Summary

成人希马神经前体细胞的乳化电路特定调节

Published: July 24, 2019
doi:

Summary

该协议的目的是描述一种分析成人神经干细胞/祖细胞行为的方法,以响应特定局部神经回路的化学遗传学操作。

Abstract

成人神经发生是一个动态过程,新激活的神经干细胞 (NSC) 在分粒区 (SGZ) 的登牙陀螺(DG) 生成新的神经元,这些神经元集成到现有的神经回路中,并有助于特定的海马功能.重要的是,成人神经发生是高度容易受到环境刺激,这允许各种认知功能的活动依赖调节。来自各个大脑区域的大量神经回路协调这些复杂的认知功能。因此,了解特定神经回路如何调节成人神经发生非常重要。在这里,我们描述了一个协议,以操纵神经回路活动使用设计师受体完全激活由设计师药物(DREADDs)技术,调节NSC和新生后代在啮齿动物。此综合方案包括病毒颗粒的立体注入、特定神经回路的化学遗传学刺激、胸腺素模拟给治、组织处理、免疫荧光标记、共聚焦成像和成像神经前体细胞各个阶段的分析。该协议提供有关用于可视化 NSC 及其后代的抗原检索技术的详细说明,并描述了使用氯扎平 N 氧化物 (CNO) 或含 CNO 的饮用水调节脑回路的一种简单而有效的方法,表达病毒的病毒。该协议的优势在于其适应性,以研究影响从NSC衍生的成人神经发生的各种神经回路。

Introduction

成人神经发生是一个生物过程,新的神经元诞生在成人中,并集成到现有的神经网络1。在人类中,这个过程发生在海马的登当陀螺(DG),每天大约有1,400个新细胞诞生2。这些细胞驻留在DG的内部部分,它蕴藏着一个神经性利基,称为亚粒度区域(SGZ)。在这里,海马成人神经干细胞(NSCs)经历一个复杂的发育过程,成为功能齐全的神经元,有助于调节特定的大脑功能,包括学习和记忆,情绪调节和应激反应3 ,4,5,6.为了影响行为,成人 NSC 通过响应一系列局部和远端化学线索,以活动相关方式受到各种外部刺激的高度监管。这些化学线索包括神经递质和神经调节器,并且以来自各种大脑区域的特定电路方式作用。重要的是,这些化学线索在NSC上的电路广泛收敛,可以独特而精确地调节干细胞的活化、分化和命运决定。

将免疫荧光分析与电路宽操作配对,是询问体内成人NSC电路调节的最有效方法之一。成人NSC的免疫荧光分析是一种常用的技术,其中针对特定分子标记的抗体用于指示成人NSC的发育阶段。这些标记包括:内窝作为径向胶质细胞和早期神经祖传标记,Tbr2作为中间祖传标记,dcx作为神经细胞和未成熟的神经元标记7。此外,通过管理胸腺素类比,如BrdU,CidU,Idu和Edu,经历S相的细胞群可以单独标记和可视化8,9,10。通过结合这两种方法,可以研究广泛的问题,从在特定发育阶段如何调节增殖,到各种线索如何影响NSC分化和神经发生。

有几个选项可以有效地操纵神经回路,包括电刺激、光遗传学和化学遗传学,每个选项都有各自的优缺点。电刺激涉及一个广泛的手术,电极被植入一个特定的大脑区域,后来用于传输电信号来调节目标的大脑区域。然而,这种方法缺乏细胞和电路特异性。光遗传学涉及病毒粒子的传递,这种粒子编码光激活受体,由激光通过植入的光纤激发,但需要大量的操作、巨大的成本和复杂的手术11。化学遗传学涉及病毒粒子的传递,这些粒子编码由设计师药物或DREADD专门激活的设计师受体,随后由称为氯扎平N-氧化物(CNO)的特定和生物惰性配体激活.利用DREADD来操纵控制成人NSC的局部神经回路的好处在于CNO管理的简便性和各种途径。这允许减少动物处理,从而简化耗时的方法,这很容易适应长期研究,以调节神经回路。

该协议中描述的方法是综合收集成功询问成年海马神经发生电路调节所需的各种协议,该控制结合了免疫荧光技术和电路操作使用化学遗传学。以下协议中描述的方法适用于在体内同时刺激或抑制一个或多个回路,以确定其对成人神经发生中的调节功能。如果问题不需要高度的时间解析,则最好使用此方法。需要精确时间控制在一定频率的刺激/抑制的问题,可以更好地使用光遗传学13,14。这里描述的方法很容易适应长期研究,动物处理最少,特别是在压力是主要问题的地方。

Protocol

所有程序,包括动物科目,都已获得北卡罗来纳大学教堂山分校机构动物护理和使用委员会(IACUC)的批准。 1. 病毒颗粒的立体注射 确定有问题的神经回路。这将确定用于以下过程的病毒和鼠标线。注:对于这个例子,反向青苔细胞投影被刺激,以分析其对成人神经发生的影响。编码AAV5-hSyn-DIO-hM3Dq-mCherry的病毒颗粒被传送到5ht2A-Cre小鼠的DG15。</…

