JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
자동 번역
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
생체공학

Aplysia Ganglia voorbereiding voor elektrofysiologische en moleculaire analyses van enkele neuronen

Published: January 13, 2014
doi:
10.3791/51075
, ,
1Department of Neuroscience,The Scripps Research Institute, Florida

Summary

Zeeslak Aplysia californica is veel gebruikt als een neurobiologisch model voor de studies op cellulaire en moleculaire basis van gedrag. Hier wordt een methodologie beschreven voor het verkennen van het zenuwstelsel van Aplysia voor de elektrofysiologische en moleculaire analyses van enkele neuronen van geïdentificeerde neurale circuits.

Abstract

Een grote uitdaging in de neurobiologie is het begrijpen van de moleculaire onderbouwing van neurale circuits die een specifiek gedrag bepalen. Zodra de specifieke moleculaire mechanismen zijn geïdentificeerd, kunnen nieuwe therapeutische strategieën worden ontwikkeld om afwijkingen in specifiek gedrag veroorzaakt door degeneratieve ziekten of veroudering van het zenuwstelsel te behandelen. De zeeslak Aplysia californica is zeer geschikt voor het onderzoeken van cellulaire en moleculaire gedragsbasis, omdat neurale circuits die ten grondslag liggen aan een specifiek gedrag gemakkelijk kunnen worden bepaald en de afzonderlijke componenten van het circuit gemakkelijk kunnen worden gemanipuleerd. Deze voordelen van Aplysia hebben geleid tot verschillende fundamentele ontdekkingen van neurobiologie van leren en geheugen. Hier beschrijven we een voorbereiding van het Aplysia zenuwstelsel voor de elektrofysiologische en moleculaire analyses van individuele neuronen. Kortom, ganglion ontleed uit het zenuwstelsel wordt blootgesteld aan protease om de ganglionschede te verwijderen, zodat neuronen worden blootgesteld, maar neuronale activiteit behouden zoals bij het intacte dier. Dit preparaat wordt gebruikt om elektrofysiologische metingen van enkele of meerdere neuronen uit te voeren. Belangrijk is dat na de opname met behulp van een eenvoudige methodologie, de neuronen rechtstreeks van de ganglia kunnen worden geïsoleerd voor genexpressieanalyse. Deze protocollen werden gebruikt om gelijktijdige elektrofysiologische opnames uit te voeren van L7- en R15-neuronen, hun reactie op acetylcholine te bestuderen en de expressie van creb1-gen te kwantificeren in geïsoleerde enkelvoudige L7-, L11-, R15- en R2-neuronen van Aplysia.

Introduction

Het menselijk brein is buitengewoon complex met bijna 100 miljard neuronen en biljoenen synaptische verbindingen. Er zijn bijna een gelijk aantal niet-neuronale cellen die interageren met neuronen en hun functie in de hersenen reguleren. Neuronen zijn georganiseerd in circuits die specifiek gedrag reguleren. Ondanks de vooruitgang in ons begrip van hersenfuncties en neurale circuits, is er weinig bekend over de identiteit van circuitcomponenten die een specifiek gedrag controleren. Kennis van de identiteiten van verschillende componenten van een circuit zal ons begrip van zowel cellulaire als moleculaire basis van gedrag aanzienlijk vergemakkelijken en helpen bij het ontwikkelen van nieuwe therapeutische strategieën voor neuropsychiatrische aandoeningen.

De zeeslak Aplysia californica is een werkpaard geweest voor het bepalen van neuronale circuits die ten grondslag liggen aan specifiek gedrag1-14. Het Aplysia zenuwstelsel bevat ongeveer 20.000 neuronen die zijn georganiseerd in 9 verschillende ganglia. De neuronen van Aplysia zijn groot en kunnen gemakkelijk worden geïdentificeerd op basis van hun grootte, elektrische eigenschappen en positie in de ganglia. Aplysia heeft een rijk repertoire aan gedragingen die bestudeerd kunnen worden. Een van de goed bestudeerde gedragingen is de kieuwontwenningsreflex (GWR). De centrale componenten van deze reflex bevinden zich in abdominale ganglia. Onderdelen van de GWR-circuits zijn in kaart gebracht en bijdragen van verschillende componenten zijn bepaald. Belangrijk is dat GWR-circuits associatief en niet-associatief leren ondergaan5,6,15-19. Tientallen jaren van onderzoek naar deze reflex hebben ook verschillende signaleringsroutes geïdentificeerd die een sleutelrol spelen in leren en geheugen20-24.

