Applicazione della fotometria in fibra nello studio dei disturbi neurologici

Scenari applicativi della fotometria in fibra

Il cervello umano ha circa 90 miliardi di neuroni che sono interconnessi tra loro attraverso sinapsi per formare una complessa rete neurale, che consente una varietà di funzioni complesse. Il cervello può sintetizzare e rilasciare centinaia di neurotrasmettitori e i segnali neurali vengono trasmessi tra i neuroni attraverso i neurotrasmettitori rilasciati dalle sinapsi.

I neuroni nel cervello proiettano a più regioni del cervello attraverso percorsi complessi, generando abbondanti funzioni come apprendimento, cognizione, dipendenza, emozione, controllo, motivazione, ricompensa, ecc. Il sistema di fotometria a fibre può caratterizzare l'attività dei neuroni della popolazione rilevando i cambiamenti di fluorescenza di ioni calcio e neurotrasmettitori. Grazie alla facilità di esecuzione, gli esperimenti di fotometria in fibra sono stati ampiamente applicati nella ricerca sulle neuroscienze.

Questo articolo porterà i lettori attraverso alcuni scenari applicativi sperimentali della fotometria in fibra per aiutare i lettori a comprendere meglio la sua applicazione nei disturbi neurologici e condividere come la fotometria in fibra può far avanzare nuove scoperte.

2.1 Depressione: il meccanismo del circuito molecolare del comportamento depressivo indotto dall'astinenza da oppioidi [1]

La depressione è il tipo più comune di avversione indotta dall'astinenza dalla droga. Gli studi hanno scoperto che i recettori k-oppioidi (KOR) sono coinvolti nel comportamento simile alla depressione indotto dall'astinenza da oppiacei e questo comportamento è causato dalla riduzione del rilascio di dopamina (DA) nel nucleo accumbens (NAc). Tuttavia, il meccanismo molecolare e il circuito neuronale con cui i KOR regolano l'avversione associata all'astinenza da oppiacei non sono ancora chiari.

Nel modello dei topi con depressione indotta dall'astinenza da morfina, Zan et al. ha utilizzato la fotometria della fibra, il patch clamp, la genetica chimica e l'immunoistochimica e altri metodi per rivelare che l'astinenza dalla morfina attiva i KOR aumentando l'espressione della dinorfina, il ligando KOR nell'amigdala, attivando così p38 MAPK e promuovendo l'espressione di GLT1. L'aumento dell'espressione di GLT1 riduce l'input glutamatergico dall'amigdala a NAc, portando così a un comportamento simile alla depressione indotto dall'astinenza da morfina.

In questo studio Zan et al. ha adottato la fotometria della fibra per rilevare l'attività della proiezione neuronale BLA-NAc nei topi astinenti dalla morfina e ha scoperto che i segnali nel test di sospensione della coda diminuivano rapidamente dopo l'astinenza dalla morfina, indicando che l'astinenza dalla morfina riduceva la trasmissione sinaptica eccitatoria dall'amigdala al NAc.

2.2 Memoria: il circuito ipotalamico regola la neurogenesi dell'ippocampo per promuovere il recupero della memoria e combattere il comportamento ansioso[2]

La neurogenesi dell'ippocampo adulto è cruciale nell'elaborazione della memoria e delle emozioni. I neuroni neonati dell'ippocampo sono generati, maturi e integrati nei circuiti esistenti in DG, e questo processo è regolato dinamicamente dall'attività del circuito neurale. Tuttavia, l'influenza dei neuroni neonati ippocampali modificati dai circuiti neurali sulla memoria comportamentale animale rimane poco chiara.

Li et al. incentrato sulle diverse fasi di sviluppo dell'ABN modificato dal circuito SuM-DG. Ricorrendo alla fotometria delle fibre, all'optogenetica, alla genetica chimica, al patch clamp e al tracciamento del lignaggio, hanno rivelato che il circuito SuM-DG modificava i neuroni neonati dell'ippocampo adulto per promuovere il recupero della memoria e combattere l'ansia.

In questo studio Li et al. ha utilizzato la fotometria in fibra per rilevare l'attività della proiezione neuronale SuM-DG e ha svelato che in ambiente arricchito (EE), l'attività dei neuroni SuM nei topi è aumentata in modo significativo. Dopo l'ablazione SuM, la risposta neurale indotta da EE e il miglioramento comportamentale mediato da ABN sono stati eliminati, indicando che l'ABN modificato dal circuito SuM-DG può regolare il comportamento della memoria.

2.3 Psicosi - La segnalazione mPFC-Notch1 media la psicosi indotta da METH tramite la soppressione dipendente da Hes1 dell'espressione del recettore GABAB1 [3]

La metanfetamina (METH) è una droga stimolante ampiamente abusata. L'uso ad alte dosi oa lungo termine di METH può indurre psicosi (MIP). Attualmente si sa poco della sua patogenesi. Sebbene sia stato dimostrato che la via di segnalazione Notch1 svolge un ruolo nella patogenesi di alcuni disturbi psichiatrici, il suo ruolo nella MIP non è ancora chiaro.

Nel modello murino METH, Ni et al. ha scoperto un meccanismo dipendente dal recettore Notch1-Hess1-GABAB1 precedentemente non riconosciuto che coinvolge la regolazione dell'attività neuronale mPFC e dei fenotipi comportamentali nel MIP utilizzando la fotometria della fibra, l'immunoistochimica, il WB, la PCR e i metodi comportamentali e ha proposto un'importante associazione tra la segnalazione Notch1 e il MIP- relativa neuroplasticità.

