Anwendung der Faserphotometrie bei der Untersuchung neurologischer Erkrankungen

Anwendungsszenarien der Faserphotometrie

Das menschliche Gehirn verfügt über etwa 90 Milliarden Neuronen, die über Synapsen miteinander verbunden sind und ein komplexes neuronales Netzwerk bilden, das eine Vielzahl komplexer Funktionen ermöglicht. Das Gehirn kann Hunderte von Neurotransmittern synthetisieren und freisetzen, und neuronale Signale werden zwischen Neuronen über Neurotransmitter übertragen, die von Synapsen freigesetzt werden.

Neuronen im Gehirn projizieren über komplexe Wege in mehrere Gehirnregionen und erzeugen zahlreiche Funktionen wie Lernen, Kognition, Sucht, Emotionen, Kontrolle, Motivation, Belohnung usw. Das Faserphotometriesystem kann die Aktivität von Populationsneuronen durch die Erkennung von Fluoreszenzänderungen charakterisieren von Kalziumionen und Neurotransmittern. Aufgrund der einfachen Durchführung werden Faserphotometrie-Experimente in der neurowissenschaftlichen Forschung häufig eingesetzt.

Dieser Artikel führt die Leser durch einige experimentelle Anwendungsszenarien der Faserphotometrie, um den Lesern zu helfen, ihre Anwendung bei neurologischen Erkrankungen besser zu verstehen und zu zeigen, wie die Faserphotometrie neue Entdeckungen vorantreiben kann.

2.1 Depression – der molekulare Schaltkreis opioidabstinenzinduzierten depressiven Verhaltens [1]

Depression ist die häufigste Form der Abneigung, die durch Drogenabstinenz hervorgerufen wird. Studien haben ergeben, dass K-Opioidrezeptoren (KORs) an einem durch Opioidabstinenz hervorgerufenen Depressionsverhalten beteiligt sind, und dieses Verhalten wird durch eine Verringerung der Dopaminausschüttung (DA) im Nucleus accumbens (NAc) verursacht. Der molekulare Mechanismus und der neuronale Schaltkreis, durch den KORs die mit Opioidabstinenz verbundene Abneigung regulieren, sind jedoch noch unklar.

Im Modell von durch Morphinabstinenz induzierten Depressionsmäusen haben Zan et al. verwendeten Faserphotometrie, Patch-Clamp, chemische Genetik und Immunhistochemie sowie andere Methoden, um zu zeigen, dass Morphinabstinenz KORs aktiviert, indem sie die Expression von Dynorphin, dem KOR-Liganden in der Amygdala, erhöht, wodurch p38 MAPK aktiviert und die GLT1-Expression gefördert wird. Der Anstieg der Expression von GLT1 verringert den glutamatergen Input von der Amygdala zu NAc, was zu einem durch Morphinabstinenz induzierten, depressionsähnlichen Verhalten führt.

In dieser Studie haben Zan et al. nutzten die Faserphotometrie, um die Aktivität der BLA-NAc-Neuronenprojektion bei Morphin-abstinenten Mäusen zu erfassen, und stellten fest, dass die Signale im Schwanzsuspensionstest nach der Morphin-Abstinenz schnell abnahmen, was darauf hinweist, dass die Morphin-Abstinenz die erregende synaptische Übertragung von der Amygdala auf NAc reduzierte.

2.2 Gedächtnis – Der hypothalamische Schaltkreis reguliert die Hippocampus-Neurogenese, um das Abrufen von Erinnerungen zu fördern und angstähnliches Verhalten zu bekämpfen[2]

Die Hippocampus-Neurogenese bei Erwachsenen ist für die Gedächtnis- und Emotionsverarbeitung von entscheidender Bedeutung. Hippocampale neugeborene Neuronen werden in DG erzeugt, reifen und in bestehende Schaltkreise integriert, und dieser Prozess wird dynamisch durch die Aktivität neuronaler Schaltkreise reguliert. Der Einfluss neugeborener Hippocampus-Neuronen, die durch neuronale Schaltkreise verändert wurden, auf das Verhaltensgedächtnis von Tieren bleibt jedoch unklar.

