Analisando dendríticas Morfologia em Colunas e Camadas
Summary
Aqui, mostramos como analisar roteamento dendrítica de neurônios da medula Drosophila em colunas e camadas. O fluxo de trabalho inclui uma técnica de imagem dual-vista a melhorar a qualidade de imagem e ferramentas computacionais para a detecção, registrar mandris dendríticas para a matriz coluna de referência e para analisar as estruturas dendríticas no espaço 3D.
Abstract
Em muitas regiões do sistema nervoso central, tais como os lóbulos óptica da mosca e do córtex vertebrado, circuitos sinápticos são organizados em camadas e colunas para facilitar a conexão cerebral durante o desenvolvimento e processamento da informação nos animais desenvolvidos. neurônios pós-sinápticos dendritos elaborados nos padrões específicos do tipo em camadas específicas para sinapse com terminais pré-sinápticos apropriados. O neurópilo mosca medula é composta de 10 camadas e cerca de 750 colunas; cada coluna é enervado pelo dendritos de mais de 38 tipos de neurônios da medula, que combinam com os terminais axonal de cerca de 7 tipos de aferentes de uma forma específica do tipo. Este relatório detalha os procedimentos para a imagem e analisar dendrites dos neurónios da medula. O fluxo de trabalho inclui três seções: (i) a secção de imagem dual-view combina duas pilhas de imagens confocal coletadas em orientações ortogonais em um de alta resolução de imagem 3D de dendrites; (Ii) a dendrite rastreamento e secção de registo traça dendríticamandris em 3D e registra traços dendríticas para a matriz coluna de referência; (Iii) a secção de análise dendrítica analisa padrões dendríticas em relação às colunas e camadas, incluindo terminação e de projecção planar direcção específica da camada de mandris dendríticas, e obtém estimativas de ramificação e de terminação frequências dendríticas. Os protocolos utilizam plugins personalizados construídos na MIPAV open-source (Medical Imaging processamento, análise e visualização) da plataforma e personalizadas caixas de ferramentas na linguagem laboratório matriz. Juntos, estes protocolos de fornecer um fluxo de trabalho completo para analisar o encaminhamento dendríticas de medula neurónios de Drosophila em camadas e colunas, para identificar os tipos de células, e para determinar defeitos de mutantes.
Introduction
Durante o desenvolvimento, os neurônios dendritos elaborados em complexos mas estereotipados padrões ramificados para formar sinapses com os seus parceiros pré-sinápticos. padrões de ramificação dendríticas correlacionar com a identidade e as funções neuronais. Os locais de mandris dendríticas determinar o tipo de entradas pré-sinápticos que recebem, enquanto o dendríticas ramificação tamanhos de complexidade e de campo governar o número de entrada. Assim, as propriedades morfológicas dendríticas constituem factores determinantes para a conectividade sináptica e computação neuronal. Em muitas regiões do cérebro complexas, tais como os lóbulos óptica da mosca e a retina dos vertebrados, circuitos sinápticos são organizadas em colunas e camadas para facilitar o processamento de informação 1, 2. Em tal organização coluna e camada, os neurónios pré-sinápticos de distintos axónios projecto modalidade para terminar numa camada específica (os chamados direccionamento específico de camada) e para formar uma matriz bi-dimensional ordenada (de modo-Called mapa topográfico), enquanto os neurônios pós-sinápticos estender dendritos de tamanhos adequados em camadas específicas para receber entradas pré-sinápticas dos tipos e números corretos. Enquanto axonal direcionamento para as camadas e colunas tem sido bem estudada 3, 4, muito menos se sabe sobre como dendritos são encaminhadas para camadas específicas e expandir adequadamente dimensionada campos receptivos para formar conexões sinápticas com os parceiros pré-sinápticos corretos 5. A dificuldade de imagem e quantificar dendrítica direcionamento para as camadas e colunas tem dificultado o estudo do desenvolvimento dendrítica em estruturas cerebrais colunar e laminados.
Drosophila neurônios da medula é um modelo ideal para o estudo de roteamento dendrítica e montagem de circuito em colunas e camadas. O neurópilo mosca medula é organizado como uma estrutura 3D de 10 camadas e aproximadamente 750 colunas. Cada coluna é inervado por um conjunto de fibras aferentes, incluindo photoreceptors R7 / R8 e neurônios da lâmina L1 – L5, cujos terminais axonal formar mapas topográficos de uma forma específica de camada 6. Cerca de 38 tipos de neurônios da medula estão presentes em cada coluna de medula e dendrites elaboradas em camadas específicas e com tamanhos de campo adequados para receber as entradas a partir destes aferentes 7. Os circuitos sinápticos na medula foram reconstruídos no nível do microscópio electrónico; Assim, as parcerias sinápticas estão bem estabelecidos 7, 8. Além disso, as ferramentas genéticas para a marcação de vários tipos de neurónios de medula são disponíveis 9, 10, 11. Ao examinar três tipos de transmedulla (TM) neurônios (Tm2, Tm9 e TM20), já anteriormente identificados dois atributos específicos de células do tipo-dendríticas: (i) neurônios Tm projetam dendrites quer na direcção anterior ou posterior (proj planardirecção exão), dependendo dos tipos de células e (ii) dendrites dos neurónios de medula terminam em camadas específicas da medula de uma forma específica de célula do tipo-(terminação específica de camada) 12. Planar direção de projeção e terminação específica camadas são suficientes para diferenciar estes três tipos de neurônios Tm, enquanto que mutações que perturbam respostas TM para camada e coluna pistas prejudica aspectos distintos desses atributos.
