protokol hücre gövdeleri yeniden ve çoklu doku bölümleri kapsayan etiketli nöronların dendritik arborization kalıplarını tamamlamak için prosedürler sıralanıyor. Beyin yapısı içinde her bir nöronun pozisyonları da dahil olmak üzere morfolojik veriler, daha fazla analiz için ayıklanır. Standart programlama fonksiyonları bağımsız küme analizleri ve morfolojik metriklere dayanan küme değerlendirmelerini gerçekleştirmek için kullanılmıştır. Bir kümeleme analizi perfo bu analizlerin programı, istatistiksel değerlendirme doğrulamak içinmakak maymunu talamus (TRN) talamik retiküler çekirdeğinde yeniden 160 nöronlar üzerinde rmed yapıldı. Orijinal kümeleme analizi ve burada yapılan istatistiksel değerlendirmeler, hem TRN nöronlar üç alt popülasyonlar, benzersiz morfolojik özelliklere sahip her ayrılır olduğunu göstermektedir.
Introduction
Nöroanatomi "connectomics" in nörobilim 1 ve son faiz temellerinden biri nöronal popülasyonlarının morfolojik çeşitlilik ve belirli nöronlar 2 arasındaki bağlantıları anlamak için coşku yeniledi olduğunu. Etiketleme yöntemleri ve yeniden nöronlar büyük ölçüde genetik ve virüs aracılı devre izleme de dahil olmak üzere son yenilikler ile iyileştirilmiştir nöronal nüfus 5 daha kapsamlı morfolojik araştırmalar sağlayan, 3, 4 yaklaşır. Bireysel nöronlar etiketleme gelişmelere ek olarak, nicel veri analiz teknikleri de bu morfolojik verilerle 5, 6 dayalı farklı alt popülasyonlar halinde nöronların bağımsız ve tarafsız sınıflandırma etkinleştirmek ortaya çıkmıştır. Bu tarafsız teknikler daha Traditiona üzerine bir gelişme vardırBir asrı aşkın süredir alanında standart olmuştur l nitel sınıflandırma yöntemleri. Bu çalışmanın amacı, ana hatlarıyla adım-adım olduğunu, bir seçici nüfus içindeki nöronların virüs aracılı etiketleme kombinasyonu, bir bu nöronların kapsamlı numune ve nicel veri analizi büyük ölçekli rekonstrüksiyon ile bağımsız kümeleme dayalı İstatistiksel değerlendirme. Bu yöntemleri birleştirerek, bir selektif nöronal nüfus içinde kapsamlı örnekleme ve morfolojik eşsiz nöronal türleri tarafsız sınıflandırma kolaylaştırmak için toplama ve nöroanatomik verilerin analizi doğru yeni bir yaklaşım özetlemektedir.
Bu yöntemlerin bir örneği olarak, makak maymunu talamik retiküler nükleus (TRN) tek bir sektörü içinde nöronların büyük bir nüfusun analizimizi açıklar. Bu veriler daha önceki çalışmada 7 vardır. seçici dorsal Latera projelendirme TRN nöronların etiketleme YöntemleriEGFP 4, 8 kodlayan modifiye kuduz virüsünün cerrahi enjeksiyon kullanılarak talamus (dLGN) l Dirsekli çekirdeği özetlenen (Özel Malzemeler / Ekipman, satır 2 Tablo). Bu modifiye kuduz virüsü geni, bir esas kat proteinini kodlayan virüs trans-sinaptik hareketi ortadan yoksundur. Virüs enjeksiyon yerinde akson terminalleri girdikten sonra, enfekte nöronlar 5, 9, 10, tam dendritik arborization boyunca EGFP ifade sürüş önemli yararı ile geleneksel retrograd tracer gibi davranır. Bu duruma göre, bu G-silinmiş kuduz virüs seçici bulaşabilir ve enjeksiyon ve retrograd taşıma sonraki herhangi bir nöronal popülasyonu etiket kullanılabilir.
