השתלת חלון גולגולת להדמיה חוזרת ונשנית In Vivo בעכברים ערים
Summary
מוצג כאן פרוטוקול להשתלת חלון גולגולתי כרוני להדמיה אורכית של תאי מוח בעכברים ערים ומרוסנים ראש.
Abstract
כדי להבין באופן מלא את הפיזיולוגיה התאית של נוירונים וגליה בבעלי חיים מתנהגים, יש צורך לדמיין את המורפולוגיה שלהם ולתעד את פעילותם in vivo בעכברים מתנהגים. מאמר זה מתאר שיטה להשתלת חלון גולגולת כרוני כדי לאפשר הדמיה אורכית של תאי מוח בעכברים ערים ומרוסנים ראש. בשילוב עם אסטרטגיות גנטיות וזריקות ויראליות, ניתן לסמן תאים ואזורי עניין ספציפיים עם סמנים מבניים או פיזיולוגיים. פרוטוקול זה מדגים כיצד לשלב זריקות נגיפיות כדי לתייג נוירונים בקרבת אסטרוציטים המבטאים GCaMP6 בקליפת המוח להדמיה סימולטנית של שני התאים דרך חלון גולגולת. הדמיה מרובת-פוטון של אותם תאים יכולה להתבצע במשך ימים, שבועות או חודשים בבעלי חיים ערים ומתנהגים. גישה זו מספקת לחוקרים שיטה לצפייה בדינמיקה התאית בזמן אמת וניתן ליישם אותה כדי לענות על מספר שאלות במדעי המוח.
Introduction
היכולת לבצע מיקרוסקופיה פלואורסצנטית מרובת-פוטונים in vivo בקליפת המוח של עכברים היא בעלת חשיבות עליונה לחקר האיתות והמבנה התאי 1,2,3,4,5,6,7,8,9, פתולוגיה של מחלות 10,11 והתפתחות תאית12,13 . עם השתלת חלונות גולגולתיים כרוניים, הדמיה אורכית אפשרית, המאפשרת הדמיה חוזרת ונשנית של אזורים בקליפת המוח במשך ימים, שבועות או חודשים13,14 בבעלי חיים. מיקרוסקופיית מולטיפוטונים אידיאלית להדמיה חוזרת ונשנית של in vivo בגלל בדיקת עומק משופרת ופוטו-דאמג’ מופחת הקשור ללייזר האינפרא אדום שבו נעשה שימוש. זה מאפשר מחקר של דינמיקה מולקולרית ותאית של תאים ספציפיים באזורים שונים בקליפת המוח.
מיקרוסקופיית מולטיפוטונים שימשה להדמיית in vivo של תאי עצב וגלייה בעכברים 15,16,17,18,19,20. ניתן ליישם אסטרטגיות שונות כדי לתייג סוגי תאים ותחומי עניין מסוימים. גישה נפוצה אחת היא להניע את הביטוי של חלבונים פלואורסצנטיים המקודדים גנטית באופן ספציפי לתא באמצעות מערכת הרקומבינציה Cre-Lox. זה יכול להתבצע עם עכברים מהונדסים גנטית, למשל, חציית עכבר tdTomato “floxed” (Ai14) עם עכבר המבטא Cre-recombinase תחת מקדם של עניין21. לחלופין, ניתן להשיג תיוג ספציפי לתא ולאתר באמצעות זריקות ויראליות. כאן, וירוס המקודד Cre רקומבינאז תחת מקדם ספציפי לתא ונגיף המקודד גן מעניין של floxed מוזרקים לאזור מוגדר. סוגי תאים מתאימים המקבלים את שני הווקטורים הנגיפיים יבטאו את הגנים הרצויים. גנים אלה יכולים להיות סמנים מבניים, כגון tdTomato, כדי לראות שינויים במורפולוגיה התאית22 או באינדיקטורים לסידן המקודדים גנטית (GECIs), כגון GCaMP ו/או RCaMP, כדי לבחון את הדינמיקה של סידן23. שיטות של רקומבינציה גנטית ניתן ליישם בנפרד או בשילוב כדי לתייג סוג אחד או יותר של תאים. גישה שלישית, שאינה דורשת עכברים מהונדסים או מבנים נגיפיים (שיש להם קיבולת אריזה מוגבלת), היא אלקטרופורציה של רחם של מבני דנ”א24. בהתאם לתזמון האלקטרופורציה, ניתן לכוון לסוגי תאים שונים 25,26,27.