Verschillende preparaten van Aplysia werden gebruikt om cellulaire en moleculaire basis van geheugenopslag te bestuderen. Deze omvatten het intacte dier2,3, semi-intact preparaat1,7,13,14,16 en reconstitutie van belangrijke componenten van neurale circuits25-29. Een verminderde voorbereiding voor het verkennen van Aplysia ganglia voor de elektrofysiologische en moleculaire analyses van geïdentificeerde neuronale circuits wordt hier beschreven. De volgende vier geïdentificeerde neuronen werden bestudeerd. R15, een barstend neuron, L7 en L11, twee verschillende motorneuronen en R2, een cholinerge neuron werden bestudeerd. R2 is het grootste neuron beschreven in het ongewervelde zenuwstelsel. Kortom, deze methodologie omvat proteasebehandeling van ganglia, elektrofysiologische metingen voor en na farmacologische behandelingen en isolatie van enkele neuronen voor kwantitatieve analyse van genexpressie. Deze methodologie stelt ons in staat om moleculaire analyses te combineren met gelijktijdige opname van meerdere neuronen. Deze methodologie werd met succes gebruikt om reacties van R15- en L7-neuronen op acetylcholine (Ach) te bestuderen door gepaarde intracellulaire opnames. Na elektrofysiologische metingen werden R15 en L7 en andere geïdentificeerde neuronen zoals L11 en R2 geïsoleerd voor kwantitatieve polymerasekettingreactie (qPCR) analyse van expressie van CREB1, een transcriptiefactor die belangrijk is voor geheugenopslag.

Protocol

1. Voorbereiding van abdominale ganglia, elektrofysiologische metingen en isolatie van enkele geïdentificeerde neuronen uit abdominale ganglion van Aplysia californica Houd Aplysia in het laboratoriumaquarium met circulerend kunstmatig zeewater (ASW) bij 16 °C onder 12:12 licht:donker. Isolatie van abdominale ganglion. Verdoof dieren door 380 mM MgCl2-oplossing gedurende 5-10 minuten te injecteren (overeenkomend met 30-35% van het lichaamsgewicht van het dier).</…

Representative Results

De gewichten van dieren die in deze studie werden gebruikt, varieerden van 100-200 g. Volgens de beschreven protocollen voerden we elektrofysiologische metingen en moleculaire analyse uit van neuronen van abdominale ganglia geïsoleerd van dieren variërend van 2-5 g tot 200-300 g. Standaardisatie van proteasebehandeling is belangrijk voor succesvolle elektrofysiologische metingen van neuronen in de ganglia. Aanvankelijk werden meerdere proteaseconcentraties (Dispase) en duur gebruikt en burst…

Discussion

Het neuron R15 is betrokken bij het reguleren van cardiovasculaire, spijsverterings-, ademhalings- en voortplantingssystemen30. Een regelmatig ritmische barstende activiteit van de AP is een kenmerk van R15. Zoals getoond in de resultatensectie, laten gekoppelde opnames van R15 en L7 zien dat het gangliapreparaat de activiteit van R15-neuronen heeft behouden. R15- en L7-neuronen reageerden adequaat op Ach. Dit gangliapreparaat kon tot 8-10 uur worden gehandhaafd en elektrofysiologische activiteit kon continu w…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Wij danken de Whitehall Foundation hartelijk voor hun financiële steun en startfondsen van The Scripps Research Institute voor het uitvoeren van dit werk.

