JoVE Journal > Neuroscience
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.
신경과학

Akut Beyin Dilimleri nöronal Mikro şemalar Elektrofizyolojik ve Morfolojik Karakterizasyonu Eşleştirilmiş Patch-Kelepçe Kayıtlar Kullanma

Published: January 10, 2015
doi:
10.3791/52358
, ,
1Institute of Neuroscience and Medicine (INM-2),Research Centre Jülich, 2Department of Psychiatry, Psychotherapy and Psychosomatics, Medical Faculty, JARA,RWTH Aachen University

Summary

Patch-clamp recordings and simultaneous intracellular biocytin filling of synaptically coupled neurons in acute brain slices allow a correlated analysis of their structural and functional properties. The aim of this protocol is to describe the essential technical steps of electrophysiological recording from neuronal microcircuits and their subsequent morphological analysis.

Abstract

eşzamanlı hücre içi biocytin dolgulu akut beyin dilim hazırlıkları iki (veya daha fazla) sinaptik birleştiğinde nöronlar (eşleştirilmiş kayıtları) yama kelepçe kayıtları kombinasyonu yapısal ve fonksiyonel özellikleri bir korelasyon analizini sağlar. Bu yöntem ile, bunların morfolojisi ve elektrofizyolojik yanıt şekli ile öncesi ve postsinaptik nöronların belirlenmesi ve karakterize edilmesi mümkün olur. Eşli kayıtlar bu nöronlar arasındaki bağlantı modellerini yanı sıra hem kimyasal ve elektriksel sinaptik iletim özelliklerini inceleyerek izin verir. Burada, biz nöron morfolojisi optimal iyileşme ile birlikte güvenilir eşleştirilmiş kayıtları elde etmek için gerekli prosedürlerin bir adım-adım tanımını verir. Biz kimyasal sinaps veya boşluk bağlantıları aracılığıyla bağlanan nöronların çiftleri beyin dilim hazırlıkları tespit nasıl anlatacağız. Biz nöronlar Dendrit kendi 3D morfolojisi elde etmek için yeniden nasıl açıklayacağımic ve aksonal etki ve nasıl sinaptik kişileri tespit ve lokalize. Biz de özellikle beyin dilimleri hazırlanması sırasında dendritik ve aksonal kesikler ile ilgili olanlar, bu güçlü bağlantı tahminleri etkileyebilir çünkü, eşleştirilmiş kayıt tekniği uyarılar ve sınırlamalar görüşecek. Ancak, eşleştirilmiş kayıt yaklaşımının çok yönlülük beyindeki nöronal belirlenen microcircuits sinaptik iletim farklı yönlerini karakterize değerli bir araç olmaya devam edecektir.

Introduction

İki sinaptik birleştiğinde nöronlar arasındaki Nöronal yongalar beyinde büyük ölçekli ağların yapı taşlarıdır ve sinaptik bilgi işleme temel birimleridir. Bu tür nöronal microcircuits karakterizasyonu için bir önkoşul morfolojisi öncesi ve postsinaptik nöronların ortağı hem de fonksiyonel özelliklerini, sinaptik bağlantı (lar) ve yapısı ve fonksiyonel bir mekanizma türü bilmektir. Bununla birlikte, sinaptik bağlantıların pek çok araştırmada, bir mikrodevre nöronların en az bir iyi anlaşılamamıştır. Bu genellikle sinaptik bağlantı çalışmalarda kullanılan nispeten belirsiz stimülasyon protokolleri kaynaklanır. Bu nedenle, presinaptik nöronların yapısal ve fonksiyonel özellikleri ya hiç ya da sadece oldukça küçük bir ölçüde tespit edilmemiş (yani, işaretleyici proteinlerin sentezlenmesi, vb). Belirteçler s tarafından hücre içi boyama ile birlikte eşleştirilmiş kayıtlarıbiocytin, neurobiotin ya da floresan boyalar gibi bakanın küçük nöronal mikro devreler çalışmak için daha uygundur. Bu teknik, tek, aynı zamanda, bir morfolojik olarak belirlendi sinaptik bağlantı pek çok yapısal ve işlevsel parametreleri incelemek sağlar.

İki nöron arasındaki sözde 'üniter' monosinaptik bağlantıları akut dilim hazırlıklarını kullanarak hem kortikal ve subkortikal beyin bölgelerinde 1-10 araştırılmıştır. Başlangıçta, sert Mikroelektronlar, bu deneylerde kullanıldı; Daha sonra, yama kelepçe kayıt daha düşük bir gürültü seviyesi ve geliştirilmiş zamansal çözünürlüğe sahip sinaptik sinyallerin kayıtları elde etmek için kullanılmıştır.

