תנודות Band גמא הקלטה Pedunculopontine Nucleus נוירונים
Summary
גרעין pedunculopontine (PPN) ממוקם בגזע המוח ונוירונים שלה מופעלים מקסימאלי בזמן ערות לבין תנועות עיניים מהירות (REM) מצבי השינה המוח. עבודה זו מתארת את הגישה הניסויית לרשום תנודת קרום התת להקה גמא במבחנה בנוירונים HBC.
Abstract
Efferents Synaptic מן PPN ידועים לווסת את הפעילות העצבית של כמה אזורים התלמוס intralaminar (למשל, centrolateral / parafascicular; גרעין Cl / PF). הפעלתי גם את HBC או גרעיני Cl / Pf in vivo תואר לנצל את השפעתה על העוררות של חית תוספת בפעילות להקת גמא ב אלקטרואנצפלוגרם קליפת המוח (EEG). המנגנונים התאיים עבור הדור של תנודות להקת גמא ב רשתי מערכת הפעלה (RAS) נוירונים זהים לאלה שנמצאו ליצור תנודות להקה גמא בגרעיני מוחות אחרים. במהלך הקלטה נוכחיים מהדקים של נוירונים של HBC (מ פרוסות parasagittal מן 9 – 25 יום בן חולדות), שימוש depolarizing צעדים מרובעים מופעל במהירות תעלות אשלגן מתח תלוי שמנעו נוירונים של HBC מלהיות depolarized מעבר -25 mV.
הזרקת 1 – 2 שניות ארוכות depolarizing רמפות נוכחיות depolarized בהדרגת הקרום של HBC מיל הפוטנציאלטינג ערכי כלפי 0 mV. עם זאת, פולסים מרובעים depolarizing הזרקה שנוצרו תנודות גמא-band של פוטנציאל הממברנה שהראו להיות קטן משרעת לעומת התנודות שנוצרו על ידי רמפות. כל הניסויים בוצעו בנוכחות תעלות נתרן מתח מגודרת וחוסמים קולטניים הסינפטי מהר. הוכח כי הפעלת ערוצי סידן תלוי מתח גבוה-סף ביסוד פעילות תנודתית גמא-band בנוירונים HBC. התערבויות מתודולוגיים תרופתיות ספציפיות מתוארות כאן, מתן הכלים הדרושים כדי לעודד ו לקיים PPN תנודת להקת גמא התת במבחנה.
Introduction
גרעין של HBC כלול אנטומית של tegmentum mesencephalic הזנב. PPN הוא מרכיב מרכזי של RAS 1. PPN משתתף בשמירה על מדינות מופעלות התנהגותיות (כלומר, להעיר, רע"מ) 2. גירוי חשמלי של PPN in vivo המושרה תנודה מהירה (20 – 40 Hz) ב EEG קליפת המוח 3, בעוד נגעים של HBC הבילטרלי עכברוש צומצמו או בוטלו רע"מ 4. בעוד שרוב הנוירונים של HBC לירות פוטנציאל פעולה ב בטא / תדר גמא-band (20 – 80 הרץ), כמה נוירונים מוצגים שיעורים נמוכים של ירי ספונטני (<10 Hz) 5. יתר על כן, של HBC נראה מעורב בהיבטים אחרים של התנהגות כגון מוטיבציה ותשומת לב 6. בתדירות גבוהה ישיר (40 – 60 Hz) 7 גירוי חשמלי של הגרעין של HBC בחיות decerebrate יכול לקדם תנועה. בשנים האחרונות, גירוי מוחי עמוק (DBS) של HBC כבר המשמשת לטיפול בחולים הסובלים הלוך ושובהפרעות מ מעורבים גירעונות הילוך כגון מחלת פרקינסון (PD) 8.
דיווחים קודמים הראו כי כמעט כל הנוירונים של HBC יכולים לפטר פוטנציאל פעולה בתדר להקת גמא כאשר depolarized באמצעות 9 פולסים נוכחיים רבועים. בגלל ההפעלה דרסטי של תעלות אשלגן מתח מגודרת במהלך depolarizations פולסים מרובע עד או תחת -25 mV. כתוצאה מכך, אין תנודות גמא חזקות נצפו לאחר חסימת דור פוטנציאל פעולה באמצעות tetrodotoxin 10. במאמץ לעקוף בעיה כזאת, 1 – 2 שניות ארוכות depolarizing רמפות נוכחיות היו בשימוש. רמפות depolarized פוטנציאל הממברנה בהדרגה נח ערכים של עד 0 mV, בעוד inactivating חלקית תעלות אשלגן מתח מגודרת. תנודות קרום להקת גמא נקה ניכרו בתוך חלון תלות מתח ערוצי סידן סף גבוה (כלומר, בין -25 mV ו -0 mV) 10. לסיכום, להקת גמא פעילויותיוty נצפתה בנוירונים של HBC 9, ושניהם P / Q- ו- N-סוג מתח מגודר ערוצי סידן צריכות להיות מופעל כדי ליצור תנודות להקת גמא ב PPN 10.
