Application de bruit stochastique pour l'évaluation de la sensibilité de neurone vestibulaire médial de noyau in Vitro
Summary
La stimulation vestibulaire galvanique chez l’homme montre des améliorations dans la fonction vestibulaire. Cependant, on ne sait pas comment ces effets se produisent. Ici, nous décrivons comment appliquer le bruit électrique sinusoïdal et stochastique et évaluons les amplitudes appropriées de stimulus dans les neurones médiibulaires individuels de noyau vestibulaire dans la souris c57BL/6.
Abstract
La stimulation vestibulaire galvanique (GVS) a été montrée pour améliorer des mesures d’équilibre dans les individus avec l’équilibre ou les affaiblissements vestibulaires. Ceci est proposé pour être dû au phénomène de résonance stochastique (SR), qui est défini comme l’application d’un stimulus de bas niveau/sous-seuil à un système non linéaire pour augmenter la détection des signaux plus faibles. Cependant, on ne sait toujours pas comment SR montre ses effets positifs sur l’équilibre humain. C’est l’une des premières démonstrations des effets du bruit sinusoïdal et stochastique sur les neurones individuels. L’utilisation de l’électrophysiologie de pince de correction de cellules entières, du bruit sinusoïdal et stochastique peut être appliquée directement aux neurones individuels dans le noyau vestibulaire médial (MVN) des souris de C57BL/6. Ici nous démontrons comment déterminer le seuil des neurones de MVN afin de s’assurer que les stimulus sinusoïdal et stochastic sont sous-seuil et de ceci, déterminent les effets que chaque type de bruit a sur le gain neuronal de MVN. Nous montrons que le bruit sinusoïdal et stochastique de sous-seuil peut moduler la sensibilité des neurones individuels dans le MVN sans affecter des taux basiques de tir.
Introduction
Le système vestibulaire (ou équilibre) contrôle notre sens de l’équilibre en intégrant des informations auditives, proprioceptives, somatosensorielles et visuelles. La dégradation du système vestibulaire s’est avérée se produire en fonction de l’âge et peut entraîner des déficits d’équilibre1,2. Cependant, les thérapies ciblant le fonctionnement du système vestibulaire sont rares.
La stimulation vestibulaire galvaïque (GVS) a été montrée pour améliorer des mesures d’équilibre, le fonctionnement autonome et d’autres modalités sensorielles chez les humains3,4,5,6. Ces améliorations seraient dues au phénomène de résonance stochastique (SR), qui est l’augmentation de la détection des signaux plus faibles dans les systèmes non linéaires par l’application du bruit de sous-seuil7,8. Ces études ont montré des améliorations dans statique9,10 et dynamique11,12 équilibre, et les tests de sortie vestibulaire tels que Le compteur oculaire (OCR)13. Cependant, beaucoup de ces études ont utilisé différentes combinaisons de paramètres de stimulus tels que le bruit blanc9, bruit coloré13, différentes gammes de fréquences de stimulus et des techniques de seuil. Par conséquent, les paramètres de stimulation optimaux restent inconnus et ce protocole peut aider à déterminer les paramètres les plus efficaces. Outre les paramètres de stimulation, le type de stimulus est également important dans l’efficacité thérapeutique et expérimentale. Le travail ci-dessus chez l’homme a été effectué à l’aide de stimuli sonores électriques, tandis qu’une grande partie du travail animal in vivo a utilisémécanique 14,15 ou optogénétique16 stimuli sonores. Ce protocole utilisera le bruit électrique pour examiner les effets sur les noyaux vestibulaires.
Précédemment, l’application de GVS pour stimuler les afferents vestibulaires primaires a été exécutée in vivo chez les singes écureuils17, chinchillas18, embryons de poulet15 et cobayes14. Cependant, seulement deux de ces études ont examiné l’effet de GVS sur le gain des afferents vestibulaires primaires14,15. Ces expériences ont été réalisées in vivo, ce qui signifie que les modèles précis de stimulation imposés sur les noyaux vestibulaires ne peuvent pas être déterminés. À notre connaissance, une seule autre étude a appliqué le bruit stochastique aux neurones enzymatiquement dissociés individuels dans le système nerveux central19. Cependant, aucune expérience n’a été effectuée dans les noyaux vestibulaires centraux pour évaluer les paramètres de stimulation appropriés et les techniques de seuil, ce qui rend ce protocole plus précis dans la détermination des effets de stimulus sur les neurones individuels dans le vestibulaire Noyaux.
Ici, nous décrivons comment appliquer le bruit sinusoïdal et stochastique (électrique) directement aux neurones individuels dans le noyau vestibulaire médial (MVN), déterminer le seuil neuronal et mesurer les changements dans le gain/sensibilité.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les effets de la stimulation vestibulaire galvaïque (GVS) sur le système vestibulaire a été mis en évidence in vivo chez l’homme3,13,23, cobayes14, rongeurs18 et primates non humains24. Cependant, aucune de ces études n’a évalué l’impact direct du bruit électrique sur la sensibilité des neurones individuels dans le système vestibulaire. Ici nous d…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
SPS a reçu le soutien de la bourse de recherche postdoctorale de l’Université de Sydney.
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).