Bir önemli teknik ilerleme kızılötesi diferansiyel girişim kontrast (IR-DIC) optik 11-14, önemli ölçüde mümkün t oldu böylece beyin dilim nöronlar görünürlüğünü ve kimlik geliştirilmiş bir mikroskobik tekniği kullanılması olduo görsel tespit sinaptik bağlantıları 15-17 kayıtları edinin. Genel olarak, eşleştirilmiş kayıtlar akut dilim hazırlıkları yapılır; Sadece çok az yayın vivo 18-20 sinaptik bağlı nöronların temin raporlama kayıtları vardır.

eşleştirilmiş kayıtların en önemli avantajı fonksiyonel karakterizasyonu ışık ve elektron mikroskobik düzeyde hem de bir morfolojik analizi ile kombine edilebilir olmasıdır (örneğin bkz., 7,16,21). Histokimyasal işleme sonra, sinaptik bağlı nöron çiftinin dendritik ve aksonal morfoloji izlenir. Daha sonra, bu parametreler daha sonra, belirli bir sinirsel bağlantının objektif sınıflandırılması için bir temel teşkil edebilir vs. uzunluk, uzamsal yoğunluğu, yönlendirme, dallanma modellerinin gibi morfolojik özelliklerini ölçmek mümkündür. Ayrıca, nöronal bağlant çalışmak için kullanılan en başka tekniklerle aksinevite, eşleştirilmiş kayıtları da üniter sinaptik bağlantıları için sinaptik temasların tanımlanmasına izin. Bu ışık ve elektron mikroskobu 16,21-27 bir arada kullanarak veya dendritik dikenler kalsiyum görüntüleme 28,29 ile doğrudan yapılabilir. Ancak, ikinci yaklaşım ile sadece uyarıcı değil inhibitör bağlantıları ele alınabilir o postsinaptik reseptör kanalları üzerinden kalsiyum girişini gerektirir.

Tanımlanmış bir nöronal mikrodevreli eşleştirilmiş kayıtları sinaptik iletim ayrıntılı bir analiz ek olarak sinaptik plastisite kuralları 30,31 çalışma izin veya örneğin – asetilkolin 32 ve adenozin gibi nörotransmitterlerin sinaptik iletim modülasyonu – agonist / antagonist uygulaması ile birlikte 33.

Protocol

Tüm deneysel prosedürler Hayvanları Koruma, Alman Hayvan Refahı Yasası AB Direktifi (Tierschutzgesetz) ve Avrupa Laboratuar Hayvan Bilimi Derneği Federasyonu Kurallarına uygun olarak yapılmıştır. Elektrofizyoloji 1. Set-up Eşleştirilmiş kayıt başlamadan önce, bir elektrofizyoloji set-up inşa edilmelidir. Böyle bir set-up aşağıda verilmiştir monte nasıl kısa bir anahat: Mikroskop, manipülatörler ve diğer tüm ekipmanlar alın…

Representative Results

Eşli kayıtlar morfolojik tespit tek veya çift yönlü sinaptik bağlantıları derinlemesine karakterizasyonu için tercih edilen yöntem olarak gap junction (elektrik) bağlantıları (Şekil 1). Somatosensori namlu korteks tabakası 4 bir eşleştirilmiş kaydın bir örneği, Şekil 1A'da gösterilmiştir. Tek yönlü uyarıcı ve önleyici sinaptik bağlantıların (Şekil 1B, C) ​​karakterize edilebilir. Ayrıca eşleştirilmiş kayıtlar bir çift iki n…

Discussion

Sinaptik birleştiğinde eksitatör ve / veya inhibitör nöronlar Eşli kayıtlar nöronal microcircuits çalışma için çok yönlü bir yaklaşım vardır. Sadece bu yaklaşım bir nöron tipleri arasındaki sinaptik bağlantı tahmin izin değil, aynı zamanda bağlantı öncesi ve postsinaptik nöronların morfolojisi fonksiyonel özelliklerinin belirlenmesi veriyor etmez. Ayrıca, agonist ve / veya antagonist kolayca slice preparatlarda nöronlara uygulanabilir. Bu bir örnek için, sinaptik iletim 32 …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

