Внеклеточной Запись нейрональной активности в сочетании с микроионофоретическое Применение нейроактивный веществ у бодрствующих мышей
Summary
We present methods for the construction of electrodes to simultaneously record extracellular neural activity and release multiple neuroactive substances at the vicinity of the recording sites in awake mice. This technique allows the detailed analysis of putative local synaptic inputs to the neuron of interest.
Abstract
Различия в активности нейромедиаторов и нейромодуляторов, и, следовательно, различных нервных реакций, можно найти между наркозом и бодрствующих животных. Таким образом, методы, позволяющие манипулировать синаптические системы у бодрствующих животных необходимы для того, чтобы определить вклад синаптических входов в нейронную обработку незатронутой анестетиков. Здесь мы представляем методологию построения электродов для одновременной записи внеклеточной нейронной активности и высвобождения множественных нейроактивные веществ в непосредственной близости от мест записи в активных мышей. Комбинируя эти процедуры, мы провели микроионофоретическое инъекции габазин выборочно блокировать рецепторы ГАМК в нейронах нижней бугорок мышей с черепно-сдержанной. Габазин успешно модифицировать нейронные свойства отклика, такие как область частот отклика и адаптации стимула конкретным. Таким образом, мы показали, что наши методы подходят для recordinг одноквартирный активности и рассечения роль специфических рецепторов нейромедиаторов в слуховой обработки.
Основным ограничением описанной процедуры является относительно короткий промежуток времени записи (~ 3 ч), которая определяется уровнем привыкания животного к записи сессий. С другой стороны, несколько сеансов записи могут быть выполнены в том же животном. Преимущество этого метода по сравнению с другими экспериментальными процедурами, используемыми для управления уровнем нейротрансмиссии или нейромодуляции (например, системных инъекций, или использование оптогенетика моделей), является то, что действие препарата ограничивается местным синаптических входов к целевой нейроне. Кроме того, на заказ изготовление электродов позволяет регулировать конкретные параметры в соответствии с нейронной структуры и типа нейроном интерес (например, сопротивление наконечника для улучшения отношения сигнала к шуму записей).
Introduction
Взаимодействие нервного возбуждения и торможения является основой для обработки сенсорной информации 1. Известно также , что анестезия оказывает сильное влияние на динамику корковой активации и временной структуре синаптических входов 2,3. Например, было замечено , что анестетики изменить продолжительность визуально, вызвали ответы корковых нейронов 3,4. Кроме того, соотношение между возбуждающих и тормозящих синаптических входов отличается под наркозом и бодрствующих животных 4,5, изменения и вызывали и частота спонтанных активности 6,7. Путем измерения синаптических проводимостей, Haider и его коллеги 4 обнаружили , что ингибирование соответствует возбуждение в амплитуде под наркозом , тогда как во время бодрствования, торможение было сильнее , чем возбуждение. Эти данные подскажут развитие экспериментальных методик для изучения влияния специфических синаптических входов на сенсорной обработки у бодрствующих животных.
<р класс = "jove_content"> Контролируемый выброс заряженных нейроактивных веществ путем применения небольших инъекции тока (порядка нА) широко используется для изучения вклада синаптических входов и роль мнимых клеточных рецепторов в сенсорной обработки 8-13 , Этот метод, известный как microiontophoresis, допускает применение лекарств в непосредственной близости от записанного нейроне, что способствует быстрому и ограниченного эффекта. Эта процедура является более подходящим для изучения локальных эффектов нейроактивных веществ, по сравнению с широко распространенным эффектом, вызываемой другими экспериментальных манипуляций, таких как системные инъекции, микродиализом или использование оптогенетика методов. Как правило, конфигурация электродов контрейлерных 14,15 используется для одновременной записи целевого нейрон и доставить нейроактивные вещества , представляющие интерес. Он состоит из записывающего электрода, присоединенного к multibarrel пипетку, которая несет нейроактивные вещества. Модификации Oпервоначально оплащенной процедура описана Хэви и Каспари 14 были реализованы. Например, вольфрамовым электродом, а не стакан один, может быть использован для записи нейронной активности 16. Ранее опубликованные методы изготовления вольфрамовых электродов 17,18 включают три основных этапа: электролитическое травление вольфрамовой проволоки наконечники, стеклянной изоляции и регулировки экспозиции наконечника для удовлетворения требований записи.Интересный и поднимающихся поле в слуховом нейробиологии является изучение адаптации стимула специфических (SSA 19). SSA является специфическим снижение нервной реакции на повторяющиеся звуки, которые не обобщается на другие, редко представленных звуков. Важность SSA заключается в ее потенциальной роли в качестве нейронный механизм обнаружения основной девиантности в слуховом головного мозга, а также возможного нейронного корреляте для позднего негативность рассогласования компонента слуховых вызванных потенциалов 20,21. SSA оccurs от IC до слуховой коры 19,22-24. ГАМК -опосредованного ингибирование было продемонстрировано , чтобы действовать в качестве механизма регулировки усиления на SSA 7,16,25, который также , как было показано, будут затронуты анестезии 26. Здесь мы приводим протокол , который сочетает в ранее описанных способов для записи моноблочный активности IC нейронов до и во время применения селективного антагониста ГАМК А -рецепторов у бодрствующих мышей. Во-первых, мы описываем изготовление контрейлерных электродов и рядом, хирургических и записывающих методов. Для проверки эффективности высвобождения лекарственного средства, мы сравнили рецептивного поля, а также уровень SSA ИМС нейронов до и во время микроионофоретическое выброса габазин.
