一种基于微 ct 的小动物脑损伤和定位电极表征方法

本文介绍了一种简单的方法来准备小动物大脑的微 ct 成像, 其中病变可以量化和电极定位在整个大脑的上下文中具有较高的精度。

损伤和电极位置验证传统上是通过对染色脑片的组织学检查来完成的, 这是一个耗时的过程, 需要手动估计。在这里, 我们描述了一种简单、直接的方法, 用于量化大脑中的病变和定位电极, 这种方法不那么费力, 产生更详细的结果。整个大脑被雷亚铁污染, 嵌入树脂中, 并用微型 ct 扫描仪成像。扫描结果是大脑的3d 数字体积, 其分辨率和虚拟截面厚度取决于样本大小 (大鼠和斑马雀的每体素分别为12–15和 5-6μm)。表面和深层病变可以被定性, 单型或状物、四极体阵列、电解损伤和硅探针也可以局部化。自由和专有的软件允许实验者从任何平面上检查样品体积, 并手动或自动分割体积。由于这种方法产生整个大脑体积, 病变和电极的量化程度远远高于目前的方法, 这将有助于规范研究内部和研究之间的比较。

神经学家长期依靠病变来了解大脑中的功能和位置之间的关系。例如, 我们对海马体是学习和记忆所不可缺少的理解, 对前额叶皮层作为冲动控制的关键的理解, 都是人类^1,2的意外病变的产物。然而, 动物模型的使用, 使神经科学家能够通过超越偶然来利用病变的力量, 通过对结构-功能关系的系统研究, 已经阐明了无数大脑区域的功能。病变^3,4。

然而, 要正确地将功能分配给结构, 病变研究需要精确的量化程序, 这是一个一直缺乏的领域。目前用于定量病变的金标准是用光学显微镜对大脑进行分割、安装和成像。然后将成像切片与地图集上最接近的部分进行匹配, 并间接报告受试者之间病变的大致坐标, 通常是通过使用相机 lucida 图像或组织切片^{3,4 示例 ,5,6,7,8,9, 10.}

除了目前病灶定量程序的不精确, 这些技术是耗时和容易失败。大脑僵硬、刀片锐度和温度的微小变化会导致部分出现错误、扭曲或撕裂。由于安装介质中的气泡, 截面也会不均匀地染色和成像不当。重要的是, 在切片时, 病变在大脑中的位置的三维上下文丢失, 使大脑中病变的精确三维重建具有挑战性。

病变的另一个常见应用是确定大脑中单个和多个电极记录的位置。在最后的记录结束时, 研究人员在电极尖端诱导小的电解质病变, 并按照常规病变实验11的方式处理大脑的组织学^.这种技术也有上述相同的缺点, 还有其他问题, 即电解质病变通常比用来制造电解质病变的电极大, 但通常足够小, 很难找到组织学上的东西。当插入多个电极时, 如四极阵列的情况下, 通过电解损伤进行验证更具挑战性。电解病变的另一种选择是在电极上使用染料来验证后的组织学 12, 但这种技术也有传统组织学的缺点。

在这里, 我们深入地描述了最近描述的方法¹³基于染色技术的电子显微镜 (em) 和 x 射线计算机断层扫描 (微 ct), 量化病变和定位电极的小动物大脑比目前更好方法。微 ct 是一种成像技术, 在这种技术中, x 射线拍摄于360°旋转的样品, 而闪烁器收集的 x 射线不会被样品偏转。其结果是对样品进行高分辨率的数字3d 重建, 可以在任何方向上进行可视化并精确量化。许多学术机构都有微型 ct 扫描仪, 这些扫描仪也可在商业上买到。

