脳スライスにおける効率的な神経細胞間シナプス接続の探索のための協調型マルチパッチクランプ法

Core Concepts

パッチクランプ法の手動操作の煩雑さと時間のかかる問題を解決するため、複数のパッチクランプ電極を協調的に制御する新しい手法「パッチウォーキング」を開発し、その有効性を実証した。

Abstract

本研究では、神経細胞間のシナプス接続を効率的に探索するために、新しい手法「パッチウォーキング」を開発した。従来のパッチクランプ法では、各電極を個別に操作し、細胞を順番に記録していく必要があり、非常に手間と時間がかかる。一方、パッチウォーキング法では、複数の電極を協調的に制御することで、1回の記録試行で多数の細胞間接続を探索できる。
具体的には、2つのパッチクランプ電極を用いて実験を行った。まず、脳スライス標本から8-10個の健康な細胞を選択し、それぞれの細胞位置を記録した。次に、2つの電極のうち1つを選んで最も近い細胞に接近させ、パッチクランプ記録を行う。記録が成功したら、その電極を引き上げて洗浄し、次の細胞に移動する。一方、もう1つの電極は引き続き前の細胞に接続したままとする。このように、1つの電極を移動させながら次々と新しい細胞を記録していく「パッチウォーキング」を行うことで、効率的に多数の細胞間接続を探索できる。
実験の結果、136回の記録試行で71個の成功記録を得た。そのうち29ペアの細胞間接続を探索し、3つの接続を検出した。従来法と比べて、パッチウォーキング法では80-92%多くの細胞間接続を探索できることが示された。この手法は、神経回路の構造と機能を解明する上で有用な技術となると期待される。

Stats

2つのパッチクランプ電極を用いた実験で、136回の記録試行を行い、71個の成功記録を得た。
29ペアの細胞間接続を探索し、3つの接続を検出した。
細胞間の平均距離は91.6 ± 0.2 μmであった。

Quotes

「パッチウォーキング」により、従来法と比べて80-92%多くの細胞間接続を探索できることが示された。
「パッチウォーキング」は、神経回路の構造と機能を解明する上で有用な技術となると期待される。

Key Insights Distilled From

Patch-walking: Coordinated multi-pipette patch clamp for efficiently finding synaptic connections

by Yip,M. C., G... at www.biorxiv.org 04-01-2024

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.03.30.587445v2

Deeper Inquiries

パッチウォーキング法を応用して、光遺伝学を組み合わせた神経回路の網羅的な解析はできないだろうか。

パッチウォーキング法は、複数のパイペットを使用して神経細胞間のシナプス接続を効率的に探索する方法です。この方法を光遺伝学と組み合わせることで、特定の神経細胞を光で刺激し、同時にパッチクランプで記録することが可能です。光遺伝学を使用することで、特定の神経回路を選択的に活性化できるため、パッチウォーキング法と組み合わせることで神経回路の網羅的な解析が可能となります。このアプローチは、特定の神経回路の機能や相互作用をより詳細に理解するために有用であり、将来の神経科学研究に貢献する可能性があります。

パッチウォーキング法では、電極の衝突や細胞への影響をどのように最小限に抑えているのだろうか。

パッチウォーキング法において、電極の衝突や細胞への影響を最小限に抑えるためにいくつかの工夫がされています。まず、パイペットの位置調整や細胞へのアプローチは慎重に行われ、細胞間の距離や位置関係を考慮して電極を配置します。さらに、パッチクランプの各段階で電極の圧力や位置を制御し、細胞への影響を最小化します。また、パッチクランプの自動化や機械学習アルゴリズムを活用することで、電極の衝突を回避し、効率的に細胞へのアプローチを行います。これにより、パッチウォーキング法において電極の衝突や細胞への影響を最小限に抑えることが可能となっています。

パッチウォーキング法は、ヒト脳組織の解析にも応用できるだろうか。

パッチウォーキング法は、脳組織内の神経回路やシナプス接続を探索するための効率的な手法であり、ヒト脳組織の解析にも応用可能です。ヒト脳組織の解析においては、パッチウォーキング法を使用して複数の神経細胞間のシナプス接続を同時に探索することで、神経回路の機能や相互作用を詳細に解明することができます。また、パッチウォーキング法は自動化されたアプローチであり、大規模なデータセットの取得や解析にも適しています。したがって、ヒト脳組織の解析においてもパッチウォーキング法を活用することで、神経科学研究の進展に貢献する可能性があります。