Protocol
Representative Results
Discussion
Microiontophoresis нейроактивных веществ у бодрствующих животных является мощным средством , чтобы исследовать и анализировать роль конкретных синаптических входов на активность отдельных нейронов 40,41. Что еще более важно, эта процедура позволяет определить воздействие нейротрансмитт…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Этот проект был профинансирован MINECO предоставляет BFU201343608-P и PSI2013-49348-EXP, а также грант SA343U14 JCYL МСМ и MRC основного финансирования ARP. YAA провел КОНАСИТ (216106) и стипендию SEP.
Materials
| Tungsten wire | Harvard Apparatus LTD | 33-0099 | 0.005 inches x 3 inches |
| Borosilicate glass capillary | Harvard Apparatus LTD | 30-0053 | Borosilicate standard wall without filament, 1.5 mm OD, 0.86 mm ID, 100 mm long |
| Multibarrel glass capillaries | World Precision Instruments | 5B120F-4 | 5-barrel capillary, 4 inches long, 1.2 mm OD, with filament |
| Diaplus | DiaDent | 2001-2101 | Light-curing adhesive, used to attach the tungsten electrode to the glas multibarrel pipette |
| G-Bond | GC Corporation | 2277 | Light-curing adhesive, used to attach the headpost to the animal's skull |
| Charisma | Heraeus Kulzer | 66000087 | Light-curing composite, used to reinforce the bond of the headpost with the skull |
| Araldit Cristal | Ceys | 2-component expoxy, used to further secure the attachment of the tungsten electrode to the glass multibarrel pipette | |
| Heating blanket | Cibertec | RTC1 | |
| Stereotactic frame | Narishige | SR-6N | Modified for mice |
| Microiontophoretic device | Harvard Apparatus LTD | Neurophore BH-2 | Including IP-2 iontophoresis pumps (one for each drug delivery channel) and a balance module |
| Multibarrel glass pipette puller | Narishige | Model PE-21 | |
| LED lamp | Technoflux | CV-215 | 5 W, 430-485 nm |
| MicroFil | World Precision Instruments | MF34G-5 | Flexible plastic needle, 34 AWG |
| Imalgene | Merial | Ketamine, 100 mg/mL | |
| Rompun | Bayer | Xylazine, 20 mg/mL | |
| Gabazine / SR-95531 | Sigma | S106 | Prepare ~ 1000µl of 20 mM gabazine in distilled water and adjust the pH to 4 |
References
- Harris, K. D., Thiele, A. Cortical state and attention. Nat Rev Neurosci. 12 (9), 509-523 (2011).
- Constantinople, C. M., Bruno, R. M. Effects and mechanisms of wakefulness on local cortical networks. Neuron. 69 (6), 1061-1068 (2011).
- Sellers, K. K., Bennett, D. V., Hutt, A., Williams, J. H., Frohlich, F. Awake vs. anesthetized: layer-specific sensory processing in visual cortex and functional connectivity between cortical areas. J Neurophysiol. 113 (10), 3798-3815 (2015).