We would like to thank all members of ‘Function of Neuronal Microcircuits’ Group at Institute of Neuroscience and Medicine, INM-2, Research Centre Jülich and the ‘Function of Cortical Microcircuits’ Group in the Dept. of Psychiatry, Psychotherapy and Psychosomatics, Medical School, JARA, RWTH Aachen University for fruitful discussions. This work was supported by the DFG research group on Barrel Cortex Function (BaCoFun).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Amplifier HEKA EPC 10 USB Triple with 2-3 preamplifiers
Microscope Olympus BX51WI with 2 camera ports and a 4× objective, a 40× water-immersion objective
Camera TILL Photonics VX55 infrared CCD camera
Workstation Luigs & Neumann Infrapatch 240 with a motorized x-y stage and a motorized focus axis for the microscope
Micromanipulator Luigs & Neumann SM-5 x-y-z manipulators for 2-3 preamplifiers
Faraday cage Luigs & Neumann
Anti-vibration table Newport Spectra-Physics
Patchmaster HEKA
Microtome Microm International HM650V
Micropipette puller HEKA Sutter P-97
Neurolucida system Microbrightfield with Neurolucida and Neuroexplorer softwares
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Hughes, G. M., Tauc, L. A direct synaptic connexion between the left and right giant cells in Aplysia. J Physiol. 197 (3), 511-527 (1968).
  2. Korn, H., Triller, A., Mallet, A., Faber, D. S. Fluctuating responses at a central synapse: n of binomial fit predicts number of stained presynaptic boutons. Science. 213 (4510), 898-901 (1981).
  3. Miles, R. Synaptic excitation of inhibitory cells by single CA3 hippocampal pyramidal cells of the guinea-pig in vitro. J Physiol. 428 (1), 61-77 (1990).
  4. Malinow, R. Transmission between pairs of hippocampal slice neurons: quantal levels, oscillations and LTP. Science. 252 (5006), 722-724 (1991).
  5. Mason, A., Nicoll, A., Stratford, K. Synaptic transmission between individual pyramidal neurons of the rat visual cortex in vitro. J Neurosci. 11 (1), 72-84 (1991).
  6. Thomson, A. M., West, D. C. Fluctuations in pyramid-pyramid excitatory postsynaptic potentials modified by presynaptic firing pattern and postsynaptic membrane potential using paired intracellular recordings in rat neocortex. 신경과학. 54 (2), 329-346 (1993).
  7. Buhl, E. H., Halasy, K., Somogyi, P. Diverse sources of hippocampal unitary inhibitory postsynaptic potentials and the number of synaptic release sites. Nature. 368 (6474), 823-828 (1994).
  8. Bolshakov, V. Y., Siegelbaum, S. A. Regulation of hippocampal transmitter release during development and long-term potentiation. Science. 269 (5231), 1730-1734 (1995).
  9. Debanne, D., Guerineau, N. C., Gahwiler, B. H., Thompson, S. M. Physiology and pharmacology of unitary synaptic connections between pairs of cells in areas CA3 and CA1 of rat hippocampal slice cultures. J Neurophysiol. 73 (3), 1282-1294 (1995).
  10. Miles, R., Toth, K., Gulyas, A. I., Hajos, N., Freund, T. F. Differences between somatic and dendritic inhibition in the hippocampus. Neuron. 16 (4), 815-823 (1996).
  11. MacVicar, B. A. Infrared video microscopy to visualize neurons in the in vitro brain slice preparation. J Neurosci Methods. 12 (2), 133-139 (1984).
  12. Dodt, H. U., Zieglgansberger, W. Visualizing unstained neurons in living brain slices by infrared DIC-videomicroscopy. Brain Res. 537 (1-2), 333-336 (1990).
  13. Stuart, G. J., Dodt, H. U., Sakmann, B. Patch-clamp recordings from the soma and dendrites of neurons in brain slices using infrared video microscopy. Pflugers Arch. 423 (5-6), 511-518 (1993).
  14. Debanne, D., et al. Paired-recordings from synaptically coupled cortical and hippocampal neurons in acute and cultured brain slices. Nat Protoc. 3 (10), 1559-1568 (2008).
  15. Gulyas, A. I., et al. Hippocampal pyramidal cells excite inhibitory neurons through a single release site. Nature. 366 (6456), 683-687 (1993).
  16. Silver, R. A., Lubke, J., Sakmann, B., Feldmeyer, D. High-probability uniquantal transmission at excitatory synapses in barrel cortex. Science. 302 (5652), 1981-1984 (2003).