Materials

Aplysia National Aplysia Resource Facility, University of Miami
NaCl SIGMA S 3014-1KG
KCl SIGMA P 9333-500G
CaCl2•2H2O SIGMA C5080- 500G
MgCl2•6H2O Fisher Scientific BP 214-501
NaHCO4 SIGMA S 6297-250G
HEPES SIGMA H 3375-500G
Protease GIBCO 17105-042
Trizol Ambion 15596-026
Chloroform MP Biomedicals 2194002
100% Ethanol ACROS 64-17-5
GlycoBlue Ambion AM9515
3 M NaOAc, pH 5.5 Ambion AM9740
Nuclease free water Ambion AM9737
MessageAmp II aRNA Amplification Kit Ambion AM1751
qScript cDNA SuperMix Quanta Biosciences 95048-100
Power SYBR Green PCR Master Mix Applied Biosystems 4367659
Forceps Fine Science Tools 11252-20
Scissors Fine Science Tools 15000-08
Stainless Steel Minutien Pins  Fine Science Tools 26002-10 or
26002-20
Veriti Thermal Cycler Applied Biosystems Veriti Thermal Cycler
5430R Centrifuge Eppendorf 5430R Centrifuge
7900HT Fast Real-Time PCR Applied Biosystems 7900HT Fast Real-Time PCR
Amplifier BRAMP-01R NPI Electronics
Digidata Converter Instrutech ITC-18 HEKA ELEKTRONIK
Micro Manipulator Patch Star Scientifica
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Cleary, L. J., Byrne, J. H., Frost, W. N. Role of interneurons in defensive withdrawal reflexes in Aplysia. Learn. Mem. 2, 133-151 (1995).
  2. Elliott, C. J., Susswein, A. J. Comparative neuroethology of feeding control in molluscs. The J. Exp. Biol. 205, 877-896 (2002).
  3. Nargeot, R., Simmers, J. Functional organization and adaptability of a decision-making network in Aplysia. Front. Neurosci. 6, 113 (2012).
  4. Baxter, D. A., Byrne, J. H. Feeding behavior of Aplysia: a model system for comparing cellular mechanisms of classical and operant conditioning. Learn. Mem. 13, 669-680 (2006).
  5. Castellucci, V., Pinsker, H., Kupfermann, I., Kandel, E. R. Neuronal mechanisms of habituation and dishabituation of the gill-withdrawal reflex in Aplysia. Science. 167, 1745-1748 (1970).
  6. Castellucci, V. F., Carew, T. J., Kandel, E. R. Cellular analysis of long-term habituation of the gill-withdrawal reflex of Aplysia californica. Science. 202, 1306-1308 (1978).
  7. Dembrow, N. C., et al. A newly identified buccal interneuron initiates and modulates feeding motor programs in Aplysia. J. Neurophysiol. 90, 2190-2204 (2003).
  8. Fredman, S. M., Jahan-Parwar, B. Command neurons for locomotion in Aplysia. J. Neurophysiol. 49, 1092-1117 (1983).
  9. Jing, J., Vilim, F. S., Cropper, E. C., Weiss, K. R. Neural analog of arousal: persistent conditional activation of a feeding modulator by serotonergic initiators of locomotion. J. Neurosci. 28, 12349-12361 (2008).
  10. McManus, J. M., Lu, H., Chiel, H. J. An in vitro preparation for eliciting and recording feeding motor programs with physiological movements in Aplysia californica. J. Vis. Exp. (4320), (2012).
  11. McPherson, D. R., Blankenship, J. E. Neuronal modulation of foot and body-wall contractions in Aplysia californica. J. Neurophysiol. 67, 23-28 (1992).
  12. Miller, N., Saada, R., Fishman, S., Hurwitz, I., Susswein, A. J. Neurons controlling Aplysia feeding inhibit themselves by continuous NO production. PloS one. 6, (2011).
  13. Perrins, R., Weiss, K. R. A cerebral central pattern generator in Aplysia and its connections with buccal feeding circuitry. J. Neurosci. 16, 7030-7045 (1996).
  14. Xin, Y., Weiss, K. R., Kupfermann, I. An identified interneuron contributes to aspects of six different behaviors in Aplysia. J. Neurosci. 16, 5266-5279 (1996).
  15. Carew, T. J., Castellucci, V. F., Byrne, J. H., Kandel, E. R. Quantitative analysis of relative contribution of central and peripheral neurons to gill-withdrawal reflex in Aplysia californica. J. Neurophysiol. 42, 497-509 (1979).
  16. Cohen, T. E., Kaplan, S. W., Kandel, E. R., Hawkins, R. D. A simplified preparation for relating cellular events to behavior: mechanisms contributing to habituation, dishabituation, and sensitization of the Aplysia gill-withdrawal reflex. J. Neurosci. 17, 2886-2899 (1997).
