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Aqui apresentamos como expor o gânglio geniculado de um rato de laboratório vivo, anestesiado e como usar imagens de cálcio para medir as respostas desses conjuntos desses neurônios a estímulos de sabor, permitindo múltiplos ensaios com diferentes estimulantes. Isso permite comparações profundas das quais os neurônios respondem a quais tastantes.
Nos últimos dez anos, os avanços nos indicadores de cálcio geneticamente codificados (GECIs) promoveram uma revolução na imagem funcional in vivo. Usando o cálcio como proxy para a atividade neuronal, essas técnicas fornecem uma maneira de monitorar as respostas de células individuais dentro de grandes conjuntos neuronais para uma variedade de estímulos em tempo real. Nós, e outros, aplicamos essas técnicas para visualizar as respostas dos neurônios de gânglios gênicos individuais para provar estímulos aplicados às línguas de camundongos anesthetizados vivos. O gânglio geniculado é composto pelos corpos celulares de neurônios gustativos que inervam a língua e o paladar anteriores, bem como alguns neurônios somatosensoriais que inervam o pinna da orelha. A imagem das respostas evocadas pelo sabor de neurônios de gânglios gênicos individuais com GCaMP forneceu informações importantes sobre os perfis de ajuste desses neurônios em camundongos do tipo selvagem, bem como uma maneira de detectar fenótipos de desocupação de gosto periférico em camundongos geneticamente manipulados. Aqui demonstramos o procedimento cirúrgico para expor o gânglio geniculado, aquisição de imagem de fluorescência GCaMP, etapas iniciais para análise de dados e solução de problemas. Esta técnica pode ser usada com GCaMP codificado transgenicamente, ou com expressão GCaMP mediada por AAV, e pode ser modificada para imagem de subconjuntos genéticos particulares de interesse (ou seja, expressão GCaMP mediada por Cre). No geral, a imagem in vivo de cálcio de neurônios de gânglios geniculados é uma técnica poderosa para monitorar a atividade de neurônios gustativos periféricos e fornece informações complementares para gravações mais tradicionais de chorda tympani de nervo inteiro ou ensaios de comportamento de paladar.
Um componente-chave do sistema de gosto periférico dos mamíferos é o gânglio geniculado. Além de alguns neurônios somatossensoriais que inervam o pinna do ouvido, o geniculado é composto pelos corpos celulares de neurônios gustativos que inervam a língua anterior e o paladar. Semelhante a outros neurônios sensoriais periféricos, os neurônios de gânglios geniculados são pseudo-unipolares com um longo axônio projetando periféricamente para as papilas gustativas, e centralmente para o núcleo do tronco cerebral do trato solitário1. Esses neurônios são ativados principalmente pela liberação de ATP por células receptoras de paladar que respondem a estímulos de paladar na cavidade oral2,3. ATP é um neurotransmissor essencial para sinalização de paladar, e receptores P2rx expressos pelos neurônios de gânglio gustativo são necessários para sua ativação4. Dado que as células receptoras de sabor expressam receptores de sabor específicos para uma modalidade de sabor particular (doce, amargo, salgado, umami ou azedo), tem sido hipótese que as respostas do neurônio gânglio gustativo a estímulos de sabor também seriam estreitamente ajustadas5.
Gravações nervosas inteiras mostraram que tanto o chorda tympani quanto os nervos petrosais superiores maiores conduzem sinais gustativos representando todas as cinco modalidades de gosto ao gânglio geniculado6,7. No entanto, isso ainda deixou dúvidas sobre a especificidade das respostas neuronais a um determinado tastant: se houver a modalidade de sabor neurônios específicos, neurônios polimodais ou uma mistura de ambos. Registros únicos de fibras dão mais informações sobre a atividade de fibras individuais e suas sensibilidades químicas8,9,10, mas essa metodologia limita-se à coleta de dados de pequenos números de fibras. Da mesma forma, gravações eletrofisiológicas in vivo de neurônios gânglios gênicos individuais de ratos dão informações sobre as respostas dos neurônios individuais11,12,13, mas ainda perdem a atividade da população e produzem relativamente poucos registros de neurônios por animal. Para analisar os padrões de resposta dos conjuntos neuronais sem perder de vista a atividade dos neurônios individuais, novas técnicas precisavam ser empregadas.