Representative Results

按照上述实验程序(图1A,B),我们能够确定刺激逆侧苔细胞投影对海马内神经性利基的影响。通过使用与标有5-HT2A Cre-line的苔丝细胞配对的Cre依赖性Gq耦合刺激DREADD病毒,我们能够选择性地将来自青苔细胞的兴奋性投影激活到相反的DG上,并确定强苔细胞刺激促进干细胞静默(图1C)。在分析组织之前,我们验证了准确的病毒传递(图2A,B…

Discussion

该协议的目的是评估操纵特定神经回路如何利用一系列免疫组化学技术调节体内的成年海马神经发生。由特定神经回路介导的成人神经发生过程分析活性依赖调节是一项有价值的技术,具有很大的修改潜力,可用于研究各种神经回路。这些类型的实验的成功取决于多种因素,包括准确的病毒传递,正确的病毒选择所需的操作,正确交付胸腺素模拟,动物年龄,免疫染色效率,成功跨心灌注,无偏量定量图像。?…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

L.J.Q. 得到国立卫生研究院国家精神卫生研究所在多样性补充R01MH111773以及T32培训补助金T32NS007431-20的支持下。该项目得到了NIH(MH1111773、AG058160和NS104530)授予J.S.的赠款的支持。

Materials

24 Well Plate Thermo Fisher Scientific 07-200-84
48 Well Plate Denville Scientific T1049
5-Ethynyl-2'-deoxyuridine (Edu) Carbosynth NE08701
Alcohol 70% Isopropyl Thermo Fisher Scientific 64-17-5
Alcohol Prep Pads Thermo Fisher Scientific 13-680-63
Alexa-488 Azide Thermo Fisher Scientific A10266
Anti-Chicken Nestin Aves NES; RRID: AB_2314882
Anti-Goat DCX Santa Cruz Cat# SC_8066; RRID: AB_2088494
Anti-Mouse Tbr2 Thermo Fisher Scientific 14-4875-82; RRID: AB_11042577
Betadine Solution (povidone-iodine) Amazon
Citiric Acid Stock [.1M] Citric Acid (21g/L citric acid) Sigma-Aldrich 251275
Clozapine N- Oxide Sigma-Aldrich C08352-5MG
Confocal Software (Zen Black) Zeiss Microscopy Zen 2.3 SP1 FP1 (black)
Copper (II) Sulfate Pentahydrate Thermo Fisher Scientific AC197722500
Cotton Swabs Amazon
Coverslip Denville Scientific M1100-02
Delicate Task Wipe Kimwipes Kimtech Science 7557
Drill Bit .5mm Fine Science Tools 19007-05
Ethylene Glycol Thermo Fisher Scientific E178-1
Hamilton Needle 2 inch Hmailton Company 7803-05
Hamilton Syringe 5uL Model 75 RN Hmailton Company Ref: 87931
High Speed Drill Foredom 1474
Infusion Pump Harvard Apparatus 70-4511
Injectable Saline Solution Mountainside Health Care NDC 0409-4888-20
Insulin Syringe BD Ultra-Fine Insulin Syringes
Isoflurane Henry Schein 29405
Stereotax For Small Animal KOPF Instruments Model 942
Leica M80 Leica
Leica Microtome Leica SM2010 R
LSM 780 Zeiss Microscopy
Nair (Hair Removal Product) Nair
Paraformaldahyde 4% Sigma-Aldrich 158127
Plus Charged Slide Denville Scientific M1021
Phosphate Buffered Solution (PBS) Thermo Fisher Scientific 10010031
Puralube Vet Ointment Puralube
Slide Rack 20 slide unit Electron Microscopy Science 70312-24
Slide Rack holder Electron Microscopy Science 70312-25
Small Animal Heating Pad K&H
Sucrose Sigma-Aldrich S0389
Super PAP Pen 4 mm tip PolySciences 24230
Surgical Scalpel MedPride 47121
Tris Buffered Solution (TBS) Sigma-Aldrich T5912
Tri-sodium citrate Stock [.1M] Tri-sodium Citrate (29.4g/L tri-sodium citrate) Sigma-Aldrich C8532
Triton X-100 Sigma-Aldrich 93443
Tweezers Amazon
Vet Bond Tissue Adhesive 3M 1469SB