בעת ביצוע הדמיית מולטיפוטונים, ניתן לצלם עכברים כשהם ערים או מרדימים. הדמיה של עכברים ערים יכולה להתבצע על ידי אבטחת העכבר באמצעות לוחית ראש מחוברת28. גישה זו הופכת לפחות מלחיצה בכך שהיא מאפשרת תנועה חופשית יחסית של החיה באמצעות שיטות, כגון כדורי קלקר29 צפים חופשיים ונתמכים באוויר, הליכונים צפים חופשיים1, או מערכת כלובים ביתית מורמת אוויר שבה העכברים מהודקים על ידי לוחית ראש מחוברת ומותר להם לנוע בתא פתוח30. עבור כל אחד מתנאי ההדמיה הללו, יהיה צורך תחילה להרגיל את העכברים למערך ההדמיה. מאמר זה מתאר את הליך ההרגלה וההדמיה באמצעות מערכת כלוב ביתית מורמת אוויר.
פרוטוקול זה מתאר השתלה של חלון גולגולתי כרוני להדמיית in vivo אורכית בקליפת המוח. כאן, נשתמש בעכברים המבטאים באופן מותנה GCaMP6f באסטרוציטים כדי לנטר את הדינמיקה של איתות סידן. יתר על כן, מאמר זה מתאר את ההליך עבור זריקות ויראליות באמצעות tdTomato כתווית עבור נוירונים. זה מאפשר לקבוע את השינויים במבנה הסינפטי העצבי ו /או את הזמינות כסמן מבני המאפשר הדמיה חוזרת ונשנית של אותו אסטרוציט. לאורך הפרוטוקול, יודגשו צעדים חיוניים כדי להבטיח את האיכות הטובה ביותר האפשרית של תמונות המתקבלות ממיקרוסקופיית מולטי-פוטון.
Protocol
Representative Results
Discussion
כאן, הצגנו פרוטוקול להשתלה של חלונות גולגולתיים כרוניים להדמיית in vivo של אסטרוציטים בקליפת המוח ותאי עצב בעכברים ערים ומרוסנים על הראש על כלוב ביתי מורם באוויר. דוגמאות ספציפיות סופקו ליישום חלון הגולגולת להדמיית אסטרוציטים המבטאים GECIs ומבנים סינפטיים עצביים. עם השימוש במיקרוסקופיי?…
Materials
| 15o Pointed Blade | Surgistar | 6500 | Surgery Tools |
| 19 G Needles | BD | 305186 | Surgery Supply |
| AAV1-CAG-FLEX-tdTomato | Addgene | 28306-AAV1 | Viral Vector |
| AAV1-CaMKII-0-4-Cre | Addgene | 105558-AAV1 | Viral Vector |
| Acteone | Fisher Scientific | A16P4 | Reagent |
| Alcohol Prep Pads | Fisher Scientific | Covidien 5750 | Surgery Supply |
| Beveler | Narishige | Equipment | |
| Borosilicate Glass | World Precision Instruments | TW100F-4 | Surgery Supply |
| Carbide Burs | SS White Dental | 14717 | Surgery Tools |
| Carprofen (Rimadyl), 50 mg/mL | Zoetis Mylan Institutional, LLC. | Drug | |
| Compressed Air | Fisher Scientific | 23-022-523 | Surgery Supply |
| Cotton Tip Applicators | Puritan | 836-WC NO BINDER | Surgery Supply |
| Cover Glass, No. 1 thickness, 3 mm/5 mm | Warner Instruments | 64-0720, 64-0700 | Surgery Supply |
| Dental Drill | Aseptico | Equipment | |
| Dexamethasone, 4 mg/mL | Mylan Institutional, LLC. | Drug | |
| Dissecting Microscope | Nikon | Equipment | |
| Duralay Liquid (dental cement liquid) | Patterson Dental | 602-8518 | Reagent |
| Duralay Powder (dental cement powder) | Patterson Dental | 602-7932 | Reagent |
| Enrofloxacin, 2.27% | Bayer | Drug | |
| Eye Ointment | Dechra | 17033-211-38 | Surgery Supply |
| Fiber Lite High Intensity Illuminator | Dolan-Jenner Industries | Equipment | |
| Forceps (Large) | World Precision Instruments | 14099 | Surgery Tools |
| Forceps (Small) | World Precision Instruments | 501764 | Surgery Tools |
| GCaMP6f B6; 129S-Gt(ROSA)26Sortm95.1(CAGGCaMP6f)Hze/J | The Jackson Laboratory | Stock No: 024105 | Mouse line |
| Germinator | Fisher Scientific | Equipment | |
| GLAST-CreER Tg(Slc1a3-cre/ERT) 1Nat/J | The Jackson Laboratory | Stock No: 012586 | Mouse Line |
| Headplate | Neurotar | Model 1, Model 3 | Surgery Supply |
| Hemostatic forceps | World Precision Instruments | 501705 | Surgery Tools |
| Holder for 15o Pointed Blade | World Precision Instruments | 501247 | Surgery Tools |
| Holder for Scalpel Blades | World Precision Instruments | 500236 | Surgery Tools |
| Iodine Prep Pads | Avantor | 15648-926 | Surgery Supply |
| Isoflurane | Piramal | Surgery Supply | |
| Isoflurane table top system with Induction Box | Harvard Apparatus | Equipment | |
