Burada, bir beyin sapı dilimi içinde tonotopik özelliklerin ve gelişimsel yörüngelerin araştırılması için tavuk embriyosunun koronal olmayan işitsel beyin sapı dilimlerinin elde edilmesine yönelik bir protokol sunuyoruz. Bu dilimler, geleneksel koronal kesitlerin tek bir dilim düzlemi içindeki daha büyük tonotopik bölgeleri kapsayan sagital, yatay ve yatay / enine bölümleri içerir.
Tavuk embriyosu, tonotopik (yani frekans) eksen boyunca farklı şekilde yönlendirilmiş son derece uzmanlaşmış mikrodevre ve nöronal topolojiden oluşan işitsel beyin sapını incelemek için yaygın olarak kabul edilen bir hayvan modelidir. Tonotopik eksen, rostral-medial düzlemde yüksek frekanslı seslerin ayrılmış kodlamasına ve kaudo-lateral bölgelerde düşük frekanslı kodlamaya izin verir. Geleneksel olarak, embriyonik dokunun koronal beyin sapı dilimleri, göreceli bireysel izo-frekanslı laminanın çalışmasına izin verir. Bireysel izo-frekans bölgelerine ait anatomik ve fizyolojik soruları araştırmak için yeterli olsa da, tonotopik varyasyonun incelenmesi ve daha büyük işitsel beyin sapı alanlarında gelişimi biraz sınırlıdır. Bu protokol, alt işitsel beyin sapındaki frekans bölgelerinin daha büyük gradyanlarını kapsayan tavuk embriyolarından beyin sapı dilimleme tekniklerini bildirmektedir. Tavuk işitsel beyin sapı dokusu için farklı dilimleme yöntemlerinin kullanılması, tonotopik özelliklerin ve gelişimsel yörüngelerin daha büyük gradyanlarının koronal kesitlerden daha iyi korunduğu bir beyin sapı dilimi içinde elektrofizyolojik ve anatomik deneylere izin verir. Çoklu dilimleme teknikleri, işitsel beyin sapı mikrodevrelerinin çeşitli anatomik, biyofiziksel ve tonotik özelliklerinin daha iyi araştırılmasına izin verir.
Tavuk embriyosu, hücre biyolojisi, immünoloji, patoloji ve gelişimsel nörobiyoloji dahil olmak üzere çok sayıda ve çeşitli bilimsel alanlarda temel biyolojik soruları incelemek için değerli bir araştırma modelidir. Tavuk işitsel beyin sapının mikro devresi, işitsel morfoloji ve fizyoloji açısından anlaşılabilecek son derece uzmanlaşmış bir devrenin mükemmel bir örneğidir. Örneğin, Rubel and Parks (1975) ilk olarak tavuk çekirdeği magnocellularis (NM) ve nucleus laminaris’in (NL) tonotopik yönelimini (yani frekans gradyanı), sagital düzleme göre ~ 30 ° yönlendirilmiş çekirdeklerin ekseni boyunca doğrusal bir fonksiyon olarak tanımlamıştır. NM ve NL’deki bireysel nöronlar, karakteristik frekansları (CF) olarak bilinen en iyi ses frekanslarını, rostral-medial düzlem boyunca kaudo-lateral bölgeye kodlarlar. Yüksek frekansa duyarlı nöronlar rostral-medial bölgededir ve düşük frekansa duyarlı nöronlar kaudo-lateral olarak bulunur. Bu nedenle, tonotopik özellikleri incelemek için işitsel beyin sapı dokusunun geleneksel diseksiyon yöntemleri, ardışık koronal dilimleri kullanmıştır. Gerçekten de, gelişmekte olan tavuk embriyolarının işitsel mikro devreleri, on yıllardır 1,2,3,4,5,6 için ardışık kaudal-rostral koronal düzlem beyin sapı dilimleri aracılığıyla tonotopik işitsel fonksiyonların sinyal işlemesini incelemek için bir model sistem olarak kurulmuştur.
