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여기에서는 컨포칼 현미경을 사용하여 GCaMP 칼슘 지표를 발현하는 형질전환 제브라피쉬의 뇌 영역에서 신경 활동을 조사하기 위한 자세한 프로토콜을 제시합니다.
제브라피시 유충은 행동의 신경 메커니즘을 연구하기 위한 유망한 척추동물 모델 시스템입니다. 그들의 반투명함과 상대적으로 단순한 신경 회로는 행동의 세포 분석에서 광유전학 기술의 사용을 용이하게 합니다. GCaMP6와 같은 생체 내 신경 활동의 형광 지표는 유충 제브라피시의 간단한 행동과 관련된 신경 활동을 연구하는 데 널리 사용되었습니다. 여기에서는 형질전환 계통 Tg(elav3:GCaMP6s)를 사용하여 반억제된 제브라피시 유충에서 감각 유도 활동을 감지하기 위한 프로토콜을 제시합니다. 특히, 우리는 화학 작용제인 알릴 이소티오시아네이트를 사용하여 후뇌와 척수 경계에 있는 뇌 영역에서 강력하고 재현 가능한 형광 반응을 유도합니다. 우리는 다양한 행동 패러다임에서 신경 활동의 광학 모니터링을 위한 GCaMP6의 잠재적인 사용과 이 기술의 한계에 대해 논의합니다. 우리의 프로토콜은 유충 제브라피시 뇌에서 역동적이고 행동과 관련된 생체 내 신경 활동을 모니터링하기 위한 접근 가능한 접근 방식을 간략하게 설명합니다.
제브라피쉬는 상세한 세포-분자 신경생물학적 연구를 위한 다루기 쉬운 척추동물 모델을 나타냅니다. 유충 제브라피쉬는 수정 후 5일(dpf)에 ~100,000개의 뉴런을 가지고 있으며, 이는 포유류의 뇌보다 현저히 적습니다. 또한, 제브라피쉬는 상대적으로 반투명하여 신경 구조 및 기능에 대한 광학 연구를 용이하게 하는 특성입니다 1,2,3,4,5. 제브라피쉬에 사용하기 위해 고충실도 칼슘 지표6, 전압 센서 7,8, 신경 활동의 활동 의존적 마커 9,10,11,12,13 등 여러 광유전학 도구가 개발되었습니다. 이러한 도구는 유전자 변형에 대한 편의성 14,15,16,17 및 제브라피시 유충이 목욕 용액에 존재하는 화학 물질을 흡수할 준비성 18,19,20,21과 같은 이 모델이 가지고 있는 다른 이점을 보완합니다.
제브라피시 광학 생리학에는 다양한 방법, 특히 이광자, 광시트 및 컨포칼 현미경 검사에 유용합니다. 이러한 각 기술은 해상도의 두 가지 관련 문제, 즉 주변 조직에 의한 광 산란을 포함한 광학 액세스와 특히 밀리초 미만의 규모에서 활동 전위 역학을 캡처하기 위한 샘플링 속도의 균형을 맞춰야 합니다22. 이광자 현미경을 사용하여 생체 내 칼슘 이미징이 극적으로 개선되었지만, 이 방법은 종종 <1mm2의 시야로 제한되며 일반적으로 단일 깊이 평면만 획득할 수 있으므로 신경 회로22의 넓은 영역에 걸친 활동 캡처가 제한됩니다. 광시트 현미경의 경우 뇌의 거의 모든 뉴런의 활동을 기록할 수 있는 잠재력은 이광자 현미경 검사의 시야 제한을 해결하지만, 현재 카메라 속도는 유충 제브라피시 1,23의 뇌 부피당 40평면에서 초당 약 3개의 뇌 부피로 캡처를 물리적으로 제한합니다. 컨포칼 현미경 검사는 이광자 및 광시트 현미경 검사보다 깊이 해상도와 캡처 속도 모두에서 열등합니다. 컨포칼 현미경 검사는 전 세계 실험실에 대한 광범위한 접근성과 cFos 및 p-ERK9와 같은 신경 활동 리포터를 사용하여 신경 활동의 전체 뇌 재구성을 달성할 수 있는 장점이 있습니다. 또한 작은 뇌 영역이 표적이 되는 경우 컨포칼 현미경은 신경 활동의 적절한 시간 해상도를 제공할 수 있습니다.