  17. Biro, A. A., Holderith, N. B., Nusser, Z. Quantal size is independent of the release probability at hippocampal excitatory synapses. J Neurosci. 25 (1), 223-232 (2005).
  18. Crochet, S., Chauvette, S., Boucetta, S., Timofeev, I. Modulation of synaptic transmission in neocortex by network activities. Eur J Neurosci. 21 (4), 1030-1044 (2005).
  19. Bruno, R. M., Sakmann, B. Cortex is driven by weak but synchronously active thalamocortical synapses. Science. 312 (5780), 1622-1627 (2006).
  20. Constantinople, C. M., Bruno, R. M. Deep cortical layers are activated directly by thalamus. Science. 340 (6140), 1591-1594 (2013).
  21. Markram, H., Lubke, J., Frotscher, M., Roth, A., Sakmann, B. Physiology and anatomy of synaptic connections between thick tufted pyramidal neurones in the developing rat neocortex. J Physiol. 500 (Pt 2), 409-440 (1997).
  22. Gray, E. G. Axo-somatic and axo-dendritic synapses of the cerebral cortex: an electron microscope study). J Anat. 93 (Pt 4), 420-433 (1959).
  23. Uchizono, K. Characteristics of excitatory and inhibitory synapses in the central nervous system of the cat). Nature. 207 (997), 642-643 (1965).
  24. Tamas, G., Buhl, E. H., Lorincz, A., Somogyi, P. Proximally targeted GABAergic synapses and gap junctions synchronize cortical interneurons. Nat Neurosci. 3 (4), 366-371 (2000).
  25. Feldmeyer, D., Lubke, J., Silver, R. A., Sakmann, B. Synaptic connections between layer 4 spiny neurone-layer 2/3 pyramidal cell pairs in juvenile rat barrel cortex: physiology and anatomy of interlaminar signalling within a cortical column. J Physiol. 538 (Pt 3), 803-822 (2002).
  26. Feldmeyer, D., Lubke, J., Sakmann, B. Efficacy and connectivity of intracolumnar pairs of layer 2/3 pyramidal cells in the barrel cortex of juvenile rats). J Physiol. 575 (Pt 2), 583-602 (2006).
  27. Helmstaedter, M., Staiger, J. F., Sakmann, B., Feldmeyer, D. Efficient recruitment of layer 2/3 interneurons by layer 4 input in single columns of rat somatosensory cortex). J Neurosci. 28 (33), 8273-8284 (2008).
  28. Oertner, T. G., Sabatini, B. L., Nimchinsky, E. A., Svoboda, K. Facilitation at single synapses probed with optical quantal analysis. Nat Neurosci. 5 (7), 657-664 (2002).
  29. Koester, H. J., Johnston, D. Target cell-dependent normalization of transmitter release at neocortical synapses. Science. 308 (5723), 863-866 (2005).
  30. Markram, H., Lubke, J., Frotscher, M., Sakmann, B. Regulation of synaptic efficacy by coincidence of postsynaptic APs and EPSPs. Science. 275 (5297), 213-215 (1997).
  31. Egger, V., Feldmeyer, D., Sakmann, B. Coincidence detection and changes of synaptic efficacy in spiny stellate neurons in rat barrel cortex. Nat Neurosci. 2 (12), 1098-1105 (1999).
  32. Eggermann, E., Feldmeyer, D. Cholinergic filtering in the recurrent excitatory microcircuit of cortical layer 4. Proc Natl Acad Sci U S A. 106 (28), 11753-11758 (2009).
  33. Feldmeyer, D., van Aerde, K. I., Qi, G. . Society for Neuroscience. , 335.313 (2012).
  34. Radnikow, G., Gunter, R. H., Marx, M., Feldmeyer, D., Fellin, T., Halassa, M. . Neuronal Network Analysis : Concepts and Experimental Approaches. 67, 405-431 (2012).
  35. Feldmeyer, D., Egger, V., Lubke, J., Sakmann, B. Reliable synaptic connections between pairs of excitatory layer 4 neurones within a single ‘barrel’ of developing rat somatosensory cortex. J Physiol. 521 (Pt 1), 169-190 (1999).
  36. Koelbl, C., Helmstaedter, M., Lubke, J., Feldmeyer, D. A Barrel-Related Interneuron in Layer 4 of Rat Somatosensory Cortex with a High Intrabarrel Connectivity). Cereb Cortex. , (2013).
  37. Marx, M., Gunter, R. H., Hucko, W., Radnikow, G., Feldmeyer, D. Improved biocytin labeling and neuronal 3D reconstruction. Nat Protoc. 7 (2), 394-407 (2012).
  38. Biro, A. A., Holderith, N. B., Nusser, Z. Release probability-dependent scaling of the postsynaptic responses at single hippocampal GABAergic synapses. J Neurosci. 26 (48), 12487-12496 (2006).
