Stochastic Noise ansøgning om vurdering af mediale vestibulære Nucleus neuron følsomhed in vitro
Summary
Galvanisk vestibulær stimulation i mennesker udviser forbedringer i vestibulære funktion. Men, det er ukendt, hvordan disse virkninger opstår. Her beskriver vi, hvordan man anvender sinusformet og stokastisk elektrisk støj og evaluerer passende stimulus amplituer i individuelle mediale vestibulære Nucleus neuroner i C57BL/6 musen.
Abstract
Galvanisk vestibulær stimulation (GVS) har vist sig at forbedre balance foranstaltninger hos personer med balance eller vestibulære nedskrivninger. Dette foreslås at være på grund af den stokastiske resonans (SR) fænomen, som er defineret som anvendelse af en lav-niveau/subthreshold stimulus til en ikke-lineær system til at øge påvisning af svagere signaler. Men, det er stadig ukendt, hvordan SR udviser sine positive virkninger på den menneskelige balance. Dette er en af de første demonstrationer af virkningerne af sinusformet og stokastisk støj på individuelle neuroner. Ved hjælp af hel-celle patch clamp Elektrofysiologi, sinusformet og stokastisk støj kan påføres direkte til individuelle neuroner i den mediale vestibulære Nucleus (MVN) af C57BL/6 mus. Her demonstrerer vi, hvordan man fastlægger tærsklen for MVN neuroner for at sikre de sinusformet og stokastiske stimuli er subthreshold og fra dette, bestemme de virkninger, som hver type støj har på MVN neuronal gevinst. Vi viser, at subthreshold sinusformet og stokastisk støj kan modulere følsomheden af individuelle neuroner i MVN uden at påvirke basal fyring satser.
Introduction
Den vestibulære (eller balance) system styrer vores følelse af balance ved at integrere auditive, proprioceptive, somatosensoriske og visuelle oplysninger. Nedbrydning af det vestibulære system har vist sig at forekomme som en funktion af alder og kan resultere i balance underskud1,2. Behandlinger, der er rettet mod driften af det vestibulære system, er imidlertid knappe.
Galvanisk vestibulær stimulation (GVS) har vist sig at forbedre balance foranstaltninger, autonom funktion og andre sensoriske metoder inden for mennesker3,4,5,6. Disse forbedringer siges at være på grund af den stokastiske resonans (SR) fænomen, som er stigningen i påvisning af svagere signaler i ikke-lineære systemer via anvendelse af under tærskel støj7,8. Disse undersøgelser har vist forbedringer i statisk9,10 og dynamisk11,12 balance, og vestibulære output tests såsom okulær Counter roll (OCR)13. Men, mange af disse undersøgelser har brugt forskellige kombinationer af stimulus parametre såsom hvid støj9, farvet støj13, forskellige stimulus frekvensområder og tærskel teknikker. Derfor er optimale stimulus parametre stadig ukendte, og denne protokol kan hjælpe med at bestemme de mest effektive parametre. Ud over stimulus parametre, typen af stimulus er også vigtigt i terapeutisk og eksperimentel effekt. Ovennævnte arbejde i mennesker blev udført ved hjælp af elektriske støj stimuli, mens meget af in vivo Animal arbejde har brugt mekaniske14,15 eller optogenetiske16 støj stimuli. Denne protokol vil bruge elektrisk støj til at undersøge virkningerne på vestibulære kerner.
Tidligere blev anvendelsen af GVS til stimulering af primære vestibulære afferenter udført in vivo i egern aber17, chinchillaer18, kyllinge embryoner15 og marsvin14. Men kun to af disse undersøgelser undersøgt effekten GVS har på gevinsten af primære vestibulære afferenter14,15. Disse eksperimenter blev udført in vivo, hvilket betød, at de præcise stimulerings mønstre, der blev pålagt vestibulære kerner, ikke kan bestemmes. Til vores viden har kun en anden undersøgelse anvendt stokastisk støj til individuelle enzymatisk dissocierede neuroner i centralnervesystemet19. Der er imidlertid ikke udført eksperimenter i de centrale vestibulære kerner for at vurdere passende stimulerings parametre og tærskel teknikker, hvilket gør denne protokol mere præcis ved fastsættelsen af stimulerende virkninger på individuelle neuroner i de vestibulære Kerner.