  17. Frost, L., et al. A simplified preparation for relating cellular events to behavior: contribution of LE and unidentified siphon sensory neurons to mediation and habituation of the Aplysia gill- and siphon-withdrawal reflex. J. Neurosci. 17, 2900-2913 (1997).
  18. Frost, W. N., Castellucci, V. F., Hawkins, R. D., Kandel, E. R. Monosynaptic connections made by the sensory neurons of the gill- and siphon-withdrawal reflex in Aplysia participate in the storage of long-term memory for sensitization. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 82, 8266-8269 (1985).
  19. Hawkins, R. D., Greene, W., Kandel, E. R. Classical conditioning, differential conditioning, and second-order conditioning of the Aplysia gill-withdrawal reflex in a simplified mantle organ preparation. Behav. Neurosci. 112, 636-645 (1998).
  20. Hawkins, R. D., Clark, G. A., Kandel, E. R. Operant conditioning of gill withdrawal in Aplysia. J. Neurosci. 26, 2443-2448 (2006).
  21. Cai, D., Chen, S., Glanzman, D. L. Postsynaptic regulation of long-term facilitation in Aplysia. Curr. Biol. 18, 920-925 (2008).
  22. Ho, V. M., Lee, J. A., Martin, K. C. The cell biology of synaptic plasticity. Science. 334, 623-628 (2011).
  23. Kandel, E. R. The molecular biology of memory storage: a dialogue between genes and synapses. Science. 294, 1030-1038 (2001).
  24. Wan, Q., Abrams, T. W. Trans-synaptic plasticity: presynaptic initiation, postsynaptic memory. Curr. Biol. 18, 220-223 (2008).
  25. Bao, J. X., Kandel, E. R., Hawkins, R. D. Involvement of presynaptic and postsynaptic mechanisms in a cellular analog of classical conditioning at Aplysia sensory-motor neuron synapses in isolated cell culture. J. Neurosci. 18, 458-466 (1998).
  26. Lorenzetti, F. D., Baxter, D. A., Byrne, J. H. Classical conditioning analog enhanced acetylcholine responses but reduced excitability of an identified neuron. J. Neurosci. 31, 14789-14793 (2011).
  27. Martin, K. C., et al. Synapse-Specific, Long-Term Facilitation of Aplysia Sensory to Motor Synapses: A Function for Local Protein Synthesis in Memory Storage. Cell. 91, 927-938 (1997).
  28. Montarolo, P. G., et al. A critical period for macromolecular synthesis in long-term heterosynaptic facilitation in Aplysia. Science. 234, 1249-1254 (1986).
  29. Mozzachiodi, R., Lorenzetti, F. D., Baxter, D. A., Byrne, J. H. Changes in neuronal excitability serve as a mechanism of long-term memory for operant conditioning. Nat. Neurosci. 11, 1146-1148 (2008).
  30. Alevizos, A., Weiss, K. R., Koester, J. Synaptic actions of identified peptidergic neuron R15 in Aplysia. I. Activation of respiratory pumping. J. Neurosci. 11, 1263-1274 (1991).
  31. Heid, C. A., Stevens, J., Livak, K. J., Williams, P. M. Real time quantitative PCR. Genome. Res. 6, 986-994 (1996).
  32. Moroz, L. L., et al. Neuronal transcriptome of Aplysia: neuronal compartments and circuitry. Cell. 127, 1453-1467 (2006).
  33. Moroz, L. L., Kohn, A. B. Do different neurons age differently? Direct genome-wide analysis of aging in single identified cholinergic neurons. Front. Aging Neurosci. 2, (2010).
  34. Kadakkuzha, B. M., Puthanveettil, S. V. Genomics and proteomics in solving brain complexity. Mol. BioSyst. , (2013).
  35. Clemens, S., Katz, P. S. Identified serotonergic neurons in the Tritonia swim CPG activate both ionotropic and metabotropic receptors. J. Neurophysiol. 85, 476-479 (2001).
  36. Murray, J. A., Hewes, R. S., Willows, A. O. Water-flow sensitive pedal neurons in Tritonia: role in rheotaxis. J. Comp. Physiol. 171, 373-385 (1992).
  37. Katz, P. S., Frost, W. N. Intrinsic neuromodulation in the Tritonia swim CPG: the serotonergic dorsal swim interneurons act presynaptically to enhance transmitter release from interneuron C2. J. Neurosci. 15, 6035-6045 (1995).
  38. Brown, G. D., Frost, W. N., Getting, P. A. Habituation and iterative enhancement of multiple components of the Tritonia swim response. Behav. Neurosci. 110, 478-485 (1996).