Li et al. konzentrierte sich auf die verschiedenen Phasen der ABN-Entwicklung, modifiziert durch die SuM-DG-Schaltung. Sie griffen auf Faserphotometrie, Optogenetik, chemische Genetik, Patch-Clamp und Abstammungsverfolgung zurück und zeigten, dass der SuM-DG-Schaltkreis neugeborene Neuronen im Hippocampus von Erwachsenen veränderte, um das Abrufen von Erinnerungen zu fördern und Angstzustände zu bekämpfen.

In dieser Studie haben Li et al. verwendeten Faserphotometrie, um die Aktivität der neuronalen SuM-DG-Projektion zu erfassen, und stellten fest, dass die Aktivität von SuM-Neuronen in Mäusen in einer angereicherten Umgebung (EE) signifikant zunahm. Nach der SuM-Ablation wurden die EE-induzierte neuronale Reaktion und die ABN-vermittelte Verhaltensverbesserung eliminiert, was darauf hinweist, dass durch den SuM-DG-Schaltkreis modifiziertes ABN das Gedächtnisverhalten regulieren kann.

2.3 Psychose – mPFC-Notch1-Signalisierung vermittelt METH-induzierte Psychose über Hes1-abhängige Unterdrückung der GABAB1-Rezeptor-Expression[3]

Methamphetamin (METH) ist ein häufig missbrauchtes Stimulans. Hochdosierter oder langfristiger Konsum von METH kann eine Psychose (MIP) auslösen. Derzeit ist wenig über seine Pathogenese bekannt. Obwohl nachgewiesen wurde, dass der Notch1-Signalweg eine Rolle bei der Pathogenese einiger psychiatrischer Erkrankungen spielt, ist seine Rolle bei MIP noch unklar.

Im METH-Mausmodell haben Ni et al. entdeckte mithilfe von Faserphotometrie, Immunhistochemie, WB, PCR und Verhaltensmethoden einen bisher unerkannten Notch1-Hess1-GABAB1-Rezeptor-abhängigen Mechanismus, der die Regulierung der neuronalen mPFC-Aktivität und der Verhaltensphänotypen bei MIP beinhaltet, und schlug einen wichtigen Zusammenhang zwischen Notch1-Signalisierung und MIP vor. damit verbundene Neuroplastizität.

Um in dieser Studie zu überprüfen, ob die Aktivität von mPFC-Neuronen bei METH-induzierten Bewegungsdefiziten mit der Notch1-Signalübertragung zusammenhängt, haben Ni et al. regulierten die NICD-Expression von mPFC-Neuronen über shRNA herunter und verwendeten Faserphotometrie, um gleichzeitig Kalziumsignale von mPFC-Neuronen aufzuzeichnen. Die Ergebnisse zeigten, dass das Kalziumsignal nach der akuten METH-Verabreichung am ersten Tag deutlich abnahm, während das Kalziumsignal am 23. Tag deutlich abnahm und innerhalb kurzer Zeit nach der Verabreichung wieder auf den Normalwert zurückkehrte. Unterdessen nahm das Kalziumsignal im Vergleich zu vor der Verabreichung deutlich ab. Bei Gabe normaler Kochsalzlösung wurden jedoch keine signifikanten Veränderungen in den Signalen verschiedener Gruppen in der akuten Phase und der Expressionsphase beobachtet, was darauf hindeutet, dass die Herunterregulierung von NICD in mPFC die neuronale Aktivität sensibilisierter Mäuse abschwächen kann.

2.4 Schmerz – neuartiger Mechanismus der Analgesie, vermittelt durch den VPMntng1-S1B-Signalweg[4]

Wenn ein Teil unseres Körpers verletzt ist, reiben oder massieren wir ihn oft instinktiv, um den Schmerz zu lindern. Dieses Phänomen wird als berührungsvermittelte Analgesie bezeichnet. Für den Mechanismus der berührungsvermittelten Analgesie verarbeitet der primäre somatosensorische Kortex (S1) hauptsächlich vibrotaktile Informationen, die genaue Rolle von S1 bei der Nozizeption ist jedoch noch umstritten. Es ist relativ wenig darüber bekannt, ob und wie S1 Nozizeptionsinformationen im Gesicht verarbeitet.