בסדרת מחקרים קבעו את המיקום של תעלות סידן סף גבוה בנוירונים HBC. הזרקת השילוב של צבעים, דימות פלואורסצנטי ratiometric הראתה ארעי סידן דרך תעלות סידן מתח מגודר אשר מופעלות דנדריטים שונים כאשר depolarized באמצעות רמפות נוכחיות 11.
נכסים מהותיים של נוירונים של HBC הוצעו כדי לאפשר הפעלה בו זמנית של תאים אלה בזמן הערות ושנת REM, ובכך גרימת פעילות עצבית תנודתית בתדירות גבוהה בין RAS ולולאות thalamocortical. אינטראקציה כזו לכת ארוכה נחשבת תומכת במדינת מוח מסוגלת להעריך את העולם באופן מהימן סביבנו על בסיס מתמשך 12. כאן אנו מתארים את הניסויתנאים אל צורך ליצור ולתחזק תנודת להקה גמא בתאים של HBC במבחנה. פרוטוקול זה לא תואר בעבר, ויעזור מספר הקבוצות ללמוד תכונות הממברנה פנימיות בתיווך פעילות להקת גמא ב אזורי מוח אחרים. יתר על כן, צעדים נוכחיים עשויים להוביל למסקנה המוטעית כי פעילות להקת גמא לא יכולה להיוצר בתאים אלה.
Protocol
Representative Results
Discussion
יש PPN נוירונים נכסים מהותיים המאפשרים להם לירות פוטנציאל פעולה בתדרי להקה בטא / גמא במהלך הקלטות vivo ב מחיות שהן ערות או במהלך שנת רע"מ, אבל לא בזמן שנת גל איטי 2,3,5,13-17. חוקרים אחרים הראו transections גזע המוח כי יותר רמות קדמיות מאשר PPN מופחת תדרי גמא במהלך הקלטות E…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by core facilities of the Center for Translational Neuroscience supported by NIH award P20 GM103425 and P30 GM110702 to Dr. Garcia-Rill. This work was also supported by grants from FONCYT-Agencia Nacional de Promociòn Cientìfica y Tecnològica; BID 1728 OC.AR. PICT-2012-1769 and UBACYT 2014-2017 #20120130101305BA (to Dr. Urbano).
Materials
| Sucrose | Sigma-Aldrich | S8501 | C12H22O11, molecular weight = 342.30 |
| Sodium Bicarbonate | Sigma-Aldrich | S6014 | NaHCO3, molecular weight = 84.01 |
| Potassium Chloride | Sigma-Aldrich | P3911 | KCl, molecular weight = 74.55 |
| Magnesium Chloride Hexahydrate | Sigma-Aldrich | M9272 | MgCl2 · 6H2O, molecular weight = 203.30 |
| Calcium Chloride Dihydrate | Sigma-Aldrich | C3881 | CaCl2 · 2H2O, molecular weight =147.02 |
| D-(+)-Glucose | Sigma-Aldrich | G5767 | C6H12O6, molecular weight = 180.16 |
| L-Ascorbic Acid | Sigma-Aldrich | A5960 | C6H8O6, molecular weight =176.12 |
| Sodium Chloride | Acros Organics | 327300025 | NaCl, molecular weight = 58.44 |
| Potassium Gluconate | Sigma-Aldrich | G4500 | C6H11KO7, molecular weight = 234.25 |
| Phosphocreatine di(tris) salt | Sigma-Aldrich | P1937 | C4H10N3O5P · 2C4H11NO3, molecular weight = 453.38 |
| HEPES | Sigma-Aldrich | H3375 | C8H18N2O4S, molecular weight = 238.30 |
| EGTA | Sigma-Aldrich | E0396 | [-CH2OCH2CH2N(CH2CO2H)2]2, molecular weight = 380.40 |
| Adenosine 5'-triphosphate magnesium salt | Sigma-Aldrich | A9187 | C10H16N5O13P3 · xMg2+, molecular weight = 507.18 |
| Guanosine 5'-triphosphate sodium salt hydrate | Sigma-Aldrich | G8877 | C10H16N5O14P3 · xNa+, molecular weight = 523.18 |
| Tetrodotoxin citrate | Alomone Labs | T-550 | C11H17N3O8, molecular weight = 319.27 |
| DL-2-Amino-5-Phosphonovaleric Acid | Sigma-Aldrich | A5282 | C5H12NO5P, molecular weight = 197.13 |
| CNQX disodium salt hydrate | Sigma-Aldrich | C239 | C9H2N4Na2O4 · xH2O, molecular weight = 276.12 |