본 논문은 컨포칼 현미경을 사용하여 GCaMP6를 범신경으로 발현하는 형질전환 제브라피시의 신경 활동을 기록하는 방법을 설명합니다. 신경 경로 24,25,26,27,28,29의 기능을 이해하기 위해 제브라피시 유충을 사용하는 몇 가지 유사한 프로토콜이 개발되었습니다. 타임 랩스 이미징, 칼슘 역학의 형광 지표 및 라이브 이미징과 같은 이러한 프로토콜 중 일부의 주요 기능은 혐오성 화학 자극 물질인 AITC(Allyl Isothiocyanate)에 반응하여 제브라피시 중추 신경계의 소규모 뉴런 집단에서 신경 활동을 측정하기 위해 결합되었습니다 11,26,27,29,30,31. AITC는 후뇌 영역에 집중된 뇌 전반의 반응을 이끌어낸다11. 뒷뇌의 꼬리 바로 옆에 있는 뉴런의 한 무리는 운동과 AITC에 대한 장기적인 반응에 중요한 역할을 합니다. 이 반응은 혐오적 자극이 제거된 것보다 더 오래 지속된다30. 시야를 제한함으로써 우리는 GCaMP6를 발현하는 뉴런의 형광 변화에 의해 반영된 이 신경 클러스터의 신경 활동을 감지하는 데 성공했습니다. 우리는 컨포칼 현미경을 사용하여 충분한 시공간 해상도를 달성하기 위한 기술, 지침 및 모범 사례를 제공합니다. 또한 광학 기록 방법의 한계에 대해 논의합니다. 이러한 한계에도 불구하고 이 방법은 기억 및 감각 운동 처리를 포함한 다양한 신경생물학적 현상을 조사할 수 있어야 합니다.
동물을 사용하는 모든 절차는 풀러턴에 있는 캘리포니아 주립대학교의 기관 동물 관리 사용 위원회(프로토콜 # 2023-1310)의 승인을 받았습니다.
1. 저융점 아가로스에서 유충 제브라피시 스테이징
2. 자극 적용을 사용한 컨포칼 현미경 검사에서 설정 및 이미징
3. FIJI를 이용한 GCaMP 신호 분석
알릴 이소티오시아네이트의 투여는 유충 제브라피시에서 칼슘 관련 신경 신호를 유발합니다.
AITC의 투여(2.6단계)는 유충 제브라피시11,30의 뇌 전반에 걸쳐 GCaMP6s 관련 신경 활동의 광범위한 증가를 유발합니다. 그림 4와 같이 AITC를 적용한 후 뇌의 작은 영역에서 형광 신호가 증가하는 것을 관찰했습니다.
칼슘 관련 신경 신호의 해상도, 포획 속도 및 포획 영역의 균형
캡처 속도를 높이면 해상도가 낮아지며, 이는 실험 설계에서 고려해야 합니다. 그림 5에서는 ~2.5 dpf에서 제브라피시 배아를 사용하여 다양한 속도와 해당 해상도를 제시합니다. 신경 활동을 기록할 때 캡처 속도는 활동을 기록할 수 있을 만큼 충분히 빨라야 합니다. 활동전위로 인한 전압 변화는 상대적으로 빠르지만(1-2ms), GCaMP와의 칼슘 상호 작용은 활동전위 신호의 지속 시간을 연장합니다. 여기에 사용된 분자인 GCaMP6s는 특히 느린 동역학을 가지고 있습니다. GCaMP 분자를 사용하는 단일 활동 전위는 세포 배양6에서 검출되고 상관될 수 있지만, 이러한 신호 검출의 정밀도가 유충 제브라피시와 함께 생체 내에서 발생할 수 있는지는 불분명합니다. 그러나 캡처 속도가 높을수록 신호 감지가 더 높은 캡처 속도로 인해 크게 감소하지 않는다고 가정할 때 신경 활동 관련 시간 정보가 캡처될 가능성이 높아집니다. 또한 관찰 영역의 크기는 표준 컨포칼 현미경을 사용한 캡처 속도에도 영향을 미칩니다. 시야를 줄임으로써 캡처 속도는 증가하지만 다른 뇌 영역의 신경 활동에 대한 정보를 잃게 됩니다. GCaMP6 신호를 캡처하려면 컨포칼 현미경을 사용하는 응용 분야는 작은 뇌 영역(50-150μm2)으로 제한되어야 합니다. 앨리어싱을 줄이기 위해 캡처 속도가 관찰되는 신호보다 빨라야 합니다. 그러나 컨포칼 현미경 검사의 캡처 속도는 필연적으로 방출된 빛의 형태로 일부 정보를 손실하는 결과를 초래할 것입니다. 이러한 상대적 비용과 편익은 원하는 실험 질문을 효과적으로 해결하기 위해 항상 고려되어야 합니다.
