النقل إلى الوراء من صبغة الفلورسنت تسميات فرعية السكان من الخلايا العصبية على أساس إسقاط التشريحية. المحاور صفت يمكن استهداف بصريا<em> في الجسم الحي</em>، والسماح تسجيل خارج الخلية من المحاور التي تم تحديدها. هذا الأسلوب يسهل تسجيل عندما لا يمكن وصفها الخلايا العصبية من خلال التلاعب الجيني أو يصعب عزل باستخدام 'أعمى'<em> في الجسم الحي</em> النهج.
ويتمثل الهدف العام من هذا الأسلوب هو لتسجيل استجابات حدة واحدة من مجموعة محددة من السكان من الخلايا العصبية. في التسجيلات الكهربية في الجسم الحي من الخلايا العصبية الفردية بالغة الأهمية بالنسبة لفهم كيفية عمل الدوائر العصبية في ظل الظروف الطبيعية. تقليديا، وقد أجريت هذه التسجيلات 'أعمى'، وهذا يعني هوية الخلية سجلت غير معروف في بداية التسجيل. يمكن تحديد هوية الخلوية في وقت لاحق عن طريق الخلايا 1، 2 juxtacellular أو فضفاضة التصحيح 3 الرحلان الشاردي من الصبغة، ولكن لا يمكن مسبقا استهدفت هذه التسجيلات إلى الخلايا العصبية في مناطق محددة وظيفيا مع أنواع الخلايا غير المتجانسة. ويمكن التعبير عن البروتينات الفلورية في A-نوع من الخلايا بطريقة معينة تسمح بصريا موجهة وحيدة الخلية الكهربية 4-6. ومع ذلك، هناك العديد من الأنظمة التي نموذجا لهذه الأدوات الجينية ليست متاحة. حتى في النظم نموذج يمكن الوصول إليها وراثيا، والمرغوب بروMOTER قد يكون غير معروف أو الخلايا العصبية المتجانسة وراثيا قد متفاوتة أنماط الإسقاط. وبالمثل، تم استخدام النواقل الفيروسية لتسمية مجموعات فرعية معينة من الخلايا العصبية الإسقاط 7، ولكن استخدام هذه الطريقة محدود بسبب السمية وعدم التحديد عبر متشابك. وبالتالي، هناك حاجة إلى تقنيات إضافية التي تقدم محدد التصور المسبق لتسجيل من الخلايا العصبية التي تم تحديدها واحد في الجسم الحي. قبل التصور من الخلايا العصبية المستهدفة هي مفيدة بشكل خاص لظروف التسجيل الصعبة، التي الكلاسيكية التسجيلات وحيدة الخلية غالبا ما تكون صعبة باهظة 8-11. أسلوب الرواية وصفها في هذه الورقة يستخدم النقل إلى الوراء من صبغة الفلورسنت مثبتة باستخدام الإبر التنغستن لبسرعة وبشكل انتقائي تسمية مجموعة فرعية معينة من الخلايا داخل منطقة الدماغ معينة على أساس توقعاتهم محور عصبي فريدة من نوعها، وبالتالي توفير مساعدة مرئية للحصول على التسجيلات الكهربية المستهدفة من الخلايا العصبية التي تم تحديدها في الدائرة سليمة داخلهاNA الفقاريات CNS.