Her beskriver vi, hvordan man anvender sinusformet og stokastisk (elektrisk) støj direkte til individuelle neuroner i den mediale vestibulære kerne (MVN), bestemme neuronal tærskel og måle ændringer i gevinst/følsomhed.
Protocol
Representative Results
Discussion
Virkningerne af galvanisk vestibulær stimulation (GVS) på det vestibulære system er blevet fremhævet in vivo hos mennesker3,13,23, marsvin14, gnavere18 og ikke-menneskelige primater24. Ingen af disse undersøgelser har imidlertid vurderet den direkte virkning af elektrisk støj på følsomheden af individuelle neuroner i det vestibulære system. Her demo…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
SPS blev støttet af University of Sydney postgraduate Research Scholarship.
Materials
| CaCl | Scharlau | CA01951000 | Used for ACSF and sACSF |
| D-(+)-Glucose | Sigma | G8270 | Used for ACSF and sACSF |
| EGTA | Sigma | E0396-25G | Used for K-based intracellular solution |
| HEPES | Sigma | H3375-25G | Used for K-based intracellular solution |
| KCl | Chem-supply | PA054-500G | Used for ACSF, sACSF and intracellular solution |
| K-gluconate | Sigma | P1847-100G | Used for K-based intracellular solution |
| Mg-ATP | Sigma | A9187-500MG | Used for K-based intracellular solution |
| MgCl | Chem-supply | MA00360500 | Used for ACSF and sACSF |
| Na3-GTP | Sigma | G8877-100MG | Used for K-based intracellular solution |
| NaCl | Chem-supply | SO02270500 | Use for ACSF and intracellular solution |
| NaH2PO4.2H2O | Ajax | AJA471-500G | Used for ACSF and sACSF |
| NaHCO3 | Sigma | S5761-1KG | Used for ACSF and sACSF |
| Sucrose | Chem-supply | SA030-500G | Used for sACSF |
| Isoflurane | Henry Schein | 1169567762 | Used for anaesthetising mice |
| EQUIPMENT | |||
| Borosilicate glass capillaries | Warner instruments | GC150T-7.5 | 1.5mm OD, 1.16mm ID, 7.5cm length |
| Data acquisition software | Axograph | Used for electrophysiology and analysis | |
| Friedmen-Pearson Rongeurs | World precision instruments | 14089 | Used for dissection |
| Micropipette puller | Narishige | PP-830 | Used for micropipette |
| Multiclamp amplifier | Axon instruments | 700B | Used for electrophysiology |
| pH meter | Sper scientific | 860033 | Used for internal solution |
| Standard pattern scissors | FST | 14028-10 | Used for dissection |
| Sutter micromanipulator | Sutter | MP-225/M | Used for electrophysiology |
| Upright microscope | Olympus | BX51WI | Used for electrophysiology |
| Vibratome | Leica | VT1200 | Used for slicing brain tissue |
References
- Amiridis, I. G., Hatzitaki, V., Arabatzi, F. Age-induced modifications of static postural control in humans. Neuroscience Letters. 350 (3), 137-140 (2003).
- Iwasaki, S., Yamasoba, T. Dizziness and imbalance in the elderly: age-related decline in the vestibular system. Aging and disease. 6 (1), (2015).
- Fujimoto, C., et al. Noisy galvanic vestibular stimulation induces a sustained improvement in body balance in elderly adults. Scientific Reports. 6, 37575 (2016).
- Breen, P. P., et al. Peripheral tactile sensory perception of older adults improved using subsensory electrical noise stimulation. Medical Engineering & Physics. 38 (8), 822-825 (2016).
