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생체공학

Aplysia Preparação de Ganglia para Análises Eletrofisiológicas e Moleculares de Neurônios Únicos

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

Summary

A caracol marinha Aplysia californica tem sido amplamente utilizada como modelo de neurobiologia para os estudos sobre base celular e molecular do comportamento. Aqui é descrita uma metodologia para explorar o sistema nervoso da Aplysia para as análises eletrofisiológicas e moleculares de neurônios únicos de circuitos neurais identificados.

Abstract

Um grande desafio na neurobiologia é entender os fundamentos moleculares dos circuitos neurais que governam um comportamento específico. Uma vez identificados os mecanismos moleculares específicos, novas estratégias terapêuticas podem ser desenvolvidas para tratar anormalidades em comportamentos específicos causados por doenças degenerativas ou envelhecimento do sistema nervoso. O caracol marinho Aplysia californica é adequado para as investigações de base celular e molecular do comportamento porque circuitos neurais subjacentes a um comportamento específico poderiam ser facilmente determinados e os componentes individuais do circuito poderiam ser facilmente manipulados. Essas vantagens da Aplísia levaram a várias descobertas fundamentais da neurobiologia da aprendizagem e da memória. Aqui descrevemos uma preparação do sistema nervoso da Aplysia para as análises eletrofisiológicas e moleculares dos neurônios individuais. Resumidamente, o gânglio dissecado do sistema nervoso é exposto à protease para remover a baia de gânglio, de modo que os neurônios sejam expostos, mas retenham a atividade neuronal como no animal intacto. Esta preparação é usada para realizar medições eletrofisiológicas de neurônios únicos ou múltiplos. É importante ressaltar que, após o registro utilizando uma metodologia simples, os neurônios poderiam ser isolados diretamente dos gânglios para análise de expressão genética. Esses protocolos foram utilizados para realizar gravações eletrofisiológicas simultâneas de neurônios L7 e R15, estudar sua resposta à acetilcolina e à expressão quantitante do gene CREB1 em neurônios isolados L7, L11, R15 e R2 da Aplysia.

Introduction

O cérebro humano é extraordinariamente complexo com quase 100 bilhões de neurônios e trilhões de conexões sinápticas. Há quase um número igual de células nonneuronas que interagem com neurônios e regulam sua função no cérebro. Os neurônios são organizados em circuitos que regulam comportamentos específicos. Apesar dos avanços em nossa compreensão das funções cerebrais e circuitos neurais, pouco se sabe sobre a identidade dos componentes dos circuitos que controlam um comportamento específico. O conhecimento das identidades de vários componentes de um circuito facilitará muito nossa compreensão da base celular e molecular do comportamento e ajudará no desenvolvimento de novas estratégias terapêuticas para distúrbios neuropsiquiátricos.

O caracol marinho Aplysia californica tem sido um cavalo de trabalho para determinar circuitos neuronais subjacentes a comportamentos específicos1-14. O sistema nervoso da Aplysia contém aproximadamente 20.000 neurônios que são organizados em 9 gânglios diferentes. Os neurônios da Aplísia são grandes e podem ser facilmente identificados com base em seu tamanho, propriedades elétricas e posição no gânglio. A Aplysia tem um rico repertório de comportamentos que podem ser estudados. Um dos comportamentos bem estudados é o reflexo de retirada de brânquias (GWR). Os componentes centrais deste reflexo estão situados em gânglios abdominais. Componentes do circuito GWR foram mapeados e contribuições de vários componentes determinados. É importante ressaltar que o circuito GWR sofre aprendizado associativo e não associativo5,6,15-19. Décadas de estudo sobre esse reflexo também identificaram diversas vias de sinalização que têm um papel fundamental na aprendizagem e na memória20-24.

Várias preparações diferentes da Aplysia foram usadas para estudar base celular e molecular do armazenamento de memória. Estes incluem o animal intacto2,3, preparação semi-intacta1,7,13,14,16 e reconstituição dos principais componentes do circuito neural25-29. Uma preparação reduzida para explorar a Aplysia gânglios para as análises eletrofisiológicas e moleculares de circuitos neuronais identificados é descrita aqui. Foram estudados os quatro neurônios identificados a seguir. R15, um neurônio estourando, L7 e L11, dois neurônios motores diferentes e R2, um neurônio colinérgico foram estudados. R2 é o maior neurônio descrito no sistema nervoso invertebrado. Resumidamente, essa metodologia envolve o tratamento protease de gânglios, medidas eletrofisiológicas antes e depois de tratamentos farmacológicos e isolamento de neurônios únicos para análise quantitativa da expressão genética. Essa metodologia nos permite combinar análises moleculares com gravação simultânea de múltiplos neurônios. Esta metodologia foi utilizada com sucesso para estudar respostas de neurônios R15 e L7 à acetilcolina (Ach) por gravações intracelulares emparelhadas. Após medições eletrofisiológicas R15 e L7 e outros neurônios identificados como L11 e R2 foram isolados para análise quantitativa da reação em cadeia de polimerase (qPCR) da expressão do CREB1, fator de transcrição importante para o armazenamento da memória.

Protocol

1. Preparação de Gânglios Abdominais, Medidas Eletrofisiológicas e Isolamento de Neurônios Identificados Únicos do Gânglio Abdominal da Aplysia californica Mantenha a Aplysia no aquário de laboratório com água do mar artificial circulante (ASW) a 16 °C sob 12:12 claras:condições escuras. Isolamento do gânglio abdominal. Anestesiar animais injetando 380 mM MgCl2 solução por 5-10 min (equivalente a 30-35% do peso corporal do animal). Identi…

Representative Results

Os pesos dos animais utilizados neste estudo variaram de 100 a 200 g. Seguindo os protocolos descritos, realizamos medições eletrofisiológicas e análise molecular de neurônios de gânglios abdominais isolados de animais que variam de 2-5 g a 200-300 g. A padronização do tratamento protease é importante para medições eletrofisiológicas bem sucedidas de neurônios nos gânglios. Inicialmente, foram utilizadas concentrações e durações de protease múltipla (Dispase) e potenciais de…

Discussion

O neurônio R15 está envolvido na regulação dos sistemas cardiovascular, digestivo, respiratório e reprodutivo30. Uma atividade de estouro regularmente rítmico do AP é uma característica do R15. Como mostrado na seção de resultados, a gravação emparelhada de R15 e L7 mostra que a preparação de gânglios preservou a atividade dos neurônios R15. Os neurônios R15 e L7 responderam apropriadamente ao Ach. Esta preparação de gânglios poderia ser mantida até 8-10 horas e a atividade eletrofisiológ…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Agradecemos sinceramente à Fundação Whitehall por seu apoio ao financiamento e fundos de startup do Scripps Research Institute para a realização deste trabalho.

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
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Keywords: Aplysia GangliaElectrophysiologyMolecular AnalysisSingle NeuronNeural Circuitry행동분석학ProteaseGene ExpressionCREB1L7R15L11R2
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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).
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