ויזואליזציה immunohistochemical של היפוקמפוס Neuron פעילות לאחר מרחבי למידה במודל עכבר של הפרעות נוירו-התפתחותי
Summary
אנו מתארים פרוטוקול אימונוהיסטוכימיה ללמוד את הפרופיל של הפעלת תא עצב בהיפוקמפוס בעקבות חשיפה למשימה למידה מרחבית במודל של עכברים מתאפיינים בליקויים קוגניטיביים ממוצא התפתחות נוירולוגית. פרוטוקול זה יכול להיות מיושם על שני המודלים של העכברים גנטיים או תרופתיים המאופיין בליקויים קוגניטיביים.
Abstract
אינדוקציה של קינאז phosphorylated מוסדר תאי (הטבה) היא קריאת נתונים מולקולריות אמינה של הפעלה עצבית למידה תלויה. כאן, אנו מתארים פרוטוקול אימונוהיסטוכימיה הטבה ללמוד את הפרופיל של הפעלת תא עצב בהיפוקמפוס בעקבות חשיפה למשימה למידה מרחבית במודל של עכברים מתאפיינים בליקויים קוגניטיביים ממוצא התפתחות נוירולוגית. באופן ספציפי, אנחנו משמשים immunostaining ההטבה ללמוד הפעלה עצבית הבאות מבוך המים מוריס (MWM, משימת למידה בהיפוקמפוס תלוי קלסית) בEngrailed-2 נוקאאוט (En2 – / -) עכברים, מודל של הפרעות ספקטרום האוטיסטי (ASD). בהשוואה לפרא-סוג פקדים (WT), En2 – / – עכברים הראו גירעונות למידה מרחבית משמעותיים בMWM. לאחר MWM, הבדלים משמעותיים במספר תאי עצב הטבה חיובי אותרו בתת תחומים ספציפיים בהיפוקמפוס של En2 – / – עכברים, בהשוואה לבעלי החיים WT. כך, הפרוטוקול שלנו יכול וחסונה לזהות הבדלים בנוירונים הטבה חיוביים הקשורים לירידת ערך למידה בהיפוקמפוס תלוי במודל עכבר של ASD. באופן כללי יותר, הפרוטוקול שלנו יכול להיות מיושם לחקור את הפרופיל של הפעלת תא עצב בהיפוקמפוס בשני המודלים של העכברים גנטיים או תרופתיים המאופיין בליקויים קוגניטיביים.
Introduction
הפרעות התפתחותיות כוללות קבוצה רחבה והטרוגני של הפרעות כגון תסמונת דאון, תסמונת X השביר (FXS), תסמונת רט, נוירופיברומטוזיס, טרשת גבשושית וASD, שבפיתוח וההבשלה של מערכת העצבים המרכזית (CNS) מופרעת מוקדם במהלך התקופה טרום לידה 1. תפקוד המוח התפתחותית אלה יכול לגרום לתופעות עמוקות, לכל החיים על תפקוד מוטורי, שפה, למידה ותהליך הזיכרון. שפע של גורמים גנטיים וסביבתיים היה מעורב בפתוגנזה של הפרעות התפתחותיות במהלך השנים האחרונות 2,3. גם אם המנגנונים המולקולריים שבבסיס הפנוטיפ הקליני אינו ידועים, הממצאים הנ"ל אפשרו הפיתוח של מספר מודלים עכבר של הפרעות אלה. גירעונות למידה וזיכרון זוהו במספר המודלים האלה עכבר כגון Tsc1 +/-, Tsc2 +/-,NF1 +/- וEn2 – / – עכברים 2,4-7. אתגר חשוב בתחום של הפרעות התפתחותיות הוא זיהוי של תהליכים תאיים ומולקולריים שבבסיס זיכרון ולמידת תפקוד לקוי. מסלולי איתות נבחרים הופעלו במהלך למידה או זיכרון יכולים לגרום לשעתוק של גנים ספציפיים וסופו של דבר להוביל לדה נובו סינתזת חלבון. שינויים סינפטיים גנים מיידיים-מוקדם הפעלה (IEGs) וחלבון תלוי מושרים במהירות בתאי עצב במוח בתגובה לפעילות עצבית ואימון התנהגותי 8,9.