النهوض رواية أهم طريقة لدينا هو استخدام العلامات الفلورية لاستهداف أنواع معينة من الخلايا في نظام نموذجي يمكن الوصول إليها غير وراثيا. الأسماك الكهربائية ضعيفة هي نظام نموذجا ممتازا لدراسة الدوائر العصبية في اليقظة، تتصرف الحيوانات 12. نحن تستخدم هذه التقنية لدراسة المعالجة الحسية عن طريق "خلايا صغيرة" في النواة exterolateral الأمامي (العلا) من الأسماك mormyrid الكهربائية ضعيفة. "خلايا صغيرة" وافترض أن يكون الوقت قد حان الخلايا العصبية مقارنة هامة للكشف عن الاختلافات submillisecond في أوقات وصول من المسامير قبل المشبكي 13. ومع ذلك، جعلت الخصائص التشريحية مثل المايلين الكثيفة، نقاط الاشتباك العصبي التي تجتاح، وأجسام الخلايا الصغيرة من الصعب للغاية لتسجيل من هذه الخلايا باستخدام الطرق التقليدية 11 و 14. هنا علينا أن نبرهن على طريقة رواية عن التسميات انتقائي هذه الخلايا في 28٪ من الاستعدادات، والسماح لموثوق بها، والتسجيلات قوية وشخصيتrization من الردود على التحفيز electrosensory.
يتقن مرة واحدة، وسوف هذه التقنية تسمح لأحد لاستهداف الخلايا العصبية التي تم تحديدها، بما في ذلك محاور فردية، لفي التسجيلات الجسم الحي في كثير من النظم نموذج. وبالإضافة إلى ذلك، تسمح هذه التقنية واحدة لتسجيل موثوق خرج سنبلة من الخلايا العصبية ذات الخصائص التشريحية الفريدة التي تجعل التقليدية في أساليب تسجيل فيفو تحدي. لقد استخدمت هذه التقنية لتسجيل من العلا "خلايا صغيرة" في mormyrid الأسماك الكهربائية ضعيفة. وكانت المحاولات السابقة لدراسة خصائص ضبط من "خلايا صغيرة" غير ناجحة بسبب الظروف الصعبة تسجيل 11 و 14. الخصائص التشريحية مشابهة خلق الحواجز أمام الحصول على التسجيلات وحدة واحدة من العديد من الفقاريات المختلفة السمعية والخلايا العصبية electrosensory 8-10. للتغلب على هذه التحديات في نظامنا، اتخذنا الاستفادة من حقيقة أن "خلايا صغيرة" هي الخلايا الوحيدة في العلا هذا المشروع إلى ELP. وبالتالي، نقل إلى الوراء من صبغ وضعت في ELP يحد وضع العلامات في العلا ل"الصغيرةيسمح "SOMAS الخليوي ومحاور عصبية. الفلورسنت وصفها من محاور عصبية دقيقة وضع قطب كهربائي بجانب محاور المسمى، مما يجعل التسجيلات وحدة واحدة من الخلايا التي تم تحديدها ممكن رغم SOMAS لا يمكن الوصول إليها. لقد حاولنا تسجيلات الجسدية، ولكن لم تكلل بالنجاح، وربما يرجع ذلك إلى نقاط الاشتباك العصبي تجتاح المحيطة 11 ، 17. ومع ذلك، كان جسدية وضع العلامات واضحة للعيان مما يشير إلى أن هذه التقنية يمكن أن تستخدم لاستهداف تسجيلات الجسدية في أنواع الخلايا الأخرى والدوائر الأخرى. وقد استخدمت الفلورسنت وصفها من الخلايا العصبية من خلال النقل إلى الوراء في الجسم الحي لتوجيه التسجيلات المستهدفة في المختبر 19-21 . تم استخدام تقنية مماثلة لالمستهدفة في الجسم الحي تسجيلات من الخلايا العصبية الحركية في النخاع الشوكي الزرد 22. عملنا يمثل التوسع رواية من هذا النهج، الذي يتم القيام به على حد سواء وضع العلامات وتسجيل في الجسم الحي داخل الدماغ. يوضح طريقة لدينا أن في الجسم الحي وضع العلامات من المناطق CNS مع تي الوراءويمكن توسيع نطاق متسابق لدراسة الدوائر سليمة أخرى مع الخلايا العصبية الإسقاط الانتقائي بالمثل. على سبيل المثال، في المعالجة السمعية الثدييات، وأكيمة السفلي (IC) بمثابة مركز التتابع مهم للمدخلات من الهياكل rhombencephalic متعددة 23. أن حقن الصبغة في IC تسمية انتقائي الخلايا الإسقاط من كل من هذه النوى. أكيمة متفوقة (SC) يخدم وظيفة مماثلة لرؤية 24. هي مناسبة الاستعدادات الحبل الشوكي بشكل خاص لهذه التقنية، كما يتم الوصول إلى الحبل الشوكي بسهولة، يمكن أن يحدث حقن صبغة بعيدة عن موقع تسجيل، وأنها يمكن أن تكون مجتمعة مع تسجيل داخل الخلايا وملء الخلايا العصبية مختارة للحصول على معلومات أكثر تفصيلا التشريحية 25. وأخيرا، المسالك البحث عن المفقودين هي تقنية راسخة المستخدمة في جميع أنحاء الجهاز العصبي المركزي لرسم الدوائر المعقدة 26. ويمكن استخدام طريقة لدينا لإضافة معلومات وظيفية لهذه الدراسات كما تم القيام به ثمؤشرات الكالسيوم الحساسة إيث في القط القشرة البصرية 27.