Bununla birlikte, NM ve NL’nin tonotopik organizasyonu topolojik ve morfolojik olarak kıvrımlıdır. İşitme siniri girdileri, yüksek CF girişlerinin, bir adendritik NM hücresinin somatik çevresinin en az dörtte birini kaplayan ampul benzeri yapılarda sona ereceği şekilde dağıtılır. Tersine, düşük CF girişleri uç ampul benzeri terminallerle değil, NM nöronlarının dendritleri üzerinde çoklu bukon sinapslarıyla düzenlenir. Orta CF girişleri hem uç ampul hem de buton benzeri sinapslar 4,7,8,9,10,11,12 olarak sona erer. NL’de, oldukça klişeleşmiş dendritik gradyan sadece dendritik uzunlukta değil, aynı zamanda dendritik genişlikte de belirgindir. Bu eşsiz dendritik gradyan, tonotopik eksene yakından uyar. Dendritler, sırasıyla yüksek ila düşük CF nöronlarından uzunlukta 11 kat ve genişlikte beş kat artışa uğrar,6. Bu çekirdeklerin koronal dilimlerdeki bu tür kıvrımlı dağılımlarının üstesinden gelmek için, bu protokol sagital, yatay ve yatay / enine düzlemlerde diseksiyon yaklaşımlarını tanımlar. Bu dilimleme teknikleri, bireysel bir dilim düzleminde maksimum tonotopik özellikler sergileyen işitsel beyin sapı dokusu örnekleri sağlar.
Tavuk embriyonik beyin sapı dokusunun koronal bölümleri, on yıllardır göreceli bireysel izo-frekanslı laminanın incelenmesine izin vermiştir 1,2,5. Bununla birlikte, tavuk işitsel beyin sapının tonotopik (yani frekans) organizasyonu topolojik olarak kıvrımlıdır ve spesifik araştırma sorusuna bağlı olarak diğer anatomik eksenlerde daha erişilebilir olabilir. Bireysel izo-frekans bölgelerine ait anatomik ve fizyolojik soruları araştırmak için yeterli olmasına rağmen, tonotopik varyasyonların incelenmesi ve daha büyük işitsel beyin sapı alanlarında gelişimi koronal kesitlerle sınırlıdır. Bu sınırlamanın üstesinden gelmek için, bu protokol, bireysel bir beyin sapı bölümünde maksimum tonotopik özellikler ve gradyanlar sergileyen işitsel beyin sapı dokusunun ek örneklerini sağlamak için sagital, yatay ve yatay / enine düzlemlerdeki yaklaşımları açıklar.
İşitsel beyin sapı bölgelerinin Sagital bölümleri, farklı tonotopik alanların koronal kesitlere kıyasla dilim içinde daha geniş bir bölgeye dağıldığını göstermektedir (sagital işitsel alan = ~ 300-600 μm, koronal işitsel alan = ~ 200-350 μm). Örneğin, NM ve NL bölgeleri, sagital kesitlerde rostro-kaudal eksen boyunca daha geniş bir alan üzerinde görselleştirildi (örneğin, Şekil 2B) ve bu anatomik eksen boyunca uzanan fonksiyonel tonotopik gradyan büyük ölçüde tek bir sagital dilim içinde yer aldı. Bu, daha önce14,15 olarak bildirilen rostral-kaudal gradyan boyunca değişen intrinsik nöronal farklılıkların akım-kelepçe kayıtları ile daha da doğrulanmıştır (örneğin, Şekil 3C, D). Tonotopik eksen boyunca anatomik ve immünohistokimyasal özellikleri vurgulayan gelecekteki deneyler, tek bir sagital dilim düzlemi içindeki işitsel özelliklerin bilinen gradyanlarını daha fazla araştırabilir. Bunlar, bunlarla sınırlı olmamak üzere, dendritik mimarinin bilinen gradyanları ve daha önce ardışık koronal bölüm16’da gösterilen NM ve NL’nin içsel özellikleri olan MAP2 boyama ve potasyum kanal ekspresyon paternlerini içerir.
İşitsel beyin sapı bölgelerinin yatay bölümleri, NM ve NL’nin orta hatta doğru yerleştirildiğini göstermektedir. İşitsel aksonal liflerin bir kısmı yatay düzleme çapraz veya dik olarak uzanır (Şekil 4). Bu lifleri, sagital düzleme 45 ° akut açısal bir dilim yapılarak takip edilebilir. Ortaya çıkan yatay / enine dilimler sagital veya yatay dilimlerden daha büyüktü ve uzun aksonal lifler hem ipsilateral hem de kontralateral taraflar için rostro-kaudal eksen boyunca ilerledi. Hem NM hem de NL, daha büyük bir diyagonal bölgede (~ 400-700 μm) görselleştirilebilir, böylece kontralateral bağlantılar lateral-medial bir eksen boyunca görselleştirilebilir. Ek olarak, yatay/enine dilim düzlemi, işitsel bölgelerin ve ortaya çıkan tonotopik gradyanın nasıl açısal bir dönüş yaptığını da gösterir (Şekil 5). Kontralateral bağlantıların daha geniş bir alanda açısal maruziyeti, bu dilimleri elektrofizyolojik stimülasyon ve mikrodevre çalışmaları için geleneksel koronal dilimlerden daha uygun hale getirir.