גירעונות במסלולי איתות מעורבים neurofibromin נקשרו עם למידה לקויה בהפרעות התפתחותיות. Neurofibromin הוא התוצר של גן NF1, מוטציה שגורם לסוג 1 נוירופיברומטוזיס, תסמונת גנטית מורכבת מאופיינת בגידולים של מערכת עצבים, עיכובים התנהגותיים ומוטוריים, וDisa קוגניטיביתbilities 10. הטרוזיגוטיים עכברים למחיקת NF1 המוגבלים לנוירונים מעכבים להראות גירעונות בשלב המוקדם של הגברה לטווח ארוך (LTP), כמו גם למידה מרחבית נפגעה בMWM 5,11,12. מעניין לציין, חוסר NF1 במודל עכבר זה מוביל להפעלת יתר של איתות ראס בinterneurons המעכבת במהלך למידה, וכתוצאה מכך זירחון ERK גדל ולבסוף בשיפור חריג של שחרור GABA מהנוירונים האלה 5.
בהתבסס על ממצאים אלה, להדמיה של פעילות עצבית לאחר משימות התנהגותיות מייצגת דרך לשחזר מעגלים ספציפיים מעורבים במחלות נוירו-התפתחותי. פרוטוקול אימונוהיסטוכימיה המתואר כאן מטרה להעריך ולכמת רמות זירחון ERK היפוקמפוס הבאות MWM במודל עכבר ASD עם ליקויים קוגניטיביים. MWM נעשה שימוש נרחב לחקור למידה בהיפוקמפוס תלויה במרחב ובזיכרון במכרסמים 13,14 </sעד>. אנחנו מחליטים להשתמש זירחון ERK כקריאת נתונים מולקולריים של למידה בהיפוקמפוס משימה תלויה, מאז ERK הוצג לי תפקיד חיוני בלמידה וזיכרון היווצרות 15. יתר על כן, מסלול ERK הוא הכרחי לפלסטיות ניסיון תלוי בפיתוח החזותית 16 הקליפה. לבסוף, עכברים חסרי אחד משני ERK isoforms (ERK2) בתכנית של מערכת העצבים המרכזית מסומנים חריגות בהתנהגות קוגניטיבית, רגשית וחברתית 17, מצביעים על כך שאיתות ERK עשויה לשחק תפקיד קריטי בפתוגנזה של הפרעות התפתחותיות כגון אוטיזם.
השתמשנו Engrailed 2 נוקאאוט (En2 – / -) עכברים כמודל של הפרעות התפתחותיות. En2 – / – עכברים להראות תכונות אנטומיים והתנהגות "כמו-ASD", לרבות אובדן interneurons המוח הקדמי 18, ביטוי מופחת של גנים הקשורים-ASD 19, ירד חברותיות, וגמישות מחשבתית לקויה 6,7,20. learni מרחביng ופגמי זיכרון, כמו אלה שהתגלו בMWM, הם חזקים במיוחד בEn2 – / – עכברי 6,7 ועשוי להיות רלוונטי לליקויים קוגניטיביים שנצפו בחולי ASD 21. יתר על כן, הראתה שהלמידה מרחבית לקויה בMWM קשורה ביטוי neurofibromin מופחת ורמות גבוהות הטבה בhilus של En2 – / – עכברים בוגרים 7. כאן אנו מציגים את הפרוטוקול מפורט לאפיון immunohistochemical של ההטבה הבאה MWM במודל עכבר ASD זה.