그림 1: 이미징을 위해 부분적으로 구속된 유충 제브라피쉬의 위치 묘사. 유충은 낮은 융점 아가로스에 박혀 있고 등쪽이 위로 향하게 위치합니다. 제브라피시 피부가 AITC에 노출될 수 있도록 아가로스의 배부 및 꼬리 부분을 제거했습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 다양한 캡처 속도에서 볼 수 있는 다양한 크기의 이미지 예. (A) 프레임 크기 = 319.45 x 319.45μm; 캡처 속도 = .30fps. (B) 프레임 크기 = 106.48 x 106.48 μm; 캡처 속도 = 7.67fps. (C) 프레임 크기 = 53.24 x 53.24 μm; 캡처 속도 = 9.80fps. 제브라피쉬, ~2.5dpf; 눈금 막대 10 μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 두 제브라피시 유충의 뒷뇌의 꼬리 부분의 컨포칼 이미지. (A) 유충(~2.5 dpf)이 이상적이지 않은 각도로 아가로스에 너무 깊숙이 위치하여 뉴런의 선명한 이미징을 방해합니다. (B) 여기서 유충(~2.5dpf)은 아가로스 표면 근처에 적절하게 위치합니다. 눈금 막대 20 μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: AITC는 제브라피시 뇌의 후뇌와 척수 경계에 위치한 뉴런의 형광 강도를 증가시킵니다. (A) AITC 또는 E3에 노출되었을 때 제브라피시(7dpf) 뉴런의 대표적인 컨포칼 이미지. AITC를 적용하기 전(A1)과 후(A2)의 뉴런 이미지(A2)를 대조 용액(E3)의 (B1) 적용 전(B1) 및 (B2) 적용 후의 뉴런 이미지와 비교했습니다. 스케일 바 10μM. AITC(A3) 또는 E3(B3)에 노출된 배아 제브라피쉬의 뒷뇌에 위치한 여러 뉴런의 정규화된 형광 상태의 흔적. AITC를 수조에 적용한 후 뉴런은 형광 증가를 보인 반면, E3를 적용한 후 뉴런에서는 형광 증가가 관찰되지 않았습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: GCaMP6의 캡처 속도에 따라 캡처된 빛의 양과 이미지의 최종 해상도가 결정됩니다. (A) 10.13초(0.10fps)마다 캡처된 뉴런 이미지는 후뇌와 척수에 있는 뉴런의 상대적으로 높은 해상도를 제공합니다. 캡처 속도가 증가하면 시간 정보는 얻을 수 있지만 공간 해상도는 손실됩니다: (B) 캡처 속도 = 0.79fps, (C) 캡처 속도 = 3.16fps, (D) 캡처 속도 = 7.67fps. 제브라피쉬, 2 dpf; 눈금 막대 20 μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
우리는 GCaMP6s와 컨포칼 현미경을 함께 사용하여 제브라피시 유충의 뇌에서 신경 활동을 기록할 수 있음을 보여주었습니다. GCaMP의 느린 동역학으로 인해 필요한 낮은 캡처 속도는 관찰된 뇌 영역을 줄임으로써 보상할 수 있습니다6. 더 빠른 시간 역학(즉, GCaMP6f)을 가진 기자를 사용할 수 있지만, 우수한 시간 해상도는 일반적으로 형광 신호가 감소하는 대가로 발생합니다6. 컨포칼 현미경은 상대적으로 느린 기록 속도(22)로 제한되므로 컨포칼 현미경 검사의 시간적 한계를 고려하여 리포터 분자를 선택해야 합니다.