الجراحة، والتي هي راسخة وموثوقة، وتستخدم بانتظام للمكفوفين في الجسم الحي تسجيلات 16، يجب أن تكتمل مع الحد الأدنى من النزيف وأي ضرر للسطح الدماغ للسماح للحيوان والأنسجة من أجل البقاء. مع الممارسة، ويمكن الانتهاء من تطبيق الجراحة وصبغ في 30-45 دقيقة. نحن صفت بنجاح "زنزانة صغيرة" محاور عصبية في 67٪ من الاستعدادات. معظم التحضيرات لديك فقط 1 أو 2 مرئية محاور المسمى، ولكن بعضها ما يصل الى 8. الوحدات المسمى 119 حاولت، حصلنا على تسجيلات وحدة واحدة من 26 وحدة موزعة على 12 التحضيرات (الجدول 2). وهكذا، تم جمع بيانات من 41٪ من الاستعدادات مع محاور عصبية وصفت لنسبة النجاح الإجمالية 28٪.
على الجانب الحاسم من تطبيق صبغ ووصفها العمق. سوف الإدراج الضحلة من سلك التنغستن يؤدي إلى صبغ يجري غسلها AWAY. ومع ذلك، إذا تغلغل عميق جدا، محاور عصبية المسمى لن يكون لاستهداف مرئية. علاوة على ذلك، بعض الأضرار الميكانيكية إلى الخلية يجب أن يحدث لصبغ الواجب اتخاذها على نحو كاف حتى 25، 28. ومع ذلك، فإن الكثير من الضرر قتل الخلايا. حاولنا وضع العلامات مع الأصباغ وغيرها من الطرق الأخرى (الجدول 2)، بما في ذلك وضع العلامات تقدمي من خلال حقن صبغة في العلا يقترن تسجيل من المحاور صفت في ELP (الجدول 3). نحن نفترض أن وضع العلامات تقدمي لم يكن ناجحا بسبب وضع العلامات اقتصر على الخلايا مع الأضرار الجسدية، مما يجعلها لا تستجيب. بالإضافة إلى ذلك، قد تكون منزعجة محطات ما قبل متشابك. على النقيض من ذلك، ووضع العلامات الوراء يقلل كلا من هذه المخاوف. كمية ومكان تطبيق صبغ يمكن تعديلها وفقا لدائرة معينة تجري دراستها. يحدث وضع العلامات القصوى مع أكبر تركيز الصبغة، التي حققنا باستخدام أسلاك التنغستن المغلفة. ومع ذلك، لوصفها محاور عصبية مع ديتوقعات EP، صبغ قد تؤتي ثمارها إبرة التنغستن كما هو المتقدم. في هذه الحالات، فإن حقن الضغط سيكون أكثر ملاءمة. امتصاص الصبغة والنقل والسريع، مع محاور المسمى في إعداد وجودنا مرئية في أقرب وقت 2 ساعة بعد الحقن وصفت محاور إضافية تظهر في وقت متأخر من 6 ساعات بعد الحقن. وهكذا، ووضع العلامات والتسجيل يمكن أن تتم في يوم واحد، والقضاء على الصعوبات التقنية المرتبطة جراحة البقاء على قيد الحياة. سوف تختلف توقيت لكل تطبيق اعتمادا على المسافة اللازمة لنقل الصبغة.