Aqui, apresentamos um fluxo de trabalho completo para examinar o padrão dendrítica de neurônios da medula Drosophila em colunas e camadas (Figura 1). Em primeiro lugar, vamos mostrar um método de imagem dual-view, que usa software personalizado para combinar dois imagem confocal pilhas para gerar imagens isotrópicas de alta qualidade. Este método necessita apenas de microscopia confocal convencional para gerar imagens de alta qualidade que permitem o rastreio de confiança de ramos dendríticos, sem recorrer à microscopia de super-resolução, tals STED (Emissão Estimulada de Esgotamento) ou iluminação estrutural. Em segundo lugar, apresentamos um método para rastrear mandris dendríticas e para registrar os traços neurite resultantes para uma matriz coluna de referência. Em terceiro lugar, podemos mostrar os métodos computacionais para a extracção de informação sobre a direcção de projecção planar e terminação específica de camada de dendritos, bem como para derivar estimativas para a ramificação e de terminação frequências dendríticas. Juntos, estes métodos permitem a caracterização dos padrões dendríticas em 3D, a classificação de tipos de células com base em morfologias dendríticas, e a identificação de possíveis defeitos em mutantes.
Protocol
Representative Results
Discussion
Aqui, vamos mostrar como imagem e analisar mandris dendríticas dos neurônios da medula Drosophila. A primeira seção, dual-view de imagem, descreve a deconvolução e combinação de duas pilhas de imagens em uma pilha de imagens de alta resolução. A segunda seção, o rastreamento dendrite e registro, descreve a detecção e registo das dendrites dos neurónios da medula para a matriz coluna de referência. A terceira seção, a análise dendrítica, descreve o uso de scripts personalizados para analisar …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pelo Programa de Pesquisa Intramural dos Institutos Nacionais de Saúde, o Instituto Eunice Kennedy Shriver Nacional de Saúde Infantil e Desenvolvimento Humano (HD008913 subvenção para C.-HL) e do Centro de Tecnologia da Informação (PGM, NP, ESM e MM).
Materials
| Software | |||
| Huygens Professional | Scientific Volume Imaging | version 16.05 | for image deconvolution (https://svi.nl). commercial software |
| MIPAV | version 7.3.0 | for image recombination and registration (http://mipav.cit.nih.gov/.). freeware | |
| MIPAV plugin: PlugInDrosophilaRetinalRegistration.class | freeware | ||
| MIPAV plugin: PlugInDrosophilaStandardColumnRegistration.class | freeware | ||
| Imaris | Bitplane | for tracing neurites and assigning reference points for image registration (http://www.bitplane.com). commercial software | |
| Vaa3D | for visualizing swc files (https://github.com/Vaa3D/release/releases/). freeware | ||
| Matlab | Mathworks | R2014b | for morphometric analysis of dendrites (http://www.mathworks.com). commercial software |
| Matlab toolbox: TREES1.14 | v1.14 | for analyzing dendritic morphometric parameters (http://www.treestoolbox.org/download.html). freeware | |
| Matlab toolbox: Dendritic_Tree_Toolbox | v1.0 | for calculating morphometric parameters (https://science.nichd.nih.gov/confluence/display/snc/Data+collections+for+imagines+combination+and+standardize+column+registration). Freeware | |
| Name | Company | Catalog number | Comments |
| Sample files | |||
| SWC file definition | http://www.neuronland.org/NLMorphologyConverter/MorphologyFormats/SWC/Spec.html | ||
| The codes and sample files for image combination and registration | https://science.nichd.nih.gov/confluence/display/snc/Data+collections+for+imagines+combination+and+standardize+column+registration | ||
| Reference point example | https://science.nichd.nih.gov/confluence/download/attachments/117216914/points.csv?version=1&modificationDate=1471880596000&api=v2 | ||
| Name | Company | Catalog number | Comments |
| Computer system | |||
| MS Windows Windows 7 x64 or Macintosh OS X 10.7 or later | 3GHz 64-bit quad-core processor, 16G RAM (minimal) | ||
| Optional: Quadro4000 (or above) graphic card | Nvidia | for stereographic visualization of dendrites. | |
| Optional: NVIDIA 3D vision2 | Nvidia | http://www.nvidia.com/object/3d-vision-main.html | |
| Optional: 120 Hz LCD display for NVIDIA 3D vision2 | http://www.nvidia.com/object/3d-vision-system-requirements.html | ||
| Name | Company | Catalog number | Comments |
| Reagents for imaging | |||
| 24B10 antibody | The Developmental Studies Hybridoma Bank | 24B10 | |
| GFP Tag Antibody | Thermofisher Scientific | G10362 | |
| Goat anti-Rabbit (H+L), Alexa Fluor 488 | Thermofisher Scientific | A11034 | |
| Goat anti-Mouse (H+L), Alexa Fluor 568 | Thermofisher Scientific | A21124 | |
| VECTASHIELD Antifade Mounting Medium | Vector Laboratories | H-1000 | |
| Mounting Clay | Fisher | S04179 | |
| 70% glycerol in 1X PBS | |||
| Cover glasses, high performance, D=0.17mm | Zeiss | 474030-9000-000 |
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