| Strychnine | Sigma-Aldrich | S0532 | C21H22N2O2, molecular weight = 334.41 |
| Mecamylamine hydrochloride | Sigma-Aldrich | M9020 | C11H21N · HCl, molecular weight = 203.75 |
| Gabazine (SR-95531) | Sigma-Aldrich | S106 | C15H18BrN3O3, molecular weight = 368.23 |
| Ketamine hydrochloride | Mylan | 67457-001-00 | |
| Microscope | Nikon | Eclipse E600FN | |
| Micromanipulator | Sutter Instruments | ROE-200 | |
| Micromanipulator | Sutter Instruments | MPC-200 | |
| Amplifier | Molecular Devices | Multiclamp 700B | |
| A/D converter | Molecular Devices | Digidata 1440A | |
| Heater | Warner Instruments | TC-324B | |
| Pump | Cole-Parmer | Masterflex L/S 7519-20 | |
| Pump cartridge | Cole-Parmer | Masterflex 7519-85 | |
| Pipette puller | Sutter Instruments | P-97 | |
| Camera | Q-Imaging | RET-200R-F-M-12-C | |
| Vibratome | Leica Biosystems | Leica VT1200 S | |
| Refrigeration system | Vibratome Instruments | 900R | |
| Equipment | |||
| microscope | Nikon | Eclipse E600FN | |
| micromanipulator | Sutter Instruments | ROE-200 | |
| micromanipulator | Sutter Instruments | MPC-200 | |
| amplifier | Molecular Devices | Multiclamp 700B | |
| A/D converter | Molecular Devices | Digidata 1440A | |
| heater | Warner Instruments | TC-324B | |
| pump | Cole-Parmer | Masterflex L/S 7519-20 | |
| pump cartridge | Cole-Parmer | Masterflex 7519-85 | |
| pipette puller | Sutter Instruments | P-97 | |
| camera | Q-Imaging | RET-200R-F-M-12-C |
References
- Profice, P., et al. Neurophysiological evaluation of the pedunculopontine nucleus in humans. J. Neural. Transm (Vienna). 118 (10), 1423-1429 (2011).
- Steriade, M., Datta, S., Pare, D., Oakson, G., Curro Dossi, R. C. Neuronal activities in brain-stem cholinergic nuclei related to tonic activation processes in thalamocortical systems. J. Neurosci. 10 (8), 2541-2559 (1990).
- Steriade, M., Dossi, R. C., Pare, D., Oakson, G. Fast oscillations (20-40 Hz) in thalamocortical systems and their potentiation by mesopontine cholinergic nuclei in the cat. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 88 (10), 4396-4400 (1991).
- Deurveilher, S., Hennevin, E. Lesions of the pedunculopontine tegmental nucleus reduce paradoxical sleep (PS) propensity: evidence from a short-term PS deprivation study in rats. Eur. J. Neurosci. 13 (10), 1963-1976 (2001).
- Steriade, M., Pare, D., Datta, S., Oakson, G., Curro Dossi, R. Different cellular types in mesopontine cholinergic nuclei related to ponto-geniculo-occipital waves. J. Neurosci. 10 (8), 2560-2579 (1990).
- Steckler, T., Inglis, W., Winn, P., Sahgal, A. The pedunculopontine tegmental nucleus: a role in cognitive processes?. Brain Res. Brain Res. Rev. 19 (3), 298-318 (1994).
- Garcia-Rill, E., Simon, C., Smith, K., Kezunovic, N., Hyde, J. The pedunculopontine tegmental nucleus: from basic neuroscience to neurosurgical applications: arousal from slices to humans: implications for DBS. J. Neural. Transm. 118 (10), 1397-1407 (2011).
- Mazzone, P., et al. Implantation of human pedunculopontine nucleus: a safe and clinically relevant target in Parkinson’s disease. Neuroreport. 16 (17), 1877-1881 (2005).