In questo studio, al fine di verificare se l'attività dei neuroni mPFC nei deficit di movimento indotti da METH è correlata alla segnalazione di Notch1, Ni et al. ha downregolato l'espressione NICD dei neuroni mPFC tramite shRNA e ha utilizzato la fotometria delle fibre per registrare contemporaneamente i segnali di calcio dei neuroni mPFC. I risultati hanno mostrato che il segnale del calcio è diminuito significativamente dopo la somministrazione acuta di METH il giorno 1, mentre il giorno 23 il segnale del calcio è diminuito significativamente ed è tornato alla normalità in breve tempo dopo la somministrazione. Nel frattempo, il segnale del calcio è diminuito significativamente rispetto a quello prima della somministrazione. Tuttavia, quando è stata somministrata soluzione salina normale, non sono stati osservati cambiamenti significativi nei segnali di diversi gruppi nella fase acuta e nella fase di espressione, indicando che la downregulation della NICD nella mPFC può attenuare l'attività neuronale dei topi sensibilizzati.

2.4 Dolore: nuovo meccanismo di analgesia mediato dalla via VPMntng1-S1B[4]

Quando una parte del nostro corpo è ferita, spesso istintivamente la strofiniamo o la massaggiamo per ridurre il dolore. Questo fenomeno è indicato come analgesia mediata dal tocco. Per il meccanismo dell'analgesia mediata dal tocco, la corteccia somatosensoriale primaria (S1) elabora principalmente le informazioni vibro-tattili, ma il ruolo esatto di S1 nella nocicezione è ancora dibattuto. Si sa relativamente poco se e come S1 elabora le informazioni sulla nocicezione facciale.

Lu et al. ha stabilito un modello comportamentale di analgesia mediata dal tocco. Utilizzando tecniche sperimentali come la fotometria delle fibre, la chemiogenetica, l'imaging del calcio in vivo, l'immunoistochimica, la valutazione comportamentale, ecc., hanno osservato che, per i topi, i segnali tattili generati dallo sbattere potrebbero alleviare in modo significativo la nocicezione facciale e bloccare la corteccia talamo-barile (S1B) da cui dipende questa trasmissione del segnale tattile porta alla scomparsa di questa analgesia. Analizzando i segnali di calcio dei neuroni S1B, gli autori hanno scoperto che il frullare alterava l'elaborazione del segnale nocicettivo nei neuroni S1B e faceva avanzare la transizione dello stato neurale indotto da stimoli nocivi verso azioni non nocicettive. Questo studio mostra che S1B integra segnali tattili e nocivi facciali per consentire l'analgesia mediata dal tocco.

In questo studio Lu et al. ha utilizzato la tecnologia di fotometria in fibra per rilevare se il segnale tattile generato dallo sbattere dipende dai neuroni che esprimono Ntng1 nel nucleo mediale posteriore ventrale (VPM) del talamo (VPMNtng1). È stato osservato che i neuroni VPMNtng1 rispondevano più fortemente allo stimolo innocuo del soffio (soffio d'aria) che allo stimolo nocivo (stimolo termico o meccanico) e questo era coerente con il ruolo del VPM di trasmettere segnali tattili, indicando che il segnale tattile generato dallo sbattere può effettivamente sopprimere la nocicezione facciale.

In tutti questi studi di cui sopra, i ricercatori hanno utilizzato il sistema di fotometria in fibra RWD che ha facilitato la corretta attuazione dell'esperimento. Il sistema di fotometria in fibra RWD ha assistito il lavoro di ricerca scientifica di oltre 100 università in patria e all'estero, come l'Università di Pechino, l'Università di Zhejiang, l'Università di Stanford, l'University College di Londra, ecc., e ha contribuito alla pubblicazione dei risultati della ricerca da parte di vari gruppi di ricerca nelle migliori riviste accademiche come Nature Neuroscience.

9 canali, 3 lunghezze d'onda delle sorgenti luminose di eccitazione.

I rilevatori altamente sensibili forniscono un'acquisizione del segnale stabile senza perdita di frame.

Oltre 20 tipi di marcatura forniscono una definizione flessibile dei requisiti sperimentali

Registrazione della fluorescenza e registrazione video comportamentale integrate

Le funzionalità di registrazione e analisi professionali consentono l'elaborazione dei dati con un clic.

Riferimenti:

Zan Gui-Ying, Wang Yu-Jun, Li Xue-Ping et al. Il trasportatore 1 del glutammato sovraregolante dipendente dal recettore κ dell'amigdala media i comportamenti depressivi dell'astinenza da oppioidi. [J] .Cell Rep, 2021, 37: 109913.

Li Ya-Dong, Luo Yan-Jia, Chen Ze-Ka et al. La modulazione ipotalamica della neurogenesi dell'ippocampo adulto nei topi conferisce una regolazione dipendente dall'attività della memoria e un comportamento simile all'ansia.[J] .Nat Neurosci, 2022, 25: 630-645.

Ni Tong, Zhu Li, Wang Shuai et al. La segnalazione Notch1 della corteccia prefrontale mediale media la psicosi indotta da metanfetamine attraverso la soppressione dipendente da Hes1 dell'espressione del recettore GABA. [J] .Mol Psychiatry, 2022, 27: 4009-4022.

Lu Jinghao, Chen Bin, Levy Manuel et al. Firma corticale somatosensoriale della nocicezione facciale e dell'analgesia indotta dal tocco vibrotattile.[J] .Sci Adv, 2022, 8: eabn6530.