Opptak Gamma Band Svingninger i Pedunculopontine Nucleus Nerveceller
Summary
Den pedunculopontine nucleus (PPN) ligger i hjernestammen og dets nerveceller er maksimalt aktivert under waking og Rapid Eye Movement (REM) søvn hjernetilstander. Dette arbeidet beskriver eksperimentell tilnærming til å registrere in vitro gamma bandet subthreshold membran svingning i PPN nevroner.
Abstract
Synaptiske efferents fra PPN er kjent for å modulere neuronal aktivitet av flere intralaminar thalamic regioner (for eksempel den centrolateral / parafascicular; Cl / Pf kjernen). Aktiveringen av enten PPN eller Cl / Pf kjerner in vivo har blitt beskrevet for å indusere opphisselse av dyret, og en økning i gamma båndet aktivitet i det kortikale elektroencefalogram (EEG). De cellulære mekanismer for generering av gammabånd svingninger i retikulære aktivere systemet (RAS) nevronene er de samme som de som finnes for å generere gammabånd svingninger i andre hjerner kjerner. I løpet av strøm-klemme opptak av PPN nevroner (fra parasagittal skiver fra 9-25 dager gamle rotter), bruk av depolariserende firkant trinn aktiveres hurtig spenningsavhengige kaliumkanaler som hindret PPN neuroner fra å bli depolarisert utover -25 mV.
Injisering 1-2 sek lang depolariserende dagens ramper gradvis depolarized PPN membran potensielle resting verdier mot 0 mV. Imidlertid injisere depolariserende firkantede pulser generert gamma-bånd svingninger av membranpotensialet som viste å være mindre i amplitude sammenlignet med de svingninger som genereres av ramper. Alle forsøkene ble utført i nærvær av spenningsstyrte natriumkanaler og raske synaptiske reseptorer blokkere. Det har vist seg at aktiveringen av høy terskelspenningsavhengige kalsiumkanaler som ligger til grunn gamma-bånd oscillerende aktivitet i PPN neuroner. Spesifikke metodiske og farmakologiske tiltak er beskrevet her, gi de nødvendige verktøy for å indusere og opprettholde PPN subthreshold gamma bandet pendling in vitro.
Introduction
PPN kjernen er anatomisk inkludert i hale mesencefalisk tegmentum. Den PPN er en viktig del av RAS en. Den PPN deltar i opprettholdelsen av atferds aktiverte tilstander (dvs., våkner, REM-søvn) 2. Elektrisk stimulering av den PPN in vivo indusert rask svingning (20 – 40 Hz) i det kortikale EEG 3, mens bilaterale PPN lesjoner i rotte reduseres eller elimineres REM-søvn 4. Mens et flertall av PPN nevroner brann aksjonspotensialer på beta / gamma-band frekvens (20-80 Hz), noen nevroner present lave priser av spontan tenning (<10 Hz) 5. Videre synes PPN å være involvert i andre aspekter av atferd som motivasjon og oppmerksomhet 6. Direkte høy frekvens (40 – 60 Hz) 7 elektrisk stimulering av PPN kjernen i decerebrate dyr kan fremme bevegelse. I de senere år har dype hjernestimulasjon (DBS) av PPN blitt anvendt for å behandle pasienter som lider from lidelser som involverer ganglag underskudd som Parkinsons sykdom (PD) 8.
Tidligere rapporter har vist at nesten alle PPN nevroner kan skyte aksjonspotensialer ved gamma band frekvens når depolarized bruker firkant strømpulser 9. På grunn av den drastiske aktivering av spenningsstyrte kaliumkanaler under firkant pulser depolarisering opp eller under -25 mV. Som en konsekvens av dette ble det ikke robuste gamma oscillasjoner observert etter blokkering aksjonspotensialer generering ved hjelp av tetrodotoksin 10. I et forsøk på å omgå et slikt problem, en – ble to sekunder lang depolariserende dagens ramper brukt. Ramper gradvis depolarized membranpotensialet fra hviler verdier opp til 0 mV, mens delvis inaktivere spenningsstyrte kaliumkanaler. Klare gamma bandet membran svingninger var tydelig innenfor spennings avhengighet vinduet av høy terskel kalsiumkanaler (dvs. mellom -25 mV og -0 mV) 10. I konklusjonen, gamma bandet aktivitety ble observert i PPN neuroner 9, og både P / Q-og N-type spenningsstyrte kalsiumkanaler må aktiveres for å generere gammabånd svingninger i PPN 10.
En rekke studier bestemmes av plasseringen av høy terskelkalsiumkanaler i PPN neuroner. Injisering kombinasjonen av fargestoffer, viste proporsjonal fluorescens bildebehandling kalsium transienter gjennom spenningsstyrte kalsiumkanaler som aktiveres i forskjellige dendritter når depolarized med dagens ramper 11.
Iboende egenskaper PPN nevroner har vært foreslått å tillate samtidig aktivering av disse cellene under våkne og REM søvn, og dermed indusere høyfrekvente oscillerende neuronal aktivitet mellom RAS og thalamocortical sløyfer. Slike langrekkende interaksjon anses å støtte en hjerne tilstand som kan sikkert vurdere verden rundt oss på en kontinuerlig basis 12. Her beskriver vi eksperimentetal vilkår som er nødvendige for å generere og opprettholde gamma båndet oscillasjon i PPN celler in vitro. Denne protokollen er ikke blitt beskrevet tidligere, og vil bidra til en rekke grupper for å studere indre membranegenskaper som medierer gamma bånd aktivitet ved andre hjerneområder. Videre kan eksisterende trinn fører til den feilaktige konklusjon at gamma båndet aktivitet ikke kan genereres i disse celler.
Protocol
Representative Results
Discussion
PPN nevroner har iboende egenskaper som tillater dem å fyre aksjonspotensialer på beta / gamma band frekvenser under in vivo-opptak fra dyr som er våken eller under REM-søvn, men ikke under langsom bølge søvn 2,3,5,13-17. Andre forfattere har vist at hjernestammen transections på flere fremre nivåer enn PPN redusert gamma frekvenser under EEG opptak. Men når hjernestammen lesjoner posterior til hvor denne kjernen ligger, direkte stimulering av PPN tillatt manifestasjon av kortikale gamma akt…
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).