جانب آخر بالغ الأهمية هو وضع قطب كهربائي. فمن المهم للدخول إلى إغلاق الأنسجة إلى موقع محوار المسمى لمنع انسداد طرف. لالأنسجة الكثيفة مثل في العلا، لذلك، ساق طويلة رقيقة على القطب تسجيل يقلل من الحركة الزائدة من الأنسجة المحيطة. إذا لم يتم التوصل إلى تسجيل نجاح في المحاولة الأولى، كرر مع أقطاب جديدة حتى يتم الحصول على تسجيل أو TISSتعطل UE إلى النقطة التي محوار لم تعد مرئية. ومع ذلك، فمن المهم أيضا أن تضع بسرعة القطب بجانب محور عصبي لتقليل كمية من التعرض فلوري، الذي يمكن أن يسبب الضيائية والتبييض ويمكن أن تؤثر الخصائص الفيزيولوجية للخلية 29-31.
مرة واحدة يتم شفط قطعة من محور عصبي بنجاح في القطب تسجيل، ويمكن الحصول على تسجيلات لعدة ساعات. إذا فقدت وحدة باستمرار في أقل من 1 ساعة، والنظر في جعل نصائح أصغر الكهربائي لمنع اكسون من الانزلاق خارج. من ناحية أخرى، صغيرة جدا من تلميح قد يؤدي إلى انسداد، وانخفاض إشارة إلى الضوضاء، أو الأضرار التي لحقت محور عصبي. انخفاض مطرد في ارتفاع السعة و 'العودة' وحدة مع شفط إضافية هو إشارة إلى أن الطرف كبير جدا. الكثير شفط قد تسبب ضررا لا يمكن إصلاحه لمحور عصبي. حل واحد هو السماح لتسرب صغير في خط الهواء وبالتالي فإن الضغط يعود ببطء إلى الصفر. التعادل بسرعة الوضغط ه يؤدي إلى عابر نسبي-الخارج 'دفع' والذي قد طرد محور عصبي.
على الرغم من أن هذه التقنية تمثل ميزة كبيرة للحصول على تسجيلات المستهدفة من الخلايا العصبية التي تم تحديدها الإسقاط، فإنه لن يكون من المفيد للتمييز interneurons المحلية، كما ستتخذ صبغ من قبل جميع أنواع الخلايا في موقع الحقن. نظريا، قد يكون استخدام fluorophores متعددة مع مواقع حقن منفصلة تسمح هذه الطريقة لتوسيعها. على سبيل المثال، مقارنة أحادية مزدوجة مقابل وضع العلامات يمكن أن تستخدم لتمييز interneurons من الخلايا العصبية الإسقاط بعد الحقن المزدوج عند نقطتين في الدائرة 32. وبالمثل، يمكن الجمع بين استشفاف الوراء مع غيرها من التقنيات المتقدمة والتصوير، مثل اثنين من الفوتون التصوير، كما حدث مؤخرا في زيبرا فينش عالية مركز الصوتية (HVC) 32. أيضا، مناطق تسجيل تقتصر على تلك القريبة من السطح عند استخدام المجاهر epifluorescence، كما كنا فقط قادرة على حل 1 &مو؛ الهياكل م ضمن 30 ميكرون الأول من الأنسجة. ومع ذلك، يمكن تمديد هذا العمق من خلال استخدام تقنيات الفحص المجهري الأخرى، مثل اثنين من الفوتون المجهري 33 أو الهدف يقترن مستو المجهري إضاءة 34. وعموما، هذا الأسلوب يمثل تقدما هاما في دراسة الدوائر العصبية في الجسم الحي لأنه يمكن استخدامها لتسجيل واحد من الخلايا العصبية في كثير من دوائر مختلفة في مجموعة متنوعة من النظم نموذج – بما في ذلك تلك التي لا يمكن الوصول إليها نسبيا.
