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捕捉单脊椎结构塑性的新成像技术

拍相机快门的声音我们都很熟悉。拍摄照片通常是为了捕捉社交媒体价值的镜头。这是通过许多障碍完成的,例如模糊的背景、闭上的眼睛和对路人的拍照,所有这些都是为了完美的画面。

捕捉单脊椎结构塑性的新成像技术。

图片来源:马克斯普朗克佛罗里达神经科学研究所

神经科学家执行非常相似的任务。他们积极尝试改进方法来捕捉完美、晶莹剔透的图像。神经科学家不是拍摄风景如画的户外地点,而是拍摄脑细胞及其小规模结构的详细快照。

安田实验室在 马克斯普朗克佛罗里达神经科学研究所(MPFI) 在大脑的小尺度结构中经验丰富,专注于分析称为树突棘的微小突触袋的动态变化。称为结构可塑性的脊柱结构的稳健修改使突触能够理想地调节它们的连接强度。

在这个过程中,脑细胞可以主动加强关键连接,削弱不需要的连接。这个过程被认为是理解和记住它的方式的基础。然而,在动态过程中详细揭示脊柱的精细结构是一项具有挑战性的任务。到目前为止,成像方法无法做到这一点。

据报道,Yasuda 实验室的研究人员设计了一种新的强大的成像技术,能够在结构可塑性过程中对树突棘的精细超微结构变化进行可视化。该研究发表在 神经科学杂志.

研究人员调整了相关光电子显微镜 (CLEM) 并开发了一种新的成像方法,以获得两种成像方式所能提供的最佳效果。

树突棘是如此小的神经元隔室,使用传统成像方法很难准确了解实际发生的结构变化。使用更标准的光学技术,如 2 光子显微镜,树突棘看起来像光滑的球体.

Ryohei Yasuda 博士,马克斯普朗克佛罗里达神经科学研究所科学主任

因此,我们有兴趣了解在结构可塑性的各个阶段会发生什么变化,以便我们可以更深入地了解脊柱的复杂性。实际上,我们通过使用更强大的成像方法,如电子显微镜,知道棘的实际大小和形状要复杂得多。,”安田博士补充道。

首先,研究人员通过采用 2 光子光学显微镜和谷氨酸脱笼技术在单个树突棘中诱导结构可塑性。这个诱导脊柱后来在三个独特的时间点之一被及时固定。这代表了结构可塑性的重要水平。

与 MPFI 电子显微镜 (EM) 核心相结合,使用称为 ATUMtome 的专用设备将具有刺激脊椎的脑组织样本切割成超薄切片。然后,使用电子显微镜的极高分辨能力对切片进行重新成像,以揭示超微结构细节并重建脊柱复杂拓扑结构的精确图像。

当我们开始这个项目时,我们的目标是看看是否有可能在结构可塑性的各个阶段收集脊椎,成功地重新定位它们,并使用 EM 解析它们的超微结构。以前从未以这种方式对单一的、特定于脊柱的结构可塑性形式进行成像。 MPFI EM Core 负责人 Naomi kamasawa 博士在帮助我们为该项目建立和优化我们的 EM 工作流程方面发挥了重要作用.

Ye Sun,博士,研究第一作者和前研究生,安田实验室,马克斯普朗克佛罗里达神经科学研究所

在分析重建的脊柱图像时,研究人员观察到树突棘富含蛋白质区域的明显变化,称为突触后密度 (PSD)。该区域对脊柱至关重要,以调节突触强度和可塑性而闻名。

MPFI 研究人员透露,与对照脊柱相比,PSD 区域的面积和大小在经历结构可塑性的脊柱中明显更大。这些刺中 PSD 的增长发生在较慢的时间范围内,需要数小时才能达到其最大变化。

令人着迷的是,即使生长速度缓慢,模拟刺中的 PSD 结构重组速度也更快。随着结构可塑性的引入,PSD复杂性迅速增加,导致形状和结构特征发生显着变化。

我们的成像策略结合了光学和 EM 显微镜的优点,使我们能够研究以前从未在纳米级分辨率下见过的脊柱结构变化。对于未来,我们的实验室有兴趣将这种新方案与先进的分子技术(如 SLENDR)结合使用,以研究单个蛋白质动力学以及脊柱结构可塑性过程中的精细结构变化.

Ryohei Yasuda 博士,马克斯普朗克佛罗里达神经科学研究所科学主任

该研究得到了美国国立卫生研究院、大脑研究基金会和马克斯普朗克佛罗里达神经科学研究所的支持。

期刊参考:

孙,Y., . (2021) 在单树突棘中诱导结构 LTP 后 PSD 和周围膜的快速超微结构变化。 神经科学杂志. doi.org/10.1523/JNEUROSCI.1964-20.2021。

来源: //www.mpfi.org/

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