In questo articolo descriviamo la procedura sperimentale piena di ricostruire, con alta risoluzione, l'anatomia del cervello multa di cervello di topo fluorescente. Il protocollo descritto prevede la preparazione del campione e di compensazione, il campione di montaggio per l'imaging, i dati post-processing e la visualizzazione multi-scala.
Capire l'architettura del cervello dei mammiferi a risoluzione singola cellula è uno dei temi chiave delle neuroscienze. Tuttavia, la mappatura soma neuronale e proiezioni in tutto il cervello è ancora difficile per le tecnologie di imaging e gestione dei dati. Infatti, i volumi macroscopici devono essere ricostruito con alta risoluzione e contrasto in un tempo ragionevole, producendo set di dati della gamma TeraByte. Abbiamo recentemente dimostrato un metodo ottico (microscopio confocale foglio leggero, CLSM) in grado di ottenere la ricostruzione micron scala di interi cervelli di topo marcate con la proteina fluorescente verde (EGFP). La combinazione di illuminazione foglio leggero e rilevazione confocale, CLSM permette l'imaging in profondità esemplari eliminato macroscopiche con elevato contrasto e velocità. Qui si descrive il gasdotto sperimentale completa per ottenere immagini complete e leggibili di interi cervelli di topo marcate con proteine fluorescenti. La compensazione e il p di montaggioROCEDURE sono descritte, insieme con la procedura per eseguire una tomografia ottica su tutto il suo volume acquisendo molti stack paralleli adiacenti. Abbiamo mostrato l'utilizzo di open-source strumenti software personalizzati che consentono cuciture dei più stack e la navigazione dei dati multi-risoluzione. Infine, abbiamo illustrato alcuni esempi di mappe cerebrali: il cervelletto di un topo transgenico L7-GFP, in cui tutte le cellule di Purkinje sono selettivamente etichettati, e tutto il cervello di un topo Thy1-GFP-M, caratterizzato da un casuale etichettatura neuronale sparse.
Rispetto alla nostra comprensione della funzione del cervello sottostante meccanismi molecolari e cellulari, la nostra conoscenza della neuroanatomia ammenda appare ancora nella sua infanzia 1. In realtà, ci manca ancora mappe complete della posizione di somata neuronale o di proiezioni a lungo raggio in tutto il cervello. In realtà, molti sforzi tecnologici sono dedicati a ricostruire il cervello di topo con una risoluzione microscopica. Metodi ottici basati sulla sezionamento seriale di campioni di resina-embedded, come la scansione Knife-Edge Microscopy (KESM) 2, Micro-Ottica Sezioni Tomografia (MOST) 3 e fluorescenza-MOST (fMOST) 4, in grado di fornire sub-micron di risoluzione tridimensionale immagini di interi cervelli del mouse. Tuttavia, il tempo totale necessario per la preparazione e l'imaging di un singolo campione è dell'ordine di diverse settimane, limitando l'applicazione pratica di tali metodi. Un'altra tecnica basata sulla sezionamento seriale (ma senza resina incasso), Serial Two-Fotone tomografia (STP) 5, permette alta risoluzione imaging tridimensionale. Tuttavia, questa tecnica è stata dimostrata in tutto il cervello di topo solo con un campionamento molto scarsa, la raccolta di 1 punto ogni 50 micron 5, e la nostra conoscenza STP non hanno ancora prodotto una ricostruzione completa campionamento di un cervello murino.
Un metodo ottico all'avanguardia per ricostruire esemplari interi in tre dimensioni ad alta velocità è luce microscopia foglio 6. In questo schema ottico il campione viene illuminato con un sottile foglio di luce e l'emissione di fluorescenza viene raccolto lungo un asse perpendicolare al piano di illuminazione. In questo modo solo i fluorofori a fuoco sono eccitati ed è possibile raggiungere sezionamento ottico in configurazione a grande campo, garantendo elevati frame rate. Quando accoppiato alla compensazione protocolli basati sulla sostituzione di acqua con un indice di rifrazione corrispondente liquido 7, microscopia foglio leggero è stato applicato aI campioni macroscopici, come interi del mouse cervelli 8. Tuttavia, campione indotta dispersione della luce che colpisce esemplari anche eliminato, degrada il foglio leggero porta alla eccitazione di out-of-focus fluorofori che aggiunge una generale sfocatura alle immagini acquisite.