- Yamamoto, Y., Struzik, Z. R., Soma, R., Ohashi, K., Kwak, S. Noisy vestibular stimulation improves autonomic and motor responsiveness in central neurodegenerative disorders. Annals of Neurology. 58 (2), 175-181 (2005).
- Soma, R., Nozaki, D., Kwak, S., Yamamoto, Y. 1/f noise outperforms white noise in sensitizing baroreflex function in the human brain. Physical Review Letters. 91 (7), 078101 (2003).
- Wiesenfeld, K., Moss, F. Stochastic resonance and the benefits of noise: from ice ages to crayfish and SQUIDs. Nature. 373 (6509), 33-36 (1995).
- Moss, F., Ward, L. M., Sannita, W. G. Stochastic resonance and sensory information processing: a tutorial and review of application. Clinical Neurophysiology. 115 (2), 267-281 (2004).
- Goel, R., et al. Using low levels of stochastic vestibular stimulation to improve balance function. PloS one. 10 (8), e0136335 (2015).
- Inukai, Y., et al. Effect of noisy galvanic vestibular stimulation on center of pressure sway of static standing posture. Brain Stimulation: Basic, Translational, and Clinical Research in Neuromodulation. 11 (1), 85-93 (2018).
- Mulavara, A. P., et al. Using low levels of stochastic vestibular stimulation to improve locomotor stability. Frontiers in Systems Neuroscience. 9, 117 (2015).
- Iwasaki, S., et al. Noisy vestibular stimulation increases gait speed in normals and in bilateral vestibulopathy. Brain stimulation. 11 (4), 709-715 (2018).
- Serrador, J. M., Deegan, B. M., Geraghty, M. C., Wood, S. J. Enhancing vestibular function in the elderly with imperceptible electrical stimulation. Scientific Reports. 8 (1), 336 (2018).
- Kim, J., Curthoys, I. S. Responses of primary vestibular neurons to galvanic vestibular stimulation (GVS) in the anaesthetised guinea pig. Brain Research Bulletin. 64 (3), 265-271 (2004).
- Flores, A., et al. Stochastic resonance in the synaptic transmission between hair cells and vestibular primary afferents in development. Neurosciences. 322, 416-429 (2016).
- Huidobro, N., et al. Brownian Optogenetic-Noise-Photostimulation on the Brain Amplifies Somatosensory-Evoked Field Potentials. Frontiers in Neuroscience. 11, 464-464 (2017).
- Goldberg, J., Ferna, C., Smith, C. Responses of vestibular-nerve afferents in the squirrel monkey to externally applied galvanic currents. Brain Research. 252 (1), 156-160 (1982).
- Baird, R., Desmadryl, G., Fernandez, C., Goldberg, J. The vestibular nerve of the chinchilla. II. Relation between afferent response properties and peripheral innervation patterns in the semicircular canals. Journal of Neurophysiology. 60 (1), 182-203 (1988).
- Remedios, L., et al. Effects of Short-Term Random Noise Electrical Stimulation on Dissociated Pyramidal Neurons from the Cerebral Cortex. Neurosciences. 404, 371-386 (2019).
- Paxinos, G., Franklin, K. B. . The mouse brain in stereotaxic coordinates. , (2004).
- Camp, A. J., Callister, R. J., Brichta, A. M. Inhibitory synaptic transmission differs in mouse type A and B medial vestibular nucleus neurons in vitro. Journal of Neurophysiology. 95 (5), 3208-3218 (2006).
- Camp, A., et al. Attenuated glycine receptor function reduces excitability of mouse medial vestibular nucleus neurons. Neurosciences. 170 (1), 348-360 (2010).
- Iwasaki, S., et al. Effect of Noisy Galvanic Vestibular Stimulation on Ocular Vestibular-Evoked Myogenic Potentials to Bone-Conducted Vibration. Front in Neurology. 8, 26 (2017).
- Goldberg, J., Smith, C. E., Fernandez, C. Relation between discharge regularity and responses to externally applied galvanic currents in vestibular nerve afferents of the squirrel monkey. Journal of Neurophysiology. 51 (6), 1236-1256 (1984).