A imagem de cálcio, especialmente utilizando indicadores de cálcio geneticamente codificados como o GCaMP, proporcionou esse avanço técnico14,15,16,17,18. GCaMP usa cálcio como proxy para atividade neuronal, aumentando a fluorescência verde à medida que os níveis de cálcio dentro da célula aumentam. Novas formas de GCaMP continuam a ser desenvolvidas para melhorar a relação sinal/ruído, ajustar cinética de ligação e adaptar-se para experimentos especializados19. O GCaMP fornece resolução de neurônios únicos, ao contrário de todo o registro nervoso, e pode medir simultaneamente respostas de conjuntos de neurônios, ao contrário de uma única fibra ou gravação de célula única. A imagem de cálcio do gânglio geniculado já forneceu informações importantes sobre os perfis de ajuste desses neurônios em camundongos do tipo selvagem16,20, e identificou fenótipos de pericular de erro de giro em camundongos geneticamente manipulados18.
Uma grande dificuldade para aplicar técnicas de imagem de cálcio in vivo ao gânglio geniculado é que ele é encapsulado dentro da bula tympanica óssea. Para obter acesso óptico ao geniculado, uma cirurgia delicada é necessária para remover as camadas dos ossos, mantendo o gânglio intacto. Para isso, criamos este guia para ajudar outros pesquisadores a acessar o gânglio geniculado e a imagem que o GCaMP mediava respostas fluorescentes desses neurônios para provar estímulos in vivo.
Os protocolos animais foram revisados e aprovados pelos Comitês Institucionais de Cuidados e Uso de Animais da Universidade do Texas San Antonio.
1. Configuração pré-operatória
NOTA: Observe que a configuração inicial do equipamento não é tratada aqui, pois ela irá variar de acordo com o sistema de bomba, microscópio, câmera e software de imagem usados. Para obter instruções de configuração, consulte os materiais instrucionais fornecidos pelo fornecedor do equipamento. Para os equipamentos utilizados pelos autores, consulte a Tabela de Materiais.
2. Anestesiar e imobilizar o animal
NOTA: O protocolo a seguir é um procedimento terminal otimizado para camundongos de ambos os sexos pesando 18-35 g. Recomenda-se para uso com animais entre 10 e 12 semanas de idade. Pode ser usado com animais transgênicos expressando Indicadores de Cálcio Geneticamente Codificados (GECIs), como o Snap25-GCaMP6s, ou animais estereotaxicamente injetados com GECIs virais. Luvas, jaleco e máscara facial devem ser usados para o protocolo.
3. Traqueotomia
4. Quebrar a bulla timpânica
5. Expondo o geniculado
Figura 1: Exposição cirúrgica do gânglio geniculado. (A) Imagem da cavidade do pescoço do rato pós traqueotomia. A seta está apontando para o músculo digastrico deitado sobre a área cirúrgica explorada no resto da figura. (B) Imagem da região sob o músculo digastric previamente indicado. A seta indica a costura em musculatura para dissecção contundente. (C) Imagem do Tympanic Bulla. A seta indica costura no osso para quebrar com uma sonda cirúrgica. (D) Imagem da área cirúrgica após a abertura da bula. A seta inferior esquerda indica a cóclea, a seta superior aponta para o tensor tympani. Linha encaixotada indica área em (E) e (F). (E) Imagem da área cirúrgica após a fratura da cóclea e o conteúdo removido. A seta branca indica onde colocar a sonda cirúrgica referenciada na etapa 5.6 do protocolo. (F) Uma imagem do gânglio geniculado exposto. Seta indica corpo do sétimo nervo, triângulo tracejado envolve o gânglio geniculado. Painéis A-B, Escala = 5 mm. Painéis C-F, Escala = 1 mm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
6. Executar painel tastant
Seguindo o protocolo, um animal Snap25-GCaMP6s transgênico foi sedado, gânglios geniculados foram expostos, e tastant foi aplicado na língua enquanto o vídeo era gravado. O objetivo do experimento era definir quais tastantes provocavam respostas de cada célula. Tastants (AceK de 30 mM, 5 mM Quinine, 60 mM NaCl, 50 mM IMP + 1 mM MPG, 50 mM Ácido Cítrico)18 foram dissolvidos em água DI e foram aplicados na língua por 2 s separados por 13 s de água DI.