Protocol
Representative Results
Discussion
כאן, אנו מספקים פרוטוקול אימונוהיסטוכימיה הטבה לחשיפת הפעלה עצבית הבאה MWM בEn2 – / – עכברים, מודל עכבר של הפרעות התפתחותיות. רמות ירידה של ההטבה אותרו בתת-תחום CA3 של En2 – / – מוטציות לעומת WT. באופן שונה ממה שנצפה בתת-תחום CA3, עלייה כללית של נוירונים הטבה חיוביים זו?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מבקשים להודות לצוות הניהולי של CIBIO (אוניברסיטת טרנטו) וCNR Neuroscience מכון לסיוע. ג'ובאני פרובנצאנו נתמך על ידי פוסט דוקטורט מFondazione Veronesi (מילאנו, איטליה). עבודה זו מומנה על ידי המשרד האיטלקי של אוניברסיטות ומחקר (PRIN 2008 מענק # 200894SYW2_002 וprin 2,010-2,011 מענק # 2010N8PBAA_002 לYB), אוניברסיטת טרנטו (מענק CIBIO הזנק לYB) וקרן Telethon (GGP13034 # מענק ל YB).
Materials
| EthoVision XT 8 | Noldus Information Technology | This software platform is not a requirement – there are many other behavioral softwares on the market. | |
| Tempera Paint | Giotto – Fila Group Company | White and liquid, non toxic. Used to prepare opaque water in the Morris water maze. | |
| Vibratome | Leica | VT1200 | Equivalent models from other companies can be used. |
| 24 well plate | Sigma | CLS3524 | |
| 100% ethanol | Fisher Scientific | A406-20 | Used to make ethanol gradient for dehydration prior to slide mounting. |
| Xylene | VWR | 66004-950 | Toxic – to be used under hood. Change xylene every month depending on use. |
| Sodium Azide | Sigma | S2002 | |
| PBS | Sigma | P3813-10PAK | |
| ddH2O | |||
| Triton X-100 | Sigma | T-8787 | |
| Hydrogen Peroxide | Sigma | H1009-100ML | |
| Normal Goat Serum | Abcam | G9023-10ML | |
| ABC kit Vectastain | Vector Laboratories | PK-6100 | Add in a volume of 5 ml of PBS 2 drops of reagent A, mix and then add 2 drops of reagent B and mix. |
| DAB peroxidase substrate | Vector Laboratories | SK-4100 | Add in a volume of 5 ml ddH2O: 2 drops of buffer stock solution and mix; 4 drops of DAB and mix; 2 drops of H2O2 and mix. |
| pERK antibody | Cell Signaling Technologies | 4370 | Dilution 1:500 |
| Biotinylated Goat Anti-Rabbit IgG Antibody | Vector Laboratories | BA-1000 | Dilution 1:250 |
| SuperFrost Slides | Carl Roth | 1879 | |
| Coverslips | Fisher | 12-548-B | |
| DPX | Sigma | 317616 | Mounting medium for slides. Equivalent mounting medium can be used. |
| Microscope | Zeiss | Axio Imager.M2 | Equivalent microscope can be used. |
| Adobe Photoshop | Adobe Systems, San Jose, CA | To assemble images. | |
| Image J software | National Institute of Health | Free software can be downloaded at http://rsb.info.nih.gov/ij/ | |
| SigmaPlot 11.0 | Systat Software Inc. (USA) | Equivalent softwares for statistical analysis can be used. | |
| Prism 6 | GraphPad Software, Inc. (La Jolla, CA, USA) | Equivalent softwares for statistical analysis can be used. |
References
- Castren, E., Elgersma, Y., Maffei, L., Hagerman, R. Treatment of neurodevelopmental disorders in adulthood. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 32, 14074-14079 (2012).
- Ehninger, D., et al. Reversal of learning deficits in a Tsc2+/- mouse model of tuberous sclerosis. Nature medicine. 14, 843-848 (2008).