Lu et al. etablierte ein Verhaltensmodell der berührungsvermittelten Analgesie. Mithilfe experimenteller Techniken wie Faserphotometrie, Chemogenetik, In-vivo-Kalziumbildgebung, Immunhistochemie, Verhaltensbewertung usw. beobachteten sie, dass taktile Signale, die durch Rühren erzeugt werden, bei Mäusen die Nozizeption im Gesicht und die Blockade des Thalamus-zu-Fass-Kortex erheblich lindern können (S1B) Schaltkreis, von dem diese taktile Signalübertragung abhängt, führt zum Verschwinden dieser Analgesie. Durch die Analyse der Kalziumsignale von S1B-Neuronen fanden die Autoren heraus, dass Whisking die nozizeptive Signalverarbeitung in S1B-Neuronen veränderte und den Übergang des durch schädliche Reize induzierten neuronalen Zustands hin zu nicht-nozifensiven Aktionen beschleunigte. Diese Studie zeigt, dass S1B taktile und schädliche Gesichtssignale integriert, um eine berührungsvermittelte Analgesie zu ermöglichen.

In dieser Studie haben Lu et al. verwendeten die Faserphotometrie-Technologie, um festzustellen, ob das durch das Rühren erzeugte taktile Signal von den Neuronen abhängt, die Ntng1 im ventralen hinteren medialen Kern (VPM) des Thalamus (VPMNtng1) exprimieren. Es wurde beobachtet, dass VPMNtng1-Neuronen stärker auf harmlose Blasreize (Luftstoß) als auf schädliche Reize (thermische oder mechanische Reize) reagierten. Dies stimmte mit der Rolle des VPM bei der Übertragung von Berührungssignalen überein, was darauf hindeutet, dass das durch Rühren erzeugte taktile Signal dies tatsächlich kann Unterdrücken Sie die Nozizeption im Gesicht.

In allen oben genannten Studien verwendeten die Forscher das RWD-Faserphotometriesystem, das eine reibungslose Durchführung des Experiments ermöglichte. Das RWD-Faserphotometriesystem hat die wissenschaftliche Forschungsarbeit von über 100 Universitäten im In- und Ausland, wie der Peking-Universität, der Zhejiang-Universität, der Stanford-Universität, dem University College London usw., unterstützt und zur Veröffentlichung von Forschungsergebnissen verschiedener Forschungsgruppen beigetragen in führenden Fachzeitschriften wie Nature Neuroscience.

9 Kanäle, 3 Wellenlängen der Anregungslichtquellen.

Hochempfindliche Detektoren sorgen für eine stabile Signalerfassung ohne Frame-Drop.

Über 20 Markierungsarten ermöglichen eine flexible Definition experimenteller Anforderungen

Fluoreszenzaufzeichnung und Verhaltensvideoaufzeichnung integriert

Professionelle Aufzeichnungs- und Analysefunktionen ermöglichen die Datenverarbeitung mit einem Klick.

Verweise:

Zan Gui-Ying, Wang Yu-Jun, Li Xue-Ping et al. Amygdalarer κ-Opioidrezeptor-abhängiger hochregulierender Glutamattransporter 1 vermittelt depressives Verhalten bei Opioidabstinenz.[J] .Cell Rep, 2021, 37: 109913.

Li Ya-Dong, Luo Yan-Jia, Chen Ze-Ka et al. Die hypothalamische Modulation der adulten Hippocampus-Neurogenese bei Mäusen führt zu einer aktivitätsabhängigen Regulierung des Gedächtnisses und angstähnlichen Verhaltens.[J] .Nat Neurosci, 2022, 25: 630-645.

Ni Tong, Zhu Li, Wang Shuai et al. Die Notch1-Signalisierung des medialen präfrontalen Kortex vermittelt Methamphetamin-induzierte Psychosen über Hes1-abhängige Unterdrückung der GABA-Rezeptor-Expression.[J] .Mol Psychiatry, 2022, 27: 4009-4022.

Lu Jinghao, Chen Bin, Levy Manuel et al. Somatosensorische kortikale Signatur der Gesichtsnozizeption und vibrotaktilen berührungsinduzierten Analgesie.[J] .Sci Adv, 2022, 8: eabn6530.