Ek avantajlar
İşitsel mikrodevrelerin oluşumu, nöronal sağkalımı, sinaptogenezi, aksonal farklılaşmayı, dendritik mimariyi ve olgunlaşmayı teşvik eden ipuçlarının mekansal zamansal koordinasyonunu gerektirir. Bu nedenle, tavuk embriyosu işitsel mikrodevresinin alternatif bir beyin sapı bölümleri aşağıdaki araştırma konuları için kullanılabilir: topografik olarak farklı boyutlarda nöronların morfolojik organizasyonu; tüm işitsel ve vestibüler çekirdeklerin bağlantılarını organize etmek ve haritalamak; izo-frekans ve tonotopik düzlemlerde devre bileşenlerinin aktivite paternlerinin tanımlanması ve karakterizasyonu; uyarıcı ve inhibitör mikrodevrelerin topografik organizasyonu ve uzmanlaşmış nöron popülasyonları (çekirdekler) ile ilişkileri; işitsel çekirdek nöronların uzamsal konumu ve prediktif CF17; spesifik tonotopik nöronal tiplerin sistematik olarak hedeflenmesi; progenitör hücrelerin izlenmesi ve korunmuş çekirdeklere gelişimleri; nöronal devrelerin evrimine hücrelerin genetik soyu18; türler arasında karşılaştırmalı beyin sapı anatomisi; Deiter’in vestibüler kompleksi (DC)19 gibi vestibüler devrelerin araştırılması; ve vestibüler çekirdekler arasında senkron ve çapraz konuşma.
Farklı dilim düzlemleri kullanan çok yönlü bir yaklaşım, beyin sapı mikrodevrelerinin bilinmeyen anatomik ve biyofiziksel özellikleri hakkındaki temel soruları cevaplamaya yardımcı olabilir. İyi bir örnek, majör işitsel çekirdekler (NM, NA, NL ve SON) ile lateral lemniscusun dorsal çekirdeği (LLDp), semilunar çekirdeği (SLu)20 ve teğetsel çekirdek (TN)3 dahil olmak üzere vestibüler çekirdekler arasındaki ilişkidir. Bununla birlikte, bu protokolün ve bu dilim tabanlı çalışmaların bazı sınırlamaları vardır.
Önlemler ve sınırlamalar
Deneyleri yapan kuruma bağlı olarak, etik kurallar ve tavuk embriyolarının işlenmesi farklılık gösterebilir. Ulusal Sağlık Enstitüleri Laboratuvar Hayvanlarının Bakımı ve Kullanımı için Kılavuzlar hızlı kafa kesmeye izin verirken, tavuk embriyosu ötenazisi21 için alternatif yöntemler vardır. Erken gelişen tavuk embriyosu beyin sapı dokusu, yaşlı embriyolara kıyasla yumuşak ve hassastır. Yüzeyde, bunları çıkarırken ekstra dikkat gerektiren birkaç bağlantıya ve kan damarına sahiptir. Doku buz gibi soğuk dACSF’de tutulmalı ve canlılığı arttırmak için %95 O 2/%5 CO2 ile perfüze edilmelidir.
Sagital dilimleme yöntemi sadece ipsilateral tonotopi için yararlıdır. Bu dilimleme yöntemi, kullanımı güvencesiz olabilecek koronal dilimlerden daha büyük dilimler sağlar. Bununla birlikte, başka bir yerde ayrıntılı olarak açıklanan çapraz iğne yöntemlerini kullanarak dilimleri kesebilirsiniz22. % 4 LMP agaroz bloğu gömülü beyin sapı kullanmak, hassas yapıları dilimler halinde koruyabilir, ancak aşırı sıcak agaroz dökülmemesine dikkat edilmelidir. Agaroz bloke edilmiş beyin sapını ~ 1 dakika boyunca soğutulmuş bir ortama yerleştirerek hızlı bir şekilde ayarlamak, dilimleri elektrofizyolojik kayıtlar için daha uygun hale getirir.
Süper yapıştırıcının aşırı miktarlarda uygulanması toksik olabilir. Minimum düzeyde uygulanmalı ve fazla miktarlar dACSF’yi değiştirerek derhal yıkanmalıdır. Akut açısal (45 °) dilimler için, agaroz bloğunun açısını kesmek kritik öneme sahiptir; agaroz bloğunu keskin bir bıçakla keserken ön açıyı görmek için bir ayna kullanılabilir. Ticari olarak temin edilebilen bıçaklar, alkolle silinmesi ve kullanımdan önce kurutulması gereken bir balmumu kaplamasına sahip olabilir. Aksonal fiber tutamları kortikal veya matris dokudan daha sert olduğu için vibratom kesme hızı ve frekansı için optimizasyon gereklidir. Yüksek genliğin korunması ve soğutulmuş diseksiyon solüsyonunun kullanılması doku hasarını önleyebilir.