- Haider, B., Hausser, M., Carandini, M. Inhibition dominates sensory responses in the awake cortex. Nature. 493 (7430), 97-100 (2013).
- Rudolph, M., Pospischil, M., Timofeev, I., Destexhe, A. Inhibition determines membrane potential dynamics and controls action potential generation in awake and sleeping cat cortex. J Neurosci. 27 (20), 5280-5290 (2007).
- Buran, B. N., von Trapp, G., Sanes, D. H. Behaviorally gated reduction of spontaneous discharge can improve detection thresholds in auditory cortex. J Neurosci. 34 (11), 4076-4081 (2014).
- Duque, D., Malmierca, M. S., Caspary, D. M. Modulation of stimulus-specific adaptation by GABA(A) receptor activation or blockade in the medial geniculate body of the anaesthetized rat. J Physiol. 592, 729-743 (2014).
- Stone, T. W. . Microiontophoresis and Pressure Ejection. , (1985).
- Lalley, P. M., Windhorst, U., Johansson, H. . Modern techniques in neuroscience research). , 193-212 (1999).
- Foeller, E., Celikel, T., Feldman, D. E. Inhibitory sharpening of receptive fields contributes to whisker map plasticity in rat somatosensory cortex. J Neurophysiol. 94 (6), 4387-4400 (2005).
- Foeller, E., Vater, M., Kossl, M. Laminar analysis of inhibition in the gerbil primary auditory cortex. J Assoc Res Otolaryngol. 2 (3), 279-296 (2001).
- Kurt, S., Crook, J. M., Ohl, F. W., Scheich, H., Schulze, H. Differential effects of iontophoretic in vivo application of the GABA(A)-antagonists bicuculline and gabazine in sensory cortex. Hear Res. 212 (1-2), 224-235 (2006).
- Sivaramakrishnan, S., et al. GABA(A) synapses shape neuronal responses to sound intensity in the inferior colliculus. J Neurosci. 24 (21), 5031-5043 (2004).
- Havey, D. C., Caspary, D. M. A simple technique for constructing ‘piggy-back’ multibarrel microelectrodes. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 48 (2), 249-251 (1980).
- Dondzillo, A., Thornton, J. L., Tollin, D. J., Klug, A. Manufacturing and using piggy-back multibarrel electrodes for in vivo pharmacological manipulations of neural responses. J Vis Exp. (71), e4358 (2013).
- Perez-Gonzalez, D., Hernandez, O., Covey, E., Malmierca, M. S. GABA(A)-Mediated Inhibition Modulates Stimulus-Specific Adaptation in the Inferior Colliculus. PLoS ONE. 7 (3), e34297 (2012).
- Bullock, D. C., Palmer, A. R., Rees, A. Compact and easy-to-use tungsten-in-glass microelectrode manufacturing workstation. Med Biol Eng Comput. 26 (6), 669-672 (1988).
- Sugiyama, K., Dong, W. K., Chudler, E. H. A simplified method for manufacturing glass-insulated metal microelectrodes. J Neurosci Methods. 53 (1), 73-80 (1994).
- Ulanovsky, N., Las, L., Nelken, I. Processing of low-probability sounds by cortical neurons. Nat Neurosci. 6 (4), 391-398 (2003).
- Escera, C., Malmierca, M. S. The auditory novelty system: An attempt to integrate human and animal research. Psychophysiology. 51 (2), 111-123 (2014).
- Malmierca, M. S., Sanchez-Vives, M. V., Escera, C., Bendixen, A. Neuronal adaptation, novelty detection and regularity encoding in audition. Front Syst Neurosci. 8, 111 (2014).
- Malmierca, M. S., Cristaudo, S., Perez-Gonzalez, D., Covey, E. Stimulus-specific adaptation in the inferior colliculus of the anesthetized rat. J Neurosci. 29 (17), 5483-5493 (2009).
- Antunes, F. M., Nelken, I., Covey, E., Malmierca, M. S. Stimulus-specific adaptation in the auditory thalamus of the anesthetized rat. PLoS ONE. 5 (11), 14071 (2010).
- von der Behrens, W., Bauerle, P., Kossl, M., Gaese, B. H. Correlating stimulus-specific adaptation of cortical neurons and local field potentials in the awake rat. J Neurosci. 29 (44), 13837-13849 (2009).