Belirli bir nöronal nüfusun geniş kapsamlı bir analizi gerçekleştirmek için, örnek için önemlidirnüfus içinde nöronların geniş bir dağılımı. Virüs-aracılı etiketleme tekniği tam hücre içi üretimi için, "Golgi gibi" virüs enjeksiyon yerinde akson birçok nöron doldurur, bir beyin yapısı tam kapsam dahilinde nöronların çok büyük bir örnek yeniden oluşturmak mümkündür. değiştirilmiş kuduz virüsü enfekte edilmesi ve nöron çok sayıda etiketleme de çok etkili olduğu için, ayrıca, hayvan başına nöronların yüzlerce yeniden oluşturmak mümkündür. DLGN verme TRN nöronların kapsamlı bir örnek oluşturmak için TRN 11 görsel sektör genelinde 160 nöronlar örnekleme için prosedürler özetlenmektedir. Bir mikroskop, kamera ve yeniden yazılımı içeren bir nöron rekonstrüksiyon sistemini kullanarak bireysel nöronlar yeniden süreci açıklanmıştır. Ayrıca tarif edilen (TRN içinde bu durumda) beyin yapısı içinde tek tek nöronların konumlarını belirlemek için ve virüs, enjeksiyon sit doğrulamak için yöntemlerhacimsel kontur rekonstrüksiyon kullanarak (dLGN içinde bu durumda) bir yapı içinde e hacmi ve konumu. Her bir nöron için ölçülen morfolojik ölçümlerini özetlenen morfolojik verileri dışa ve bağımsız küme gerçekleştirmek için adımlar dayalı analizleri. kümeleme yöntemleri sınırlamalar vardır ve mevcut farklı kümelenme algoritmaları çeşitli de vardır. Bu duruma göre, bu seçenekler ve daha yaygın olarak kullanılan algoritmalar bazı avantajları açıklanmaktadır. kümeleme analizi kümeleri tekliği istatistiksel doğrulama sağlamaz. Bu nedenle, ek adımlar optimum kümelenme yanı sıra içinde ve gruplar arasında morfolojik veriler arasındaki ilişkileri doğrulamak için özetlenmiştir. Bu TRN nöronlar onaylamak için TRN veri kümesi için kümeleri değerlendirmek için istatistiksel yöntemler tarif edilmiştir 10 bağımsız morfolojik metriklere dayalı üç benzersiz kümeler halinde gruplandırılmış.
Böylece, seçici etiketleme için adımları özetleyerek, Yeniden ve belirli bir nöronal nüfus morfolojik verilerini analiz, bir popülasyon içindeki nöronlar arasındaki morfolojik farklılıklar ölçülmesi için yöntemler açıklanmaktadır. makak maymunu TRN'nin görsel sektöründe farklı nöron tiplerinin önceki bulguları ayrı istatistiksel değerlendirme yöntemleri ile teyit edilir. Birlikte, bu teknikler, nöroanatomik veri kümelerine geniş uygulanabilir ve beyin üzerinden nöronal nüfus çeşitliliği kantitatif sınıflandırma kurmak yardımcı olacağını umuyoruz.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nöroanatomik çalışmalar nörobilim ve connectomics ve yapı-işlev ilişkilerinin son bir ilgi ayağı seçici nöronal popülasyonlarının detaylı morfolojik karakterizasyonu için coşku yeniledi kalmıştır. Geleneksel olarak, nöroanatomik çalışmalar uzman neuroanatomists tarafından tanımlanan nöronların morfolojik farklı sınıflara nöronların nitel sınıflandırmaları yararlanmıştır. nöronlar yeniden ve morfolojik veri ayıklamak için tekniklerindeki gelişmeler sayesinde, tarafsız bir şe…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Biz Dr teşekkür etmek istiyorum. Bize önceden çalışma ve Özge Fairless ve Shiyuan Liu nöronal rekonstrüksiyon ile yardım için bir parçası olarak hazırlanan doku kullanmak için izin Ed Callaway ve Marty Usrey. ve Whitehall Vakfı: Bu çalışma NIH (EY018683 HAYIR) tarafından finanse edildi.