| Isoflurane Vaporizer | SurgiVet | Equipment | |
| Krazy Glue | Office Depot | KG517 | Reagent |
| Loctite 401 | Henkel | 40140 | fast-curing instant adhesive |
| Loctite 454 | Fisher Scientific | NC9194415 | cyanoacrylate adhesive gel |
| Micropipette Puller | Sutter Instruments | Equipment | |
| Multiphoton Microscope | Equipment | ||
| Nitrogen | Matheson | NI M200 | Gas |
| Oxygen | Matheson | OX M250 | Gas |
| Picospritzer | Parker | intracellular microinjection dispense system | |
| Pipette Tips | Rainin | 17014340 | Surgery Supply |
| Rodent Hair Trimmer | Wahl | Equipment | |
| Saline (0.9% Sodium Chloride) | Med Vet International | RX0.9NACL-30BAC | Surgery Supply |
| Scalpel Blades, Size 11 | Integra | 4-111 | Surgery Tools |
| Scissors | World Precision Instruments | 503667 | Surgery Tools |
| Stereotaxic Instrument | Stoelting | Equipment | |
| Sugi Sponge Strips (sponge strips) | Kettenbach Dental | 31002 | Surgery Supply |
| SURGIFOAM (gel foam) | Ethicon | 1972 | Surgery Supply |
| Syringe with 26 G Needle | BD | 309625 | Surgery Supply |
| Tamoxifen | Sigma Aldrich | T5648-1G | Reagent |
| Ti:Sapphire Laser | Coherent | Equipment | |
| Transfer Pipettes | Fisher Scientific | 13-711-9AM | Surgery Supply |
| Water Blanket | Fisher Scientific | Equipment | |
| Xylocaine MPF with Epinephrine (1:200,000), 10 mg/mL | Fresenius Kabi USA | Drug |
References
- Cichon, J., Gan, W. B. Branch-specific dendritic Ca2+ spikes cause persistent synaptic plasticity. Nature. 520 (7546), 180-185 (2015).
- Goncalves, J. T., et al. Circuit level defects in the developing neocortex of Fragile X mice. Nature Neuroscience. 16 (7), 903-909 (2013).
- Padmashri, R., et al. Altered structural and functional synaptic plasticity with motor skill learning in a mouse model of fragile X syndrome. Journal of Neuroscience. 33 (50), 19715-19723 (2013).
- Peters, A. J., Chen, S. X., Komiyama, T. Emergence of reproducible spatiotemporal activity during motor learning. Nature. 510 (7504), 263-267 (2014).
- Poskanzer, K. E., Yuste, R. Astrocytes regulate cortical state switching in vivo. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (19), 2675-2684 (2016).
- Srinivasan, R., et al. Ca2+ signaling in astrocytes from Ip3r2(-/-) mice in brain slices and during startle responses in vivo. Nature Neuroscience. 18 (5), 708-717 (2015).
- Takata, N., et al. Astrocyte calcium signaling transforms cholinergic modulation to cortical plasticity in vivo. Journal of Neuroscience. 31 (49), 18155-18165 (2011).
- Yang, G., Pan, F., Gan, W. B. Stably maintained dendritic spines are associated with lifelong memories. Nature. 462 (7275), 920-924 (2009).
- Zuo, Y., et al. Development of long-term dendritic spine stability in diverse regions of cerebral cortex. Neuron. 46 (2), 181-189 (2005).
- Grutzendler, J., Gan, W. B. Two-photon imaging of synaptic plasticity and pathology in the living mouse brain. NeuroRx. 3 (4), 489-496 (2006).
- Isshiki, M., et al. Enhanced synapse remodelling as a common phenotype in mouse models of autism. Nature Communications. 5, 4742 (2014).
- Cruz-Martin, A., Crespo, M., Portera-Cailliau, C. Delayed stabilization of dendritic spines in fragile X mice. Journal of Neuroscience. 30 (23), 7793-7803 (2010).
- Mostany, R., et al. Altered synaptic dynamics during normal brain aging. Journal of Neuroscience. 33 (9), 4094-4104 (2013).
- Trachtenberg, J. T., et al. Long-term in vivo imaging of experience-dependent synaptic plasticity in adult cortex. Nature. 420 (6917), 788-794 (2002).
- Agarwal, A., et al. Transient opening of the mitochondrial permeability transition pore induces microdomain calcium transients in astrocyte processes. Neuron. 93 (3), 587-605 (2017).