哈佛机构动物护理和使用委员会对动物的所有护理和实验操作进行了审查和批准。这里描述的灌注是特定的大鼠, 但该程序适用于任何动物与较小或类似大小的大脑。

1. 灌注

1. 准备1x 磷酸盐缓冲盐水 (pbs)。对于大鼠 (年龄: 0.5–1.5 岁, 体重: 250–600克), 800–1000毫升应该足够了。使用400毫升的动物和额外的400毫升稀释固定剂。
2. 在 1x pbs 中制备由 2% (w/v) 和 2.5% (w/v) 戊二醛 (ga) 组成的固定剂。对于老鼠来说, 400 毫升就足够了。在50毫升的锥形管中保存50毫升, 用于灌注后大脑的固定后。
3. 用4-5% 异氟烷气体 (在 21°c 1.0 bar 时 0.8 l/min o₂ ) 对大鼠进行15分钟的麻醉。
4. 注射致命剂量的戊巴比妥钠腹腔内 (180 mg/kg)。
5. 通过进行脚趾夹紧反射检查来测试动物的反射损失。等待开始灌注, 直到动物失去了反射反应。
6. 遵循前面描述的心内灌注和大脑提取方案14与以下解决方案^:在125毫米汞的情况下, 用400毫升的 1x pbs 给动物注入水, 以去除血液。一旦所有血液都被取出并替换为 1x pbs, 开始用400毫升的溶液注入 2% pfa 和 2.5% ga 溶解在 1x pbs 125 毫米汞。
   注: 如果该程序是在不是大鼠的动物身上进行的, 灌注过程的唯一重要组成部分是在 1x pbs 中使用 1x pbs 和 2% pfa, 2.5% ga。溶液体积和灌注压力可根据物种进行调整。

2. 固定后

1. 将提取的大脑放入2% 的 pfa, 2.5% ga 在 1x pbs 溶液中 (以前用于灌注动物的相同溶液)。确保溶液体积至少是大脑体积的10倍。对于老鼠, 将大脑放置在一个50毫升的锥形管, 溶液为50毫升。将样品存放在固定后 2-3天, 在4°c 下轻轻晃动。
   注: 如果样品位于50毫升锥形管中, 将其水平放置在轨道振动台上将确保最佳结果。
2. 在样品经过足够长的时间后固定后, 用双蒸馏水 (ddh2o)、去离子水 (dih2o) 或超纯水 (见材料表) 清洗样品, 持续时间如下: 1、1、1和15分钟。
   注: 对于本协议, ddh2o、dih2o_或超纯水应该是可互换的。为了简单起见, ddh2o 将被用来指从今以后的纯净水.

3. 染色

注意: 在此步骤中, 使用手套时, 请在引擎盖下进行所有解决方案准备。

1. 准备至少10倍于大脑体积的染色液。对于大鼠的大脑, 将股票的25毫升 4% oso4 溶液和25毫升的 ddh2o 溶液结合起来, 制备出四氧化二酸 2% (oso4) 中的 50毫升.
   注意: 四氧化二铵是挥发性的, 如果处理不当, 可能会导致暂时失明和呼吸问题。将与四氧化二铬接触的所有材料丢弃在辅助容器内的适当化学危险容器中。
2. 将大脑放入一个新的50毫升锥形管, 并添加 oso₄溶液。当 oso₄与组织中的脂质发生反应时, 大脑应该开始变成棕色。
3. 关闭管并用石蜡膜 (见材料表) 彻底密封, 以确保其在孵育过程中不会泄漏。
   注: 铬是挥发性的, 会与管的塑料温和反应, 所以正确密封管是非常重要的。管可以用铝箔包裹, 以增加保护。
4. 将密封管存放在 4°c, 在50转/分的轨道振动台上轻轻晃动2周。将管水平放置, 以确保最佳的混合。在晃动时, 确保样品完全淹没在溶液中。
   注: 如果不允许铬连续循环, 它可能不能完全穿透样品, 所以水平放置在振动筛上是非常重要的。