Materials
| SADΔG-EGFP | E.M. Callaway Laboratory, Salk Institute | Prepared by Dr. F. Osakada. G-deleted rabies virus available through the Salk Institute Viral Core | |
| Recording electrode: platinum/iridium or tungsten | FHC | UEPSGGSE1N2M | Visit website (www.fh-co.com) for alternative order specifications |
| Nanoject II | Drummod Scientific | 3-000-204, 110V | Alternatives: picospritzer, Hamilton syringe |
| Freezing microtome | Thermo Scientific | ||
| DAB | Sigma Aldrich | D5905-50TAB | 3,3'-Diaminobenzidine tetrahydrochloride, tablet, 10 mg substrate per tablet. Caution: carcinogen – must be bleached before discarding |
| Cytochrome C | Sigma Aldrich | C2037-100MG | |
| Catalase | Sigma-Aldich | C9322-5G | |
| Rabbit anti-GFP | Life Technologies/Thermo Fisher | #A-11122 | Primary antibody |
| Biotinylated goat anti-rabbit | Vector Laboratories | #BA-1000 | Secondary antibody |
| Neurolucida System | MicroBrightField | Software for neuron tracing and analysis. http://www.mbfbioscience.com/neurolucida | |
| Neurolucida Explorer | MicroBrightField | Data export software | |
| Microfire Camera | Optronics | 2-Megapixel true color microscope camera. http://www.simicroscopes.com/pdfs/microfire.pdf | |
| Nikon E800 Microscope | Nikon Instruments Inc. | Biological research microscope. http://www.microscopyu.com/museum/eclipseE800.html | |
| Matlab | The MathWorks Inc. | Matrix-based computational mathematics software. http://www.mathworks.com | |
| Microsoft Office Excel | Microsoft | Spreadsheet program |
Riferimenti
- Cajal, S. R. y. . Histologie du systeme nerveaux de l’homme et des vertebres. , (1911).
- Seung, H. S. Toward functional connectomics. Nature. 471, 170-172 (2011).
- Callaway, E. M. Transneuronal circuit tracing with neurotropic viruses. Current Opinion in Neurobiology. 18, 1-7 (2009).
- Wickersham, I. R., Finke, S., Conzelmann, K. K., Callaway, E. M. Retrograde neuronal tracing with a deletion-mutant rabies virus. Nature Methods. 4, 47-49 (2007).
- Briggs, F., Kiley, C. W., Callaway, E. M., Usrey, W. M. Morphological substrates for parallel streams of corticogeniculate feedback originating in both V1 and V2 of the macaque monkey. Neuron. 90, 388-399 (2016).
- Cauli, B., et al. Classification of fusiform neocortical interneurons based on unsupervised clustering. PNAS. 97, 6144-6149 (2000).
- Bragg, E. M., Fairless, E. A., Liu, S., Briggs, F. Morphology of visual sector thalamic reticular neurons in the macaque monkey sugests retinotopically-specialized, parallel stream-mixed input to the lateral geniculate nucleus. J. Comparative Neurology. 525 (5), 1273-1290 (2017).
- Osakada, F., et al. New rabies virus varients for monitoring and manipulating activity and gene expression in defined neural circuits. Neuron. 71, 617-631 (2011).
- Callaway, E. M., Luo, L. Monosynaptic circuit tracing with glycoprotein-deleted rabies viruses. Journal of Neuroscience. 35, 8979-8985 (2015).
- Nhan, H. L., Callaway, E. M. Morphology of superior colliculus- and middle temporal area-projecting neurons in primate primary visual cortex. J. Comparative Neurology. 520, 52-80 (2012).
- Pinault, D. The thalamic reticular nucleus: structure, function and concept. Brain Research Reviews. 46, 1-31 (2004).
- Gage, G. J., Kipke, D. R., Shain, W. Whole Animal Perfusion Fixation for Rodents. Journal of Visualized Experiments. 65, e3564 (2012).
- Wong-Riley, M. Changes in the visual system of monocularly sutured or enucleated cats demonstrable with cytochrome oxidase histochemistry. Brain Research. 171, 11-28 (1979).
- Gerfen, C. R. Basic neuroanatomical methods. Current Protocols in Neuroscience. Chapter 1, Unit 1.1 (2003).
- Thorndike, R. L. Who belongs in the family?. Psychometrika. 18, 267-276 (1953).
- Talebi, V., Baker, C. I. Categorically distinct types of receptive fields in early visual cortex. Journal of Neurophysiology. 115, 2556-2576 (2016).
- Helmstaedter, M., et al. Connectomic reconstruction of the inner plexiform layer in the mouse retina. Nature. 500, 168-174 (2013).