Figura 2: Respostas de neurônios de gânglio geniculado a tastants usando imagens in vivo GCaMP6s. (A) Imagem epifluorescente do gânion geniculado de um rato transgênico Snap25-GCaMP6s durante a linha de base como a água é perfundida sobre a língua. Linhas tracejadas indicam os limites aproximados do gânglio geniculado. O sétimo nervo craniano é rotulado como tal. (B) Instantâneo do mesmo gânglio em (A) como um tastant doce (AceK 30 mM) é aplicado na língua do mouse. Observe que vários neurônios individuais aumentam na intensidade da fluorescência. A caixa de linha tracejada indica célula de resposta doce usada na extremidade(C). (C) Traços de cinco neurônios indicando a amplitude de sua fluorescência mediada GCaMP6s em resposta a um painel de tastants composto por doce (30 mM acessulfame K), amargo (5 mM quinino); salgado (60 mM NaCl); umami (glutamato monopotássio de 50 mM e monofosfato de inosina 1mM); e azedo (ácido cítrico de 50 mM). As barras coloridas mostram a colocação e duração (2 s) do estímulo ao longo do tempo do experimento. Esses dados representativos não incluem uma resposta à umami. Neurônios individuais geralmente respondem a estímulos amargos e azedos (traço inferior) 16,18,20. Painéis A-B, Escala = 5 mm. Painel C, barra de escala horizontal indica 6,5 segundos, barra de escala vertical indica limiar de 4% dF/F. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Como pode ser visto na Figura 2,os estímulos de sabor aplicados na língua devem resultar em um rápido aumento transitório da fluorescência GCaMP, causando uma mudança notável no brilho entre os neurônios que respondem. O vídeo pode ser analisado com uma variedade de pacotes de software para produzir traços exibindo as alterações na fluorescência sobre a linha de base (dF/F) ao longo do tempo de regiões de interesse individuais (como neurônios individuais), mostrando assim as respostas de cada célula ao painel tastant. Em uma cirurgia bem sucedida, em uma linha transgênica Snap25-GCaMP6s, é típico ver respostas em 20-40 neurônios dentro de um único gânglio/campo de visão. Isso pode mudar dependendo da linha transgênica usada ou se o AAV-GCaMP for usado em seu lugar. Observe que a fluorescência da linha de base pode ser afetada por uma série de fatores, incluindo o nível de expressão do GCaMP, e possíveis danos às células durante a cirurgia. Alterações na intensidade da fluorescência acima de um nível limiar (tipicamente df/f > 3 vezes acima do ruído médio)20,21 é considerada uma resposta positiva.
Para determinar o tempo de entrega de estímulos, o tempo necessário para o líquido fluir através das linhas deve ser medido para saber quando uma mudança de fluido realmente entra em contato com a língua. Para reduzir esse atraso, utilize uma taxa de fluxo moderada (5-10 ml/min) e um curto comprimento de tubulação que leva do coletor de perfusão até a cavidade oral. Normalmente, com os estímulos descritos aqui, a fluorescência começa quase imediatamente após a aplicação do tastant na língua e começará a desaparecer quase imediatamente depois que o tastant é interrompido e a cavidade oral é lavada com solução do veículo. Ao trabalhar com um estímulo desconhecido pode ser útil observar a mudança na fluorescência de uma região sem responder neurônios para comparar as mudanças globais na imagem.
Este trabalho descreve um protocolo passo-a-passo para expor cirurgicamente o gânglio geniculado e registrar visualmente a atividade de seus neurônios com GCaMP6s. Este procedimento é muito semelhante ao descrito anteriormente17, com algumas exceções notáveis. Primeiro, o uso de um poste na cabeça permite um ajuste fácil do posicionamento da cabeça durante a cirurgia. Em segundo lugar, em relação à entrega de estímulos, a abordagem de Wu e Dvoryanchikov flui estímulos de sabor através da tubulação esofágica17, enquanto este protocolo fornece líquido diretamente na boca com uma agulha de distribuição. Qualquer método pode ser usado para evocar com sucesso respostas de neurônios de gânglios, estimulando as papilas gustativas fungiformas e palatais.