4. 嵌入

1. 在 oso₄中孵育2周后, 在室温下用 ddh2o5 次(rt) 清洗, 时间为1、1、1、15和 60分钟, 以去除样品中所有未绑定的 oso₄ 。
   注: 多个交换, 包括最后60分钟的交换, 是必要的, 以允许循环系统中的所有铬扩散。
2. 在4°c 下, 用 ddh2o_清洗样品30分钟。
   注: 可能会继续从样品中扩散出去, 但其数量应从上一步大幅减少。
3. 用乙醇使样品脱水, 最终用树脂浸润样品。要脱水, 请将 ddh_{2o 改为}10–20 ml 的以下乙醇稀释剂 (4°c 时各 30分钟): 20% (v/v) 乙醇和 80% (v/v) ddh 2o_;50% (v2) 乙醇和 50% (v/v) ddh 2o;70% (v2) 乙醇和 30% (v/v) ddh 2o;90% (v2) 乙醇和 10% (v/v) ddh 2o;100% 乙醇。
4. 准备丙酮/树脂稀释剂, 如下所示。
   1. 根据制造商的说明准备100毫升的树脂进行嵌入 (见材料表)。
   2. 使33% 树脂-67% 丙酮溶液, 将15毫升树脂倒入50毫升锥形管中, 加入30% 的100% 玻璃蒸馏丙酮。
   3. 为了使50% 树脂-50% 丙酮, 将 22.5 ml 树脂倒入50毫升锥形管中, 加入 22.5 ml 100% 玻璃蒸馏丙酮。
   4. 使67% 树脂-33% 丙酮溶液, 将30毫升树脂倒入50毫升锥形管中, 加入15% 的100% 玻璃蒸馏丙酮。
   5. 使用剩余的32.5 毫升树脂作为100% 以下树脂的第一溶液。
5. 通过以下丙酮和丙酮树脂稀释剂的 10-20 ml 将样品移动到树脂渗透过程中: 100% 丙酮在4°c 下 30分钟;在4°c 下, 100% 丙酮 30分钟;和100% 丙酮在室温下 30分钟 (rt)。
   注: 其余的渗透过程将在 rt 进行。
6. 将样品浸泡在 33% (v/v) 树脂67% 丙酮 3小时 at rt, 然后将50% 树脂 (v/v) 树脂-50% 丙酮在 rt 3小时, 67% (v/v) 树脂33% 丙酮 (3 ~ 3 在 rt), 100% 树脂在 rt 为 12 h。
7. 按照瓶子上的说明, 制作新鲜的50毫升树脂。将样品转移到将固化的容器中 (例如,材料表中描述的一次性模具)。在 rt 为样品注入新鲜的100% 树脂4小时。
   注: 如果不使用新鲜树脂, 前一天制成的树脂将开始过早变硬, 样品将难以操作。
8. 在45°c 的真空烤箱中对样品进行15分钟的脱脂。
   注: 此步骤将有助于去除样品中的任何被困气泡, 但它不是必需的, 不会影响数据的质量。
9. 最后, 在60°c 的烤箱中固化48小时的样品。

5. 微 ct

1. 样品固化后, 将一次性模具剥离, 并用微型 ct 机器进行扫描。
   注: 根据所使用的计算机, 设置将有所不同。对于材料表中列出的作者使用的扫描仪, 推荐的设置为130千伏、135μa, 带有 0.1 mm 的铜过滤器和钼源, 曝光 1秒, 平均每个投影4帧。但是, 实验者应单独校准扫描仪, 因为许多因素会影响特定会话期间的最佳设置。
2. 扫描完成后, 使用实验者的扫描器/软件组合在计算机上使用扫描仪软件重建样品。
3. 最后, 使用实验者选择的软件对重建后的数字卷进行可视化和分析 (例如, 请参见材料表)。

传统上, 大脑被分割和染色, 以量化病变和定位电极, 但这种方法是容易出错, 劳动密集型, 通常需要估计结果。通过为微 ct 成像准备整个大脑, 极大地降低了破坏样本的概率, 可以在整个大脑的上下文中分析感兴趣的特征, 该方法可以极大地同时对许多样本进行并行处理加快样品制备速度。

该方法包括四个主要步骤: (1) 用四氧化铬染色灌注脑, (2) 将大脑嵌入树脂中, (3) 用微型 ct 扫描仪成像大脑, (4) 分析由此产生的数字体积 (图 1)。在本文中, 仅介绍了步骤 1–3, 因为步骤 4 (分析) 将根据项目的特定需要而有很大差异。