  39. Popescu, I. R., Frost, W. N. Highly dissimilar behaviors mediated by a multifunctional network in the marine mollusk Tritonia diomedea. J. Neurosci. 22, 1985-1993 (2002).
  40. Megalou, E. V., Brandon, C. J., Frost, W. N. Evidence that the swim afferent neurons of tritonia diomedea are glutamatergic. Biol. Bull. 216, 103-112 (2009).
  41. Hill, E. S., Vasireddi, S. K., Bruno, A. M., Wang, J., Frost, W. N. Variable neuronal participation in stereotypic motor programs. PloS one. 7, (2012).
  42. Yeoman, M. S., Patel, B. A., Arundell, M., Parker, K., O’Hare, D. Synapse-specific changes in serotonin signalling contribute to age-related changes in the feeding behaviour of the pond snail. Lymnaea. J. Neurochem. 106, 1699-1709 (2008).
  43. Moroz, L. L., Dahlgren, R. L., Boudko, D., Sweedler, J. V., Lovell, P. Direct single cell determination of nitric oxide synthase related metabolites in identified nitrergic neurons. J. Inorg. Biochem. 99, 929-939 (2005).
  44. Alania, M., Sakharov, D. A., Elliott, C. J. Multilevel inhibition of feeding by a peptidergic pleural interneuron in the mollusc Lymnaea stagnalis. J. Comp. Physiol. 190, 379-390 (2004).
  45. Straub, V. A., Benjamin, P. R. Extrinsic modulation and motor pattern generation in a feeding network: a cellular study. J. Neurosci. 21, 1767-1778 (2001).
  46. Vehovszky, A., Elliott, C. J. The octopamine-containing buccal neurons are a new group of feeding interneurons in the pond snail Lymnaea stagnalis. Acta Biol. Hungarica. 51, 165-176 (2000).
  47. Jansen, R. F., Pieneman, A. W., ter Maat, A. Spontaneous switching between ortho- and antidromic spiking as the normal mode of firing in the cerebral giant neurons of freely behaving Lymnaea stagnalis. J. Neurophysiol. 76, 4206-4209 (1996).
  48. McCrohan, C. R., Benjamin, P. R. Synaptic relationships of the cerebral giant cells with motoneurones in the feeding system of Lymnaea stagnalis. J. Exp. Biol. 85, 169-186 (1980).
  49. Malyshev, A. Y., Balaban, P. M. Buccal neurons activate ciliary beating in the foregut of the pteropod mollusk Clione limacina. J. Exp. Biol. 212, 2969-2976 (2009).
  50. Ierusalimsky, V. N., Balaban, P. M. Primary sensory neurons containing command neuron peptide constitute a morphologically distinct class of sensory neurons in the terrestrial snail. Cell Tissue Res. 330, 169-177 (2007).
  51. Malyshev, A. Y., Balaban, P. M. Identification of mechanoafferent neurons in terrestrial snail: response properties and synaptic connections. J. Neurophysiol. 87, 2364-2371 (2002).
  52. Balaban, P. M., et al. A single serotonergic modulatory cell can mediate reinforcement in the withdrawal network of the terrestrial snail. Neurobiol. Learn. Mem. 75, 30-50 (2001).
  53. Ierusalimsky, V. N., Zakharov, I. S., Palikhova, T. A., Balaban, P. M. Nervous system and neural maps in gastropod Helix lucorum. 24, 13-22 (1994).
  54. Kharchenko, O. A., Grinkevich, V. V., Vorobiova, O. V., Grinkevich, L. N. Learning-induced lateralized activation of the MAPK/ERK cascade in identified neurons of the food-aversion network in the mollusk Helix lucorum. Neurobiol. Learn. Mem. 94, 158-166 (2010).
  55. Ivanova, J. L., et al. Intracellular localization of the HCS2 gene products in identified snail neurons in vivo and in vitro. Cell. Mol. Neurobiol.. 26, 127-144 (2006).
  56. Kiss, T. Evidence for a persistent Na-conductance in identified command neurones of the snail, Helix pomatia. Brain Res. 989, 16-25 (2003).
  57. Balaban, P. M. Cellular mechanisms of behavioral plasticity in terrestrial snail. Neurosci. Biobehav. Rev. 26, 597-630 (2002).

Tags

Keywords: Aplysia GangliaElectrophysiologyMolecular AnalysisSingle NeuronNeural Circuitry행동분석학ProteaseGene ExpressionCREB1L7R15L11R2
check_url/kr/51075?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Akhmedov, K., Kadakkuzha, B. M., Puthanveettil, S. V. Aplysia Ganglia Preparation for Electrophysiological and Molecular Analyses of Single Neurons. J. Vis. Exp. (83), e51075, doi:10.3791/51075 (2014).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image