Uma nota sobre a manutenção de um campo de imagem claro: depois de quebrar a cóclea, haverá infiltração contínua de fluido dentro da cavidade, inclusive diretamente sobre o gânglio geniculado. Também é possível que o sangramento obscureça o gânglio geniculado. Embora uma pequena quantidade de infiltração possa não ser suficiente para evitar imagens, mesmo pequenas quantidades de sangue podem ocluir inteiramente o gânglios. Essas questões podem ser tratadas de algumas maneiras. Primeiro, se a infiltração for relativamente menor, pode ser removida usando uma linha de sucção equipada com uma agulha de distribuição sem corte entre os ensaios. Alternativamente, o líquido também pode ser perverso longe do campo, colocando cuidadosamente pontos absorventes posteriores ou laterais ao sétimo nervo. Se o fluxo for particularmente ruim, pode ser necessário aplicar sucção à cavidade durante a imagem. Uma linha de sucção cuidadosamente colocada pode manter o gânglio limpo enquanto é aplicado em um local lateral, de modo a evitar ocultar os gânglios durante a imagem.
A imagem em si pode ser realizada usando diferentes estilos de configurações de microscópio, cada uma com suas vantagens e limitações de atendimento. Ao usar um escopo de epifluorescência18,21, só é possível imaginar os neurônios mais superficiais. Outro problema com a imagem de epifluorescência é que os sinais de células mais profundas sairão como mudanças na fluorescência de fundo (fora da luz do foco) por isso tenha cuidado com a análise para não captar alterações de fluorescência de outras células no ROI. Para estruturas particularmente finas, como o gânglio geniculado, essas questões podem não ser problemáticas. O uso de um microscópio 2-fóton16 ouconfocal 20 pode potencialmente permitir que células de imagem em camadas mais profundas.
É importante destacar algumas etapas críticas e formas de solucionar problemas comuns. Em primeiro lugar, deve-se notar que a análise vai variar consideravelmente dependendo do software utilizado. O software de código aberto, ImageJ fornece ferramentas suficientes para análise preliminar. Primeiro, remova pequenos artefatos de movimento usando o plugin estabilizador de imagem22, Use o ImageJ para calcular a alteração da fluorescência dividida pela fluorescência da linha de base (dF/F). Isso pode ser realizado usando uma das muitas macros de código aberto para ImageJ23, a macro referenciada fornece notas de instalação detalhadas. Para outras macros, consulte sua documentação. Depois de corrigir para dF/F, utilize os botões para frente e para trás na parte inferior da pilha de imagens para observar as respostas das células a estímulos. Usando a ferramenta laço da barra de ferramentas, selecione células fluorescentes individualmente. Depois de selecionar um | de uso de células Pilhas | Plot-Z-Axis. Isso fornecerá informações suficientes para determinar perfis de resposta e analisar os eventos relacionados ao tempo de cada região de interesse (ROI). Análise mais avançada foi longo o domínio de scripts personalizados em Matlab, R, etc. No entanto, a popularidade da imagem de cálcio tem levado gradualmente ao desenvolvimento de múltiplos recursos de código aberto para análise, incluindo CaImAn, EZCalcium e mais24,25.
A imagem de cálcio é uma ferramenta poderosa para examinar a atividade de conjuntos neurais com resolução de neurônios únicos. Devido ao pequeno tamanho do gânglio geniculado, este protocolo é especialmente poderoso porque todo o gânglio pode ser visualizado dentro de um único campo. No entanto, existem algumas limitações para essa técnica. Além das limitações comuns a todos os experimentos de imagem de cálcio, a abordagem cirúrgica descrita aqui é invasiva e deve ser realizada sob anestesia. Este é um procedimento terminal - o animal deve ser eutanizado imediatamente após a imagem. Portanto, essa abordagem cirúrgica não é apropriada para gravações acordadas/comportas.
Nos últimos anos, pesquisadores têm usado essa técnica para estudar perfis de resposta dos neurônios do gânglio geniculado16,20,18. Trabalhos recentes se concentraram em potenciais marcadores genéticos que poderiam ser usados para manipular subpopulações dentro dos gânglios e mostrou como linhas transgênicas de driver cre e GCaMP dependentes de Cre podem ser usadas para identificar os perfis de resposta dessas populações26. Outros trabalhos podem usar GCaMP com proteínas fotoativadas, como pa-mCherry para primeiro identificar e, em seguida, marcar células ativadas por tastants para então ser usado em imunohistoquímica ou na hibridização in situ27. Também pode ser possível utilizar proteínas fotococo conversíveis dependentes de cálcio, como o CaMPARI, para o mesmo efeito, utilizando métodos experimentais muito semelhantes aos descritos aqui28. Independentemente das perguntas e experimentos específicos, a imagem de cálcio oferece uma poderosa ferramenta para explorar os perfis de resposta dos neurônios envolvidos em qualquer número de atividades, e sua utilidade em explorar o sistema de paladar está apenas começando.