이 프로토콜은 두 가지 주요 특징, 즉 1) 기록 중 동물을 아가로스에 넣어야 한다는 요구 사항과 2) 컨포칼 현미경 검사의 상대적으로 느린 포획 속도에 의해 제한됩니다. 시야각과 캡처 속도의 균형을 맞추는 것은 주어진 응용 분야에 대해 충분한 해상도로 신경 활동을 캡처하는 데 중요합니다. AITC로 인한 활동이 중단되거나 감소하면 유충 제브라피쉬가 자극을 감지하지 못하거나 AITC가 충분히 강력하지 않을 수 있음을 나타낼 수 있습니다. 후자의 경우 스톡을 새로 고치고 -20 °C에서 냉동 유지하면 효능이 확장됩니다. 물고기가 자극을 감지할 수 없다면, 그 동물이 한천에 너무 깊이 이식된 것일 수 있습니다. 중요한 단계는 프로토콜의 1단계에서 물고기의 위치를 파악하는 것인데, 이는 약물 적용 중 최적의 광학 접근을 위해 중요하기 때문입니다.
컨포칼 현미경의 스캔 속도가 상대적으로 느리기 때문에 전뇌 기록은 기술적으로 불가능합니다. 의미심장하게도, 여기에 설명된 프로토콜은 보완 기술로 식별된 후 작은 뇌 영역을 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 특히, 활동 의존적 리포터 9,11로 신경 활동을 표시하는 분자를 활용하는 기술을 사용함으로써, 실험자는 이 기사에 설명된 방법의 적용을 위해 주요 뇌 관심 영역을 표적으로 삼을 수 있습니다. 그런 다음 관심 있는 뇌 영역을 주석이 달린 제브라피시 뇌 지도, z Brain Atlas11로 참조할 수 있습니다.
약간의 조정으로 여기에서 논의된 기술과 지침을 사용하여 감각 운동 처리, 학습 및 기억, 감각 및 지각을 포함한 다양한 뇌 기능을 조사할 수 있습니다.
저자는 이 연구가 잠재적인 이해 상충으로 해석될 수 있는 상업적 또는 재정적 관계가 없는 상태에서 수행되었다고 선언합니다.
이 작업은 미국 국립보건원(National Institutes of Health, SC2GM1304854)의 ACR 보조금과 미국 국립과학재단(National Science Foundation, 2050850)의 DLG 보조금으로 지원되었습니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Low Melting Point Agarose | Invitrogen | 16520-100 | Diluted to 3% |
Allyl Isothiocyanate (AITC) | Sigma Aldrich | 377430 | Chemical stimulant |
E3 | N/A | N/A | Water-medium for zebrafish larvae |
Glass Bottom Dishes | Thermo Fisher Scientific | 12-567-400 | Used to hold zebrafish during imaging experiments |
Micropipette (10-100 uL) | Cole-Parmer | 21600-14 | Apparatus used for creating AITC dilutions |
Microscope Slides | Fisherbrand | 12-550-A3 | Used to screen for phenotype |
Mirror Finish Forceps | DUMONT | 11251-23 | Used to orient zebrafish in agarose |
myTEMP Mini Digital Incubators | Benchmark | H2200-HC | Holding area for zebrafish; set to 28.5°C |
Nitrile Gloves | MedPRIDE | MPR-50504 | Basic PPE |
Petri Dishes | VWR | 89107-632 | Container for zebrafish |
Posi-Click Tubes | DENVILLE | C-2171 | Used for AITC dilution |
Samco Polyurethane Transfer Pipettes | Thermo Fisher Scientific | 225 | Apparatus used to select animal/administer diluted bolus of AITC |
Stemi SV11 Apo Microscope | Zeiss | 1.25496E+11 | Used to stage zebrafish |
Transgenic Larval Zebrafish (2 to 7 DPF) | N/A | N/A | Animal test subjects; Tg(elav3:GCaMP6s) strain |
Zeiss Confocal Microscope (Model LSM9) | Zeiss | 3523004097 | Imaging of fish |
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