Summary

研究清除大脑中星形胶质细胞和神经元之间的空间相互作用

Published: March 31, 2022
doi:

Summary

使用CLARITY方法结合病毒载体转导和大脑清除,可以同时研究大量神经元和星形胶质细胞。

Abstract

使用CLARITY方法将病毒载体转导和组织清除相结合,可以同时研究几种类型的脑细胞及其相互作用。病毒载体转导能够在同一组织内以不同的荧光颜色标记不同的细胞类型。细胞可以通过活动或投射进行遗传识别。使用改进的CLARITY方案,星形胶质细胞和神经元的潜在样本量增加了2-3个数量级。CLARITY的使用允许对完整的星形胶质细胞进行成像,这些星形胶质细胞太大而无法将其全部放入切片中,并检查体细胞及其所有过程。此外,它还提供了研究星形胶质细胞与不同神经元细胞类型之间的空间相互作用的机会,即每个星形细胞域中锥体神经元的数量或星形胶质细胞与特定抑制神经元群体之间的接近程度。本文详细介绍了如何应用这些方法。

Introduction

近年来,星形胶质细胞功能以及它们如何与神经元回路相互作用的知识急剧增加。星形胶质细胞可以影响可塑性12,帮助神经元损伤后恢复34,甚至诱导 从头 神经元增强,最近的研究表明星形胶质细胞在记忆获取和奖励中的重要性,以前被认为是纯粹的神经元功能567.星形胶质细胞研究中特别感兴趣的一个特征是细胞的空间排列,其在海马体和其他大脑结构中保持独特的空间组织8910。与在细胞体瘤之间交织的神经元树突不同,海马星形胶质细胞栖息在视觉上可区分的区域,其过程之间略有重叠,形成不同的结构域8111213。支持星形胶质细胞参与神经元回路的证据并不支持缺乏对这些群体及其结构域中的神经元的详细解剖学描述14

病毒载体转导程序以及转基因动物(TG)已被推广为研究大脑结构,功能和细胞相互作用的工具集1516。利用不同的启动子允许根据其遗传特性,激活水平1718或投射靶标靶向特定细胞。不同的病毒可以在不同的人群中表达不同颜色的荧光基团。病毒可以与TG中荧光团的内源性表达相结合,或者TG动物可以在不需要病毒的情况下使用。这些技术被广泛用于神经元标记,一些实验室已经开始使用它们,并专门用于靶向其他细胞类型(如星形胶质细胞5919)进行修改。

CLARITY技术于2013年2021年首次描述,通过使整个大脑透明,同时保持微观结构完整,能够研究厚厚的脑切片。通过结合两种方法 – 病毒载体转导和组织清除 – 现在可以选择检查不同细胞类型群体之间的空间相互作用。大多数星形胶质细胞 – 神经元相互作用研究是在薄脑切片上进行的,由于其大结构域导致不完全星形胶质细胞的图像,从而从根本上限制了分析细胞的数量。使用CLARITY技术可以同时对大规模体积的细胞群进行单细胞分辨率表征。对清晰大脑中荧光标记的细胞群进行成像并不能提供突触分辨率,但可以彻底表征星形胶质细胞与各种神经元细胞类型之间的空间相互作用。

出于这个原因,我们利用这些最先进的技术来研究整个背侧CA1星形胶质细胞的特性,对所有层层(层状镭骨,锥体层和地层Oriens)进行成像。我们测量了数以万计的星形胶质细胞(病毒外显率为>96%5),从而分析了CA1周围整个星形细胞群体的信息。通过神经元标志物的有效外显率,我们可以记录整个CA1星形胶质细胞群与四种类型的神经元细胞之间的相互作用 – 小白蛋白(PV),生长抑素(SST),VIP抑制神经元和兴奋性锥体细胞9