The authors have nothing to disclose.
التمويل المقدم من المؤسسة الوطنية للعلوم (IOS-1050701 لBAC)، والمعاهد الوطنية للصحة (NS54174 إلى SM وF30DC0111907 إلى AML-W.)، ومؤسسة أوهارا التذكارية والجمعية اليابانية لتعزيز العلوم (G2205 إلى TK ). نشكر ميكس جوليان لدعمه وتوجيهات حول موضوع التسجيلات محور عصبي خارج الخلية. نشكر كارل هوبكنز لتوفير غرفة تسجيل النموذج.
Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments |
Tricaine Methanesulfonate | Sigma-Aldrich | E10521 | MS-222 |
Gallamine Triethiodide | Sigma-Aldrich | G8134 | Flaxedil |
Lidocaine Hydrochloride | Sigma-Aldrich | L5647 | |
Hickman’s Ringer Solution | NA | NA | NaCl (6.48 g/l), KCl (0.15 g/l), CaCl2•2H20 (0.29 g/l), MgSO4 (0.12 g/l), NaHCO3 (0.084 g/l), NaH2PO4 (0.06 g/l) |
Peristaltic Pump | Gilson or Rainin | Minipulse 3 Model 312; RP-1 | 10.0 ± 1.0 rpm, Alternatively, a gravity-fed line with a flow-meter |
Dissection Microscope | Nikon | SM2645 | |
Super Glue | Super Glue Corporation | SGH2 | 2g tube |
Omni Drill 35 | World Precision Instruments | 503-598 | |
Ball Mill Carbide Drill Bit #1/4 | World Precision Instruments | 501860 | 0.19 DIA (bit diameter = 0.48 mm) |
Low Temp Cautery Kit | World Precision Instruments | 500391 | |
Manual Micromanipulator | World Precision Instruments | M3301R | |
Dextran Conjugated Alexa Fluor 568 | Invitrogen | D-22912 | 2mM concentration; 10,000MW The choice of dye wavelength should be selected to match the microscope filter settings |
Epifluorescent Microscope | Nikon | E600 FN | A remote focus accessory is helpful for fine focus TRITC filter – or appropriate filter to match focal planes for different dye wavelengths |
Low Power Objective | Nikon | 93182 | CFI Plan Achromat Series, 4X N.A. 0.1, W.D. 30mm |
High Power Objective | Nikon | 93148 | CFI Fluor Series, 40X WI N.A. 0.8, W.D. 2.0 mm |
White Light Source | Dolan-Jenner | Model 190 | Fiber Optic Illuminator |
Fluorescent Light Source | Lumen Dynamics | X-Cite 120Q | |
Low-light Level Camera | Photometrics | CoolSnap ES | |
Digital Manometer | Omega Engineering | HHP-201 | |
Motorized Micromanipulator | Sutter Instruments | MP-285 | |
Headstage | Molecular Devices | CV-7B | Axon Instruments |
Amplifier | Molecular Devices | MultiClamp 700B | Axon Instruments |
Data Acquisition System | Molecular Devices | Digidata 1322A | Axon Instruments |
Isolated Pulse Stimulator | A-M Systems | 2100 | |
Flaming/Brown Micropipette Puller | Sutter Instruments | P-97 | Program settings for our application: Heat: ramp + 1, Pull: ‘0’, Velocity: 60, Time: 90 Box filament |
Pipette Glass | World Precision Instruments | 1B100F-4 | Borosilicate capillary glass with filament (1 mm OD, 0.58 mm ID) |