而在必须事先选择一个切片方向的传统切片中, 由此产生的数字卷可以在三个维度中进行操作, 并在任何方向上几乎切片 (图 2a-2a)。如果需要, 用户还可以以更高的分辨率扫描样品的一个小节, 例如大鼠大脑的嗅球, 在那里可以看到神经纤维和单个肾小球 (图 2c)。该方法也广泛适用于小动物的大脑。为了验证这一点, 使用与大鼠大脑相同的协议制备了斑马雀大脑, 并成功地获得了数字卷 (图 2e)。为微 ct 准备的样品的扫描电子显微镜 (sem) 证实, 该组织的分辨率没有超过微 ct 分辨率 (图 2d)。然而, 应该注意的是, 有相当大的超微结构损伤, 使这种技术不适合电子显微镜 (em)。

该技术可用于查找大脑深处的表面病变 (图 3) 和病变 (图 4)。该技术还允许在原地定位单个四环体、电解质病变、直径足够的电极轨道、原位的四分体阵列和原位的硅探针 (图 5)。

不成功的制备将包括组织的不完全矿化, 如果使用不正确的缓冲液, 也可能发生这种情况 (图 6)。但是, 如果只需要表面特征, 例如, 那么样品的表面染色可能就足以供实验者使用。

图 1: 方法概述.概述使用微 ct 成像准备和分析整个大脑所需的步骤。经作者允许使用的图¹³。请点击这里查看此图的较大版本.

图 2: 通过微 ct 成像对病变进行表征的能力.(a) 可操纵的3d 体积和 (b) 从 lon润-evans 大鼠的微 ct 扫描中任意方向的虚拟切片 (13.9μm 体素)。(c) 以更高的分辨率 (4.9 微米体素) 扫描嗅球, 显示肾小球 (白色箭头) 和单个神经纤维 (蓝色箭头)。(d) 为微 ct 成像准备的大鼠大脑视觉皮层扫描电子显微镜 (sem) 图像 (10 nmspb)。(e) 为微 ct 成像准备的斑马雀 (taenigia guttata) 大脑;日冕、水平和矢状平面上的3d 体积和二维切片 (5.6 微米体素)。经作者允许使用的图¹³。请点击这里查看此图的较大版本.

图 3: 利用微 ct 对视觉皮层病变进行表征.(a) 用喹诺酮酸显示在视觉皮层的大鼠大脑的三维可视化。左面板显示了大脑环境中的病变体积 (大脑稍微透明, 可以直观地进入病变)。右侧面板显示孤立的病变体积。(b) 冠状、水平和矢状面病变的2d 切片 (12.8μm 体素)。前3个面板显示未分割的部分, 下面的3个面板显示带有叠加病变注释的部分。这种病变是手动注释在日冕方向每2片。然后通过插值创建卷。经作者允许使用的图¹³。请点击这里查看此图的较大版本.

图 4:利用微 ct 和组织学方法比较背侧纹状体病变的特征.(a) 为微 ct 成像 (13.5μm 体素) 处理的 "大脑 1" 左半部分的矢状、水平和日冕视图。前面的3个面板显示未分割的部分, 下面的3个面板显示相同部分上的注释病变。病变每2个部分在矢状面手动分割一次, 随后插值。(b) "大脑 1" 右半部分最紧密匹配的冠状切片, 经过组织学处理, 可进行光学显微镜检查。面板 (c, d) 类似于 (a, b), 但对应于 "大脑 2"。脑2病变每8个部分在日冕平面上手动分割一次。(e) 经组织学处理的大脑右半 (深灰色) 和 2 (浅灰色) 的病变特征。面板下方 (b、d、e) 中的数字对应于相对于 bregma 的位置。(f) 为微 ct 处理的大脑1左半部分的病变特征。第一面板显示孤立的病变。第二和第三面板从两个角度显示大脑语境中的病变。(g) 与 (f) 相同, 但与大脑2相对应。(h) (f, g) 中的病变的叠加, 说明将病变特征与数字大脑体积进行比较的能力。(f) 中的病变登记为 (g) 中的病变, 两者都表现在大脑2左半部分的背景下。经作者允许使用的图¹³。请点击这里查看此图的较大版本.

