风暴之眼:显微技术在当代神经科学

神经科学家现在正面面对分离复杂电路的壮举在健康和患病的大脑。完全描述大脑如何出错等疾病的神经和神经退行性疾病严重取决于特定神经元亚型想象的能力。值得庆幸的是,分子神经科学已经彻底改变了先进的显微镜检查工具共焦激光扫描显微镜等结构化照明显微镜(SIM),直接随机光学显微镜(dSTORM),重建和受激发射损耗显微术(发生的)。在本文中,我们探讨如何推动这些令人兴奋的技术进步。

钓神经元

荧光激光扫描共焦显微镜使神经元的神经科学家获得三维图像分辨率极高。1的针孔的单位(1 AU)削减了背景噪音,创建一个图像具有更高的信噪比¹。约翰米勒,实验室技术员威尔康奈尔医学院,每周利用共焦显微镜和解释道,”我们组织的信号和空间大小太小,解决在普通荧光显微镜不会好看。共焦允许我们得到微米的分辨率。图片看起来更清洁、细胞圆,低噪音。”米勒的工作围绕着分析解剖定位无特征的神经回路参与成瘾和情绪障碍。荧光标记的神经示踪剂注入他特定的杏仁核神经元的数量和丘脑,贩卖的顺行或逆行各自突触合作伙伴,和大脑可以切片和共焦显微镜成像。

此外,他执行荧光原位杂交(鱼)20微米大脑切片,了解雌激素受体定位在兴奋性神经元影响过度饮酒和焦虑。虽然雌激素是已知典型作为甾类激素影响女性性发展,它还令人惊讶的行为在雄性和雌性的大脑迅速改变神经元的放电,后期,已经与药瘾,抑郁和焦虑^{2 - 4}。鱼是有利的在这种情况下,因为它允许神经科学家理解大脑中的神经元雌激素可能采取行动。荧光探针可以标签到三个不同的mRNA转录的神经元和共焦显微镜使可视化这些探针同时在所有的细胞层。“共焦显微镜给我一个好控制z飞机,这是有多深你的组织,给你一个更三维荧光神经元的结构表示。共焦生成可发布图片和让我们看到不同的细胞类型和细胞如何表达一个受体可能硝唑与另一个影响行为,”米勒说。

共焦荧光标记探针鱼的形象。信贷:约翰·米勒,威尔康奈尔医学

钙了洞察大脑发育

共焦显微镜也可以用来获取信息的神经和细胞活动的组织生活。阿曼达Acosta-Ruiz,博士生在威尔康奈尔医学生物化学,利用钙成像在两个住神经元和non-neuronal细胞的分子动力学metabotropic谷氨酸receptor-5(受体)。受体是一个大的一部分类受体的表达在多个脑区神经元影响彼此交流。“我们想了解mGluR5电路和海马的突触传递有助于调节学习和记忆形成自闭症谱系障碍和脆性X综合征等疾病。自激活受体导致钙流入进细胞内,我们可以用荧光蛋白标记和可视化钙流入或出流在亚细胞和细胞外的地区。”

而钙成像体外神经元可以揭示了很多关于信号通路、蛋白质动力学、神经元和细胞机制,最终在数以百万计的其他神经元网络实时工作。双光子显微镜(2 pe)允许神经科学家记录神经元活动在活的有机体内在清醒和动物的行为。这种技术使用两个低能光子激发荧光分子,减少光漂白、光毒性等,这是特别重要的,当大脑成像深入⁵。拿俄米夏,博士生在威尔康奈尔医学院神经科学,使用2 pe了解一定的思想或行动计划是在大脑和神经细胞的人口如何使这种信息流在很短的时间。“在活的有机体内与2 pe显微镜成像,我做给我跟踪单个神经元的能力从特定团体和他们的活动如何有助于大脑功能。2 pe是有利的结合研究最新进展的遗传工具和钙指标。”