Per raccogliere in modo selettivo solo i fotoni in-focus, abbiamo recentemente accoppiati luce di illuminazione foglio ad una schema di rilevamento confocale 9. In confocale microscopia ottica foglio (CLSM), out-of-focus e fotoni dispersi sono respinti da un filtro spaziale lineare (fessura) prima rilevazione (Figura 1). Per ottenere un funzionamento confocale in architettura foglio leggero, l'illuminazione è prodotta per mezzo di una linea di scansione, e un sistema di de-scansione nel percorso di rilevamento crea un'immagine statica della linea di scansione di eccitazione nella posizione della fessura. Un terzo sistema di scansione ricostruisce una immagine bidimensionale sul sensore fotocamera. CLSM offre un miglioramento del contrasto al 100% nel topo eliminatocervelli rispetto alla microscopia convenzionale foglio leggero, pur mantenendo una frequenza 10 Hz telaio. Con CLSM è possibile ricostruire interi cervelli di topi con risoluzione di 2 micron di XY e 9 micron di Z, e con un contrasto sufficiente per discernere neuroni singolo fluorescente.
In questo articolo descriviamo il gasdotto sperimentale per ricostruire un cervello di topo con CLSM. Mouse cervello aldeide-fisso sono disidratati in una serie graduata di tetraidrofurano senza perossido e successivamente abilitati senza perossido dibenzil etere (Figura 2), seguendo il protocollo sviluppato da Becker et al. 10 Il campione viene poi accuratamente eliminato montato su un capovolto piatto e posizionato nella camera di imaging di un microscopio confocale foglio leggero su misura. Il campione può essere montato direttamente immergendolo su una punta della piastra (figura 3a), in alternativa può essere incollato su un disco di gel di agarosio eliminato (Figura3b) o posto nella cavità di un becher in gel di agarosio eliminato (figura 3c). Viene quindi eseguita una tomografia ottica dell'intero cervello, come molti stack paralleli adiacenti sono acquisiti a coprire tutto il volume del cervello (Figura 4). Un campione pre-tomografia, che produce una mappa approssimativa del posto del campione e la forma, garantisce che l'imaging viene eseguita solo nel volume occupato dal campione. Gli stack di tomografia vengono successivamente cuciti insieme con un software su misura e salvati in un multi-risoluzione schema gerarchico 11. Cervelli del mouse possono eventualmente essere esplorate con prototipale software multi-risoluzione di visualizzazione di Google Maps-like. Entrambi questi strumenti software sono integrati come plugin nella piattaforma open-source Vaa3D 12.
Mostriamo infine immagini rappresentative di cervello di topo per dimostrare le capacità del gasdotto sperimentale descritto nello studio di multa neuroanatom murinoy.
CLSM accoppiato con compensazione chimica rappresenta un potente strumento per studiare la neuroanatomia di interi cervelli di topo marcate con sonde fluorescenti, sia proteine o coloranti sintetici. Dato che la luce emessa al di fuori del piano focale è bloccato da un filtro spaziale fisica, imaging a contrasto elevato è possibile anche in campioni di spessore, mantenendo gli elevati tassi di frame tipici dell'architettura foglio leggero.
Il problema principale da affrontare quando usando i metodi descritti è la massimizzazione del contrasto. Infatti, il segnale disponibile è ridotto sia da fattori chimici e ottici. Dal punto di vista chimico, le procedure di compensazione sulla base solvente organico possono saziare emissione da proteine fluorescenti ed altri coloranti fluorescenti 7. Filtrazione del solvente per rimuovere perossidi, come descritto da Becker et al. 10, consente di mantenere un buon livello di fluorescenza anche in tessuti solvente eliminato. PubblicareED all'acqua metodi di compensazione 14 non riducono l'efficienza di fluorescenza, ma causare un deterioramento della trasparenza quando si tratta di interi cervelli murini, almeno con tecniche ottiche lineari.
D'altra parte, al momento non sono presenti obiettivi commerciali con lunga distanza di lavoro corretti per l'elevato indice di rifrazione (n ≈ 1,56) compensazione soluzioni utilizzate. Pertanto, la mancata corrispondenza tra indice di rifrazione del mezzo in cui il campione viene immerso e la progettazione uno degli obiettivi consente una forte aberrazioni sferiche. Oltre a ridurre la risoluzione del microscopio, tali aberrazioni determinano una goccia di intensità dell'immagine e contrasto, poiché la luce viene diffusa su un'area più ampia. Le possibili soluzioni a questo problema includono l'uso di ottiche adattive 15 e / o correttori asferiche statiche.