- Bindocci, E., et al. Three-dimensional Ca2+ imaging advances understanding of astrocyte biology. Science. 356 (6339), (2017).
- Dana, H., et al. High-performance calcium sensors for imaging activity in neuronal populations and microcompartments. Nature Methods. 16 (7), 649-657 (2019).
- Han, S., Yang, W., Yuste, R. Two-color volumetric imaging of neuronal activity of cortical columns. Cell Reports. 27 (7), 2229-2240 (2019).
- Nimmerjahn, A., Kirchhoff, F., Helmchen, F. Resting microglial cells are highly dynamic surveillants of brain parenchyma in vivo. Science. 308 (5726), 1314-1318 (2005).
- Stowell, R. D., et al. Noradrenergic signaling in the wakeful state inhibits microglial surveillance and synaptic plasticity in the mouse visual cortex. Nature Neuroscience. 22 (11), 1782-1792 (2019).
- Madisen, L., et al. A robust and high-throughput Cre reporting and characterization system for the whole mouse brain. Nature Neuroscience. 13 (1), 133-140 (2010).
- Chen, S. X., et al. Subtype-specific plasticity of inhibitory circuits in motor cortex during motor learning. Nature Neuroscience. 18 (8), 1109-1115 (2015).
- Stobart, J. L., et al. Cortical circuit activity evokes rapid astrocyte calcium signals on a similar timescale to neurons. Neuron. 98 (4), 726-735 (2018).
- Matsui, A., et al. Mouse in utero electroporation: controlled spatiotemporal gene transfection. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (54), e3024 (2011).
- Roth, R. H., et al. Cortical synaptic AMPA receptor plasticity during motor learning. Neuron. 105 (5), 895-908 (2020).
- Stogsdill, J. A., et al. Astrocytic neuroligins control astrocyte morphogenesis and synaptogenesis. Nature. 551 (7679), 192-197 (2017).
- Suresh, A., Dunaevsky, A. Relationship between synaptic AMPAR and spine dynamics: impairments in the FXS mouse. Cerebral Cortex. 27 (8), 4244-4256 (2017).
- Yang, G., et al. Transcranial two-photon imaging of synaptic structures in the cortex of awake head-restrained mice. Methods in Molecular Biology. 1010, 35-43 (2013).
- Dombeck, D. A., et al. Imaging large-scale neural activity with cellular resolution in awake, mobile mice. Neuron. 56 (1), 43-57 (2007).
- Kislin, M., et al. Flat-floored air-lifted platform: a new method for combining behavior with microscopy or electrophysiology on awake freely moving rodents. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (88), e51869 (2014).
- Holtmaat, A., et al. high-resolution imaging in the mouse neocortex through a chronic cranial window. Nature Protocols. 4 (8), 1128-1144 (2009).
- Hauglund, N. L., et al. Meningeal lymphangiogenesis and enhanced glymphatic activity in mice with chronically implanted EEG electrodes. Journal of Neuroscience. 40 (11), 2371-2380 (2020).
- De Paola, V., et al. Cell type-specific structural plasticity of axonal branches and boutons in the adult neocortex. Neuron. 49 (6), 861-875 (2006).
- Cheng, A., et al. Simultaneous two-photon calcium imaging at different depths with spatiotemporal multiplexing. Nature Methods. 8 (2), 139-142 (2011).
- Yang, G., et al. Thinned-skull cranial window technique for long-term imaging of the cortex in live mice. Nature Protocols. 5 (2), 201-208 (2010).
- Shih, A. Y., et al. A polished and reinforced thinned-skull window for long-term imaging of the mouse brain. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (61), e3742 (2012).
- Helm, P. J., Ottersen, O. P., Nase, G. Analysis of optical properties of the mouse cranium–implications for in vivo multi photon laser scanning microscopy. Journal of Neuroscience Methods. 178 (2), 316-322 (2009).
- Stobart, J. L., et al. Long-term in vivo calcium imaging of astrocytes reveals distinct cellular compartment responses to sensory stimulation. Cerebral Cortex. 28 (1), 184-198 (2018).
- Pryazhnikov, E., et al. Longitudinal two-photon imaging in somatosensory cortex of behaving mice reveals dendritic spine formation enhancement by subchronic administration of low-dose ketamine. Scientific Reports. 8 (1), 6464 (2018).
- Thrane, A. S., et al. General anesthesia selectively disrupts astrocyte calcium signaling in the awake mouse cortex. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (46), 18974-18979 (2012).
- Paukert, M., et al. Norepinephrine controls astroglial responsiveness to local circuit activity. Neuron. 82 (6), 1263-1270 (2014).
- Delekate, A., et al. Metabotropic P2Y1 receptor signalling mediates astrocytic hyperactivity in vivo in an Alzheimer’s disease mouse model. Nature Communications. 5, 5422 (2014).
