光遺伝学的刺激とパッチクランプを用いた生体外での神経細胞機能の研究

Studying Neuronal Function Ex Vivo Using Optogenetic Stimulation and Patch Clamp.

• Ayla Aksoy-Aksel
• Julien Genty
• Martin Zeller
• Ingrid Ehrlich

抄録

オプトジェネティクスは、脳内の神経集団や回路の機能を調べるための重要な手法となっています。この手法は、光で活性化されたタンパク質を標的として発現させ、それに続く光による神経活動の操作を組み合わせたものである。光で活性化されたカチオンチャネルであるChannelrhodopsin-2（ChR2）のようなオプシンを蛍光タンパク質と融合または共発現させることで、ニューロンとその軸索突起を可視化し、同時に活性化することができるようになります。ウイルスベクターを定位輸送することで、ChR2を脳の特定領域の特定のニューロンで構成的または条件付きで発現させることができます。その後、同定された軸索突起は、脳スライスのパッチクランプ記録と組み合わせて、ex vivoで機能的に研究することができます。神経回路のこのoptogeneticマッピングは、新しいシナプス接続の同定と特徴付け、以前は電気刺激技術では無条件に既知の解剖学的接続の詳細な調査を可能にしました。ここでは、我々は、急性脳スライスにおける青色光活性化ChR2バリアントと全細胞パッチクランプ記録を使用して、脳内の局所および長距離接続の機能特性を調査するためのプロトコルを説明します。

Optogenetics has become a key method to interrogate the function of neural populations and circuits in the brain. This technique combines the targeted expression of light-activated proteins with subsequent manipulation of neural activity by light. Opsins such as Channelrhodopsin-2 (ChR2), which is a light-gated cation-channel, can be fused to or coexpressed with fluorescent proteins to allow for visualization and concurrent activation of neurons and their axonal projections. Via stereotaxic delivery of viral vectors, ChR2 can be constitutively or conditionally expressed in specific neurons in defined brain regions. Subsequently, identified axonal projections can be studied functionally ex vivo in combination with patch-clamp recordings in brain slices. This optogenetic mapping of neural circuitry has enabled the identification and characterization of novel synaptic connections and the detailed investigation of known anatomical connections previously not amenable with electrical stimulation techniques. Here, we describe a protocol for investigating functional properties of local and long-range connectivity in the brain using blue-light activated ChR2 variants and whole-cell patch-clamp recordings in acute brain slices.