Qualsiasi miglioramento del contrasto dell'immagine e l'intensità colpisce facilmente anche velocità di esposizione, da una breve neitempo grazione per immagine può essere scelto. Al momento CLSM può permettersi una velocità di esposizione di circa 10 6 micron 3 / sec, con un tempo di esposizione di fotocamera 100 msec 9. A questa velocità richiede da 1-3 giorni a immagine di un intero cervello di topo, a seconda delle dimensioni del campione. Anche se nessun degrado significativo della qualità dell'immagine è osservato nel corso di tale lunga sessione di imaging, soprattutto a causa della bassa photobleaching intrinseca della luce di illuminazione foglio 6, il tempo necessario per una singola immagine di cervello di topo potrebbe in pratica ridurre l'applicabilità del CLSM. Un aumento di 10 volte in efficienza del sistema, accoppiato con l'uso di una telecamera ad alta velocità per il rilevamento, ridurrà tempi imaging per diverse ore, consentendo un uso di routine del protocollo descritto.
Nonostante tutti i limiti sopra indicati, CLSM immagini accoppiato alla compensazione chimica di tessuti permette di ricostruire interi cervelli di topi con risoluzione micron scala in meno di unsettimana. Altri metodi ottici per tutta imaging cerebrale permettersi risoluzione superiore rispetto CLSM, ma al prezzo di preparazione e / o al tempo di imaging 2-4, o di un z campionamento ridotto 5.
I metodi descritti in questo articolo possono essere utilizzati in combinazione con diverse strategie per l'etichettatura fluorescente: animali transgenici che esprimono proteine fluorescenti in sottogruppi selezionati neuronali, trasfezione virale, iniezione colorante intraparenchimale, ecc In pratica, tutte le strategie di colorazione precedenti sacrificio animale sono compatibili con CLSM . Infatti, marcatura fluorescente post-mortem di intere cervello di topo non è stata dimostrata fino ad ora, in ogni caso, se tale genere di colorazione sarebbe possibile in un prossimo futuro, il numero di campioni che possono essere ricostruite con CLSM diventerà molto più grande, potenzialmente comprese tessuto cerebrale umano.
In conclusione, la microscopia confocale foglio leggero usato in combinazione con tiscompensazione Sue e la gestione dei dati multi-risoluzione possono consentire ai ricercatori di ricostruire e analizzare campioni macroscopici con una risoluzione nella scala micron, con gli sforzi tecnologici che sono ben al lato della maggior parte dei laboratori. Le applicazioni potenziali di CLSM sono naturalmente non limitato alle neuroscienze, ma si estende tutti i campi di ricerca in cui è già stato utilizzato la microscopia foglio leggero, come l'embriogenesi 16,17 e anatomia degli animali di piccola taglia 18.
The authors have nothing to disclose.
La ricerca che ha portato a questi risultati ha ricevuto finanziamenti dal Settimo programma quadro dell'Unione europea (FP7/2007-2013) nell'ambito di accordi di sovvenzione n. 228.334 e 241.526. Questo progetto di ricerca è stata sostenuta anche dalla borsa di ricerca Human Frontier Science Program (RGP0027/2009), e dal Ministero italiano dell'Istruzione, dell'Università e della Ricerca nell'ambito del Flagship Progetto Nanomax e dal Ministero della Salute italiano nel quadro della "Cellule staminali Invito a presentare proposte". Questa ricerca è stata svolta nel quadro delle attività di ricerca del ICON fondazione supportate da "Ente Cassa di Risparmio di Firenze".
Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
Phosphate Buffered Saline Tablets | Sigma-Aldrich | P4417_100TAB | |
Paraformaldehyde | Agar Scientific | R1018 | |
Peroxide-free Tetrahydrofuran | Sigma-Aldrich | 186562 | |
Aluminum oxide activated, basic, Brockmann I | Sigma-Aldrich | 199443 | |
Dibenzyl ether | Sigma-Aldrich | 108014 | |
Butylated hydroxytoluene | Sigma-Aldrich | W218405 | |
Agarose Type III-A, High EEO | Sigma-Aldrich | A9793 | |
Acrylic glue | Bostik | D2498 | |
Vaa3D software | open source | freely downloadable from http://www.vaa3d.org/ |