使用来自TG动物的荧光和不同颜色的病毒载体(所有抑制性细胞)的组合进行了几次实验,而其他(兴奋性)利用两种病毒载体在不同启动子下表达不同的荧光团9。本文提出了一个详细的方案,包括标记大脑中所需细胞,使用修改后的CLARITY程序使大脑透明,以及使用各种程序和软件成像和分析完整的大脑结构。

Protocol

实验方案由希伯来大学动物护理和使用委员会批准,并符合国家卫生研究所实验室动物护理和使用指南的指导方针。 1. 病毒载体转导 注意:病毒载体转导用于表达大脑中的荧光团。 使用图集(例如,Allen Brain Atlas)来定位目标区域的相关协调。注意:3D地图集可以在线找到(例如,http://connectivity.brain-map.org/3d-viewer)。 使用…

Representative Results

成功清除厚脑组织切片会导致一系列新的问题,这些问题可以询问有关大细胞群的特性,而不是单个细胞或相邻细胞群的特性。为了获得成功的结果,应该严格遵守CLARITY协议,因为需要考虑广泛的参数来减少样品之间的差异(例如,透明度百分比,荧光信息,肿胀度参数)。 图1 描述了从荧光蛋白表达验证到清除方法所有阶段的整个清除过程。 <strong cl…

Discussion

组织清除方法是大脑研究中的革命性工具,引发了以前无法提出的问题。通过靶向一小群细胞,单个细胞甚至单个突触的特性,CLARITY现在可以通过使用相关的荧光团来靶向总细胞群或远距离连接特征。

荧光基团表达和CLARITY程序组合的结果不是二元的;许多因素可能会干扰导致次优结果的程序。首先,荧光基团的表达必须事先验证。由于CLARITY程序会导致一些信息丢失,因此在C…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

该项目已获得欧洲研究理事会(ERC)根据欧盟地平线2020研究和创新计划(赠款协议No 803589),以色列科学基金会(ISF赠款No.1815/18)和加拿大 – 以色列赠款(CIHR-ISF,第2591/18号赠款)的资助。我们感谢Nechama Novick对整个手稿的评论。

Materials

AAV1-GFAP::TdTomato ELSC Vector Core Facility (EVCF) viral vector used to detect astrocytes
AAV5-CaMKII::eGFP ELSC Vector Core Facility (EVCF) viral vector used to detect neurons
AAV5-CaMKII::H2B-eGFP ELSC Vector Core Facility (EVCF) viral vector used to detect neuronal nuclei
AAV5-CaMKII::TdTomato ELSC Vector Core Facility (EVCF) viral vector used to detect neurons
Acrylamide (40%) Bio-rad #161-0140
Bisacrylamide (2%) Bio-rad #161-0142
Boric acid Sigma #B7901 Molecular weight – 61.83 g/mol
Confocal microscope, scanning, FV1000 Olympus 4x objective (UPlanSApo, 0.16 NA)
Imaris software Bitplane, UK A software that allows 3D analysis of images
NaOH Sigma #S5881
PBS
PFA 4% EMS #15710
RapiClear SunJin lab #RC147002
RapiClear CS SunJin lab #RCCS002
SDS Sigma #L3771
SyGlass software A software that allows 3D analysis of images using virtual reality
Tris base 1 M Bio-rad #002009239100 Molecular weight – 121.14 g/mol
Triton X-100 ChemCruz #sc-29112A
Two photon microscope Neurolabware Ti:sapphire laser (Chameleon Discovery TPC, Coherent), GaAsP photo-multiplier tubes (Hamamatsu, H10770-40) , bandpass filter (Semrock), water immersion 16x objective (Nikon, 0.8 NA) 
VA-044 Initiator Wako #011-19365

Referências

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Citar este artigo
Refaeli, R., Goshen, I. Investigation of Spatial Interaction Between Astrocytes and Neurons in Cleared Brains. J. Vis. Exp. (181), e63679, doi:10.3791/63679 (2022).

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