- Simon, C., et al. Gamma band unit activity and population responses in the pedunculopontine nucleus. J. Neurophysiol. 104 (1), 463-474 (2010).
- Kezunovic, N., Urbano, F. J., Simon, C., Hyde, J., Smith, K., Garcia-Rill, E. Mechanism behind gamma band activity in pedunculopontine nucleus (PPN). Eur. J. Neurosci. 34 (3), 404-415 (2011).
- Hyde, J. R., Kezunovic, N., Urbano, F. J., Garcia-Rill, E. Spatiotemporal properties of high speed calcium oscillations in the pedunculopontine nucleus. J. Appl. Physiol (1985). 115 (9), 1402-1414 (2013).
- Llinas, R. R., Leznik, E., Urbano, F. J. Temporal binding via cortical coincidence detection of specific and nonspecific thalamocortical inputs: a voltage-dependent dye-imaging study in mouse brain slices. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99 (1), 449-454 (2002).
- Boucetta, S., Cisse, Y., Mainville, L., Morales, M., Jones, B. E. Discharge profiles across the sleep-waking cycle of identified cholinergic, gabaergic, and glutamatergic neurons in the pontomesencephalic tegmentum of the rat. J. Neurosci. 34 (13), 4708-4727 (2014).
- Datta, S., Siwek, D. F. Single cell activity patterns of pedunculopontine tegmentum neurons across the sleep-wake cycle in the freely moving rats. J. Neurosci. Res. 70 (4), 79-82 (2002).
- Datta, S., Siwek, D. F., Stack, E. C. Identification of cholinergic and non-cholinergic neurons in the pons expressing phosphorylated cyclic adenosine monophosphate response element-binding protein as a function of rapid eye movement sleep. Neurosciences. 163 (1), 397-414 (2009).
- Kayama, Y., Ohta, M., Jodo, E. Firing of ‘possibly’ cholinergic neurons in the rat laterodorsal tegmental nucleus during sleep and wakefulness. Brain Res. 569 (2), 210-220 (1992).
- Sakai, K., El Mansari, M., Jouvet, M. Inhibition by carbachol microinjections of presumptive cholinergic PGO-on neurons in freely moving cats. Brain Res. 527 (2), 213-223 (1990).
- Lindsley, D. B., Bowden, J. W., Magoun, H. W. Effect upon the EEG of acute injury to the brainstem activating system. Electroenceph. Clin. Neurophysiol. 1 (4), 475-486 (1949).
- Moruzzi, G. The sleep-waking cycle. Ergeb. Physiol. 64, 1-165 (1972).
- Moruzzi, G., Magoun, H. W. Brain stem reticular formation and activation of the EEG. Electroenceph. Clin. Neurophysiol. 1 (4), 455-473 (1949).
- Steriade, M., Constantinescu, E., Apostol, V. Correlations between alterations of the cortical transaminase activity and EEG patterns of sleep and wakefulness induced by brainstem transections. Brain Res. 13 (1), 177-180 (1969).
- Ishibashi, M., et al. Orexin receptor activation generates gamma band input to cholinergic and serotonergic arousal system neurons and drives an intrinsic Ca2+ -dependent resonance in LDT and PPT cholinergic neurons. Frontiers Neurol. 6, e120 (2015).
- Brown, R. E., Winston, S., Basheer, R., Thakkar, M. M., McCarley, R. W. Electrophysiological characterization of neurons in the dorsolateral pontine REM sleep induction zone of the rat: intrinsic membrane properties and responses to carbachol and orexins. Neurosciences. 143 (3), 739-755 (2006).
- Goetz, L., et al. On the role of the pedunculopontine nucleus and mesencephalic reticular formation in locomotion in non-human primates. J. Neurosci. 36 (18), 4917-4929 (2016).
- Fraix, V., et al. Pedunculopontine nucleus area oscillations during stance, stepping and freezing in Parkinson’s disease. PLOS ONE. 8 (12), e83919 (2013).
- Luster, B., Hyde, J., D’Onofrio, S., Urbano, F. J., Garcia-Rill, E. Mechanisms behind gamma band activity in the pedunculopontine nucleus (PPN). Abstr Soc Neurosci. 38, 257.20 (2014).
- Luster, B., D’Onofrio, S., Urbano, F. J., Garcia-Rill, E. High-threshold Ca2+ channels behind gamma band activity in the pedunculopontine nucleus (PPN). Physiol. Rep. 3 (6), e12431 (2015).