图 5:通过微 ct 成像定位电极.(a)就地左单四人制 (14.0μm 体素)。左上角面板: 虚拟日冕切片的最大强度投影, 显示通过视觉皮层进入大鼠黄体的位置;右上角: (a) (白色矩形) 左上角面板中显示的图像的特写镜头。左下角: 矢状;右下角: 植入电极的水平视图 (白色箭头表示四极体的位置)。(b) 大鼠大脑前部的电解损伤和电极轨道 (13.9μm 体素)。左上角: 大脑的3d 渲染与电解损伤分割 (白色箭头表示紫色损伤);右上角: 日冕。左下角: 矢状;右下角: 用直径75μm 的钨电极产生的指示电解损伤 (白色箭头) 的水平部分。此外, 在矢状图 (白色箭头) 中, 电极在收回时沉积的一些金属也可以沿着轨道显示。(c) 16-四联植入物留在大鼠大脑的前皮层。左上角: 用左植入的 16-四分线阵列对整个大脑进行3d 渲染;右上角: 日冕。左下角: 矢状;右下角: 指示16度植入物 (8.9 微米体素) 的水平部分。(d) 硅探针 (10 毫米小腿, 32个部位) 留在地穿过后皮层、海马体和皮质下结构 (13.9μ9米体素)。左上角: 用分段硅探头 (白色箭头指示绿色探头) 对整个大脑进行3d 渲染;右上角: 日冕。左下角: 矢状;右下角: 大脑中硅探头的水平视图。此外, 硅探头上的参考位置在冠状和矢状部分 (白色箭头尖端) 中可见。经作者允许使用的图¹³。请点击这里查看此图的较大版本.

图 6四氧化铬溶剂对铬渗透的影响.(a) 左面板: 在 dh2o_中的四氧化二铬中孵育1周的鼠大脑。右面板: 大鼠大脑在 ddh2o_中的四氧化二铬中孵育2周。(b) 在西锡亚铬钠缓冲液中孵育两个大鼠大脑6周。经作者允许使用的图¹³。请点击这里查看此图的较大版本.

以下是协议的关键步骤: 首先, 使用 pfa 和 ga 的组合来灌注动物, 然后在修复后的大脑是至关重要的, 以实现对组织的一致的充分渗透。虽然我们没有明确地测试这一点, 一个合理的解释是, pfa 固定是可逆^{的 15}, 而 ga 固定是不可逆的^16,17。由于在四氧化铬中完全浸润组织需要两周的孵育, 因此大脑内部的 pfa 可能会扩散, 而在染色过程中组织会退化。因此, 铬不能保存内部结构。

使用铬水, 而不是溶解在缓冲液中的铬,是绝对必要的, 以确保完全的组织渗透的铬。即使经过6周的孵育, 溶解在仙人掌酸钠中的铬也没有完全浸润组织, 似乎遇到了扩散屏障 (图 6)。对脂质反应极大, 被认为能将脂质结合^{在细胞膜18、19、20 中}。如果组织没有充分的渗透性, 就像像仙人掌酸钠这样温和的缓冲液, 细胞膜可能会饱和与, 并在严厉地防止更多的扩散到组织中。然而, 我们假设水作为铬的溶剂, 作为一种轻质洗涤剂, 并具有足够的渗透性的组织, 使深入扩散到组织。

如果实验者正在准备一个较小的大脑, 比如老鼠的大脑, 那么在中的孵化时间很可能会缩短。同样, 在较大的样本中, 孵化时间也需要增加。这可以进行测试, 以确定大脑中与老鼠大小不同的一致染色的最小时间。如果实验人员遇到全铬浸润的问题, 可能的问题是在灌注和固定后没有同时使用 pfa 和 ga, 不使用水作为铬的溶剂 (如上文所述), 以及在铬的过程中没有足够的搅拌孵化。例如, 我们发现, 在50毫升锥形管中孵育时, 将管放在它们的一侧 (而不是垂直放在支架上), 给它们填充污渍, 并在整个潜伏期以50转每分钟的速度将其放置在轨道振动台上, 以确保适当渗透。

