Electroencefalografía simultánea, en tiempo real Medición de la concentración de lactato y Manipulación optogenético de la actividad neuronal en la corteza cerebral de roedores
Summary
Se describe un procedimiento para la manipulación de la actividad de las neuronas piramidales corticales cerebrales optogenetically mientras que el electroencefalograma, electromiograma, y la concentración de lactato cerebral son monitoreados. Grabaciones experimentales se realizaron en ratones de cable-atados mientras se someten espontáneas de sueño / vigilia ciclos. Optogenético equipo es ensamblado en nuestro laboratorio; aparato de control está disponible comercialmente.
Abstract
Aunque el cerebro representa menos del 5% del cuerpo en masa, utiliza aproximadamente un cuarto de la glucosa utilizada por el cuerpo en reposo 1. La función del sueño no REM (NREMS), la mayor parte de sueño por el tiempo, es incierto. Sin embargo, una característica sobresaliente de NREMS es una reducción significativa en la tasa de utilización de la glucosa cerebral relativo a la vigilia 2-4. Esta y otras conclusiones han dado lugar a la creencia generalizada de que el sueño tiene una función relacionada con el metabolismo cerebral. Sin embargo, los mecanismos subyacentes a la reducción del metabolismo cerebral de la glucosa durante NREMS aún no se han dilucidado.
Un fenómeno asociado con NREMS que podrían afectar la tasa metabólica cerebral es la aparición de ondas lentas, oscilaciones en frecuencias de menos de 4 Hz, en el electroencefalograma 5,6. Estas ondas lentas detectadas en el nivel de la superficie del cráneo o cortical cerebral reflejar laoscilaciones de las neuronas subyacentes entre un estado despolariza / arriba y un estado hiperpolarizado / abajo 7. Durante el estado de abajo, las células no se someten a los potenciales de acción para los intervalos de hasta varios milisegundos cien. Restauración de los gradientes de concentración iónica posteriores a los potenciales de acción representa una carga significativa metabólico de la célula 8; ausencia de potenciales de acción durante los estados asociados a abajo NREMS pueden contribuir al metabolismo reducido en relación a despertar.
Dos retos técnicos que había que abordar para que esta relación hipotética a probar. En primer lugar, era necesario para medir el metabolismo glicolítico cerebral con una resolución temporal reflectante de la dinámica de la cerebral EEG (es decir, más de segundos en lugar de minutos). Para ello, se midió la concentración de lactato, el producto de la glicolisis aerobia, y por lo tanto, una lectura de la tasa de metabolismo de la glucosa en el cerebro de los ratones. El lactato fuemedido usando un sensor basado en lactato oxidasa tiempo real incorporado en la corteza frontal. El mecanismo de detección consta de un electrodo de platino-iridio, rodeado por una capa de moléculas de lactato oxidasa. Metabolismo de lactato por la lactato oxidasa produce peróxido de hidrógeno, que produce una corriente en el electrodo de platino-iridio. Así, un aumento gradual de la glucólisis cerebral proporciona un aumento en la concentración de sustrato para la lactato oxidasa, que a continuación se refleja en corriente aumentó en el electrodo sensor. Era necesario adicionalmente para medir estas variables, mientras que la manipulación de la excitabilidad de la corteza cerebral, a fin de aislar esta variable a partir de otras facetas de NREMS.
Hemos ideado un sistema experimental para la medición simultánea de la actividad neuronal a través de la elecetroencephalogram, medición de flujo glucolítico a través de un biosensor de lactato, y la manipulación de la actividad cerebral neuronal cortical través de la activación de optogenético PyraMIDAL neuronas. Hemos utilizado este sistema para documentar la relación entre el sueño relacionado con formas de onda electroencefalográfica y la dinámica de momento a momento de la concentración de lactato en la corteza cerebral. El protocolo puede ser útil para cualquier individuo interesado en estudiar, comportarse libremente en roedores, la relación entre la actividad neuronal medida a nivel electroencefalográfico y la energética celular en el cerebro.
Protocol
Representative Results
Discussion
Los métodos aquí presentados permiten medir la relación entre el sueño y los cambios en la concentración cerebral de la lactato intermediario glicolítico en una escala de tiempo no era posible anteriormente. Los animales experimentan transiciones espontáneas entre vigilia, NREMS y REMS. Además, estamos en condiciones de aplicar estímulos optogenético mientras que los animales se someten a estas transiciones. Los datos recogidos hasta la fecha demuestran que las ondas de impacto tanto espontánea e inducida en …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
La investigación financiada por el Departamento de Defensa (Defense Advanced Research Projects Agency, Premio Facultad Young, número de concesión N66001-09-1-2117) y NINDS (R15NS070734).
Materials
| Component | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
| BASi Mouse Guide Cannula | Pinnacle Technology/BASi Inc | 7032 | |
| Lactate Biosensor | Pinnacle Technology | 7004 | |
| Head Mount | Pinnacle Technology | 8402 | |
| Sleep/Biosensor Recording system | Pinnacle Technology | 8400-K1-SL | 2 EEG channels, 1 EMG channel, & 1 biosensor |
| Tethered Mouse in-vitro Calibration kit | Pinnacle Technology | 7000-K1-T | |
| Fiber Optic Guide Cannula | Plastics One | C312G | 21 Gauge Guide Cannula |
| Dummy Cannula | Plastics One | C312DC | 21 Gauge Dummy |
| Diamond Fiber Scribe | Thorlabs | S90W | |
| Fiber Connector Crimp Tool | Thorlabs | CT042 | |
| Furcation Tubing | Thorlabs | FT030 | 03.0 mm |
| Thorlabs | T10S13 | Max Dia. 0.012 | |
| Furcation Tube Stripper | Thorlabs | FTS3 | |
| Bare Hard Cladding Multimode Fiber | Thorlabs | BFL37-200 | 200 μm Core, 0.37 NA |
| Wire Snips/Kevlar Shears | Thorlabs | T865 | |
| Fiber Optic Epoxy | Thorlabs | F112 | |
| Fiber Stripper Tool | Thorlabs | ||
| Glass Polishing Plate | Thorlabs | CTG913 | |
| Rubber Polishing Pad | Thorlabs | NRS913 | |
| Eye Loupe | Thorlabs | JEL10 | |
| Kim Wipes | Thorlabs | KW32 | |
| Compressed Air | Thorlabs | CA3 | |
| Polishing Puck | Thorlabs | D50-xx | |
| Fiber Inspection scope | Thorlabs | CL-200 | |
| Polishing Films | Thorlabs | LFG5P, LFG3P, LFG1P, LFG03P | |
| FC/PC connector end | Thorlabs | 30126G2-240 | 240 μm Bore, SS Ferrule |
| MC Stimulus Unit | Multi-Channel Systems | STG-4002 | |
| MC Stimulus Software | Multi-Channel Systems | MC-Stimulus V 2.1.5 | |
| Blue Laser | CrystaLaser | CL473-050-0 | |
| Laser Power supply | CrystaLaser | CL2005 | |
| Fiber Optic Rotary Joint | Doric Lenses | FRJ-v4 | |
| Table 2. Supplies and equipment. |
References
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