- West, A. E., Greenberg, M. E. Neuronal activity-regulated gene transcription in synapse development and cognitive function. Cold Spring Harbor perspectives in biology. 3, (2011).
- Goorden, S. M., van Woerden, G. M., van der Weerd, L., Cheadle, J. P., Elgersma, Y. Cognitive deficits in Tsc1+/- mice in the absence of cerebral lesions and seizures. Annals of neurology. 62, 648-655 (2007).
- Cui, Y., et al. Neurofibromin regulation of ERK signaling modulates GABA release and learning. Cell. 135, 549-560 (2008).
- Brielmaier, J., et al. Autism-relevant social abnormalities and cognitive deficits in engrailed-2 knockout mice. PloS one. 7, e40914 (2012).
- Provenzano, G., et al. Hippocampal dysregulation of neurofibromin-dependent pathways is associated with impaired spatial learning in engrailed 2 knock-out mice. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 34, 13281-13288 (2014).
- Morgan, J. I., Curran, T. Stimulus-transcription coupling in neurons: role of cellular immediate-early genes. Trends in neurosciences. 12, 459-462 (1989).
- Steward, O., Schuman, E. M. Protein synthesis at synaptic sites on dendrites. Annual review of neuroscience. 24, 299-325 (2001).
- Gutmann, D. H., Parada, L. F., Silva, A. J., Ratner, N. Neurofibromatosis type 1: modeling CNS dysfunction. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 32, 14087-14093 (2012).
- Costa, R. M., et al. Mechanism for the learning deficits in a mouse model of neurofibromatosis type 1. Nature. 415, 526-530 (2002).
- Silva, A. J., et al. A mouse model for the learning and memory deficits associated with neurofibromatosis type. I. Nature. 15, 281-284 (1997).
- Morris, R. G., Garrud, P., Rawlins, J. N., O’Keefe, J. Place navigation impaired in rats with hippocampal lesions. Nature. 297, 681-683 (1982).
- Praag, H., Kempermann, G., Gage, F. H. Running increases cell proliferation and neurogenesis in the adult mouse dentate gyrus. Nature. 2, 266-270 (1999).
- Adams, J. P., Sweatt, J. D. Molecular psychology: roles for the ERK MAP kinase cascade in memory. Annual review of pharmacology and toxicology. 42, 135-163 (2002).
- Di Cristo, G., et al. Requirement of ERK activation for visual cortical plasticity. Science. 292, 2337-2340 (2001).
- Satoh, Y., et al. ERK2 contributes to the control of social behaviors in mice. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 31, 11953-11967 (2011).
- Sgado, P., et al. Loss of GABAergic neurons in the hippocampus and cerebral cortex of Engrailed-2 null mutant mice: implications for autism spectrum disorders. Experimental neurology. 247, 496-505 (2013).
- Sgado, P., et al. Transcriptome profiling in engrailed-2 mutant mice reveals common molecular pathways associated with autism spectrum disorders. Molecular autism. 4, 51 (2013).
- Cheh, M. A., et al. En2 knockout mice display neurobehavioral and neurochemical alterations relevant to autism spectrum disorder. Brain research. 1116, 166-176 (2006).
- Dawson, G., et al. Defining the broader phenotype of autism: genetic, brain, and behavioral perspectives. Development and psychopathology. 14, 581-611 (2002).
- Gage, G. J., et al. Whole animal perfusion fixation for rodents. J Vis Exp. (65), (2012).
- Maei, H. R., Zaslavsky, K., Teixeira, C. M., Frankland, P. W. What is the Most Sensitive Measure of Water Maze Probe Test Performance. Frontiers in integrative neuroscience. 3, 4 (2009).
- Guzowski, J. F., Setlow, B., Wagner, E. K., McGaugh, J. L. Experience-dependent gene expression in the rat hippocampus after spatial learning: a comparison of the immediate-early genes Arc, c-fos and zif268. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 21, 5089-5098 (2001).