此方法在几个方面受到限制。首先, 该制剂不能很好地保存超微结构, 因此不应用于电子显微镜。这种方法不能与任何进一步的组织学或免疫荧光相结合。数字体积的分辨率取决于样品的大小 (可以以更高的分辨率扫描较小的样品) 和扫描仪的几何形状 (如果它依赖于几何放大);但是, 如果需要, 可以以更高的分辨率扫描示例的子部分。

提出了一种将电子显微镜式组织治疗与显微 ct 成像相结合的小动物大脑中的病变定量和定位电极的新方法。这种方法可以说不那么费力, 需要的专业知识也较少, 比目前的大脑切片和染色金本位更容易产生可量化的结果。此前, 科学家们已经描述了一种甚至在小鼠大脑中渗透铬的协议, 该协议旨在保持电子显微镜^21,22的超微结构。然而, 这一协议相当复杂。在这项研究中, 作者的目标是开发一种简单得多的微 ct 成像方法, 而不是电子显微镜。还有其他研究将微 ct 应用于成像大脑的各种目的。此前对家兔和小鼠的一项调查使用微 ct 发现肿瘤和其他异常²³。这项调查使用了专有的 mri 造影剂, 但研究人员确实预测了微 ct 在病变研究中的潜在用途。另一项针对小鼠的研究旨在发现药物筛网的严重形态差异, 涉及小鼠大脑在头骨中的碘染色, 但作者面临着不均匀的组织萎缩, 并选择将组织嵌入水凝胶²⁴。在小鼠身上进行的其他研究旨在发现大脑海绵状畸形, 这是一种异常大和不规则的毛细血管疾病, 并利用四氧化铬和水碘作为污渍;然而, 这些是在更小的样本 (分离的老鼠后脑) 比这里描述的^25,26,^27.产生三维大脑体积的替代方法是μmri²⁸和高分辨率应用镜³¹。μmri 的分辨率较差 (类似样品的约25μm 体素²⁸), 该技术的成本较高 23,³⁰。高分辨率的内窥镜显微镜也面临着挑战: 它是一种破坏性的技术, 需要产生一种允许全脑切片的块状面装置。这里介绍的工作还延伸了以前的努力, 定位电极在大脑中的 x^{射线 32,}33,³⁴通过捕获电极和周围的组织。此外, 该技术还允许定位单个电极、四极阵列、电解病变、电极轨道和硅探头。

一个宝贵的未来方向将创建一个 "普通大脑" 地图集, 病变研究可以共同登记, 以规范病变位置和大小量化。这种方法也可以扩展到其他模型和非模型生物, 例如它在斑马雀大脑中的直接应用 (图 2)。

作者没有什么可透露的。

作者感谢格雷格·林和亚瑟·麦克莱伦在微 ct 机器方面的专业知识, 感谢哈佛医学院图像和数据分析核心 (idac) 的大卫·里士满和亨特·埃利奥特的图像处理建议, 以及波士顿的威廉·利伯蒂慷慨地提供斑马雀大脑的大学。这项工作部分是在国家纳米技术协调基础设施网络 (nnci) 的成员----纳米渗透系统中心 (cns) 进行的, 该网络得到国家科学基金会第1541995年1541959国家科学基金会的支持。中枢神经系统是哈佛大学的一部分。这项工作得到了理查德和苏珊·史密斯家庭基金会以及 iarpa (合同 #D16PC00002) 的支持。s. b. e. w. 得到了人类前沿科学方案研究金的支持;lt000550 2014) 和欧洲分子生物学组织 (embo;altf1561-2013)。g. g. 得到了国家科学基金会 (nsf) 研究生研究奖学金计划 (grfp) 的支持。