  39. Huang, C. H., Bao, J., Sakaba, T. Multivesicular release differentiates the reliability of synaptic transmission between the visual cortex and the somatosensory cortex. J Neurosci. 30 (36), 11994-12004 (2010).
  40. Helmstaedter, M., et al. Connectomic reconstruction of the inner plexiform layer in the mouse retina. Nature. 500 (7461), 168-174 (2013).
  41. Oberlaender, M., et al. Cell type-specific three-dimensional structure of thalamocortical circuits in a column of rat vibrissal cortex. Cereb Cortex. 22 (10), 2375-2391 (2012).
  42. Dantzker, J. L., Callaway, E. M. Laminar sources of synaptic input to cortical inhibitory interneurons and pyramidal neurons. Nat Neurosci. 3 (7), 701-707 (2000).
  43. Schubert, D., et al. Layer-specific intracolumnar and transcolumnar functional connectivity of layer V pyramidal cells in rat barrel cortex. J Neurosci. 21 (10), 3580-3592 (2001).
  44. Schubert, D., Kotter, R., Zilles, K., Luhmann, H. J., Staiger, J. F. Cell type-specific circuits of cortical layer IV spiny neurons. J Neurosci. 23 (7), 2961-2970 (2003).
  45. Schubert, D., Kotter, R., Luhmann, H. J., Staiger, J. F. Morphology, electrophysiology and functional input connectivity of pyramidal neurons characterizes a genuine layer va in the primary somatosensory cortex. Cereb Cortex. 16 (2), 223-236 (2006).
  46. Yoshimura, Y., Dantzker, J. L., Callaway, E. M. Excitatory cortical neurons form fine-scale functional networks. Nature. 433 (7028), 868-873 (2005).
  47. Yoshimura, Y., Callaway, E. M. Fine-scale specificity of cortical networks depends on inhibitory cell type and connectivity. Nat Neurosci. 8 (11), 1552-1559 (2005).
  48. Shepherd, G. M., Svoboda, K. Laminar and columnar organization of ascending excitatory projections to layer 2/3 pyramidal neurons in rat barrel cortex. J Neurosci. 25 (24), 5670-5679 (2005).
  49. Bureau, I., von Saint Paul, F., Svoboda, K. Interdigitated paralemniscal and lemniscal pathways in the mouse barrel cortex. PLoS Biol. 4 (12), e382 (2006).
  50. Petreanu, L., Huber, D., Sobczyk, A., Svoboda, K. Channelrhodopsin-2-assisted circuit mapping of long-range callosal projections. Nat Neurosci. 10 (5), 663-668 (2007).
  51. Petreanu, L., Mao, T., Sternson, S. M., Svoboda, K. The subcellular organization of neocortical excitatory connections. Nature. 457 (7233), 1142-1145 (2009).
  52. Adesnik, H., Scanziani, M. Lateral competition for cortical space by layer-specific horizontal circuits. Nature. 464 (7292), 1155-1160 (2010).
  53. Molnar, Z., Cheung, A. F. Towards the classification of subpopulations of layer V pyramidal projection neurons. Neurosci Res. 55 (2), 105-115 (2006).
  54. Doyle, J. P., et al. Application of a translational profiling approach for the comparative analysis of CNS cell types. Cell. 135 (4), 749-762 (2008).
  55. Brown, S. P., Hestrin, S. Intracortical circuits of pyramidal neurons reflect their long-range axonal targets. Nature. 457 (7233), 1133-1136 (2009).
  56. Groh, A., et al. Cell-type specific properties of pyramidal neurons in neocortex underlying a layout that is modifiable depending on the cortical area. Cereb Cortex. 20 (4), 826-836 (2010).
  57. Brown, S. P., Hestrin, S. Cell-type identity: a key to unlocking the function of neocortical circuits. Curr Opin Neurobiol. 19 (4), 415-421 (2009).

Tags

Keywords: Paired Patch-clamp RecordingAcute Brain SliceNeuronal MicrocircuitsSynaptic TransmissionElectrophysiologyMorphologyConnectivityChemical SynapsesGap JunctionsNeuron ReconstructionDendritic TruncationAxonal Truncation
check_url/kr/52358?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Qi, G., Radnikow, G., Feldmeyer, D. Electrophysiological and Morphological Characterization of Neuronal Microcircuits in Acute Brain Slices Using Paired Patch-Clamp Recordings. J. Vis. Exp. (95), e52358, doi:10.3791/52358 (2015).
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