Os autores não têm conflito de interesses para relatar.
Os autores agradecem a S. Humayun pela criação de ratos. O financiamento para este trabalho foi fornecido em parte pelo Brain Health Consortium Graduate and Postdoctoral Seed Grant (B.E.F.) e nih-SC2-GM130411 para L.J.M.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1 x #5 Inox Forceps | Fine Science Tools | NC9792102 | |
1ml Syringe with luer lock | Fisher Scientific | 14-823-30 | |
2 x #3 Inox Forceps | Fine Science Tools | M3S 11200-10 | |
27 Gauge Blunt Dispensing Needle | Fisher Scientific | NC1372532 | |
3M Vetbond | Fisher Scientific | NC0398332 | |
4-40 Machine Screw Hex Nuts | Fastenere | 3SNMS004C | |
4-40 Socket Head Cap Screw | Fastenere | 3SSCS04C004 | |
Absorbent Points | Fisher Scientific | 50-930-668 | |
Acesulfame K | Fisher Scientific | A149025G | |
Artificial Tears | Akorn | 59399-162-35 | |
BD Allergist Trays with Permanently Attached Needle | Fisher Scientific | 14-829-6D | |
Blunt Retractors | FST | 18200-09 | |
Breadboard | Thor Labs | MB8 | |
Citric Acid | Fisher Scientific | A95-3 | |
Cohan-Vannas Spring Scissors | Fine Science Tools | 15000-02 | |
Contemporary Ortho-Jet Liquid | Lang | 1504 | |
Contemporary Ortho-Jet Powder | Lang | 1520 | |
Cotton Tipped Applicators | Fisher | 19-062-616 | |
Custom Head Post Holder | eMachineShop | See attached file 202410.ems | |
Custom Metal Head Post | eMachineShop | See attached file 202406.ems | |
DC Temperature Controller | FHC | 40-90-8D | |
Digital Camera, sCMOS OrcaFlash4 Microscope Mounted | Hamamatsu | C13440 | |
Disection Scope | Leica | M80 | |
Hair Clippers | Kent Scientific | CL7300-Kit | |
IMP | Fisher Scientific | AAJ6195906 | |
Ketamine | Ketaved | NDC 50989-996-06 | |
LED Cold Light Source | Leica Mcrosystems | KL300LED | |
Luer Lock 1/16" Tubing Adapters | Fisher | 01-000-116 | |
Microscope | Olympus | BX51WI | |
Mini-series Optical Posts | Thorlabs | MS2R | |
MPG | Fisher Scientific | AAA1723230 | |
MXC-2.5 Rotatable probe Clamp | Siskiyou | 14030000E | |
NaCl | Fisher Scientific | 50-947-346 | |
petri dishes | Fisher Scientific | FB0875713A | |
Pressurized air | Airgas | AI Z300 | |
Quinine | Fisher Scientific | AC163720050 | |
Self Sticking Labeling Tape | Fisher Scientific | 159015R | |
Silicone Pinch Valve Tubing 1/32" x 1/16" o.d. (per foot) | Automate Scientific | 05-14 | |
Sola SM Light Engine | Lumencor | ||
Snap25-2A-GCaMP6s-D | JAX | 025111 | |
Student Fine Scissors | Fine Science Tools | 91460-11 | |
Surgical Probe | Roboz Surgical Store | RS-6067 | |
Surgical Probe Holder | Roboz Surgical Store | RS-6061 | |
Thread | Gütermann | 02776 | |
BD Intramedic Tubing | Fisher Scientific | 22-046941 | |
Two Stage Gas Regulator | Airgas | Y12FM244B580-AG | |
Tygon vinyl tubing - 1/16" | Automate Scientific | 05-11 | |
Valvelink8.2 digital/manual controller | Automate Scientific | 01-18 | |
Valvelink8.2 Pinch Valve Perfusion System | Automate Scientific | 17-pp-54 | |
Xylazine | Anased | NADA# 139-236 |
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