- Perez-Gonzalez, D., Malmierca, M. S. Variability of the time course of stimulus-specific adaptation in the inferior colliculus. Front Neural Circuits. 6, 107 (2012).
- Duque, D., Malmierca, M. S. Stimulus-specific adaptation in the inferior colliculus of the mouse: anesthesia and spontaneous activity effects. Brain Struct Funct. , (2014).
- Merrill, E. G., Ainsworth, A. Glass-coated platinum-plated tungsten microelectrodes. Med Biol Eng. 10 (5), 662-672 (1972).
- Ainsworth, A., Dostrovsky, J. O., Merrill, E. G., Millar, J. An improved method for insulating tungsten micro-electrodes with glass [proceedings]. J Physiol. 269 (1), 4-5 (1977).
- Bryant, J. L., Roy, S., Heck, D. H. A technique for stereotaxic recordings of neuronal activity in awake, head-restrained mice. J Neurosci Methods. 178 (1), 75-79 (2009).
- Portfors, C. V., Roberts, P. D., Jonson, K. Over-representation of species-specific vocalizations in the awake mouse inferior colliculus. Neurosciences. 162 (2), 486-500 (2009).
- Portfors, C. V., Mayko, Z. M., Jonson, K., Cha, G. F., Roberts, P. D. Spatial organization of receptive fields in the auditory midbrain of awake mouse. Neurosciences. 193, 429-439 (2011).
- Muniak, M. A., Mayko, Z. M., Ryugo, D. K., Portfors, C. V. Preparation of an awake mouse for recording neural responses and injecting tracers. J Vis Exp. (64), (2012).
- Deacon, R. M. Housing, husbandry and handling of rodents for behavioral experiments. Nat Protoc. 1 (2), 936-946 (2006).
- Malmierca, M. S., et al. A discontinuous tonotopic organization in the inferior colliculus of the rat. J Neurosci. 28 (18), 4767-4776 (2008).
- Izquierdo, M. A., Gutierrez-Conde, P. M., Merchan, M. A., Malmierca, M. S. Non-plastic reorganization of frequency coding in the inferior colliculus of the rat following noise-induced hearing loss. Neurosciences. 154 (1), 355-369 (2008).
- Palmer, A. R., Shackleton, T. M., Sumner, C. J., Zobay, O., Rees, A. Classification of frequency response areas in the inferior colliculus reveals continua not discrete classes. J Physiol. 591 (16), 4003-4025 (2013).
- Ayala, Y. A., Malmierca, M. S. Stimulus-specific adaptation and deviance detection in the inferior colliculus. Front Neural Circuits. 6, 89 (2013).
- Duque, D., Perez-Gonzalez, D., Ayala, Y. A., Palmer, A. R., Malmierca, M. S. Topographic distribution, frequency, and intensity dependence of stimulus-specific adaptation in the inferior colliculus of the rat. J Neurosci. 32 (49), 17762-17774 (2012).
- Ayala, Y. A., Perez-Gonzalez, D., Duque, D., Nelken, I., Malmierca, M. S. Frequency discrimination and stimulus deviance in the inferior colliculus and cochlear nucleus. Front Neural Circuits. 6, 119 (2013).
- Perkins, M. N., Stone, T. W. In vivo release of [3H]-purines by quinolinic acid and related compounds. Br J Pharmacol. 80 (2), 263-267 (1983).
- Lalley, P. M., Windhorst, U., Johansson, H. . Modern Techniques in Neuroscience Research. , 193-212 (1999).
- Candy, J. M., Boakes, R. J., Key, B. J., Worton, E. Correlation of the release of amines and antagonists with their effects. Neuropharmacology. 13 (6), 423-430 (1974).
- Martins, A. R., Froemke, R. C. Coordinated forms of noradrenergic plasticity in the locus coeruleus and primary auditory cortex. Nat Neurosci. , (2015).
- LeBeau, F. E., Rees, A., Malmierca, M. S. Contribution of GABA- and glycine-mediated inhibition to the monaural temporal response properties of neurons in the inferior colliculus. Journal of Neurophysiology. 75 (2), 902-919 (1996).
- Ayala, Y. A., Malmierca, M. S. Cholinergic modulation of stimulus-specific adaptation in the inferior colliculus. The Journal of Neuroscience. 35 (35), 12261-12272 (2015).