Referenzen

  1. Zhao, C., Deng, W., Gage, F. H. Mechanisms and Functional Implications of Adult Neurogenesis. Cell. 132 (4), 645-660 (2008).
  2. Spalding, K. L., et al. Dynamics of hippocampal neurogenesis in adult humans. Cell. 153 (6), 1219-1227 (2013).
  3. Hill, A. S., Sahay, A., Hen, R. Increasing Adult Hippocampal Neurogenesis is Sufficient to Reduce Anxiety and Depression-Like Behaviors. Neuropsychopharmacology. 40 (10), 2368-2378 (2015).
  4. Clelland, C. D., et al. A functional role for adult hippocampal neurogenesis in spatial pattern separation. Science. 325, (2009).
  5. Sahay, A., et al. Increasing adult hippocampal neurogenesis is sufficient to improve pattern separation. Nature. 472 (7344), 466-470 (2011).
  6. Anacker, C., et al. Hippocampal neurogenesis confers stress resilience by inhibiting the ventral dentate gyrus. Nature. , 1 (2018).
  7. Kuhn, H. G., Eisch, A. J., Spalding, K., Peterson, D. A. Detection and Phenotypic Characterization of Adult Neurogenesis. Cold Spring Harb Perspect Biol. , (2016).
  8. Ansorg, A., Bornkessel, K., Witte, O. W., Urbach, A. Immunohistochemistry and Multiple Labeling with Antibodies from the Same Host Species to Study Adult Hippocampal Neurogenesis. Journal of Visualized Experiments. (98), 1-13 (2015).
  9. Podgorny, O., Peunova, N., Park, J. H., Enikolopov, G. Triple S-Phase Labeling of Dividing Stem Cells. Stem Cell Reports. 10 (2), 615-626 (2018).
  10. Taupin, P. BrdU immunohistochemistry for studying adult neurogenesis: Paradigms, pitfalls, limitations, and validation. Brain Research Reviews. 53 (1), 198-214 (2007).
  11. Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., Deisseroth, K. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nature Neuroscience. 8 (9), 1263-1268 (2005).
  12. Armbruster, B. N., Li, X., Pausch, M. H., Herlitze, S., Roth, B. L. Evolving the lock to fit the key to create a family of G protein-coupled receptors potently activated by an inert ligand. Proceedings of the National Academy of Sciences. 104 (12), 5163-5168 (2007).
  13. Sidor, M. M., Davidson, T. J., Tye, K. M., Warden, M. R., Diesseroth, K., Mcclung, C. A. In vivo Optogenetic Stimulation of the Rodent Central Nervous System. J Vis Exp. , (2015).
  14. Yizhar, O., Fenno, L. E., Davidson, T. J., Mogri, M., Deisseroth, K. Primer Optogenetics in Neural Systems. Neuron. 71 (1), 9-34 (2011).
  15. Yeh, C., Asrican, B., Moss, J., Lu, W., Toni, N., Song, J. Mossy Cells Control Adult Neural Stem Cell Quiescence and Maintenance through a Dynamic Balance between Direct and Indirect Pathways. Neuron. , 1-18 (2018).
  16. Geiger, B. M., Frank, L. E., Caldera-Siu, A. D., Pothos, E. N. Survivable Stereotaxic Surgery in Rodents. Journal of Visualized Experiments. (20), 20-22 (2008).
  17. Roth, B. L. Primer DREADDs for Neuroscientists. Neuron. 89 (4), 683-694 (2016).
  18. Zeng, C., et al. Evaluation of 5-ethynyl-2 ′ -deoxyuridine staining as a sensitive and reliable method for studying cell proliferation in the adult nervous system. Brain Research. 1319, 21-32 (2010).
  19. Gage, G. J., Kipke, D. R., Shain, W. Whole Animal Perfusion Fixation for Rodents. Journal of Visualized Experiments. (65), 1-9 (2012).
  20. Hussaini, S. M. Q., Jun, H., Cho, C. H., Kim, H. J., Kim, W. R., Jang, M. Heat-induced antigen retrieval: an effective method to detect and identify progenitor cell types during adult hippocampal neurogenesis. J Vis Exp. , (2013).
  21. West, M. J., Slomianka, L., Gundersen, H. J. G. Unbiased stereological estimation of the total number of neurons in the subdivisions of the rat hippocampus using the optical fractionator. The Anatomical Record. 231 (4), 482-497 (1991).
  22. Kuhn, H., Dickinson-Anson, H., Gage, F. Neurogenesis in the dentate gyrus of the adult rat: age-related decrease of neuronal progenitor proliferation. The Journal of Neuroscience. 16 (6), 2027-2033 (1996).
  23. Gomez, J. L., et al. Chemogenetics revealed: DREADD occupancy and activation via converted clozapine. Science. 357 (6350), 503-507 (2017).
  24. Thompson, K. J., et al. Dreadd Agonist 21 (C21) Is an Effective Agonist for Muscarnic-Based Dreadds in Vitro and in Vivo. ACS Pharmacology & Translational Science. 72 (3), (2018).

Play Video

Diesen Artikel zitieren
Quintanilla, L. J., Yeh, C., Bao, H., Catavero, C., Song, J. Assaying Circuit Specific Regulation of Adult Hippocampal Neural Precursor Cells. J. Vis. Exp. (149), e59237, doi:10.3791/59237 (2019).

View Video