如果解开分子个体神经元的概要文件和他们的群体活动是一项艰巨的任务,了解成千上万的突触连接的三维结构,积极链接这些神经元是可怕的。更好的治疗神经紊乱,理解如何组织突触,随后变得紊乱,是至关重要的。乔安娜吉萨博士,纽约城市大学博士教授、兼职教授威尔康奈尔医学,利用三维结构化照明显微镜(3 d-sim)图像在小鼠的海马树突棘普遍多态性基因编码的蛋白质pro-survival脑源性神经营养因子(BDNF)⁶。运营商的多态性更容易受到创伤后应激障碍等发展中焦虑障碍和社交焦虑症,并通过减少海马树突棘的伸长BDNF信号是这些疾病的主要机制之一。3 d-sim使研究者获得快速、多色和高分辨率图像的不同阶段和角度的照明。图像的组件然后计算解构和重组来创建一个图像的横向和轴向尺寸⁷。

风暴之眼

其他类型的超分辨率显微镜包括受激发射损耗显微术(发生的),克服了衍射屏障的沉默特定的荧光团,和直接随机光学显微镜(dSTORM),重建图像样品荧光纳米分辨率⁸。最近,几组使用dSTORM更好地理解某些受体的功能和组织在一个突触。

例如,Kellermayer波尔多大学和他的同事们有兴趣不同的NMDA受体亚基在海马突触动态交互影响神经可塑性,这对学习和记忆是一个必要的过程。NMDA受体蛋白表达无所不在地在整个大脑和神经细胞的分子机制不可或缺的一部分有效沟通并形成强有力的突触连接。为了获得纳米级分辨率的图像,使用波长642纳米的激光激发单荧光标记NMDA受体,和强度降低,不断调整,以保持最佳的活性分子每帧数。由生成的超分辨率图像重构算法。

之一,本研究的主要发现是,GluN2A GluN2B子单元,NMDA受体的不同部分,作为不同的空间重组的nanodomains在发展。这是一个很大的进步在这个领域,因为每个子单元已被证明微分作用在神经可塑性,感觉处理,和大脑发育,但他们的组织在突触仍然难以捉摸。这是第一个研究提供subunit-specific纳米级信息GluN2A和GluN2B NMDA受体亚基⁹。

显微技术可能会在未来几年继续推进photodamage最小化和最大化信噪比,这将使神经科学家发现更为紧迫的信息绝大错综复杂的大脑。

引用:

1。发怒j . Airyscan检测器(2019):共焦显微镜进化神经科学。:花王FJ。,Keiser G。Gogoi a (eds)先进的大脑成像光学方法。光学科学进展和光子学,卷5。施普林格,新加坡。

2。巴格利,j . R。,et al。(2019)。“雌二醇增加选择的可卡因对食品在雄性老鼠。”Physiol Behav 203: 18-24.

3所示。Le Moene O。,et al。(2019)。“雌激素受体α和β在中央杏仁核和下丘脑腹内侧核:社会性行为,恐惧和兴奋在雌性老鼠在情感上具有挑战性的事件。”Behav Brain Res 367: 128-142.

4所示。哟,k . E。,et al。(2018)。“快速卵巢激素的影响在背侧纹状体和伏隔核。”Horm Behav 104: 119-129.

5。Svoboda, k和r . Yasuda (2006)。“双光子激发显微镜原理及其应用神经科学。”Neuron 50(6): 823-839.

6。吉萨,j . I。,et al。(2018)。“BDNF Val66Met Prodomain拆卸树突棘改变恐惧灭绝电路和行为。”Neuron 99(6): 1356.

7所示。球,G。,et al。(2015)。“SIMcheck:工具箱成功超分辨率结构照明显微镜。”Sci Rep 5: 15915.

8。Schermelleh, L。,et al。(2019)。“超分辨率显微术揭秘”。Nature Cell Biology 21(1): 72-84.

9。Kellermayer B。,et al。(2018)。“微分纳米地形和Glutamatergic GluN2-NMDA受体亚型的突触功能的作用。”Neuron 100(1): 106-119.e107.