Tüm çözeltiler taze hazırlanmalı ve % 95 O 2/5% CO 2 köpürtüldükten sonra ACSF’ye Ca2 + ve Mg2 + eklenmelidir. Aksi takdirde, Ca 2+ yağışolabilir. Dilimleri vibratom içinde nazikçe işlemek için bir boya fırçası kullanılmalıdır. Mümkünse toplam dilimleme süresini 15 dakikanın altında tutun. Beyin sapı dilimlerini manevra yapmak için cam Pasteur pipet kullanılabilir.
Elektrofizyolojide kullanılan dilimlerle temas eden cam eşya ve ekipmanlar için deterjan veya aşındırıcı yıkama maddeleri kullanmayın. Çekilen görüntüler, diferansiyel girişim kontrastı (DIC) optikleri altında 200-300 μM kalınlığında dokunun görünümünü temsil etmektedir. Görsel kalite, immünohistokimya veya elektron mikroskobundan daha düşük olacaktır, ancak bir deneycinin elektrofizyolojik kayıtlar yaparken ne göreceğini doğru bir şekilde yansıtır.
Alternatif bir anatomik eksen boyunca mikrodevrelerin erken gelişimi ile ilgili çalışmalar, ister dorsal-ventral, rostral-kaudal veya ipsilateral-kontralateral olsun, tavuk işitsel beyin sapında sınırlıdır. Bunun bir nedeni, beyin sapındaki transkripsiyonel kodların ve tonotopik gelişimin düzenlenmesinin rolünün hala tam olarak anlaşılamamasıdır. Yukarıdan aşağıya modülasyon ve spontan aktivite gibi fonksiyonel fenomenler, in vitro aktiviteyi gözlemlerken sıklıkla kaybolur. Bununla birlikte, in vivo araştırma, yalnızca bu dilim koşullarında mümkün olan spesifik ve doğrudan tek nöron kayıtları ile tamamlanmaktadır. Farklı yönelimler boyunca beyin sapı dokusu elde etmenin iyileştirilmesi, tavuk işitsel beyin sapı mikrodevresindeki tonotopik gradyanların gelişimi ve karmaşıklığı hakkında anlayışlı bilgiler sağlayabilir.
The authors have nothing to disclose.
Bu çalışma NIH/NIDCD R01 DC017167 hibesi tarafından desteklenmektedir. Kristine McLellan’a makalenin önceki bir versiyonu hakkında editoryal yorumlar sağladığı için teşekkür ederiz.
Adobe photoshop 2021 | Adobe | ||
Anti-vibration table 30"x 36" – OTMC – 63533 | TMC | ||
Cell sens standard software | OLYMPUS | ||
Digidata 1440A | MOLECULAR DEVICES | ||
Digital amplifier multiclamp 700B | MOLECULAR DEVICES | ||
DSK line-up linearslicer pro7 | TED PELLA, INC | ||
Micromanipulator MPC-385 / OSI-MPC-385-2 | OLYMPUS AMERICA INC | ||
Micropipette puller P-97 | SUTTER INSTRUMENTS | ||
Microscope BX51W1 | OLYMPUS AMERICA INC | ||
MS ICE software | Microsoft Corporation | ||
Ohaus balance model AV212 | Ohaus Adventurer | ||
Olympus DPSI0 /DPS80 camera | OLYMPUS | ||
pClamp and Axoclamp data Acquisition Softwares | MOLECULAR DEVICES | ||
pH meter lab 850 benchtop | SCHOTT INSTRUMENTS | ||
Sharp stainless blade | Dorco/Personna | ||
Vapor pressure osmometer model 5600 | WESCOR INC | ||
Water purification systems Smart2pure 6UV/UF | Thermo Scientific | ||
Chemicals- list | |||
Agrose Low melt IB70051 | IBI SCIENTIFIC | ||
CaCl2 (Calcium Chloride) | ACROS organics | ||
Cynergy instant adhesive CA6001 | Resinlab | ||
Dextrose (D-(+)-glucose) | VWR Life Science | ||
Ethyl alcohol | IBI SCIENTIFIC | ||
KCl (Potassium Chloride) | Amresco.Inc | ||
MgCl2 (Magnesium Chloride) | Sigma-Aldrich | ||
NaCl (Sodium Chloride) | Amresco.Inc | ||
NaH2PO4 (Sodium Dihydrogen Phosphate) | Amresco.Inc | ||
NaHCO3 (Sodium Bicarbonate) | Amresco.Inc |