Stokastiska buller ansökan för bedömning av mediala vestibulära Nucleus neuron känslighet in vitro-
Summary
Galvanisk vestibulära stimulering hos människa uppvisar förbättringar i vestibulära funktion. Det är dock okänt hur dessa effekter uppstår. Här beskriver vi hur man ansöker sinusformad och stokastiska elektriskt brus och utvärdera lämpliga stimulans amplituder i enskilda mediala vestibulära Nucleus nervceller i C57BL/6 musen.
Abstract
Galvanisk vestibulära stimulering (GVS) har visat sig förbättra balans åtgärder hos individer med balans eller vestibulära nedskrivningar. Detta föreslås bero på den stokastiska resonans (SR) fenomen, som definieras som tillämpning av en låg-nivå/subthreshold stimulans till ett icke-linjärt system för att öka upptäckten av svagare signaler. Det är dock fortfarande okänt hur SR uppvisar dess positiva effekter på människans balans. Detta är en av de första demonstrationerna av effekterna av sinusformad och stokastiska buller på enskilda nervceller. Med hjälp av hela-cell patch klämma elektrofysiologi, sinusformad och stokastiska buller kan appliceras direkt på enskilda nervceller i mediala vestibulära kärnan (mvn) av C57BL/6 möss. Här visar vi hur man bestämmer tröskeln för MVN neuroner för att säkerställa den sinusformade och stokastiska stimuli är subtröskel och från detta, fastställa de effekter som varje typ av buller har på MVN neuronala Gain. Vi visar att subthreshold sinusformad och stokastiska buller kan modulera känsligheten hos enskilda nervceller i mvn utan att påverka basal bränning priser.
Introduction
Den vestibulära (eller balans) systemet styr vår känsla av balans genom att integrera auditiv, proprioceptive, somatosensorisk och visuell information. Nedbrytning av vestibulära systemet har visat sig inträffa som en funktion av ålder och kan resultera i balans underskott1,2. Emellertid, terapier som är inriktade på hur det vestibulära systemet är knappa.
Galvanisk vestibulära stimulering (GVS) har visat sig förbättra balans åtgärder, autonom funktion och andra sensoriska modaliteter inom människor3,4,5,6. Dessa förbättringar sägs bero på den stokastiska resonans (SR) fenomen, vilket är ökningen av upptäckten av svagare signaler i icke-linjära system genom tillämpning av subtröskelbrus7,8. Dessa studier har visat förbättringar i statisk9,10 och dynamisk11,12 balans, och vestibulära output tester såsom okulär Counter roll (OCR)13. Emellertid, många av dessa studier har använt olika kombinationer av stimulans parametrar såsom White Noise9, färgade brus13, olika stimulans frekvensområden och tröskelvärde tekniker. Därför är optimala stimulans parametrar fortfarande okända och detta protokoll kan hjälpa till med att fastställa de mest effektiva parametrarna. Förutom stimulans parametrar, typ av stimulans är också viktigt i terapeutisk och experimentell effekt. Ovanstående arbete på människor utfördes med hjälp av elektriska buller stimuli, medan mycket av in vivo djur arbete har använt mekaniska14,15 eller optogenetiska16 buller stimuli. Detta protokoll kommer att använda elektriskt brus för att undersöka effekterna på vestibulära kärnor.
Tidigare utfördes användning av GVS för att stimulera primära vestibulära afferenter i vivo hos ekorre apor17, chinchillor18, kyckling embryon15 och marsvin14. Men endast två av dessa studier undersökte effekten GVS har på vinsten av primära vestibulära afferenter14,15. Dessa experiment utfördes in vivo vilket innebär att de exakta mönster av stimulering som införts på vestibulära kärnor inte kan bestämmas. Till vår kännedom har endast en annan studie tillämpat stokastiskt brus på enskilda enzymatiskt separerade nervceller i centralanervsystemet19. Emellertid, inga experiment har utförts i centrala vestibulära kärnor för att bedöma lämpliga stimulans parametrar och tröskelvärde tekniker, vilket gör detta protokoll mer exakt för att fastställa stimulanseffekter på enskilda nervceller inom vestibulära Kärnor.
Här beskriver vi hur man ansöker sinusformad och stokastiska (elektriska) buller direkt till enskilda nervceller i mediala vestibulära kärnan (mvn), bestämma neuronala tröskel och mäta förändringar i Gain/känslighet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Effekterna av galvanisk vestibulära stimulering (GVS) på vestibulära systemet har lyfts in vivo hos människor3,13,23, marsvin14, gnagare18 och icke-mänskliga primater24. Emellertid, ingen av dessa studier har bedömt den direkta effekten av elektriskt brus på känsligheten hos enskilda nervceller i vestibulära systemet. Här visar vi den första in vi…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
SPS stöddes av University of Sydney forskarutbildnings stipendium.
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).
