Ekstracellulært Identifikation motorneuroner for en Muskel Motor Pool i<em> Aplysia californica</em
Summary
Hos dyr med store identificerede neuroner (<em> F.eks</em> Bløddyr), er analysen af motoriske puljer gøres ved hjælp intracellulære teknikker<sup> 1,2,3,4</sup>. For nylig har vi udviklet en teknik til ekstracellulært stimulere og registrere individuelle neuroner i<em> Aplysia californica</em<sup> 5</sup>. Vi beskriver nu en protokol til at bruge denne teknik til entydigt at identificere og karakterisere motorneuroner i en motor pool.
Abstract
Hos dyr med store identificeret neuroner (f.eks bløddyr), analyse af motordrevne puljer sker ved hjælp af intracellulære teknikker 1,2,3,4. For nylig har vi udviklet en teknik til ekstracellulært stimulere og registrere individuelle neuroner i Aplysia californica 5. Vi beskriver nu en protokol til at bruge denne teknik til entydigt at identificere og karakterisere motorneuroner i en motor pool.
Denne ekstracellulære teknik har fordele. Det første ekstracellulære elektroder kan stimulere og optage neuroner gennem kappen 5, så det ikke er nødvendigt at fjerne. Således vil neuroner være sundere i ekstracellulære forsøg end i intracellulære dem. For det andet, hvis ganglier roteres af passende pinning af hylsteret, kan ekstracellulære elektroder adgang neuroner på begge sider af ganglion, hvilket gør det nemmere og mere effektivt at identificere flere neuroner i det samme præparat. For det tredje extracellunende elektroderne behøver ikke at trænge celler, og således let kan bevæges frem og tilbage mellem neuroner, der forårsager mindre skade på dem. Dette er især nyttigt, når man forsøger at optage flere neuroner under gentage motoriske mønstre, der kan kun overleve i få minutter. Fjerde ekstracellulære elektroder er mere fleksible end intracellulære dem under muskelbevægelser. Intracellulære elektroder kan trække sig ud og beskadige neuroner under muskelsammentrækninger. I modsætning hertil, da ekstracellulære elektroder forsigtigt presses på hylsteret ovenfor neuroner de normalt ligge over det samme neuron under muskelsammentrækninger, og således kan bruges i mere intakte præparater.
Til entydigt at identificere motoriske neuroner for en motor pool (især I1/I3 muskel i Aplysia) ved hjælp af ekstracellulære elektroder, kan man bruge funktioner, der ikke kræver intracellulære målinger som kriterier: soma størrelse og placering, axonal projektion, og muskel innervation 4, 6,7. For den bestemte motor pool benyttet til at illustrere teknikken, registrerede vi fra buccale nerver 2 og 3 for at måle axonale projektioner, og målte sammentrækning kræfter I1/I3 musklen at bestemme mønsteret for musklen innervation til de enkelte motorneuroner.
Vi viser hele processen med først at identificere motoriske neuroner ved hjælp af muskel innervation, så karakteriserer deres timing i løbet af motoriske mønstre, der skaber en forenklet diagnostisk metode til hurtig identifikation. Den forenklede og hurtigere diagnostisk metode er bedre til mere intakte præparater, fx i den suspenderede bukkale masse forberedelse 8 eller in vivo 9. Denne proces kan også anvendes i andre motoriske pools 10,11,12 i Aplysia eller i andre dyresystemer 2,3,13,14.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hos dyr med store identificerede neuroner, såsom bløddyr (f.eks Lymnaea, Helix og Aplysia), analyse af motordrevne pools sker typisk ved hjælp af intracellulær optagelse 1,2,3,4. I denne protokol, beskriver vi en proces til entydigt at identificere de motoriske neuroner for en motor pool med en ekstracellulær teknik. Vi brugte kraftmålinger som en illustration af denne proces. Man kunne også bruge EMG til at måle muskel innervationer. Kort fortalt at gøre det, protokollen skal ændr…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskning blev støttet af NIH tilskud NS047073 og NSF tilskud DMS1010434.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Sodium chloride | Fisher Scientific | S671 | Biological, Certified |
| Potassium chloride | Fisher Scientific | P217 | Certified ACS |
| Magnesium chloride hexahydrate | Acros Organics | 19753 | 99% |
| Magnesium sulfate heptahydrate | Fisher Scientific | M63 | Certified ACS |
| Calcium chloride dihydrate | Fisher Scientifc | C79 | Certified ACS |
| Glucose (dextrose) | Sigma-Aldrich | G7528 | BioXtra |
| MOPS buffer | Acros Organics | 17263 | 99% |
| Carbachol | Acros Organics | 10824 | 99% |
| Sodium hydroxide | Fisher Scientific | SS255 | Certified |
| Hydrochloric acid | Fisher Scientific | SA49 | Certified |
| Single-barreled capillary glass | A-M Systems | 6150 | |
| Flaming-Brown micropipette puller model P-80/PC | Sutter Instruments | Filament used: FT345B | |
| Enamel coated stainless steel wire | California Fine Wire | 0.001D, coating h | |
| Household Silicone II Glue | GE | ||
| Duro Quick-Gel superglue | Henkel corp. | ||
| A-M Systems model 1700 amplifier | A-M Systems | Filter settings: 10-500 Hz for the I2 nerve/muscle; 300-500 Hz for all the other nerves | |
| Pulsemaster Multi-Channel Stimulator | World Precision Instruments | A300 | |
| Stimulus Isolator | World Precision Instruments | A360 | |
| AxoGraph X | AxoGraph Scientific | Software for recordings | |
| Gold Connector Pins | Bulgin | SA3148/1 | |
| Gold Connector Sockets | Bulgin | SA3149/1 | |
| Sylgard 184 Silicone Elastomer | Dow Corning | ||
| 100 x 15 mm Crystalizing Dish | Pyrex | ||
| High Vacuum Grease | Dow Corning | ||
| Pipet Tips | Fisher Scientific | 21-375D | |
| Minutien Pins | Fine Science Tools | 26002-10 | |
| Modeling Clay | Sargent Art | 22-4400 | |
| Whisper Air Pump | Tetra | 77849 | |
| Aquarium Tubing | Eheim | 7783 | 12/16 mm |
| Elite Airstone | Hagen | A962 | |
| Vannas Spring Scissors | Fine Science Tools | 15000-08 | |
| Dumont #5 Fine Forceps | Fine Science Tools | 11254-20 | |
| Kimwipes | Kimberly-Clark | 34155 |
Riferimenti
- McCrohan, C. R., Benjamin, P. R. Synaptic relationships of the cerebral giant cells with motoneurones in the feeding system of Lymnaea stagnalis. J. Exp. Biol. 85, 169-186 (1980).
- Benjamin, P. R., Rose, R. M. Central generation of bursting in the feeding system of the snail, Lymnaea stagnalis. J. Exp. Biol. 80, 93-118 (1979).
- Peters, M., Altrup, U. Motor organization in pharynx of Helix pomatia. J. Neurophysiol. 52 (3), 389-409 (1984).
- Church, P. J., Cohen, K. P., Scott, M. L., Kirk, M. D. Peptidergic motoneurons in the buccal ganglia of Aplysia californica: immunocytochemical, morphological, and physiological characterizations. J. Comp. Physiol. A. 168 (3), 323-336 (1991).
- Lu, H., Chestek, C. A., Shaw, K. M., Chiel, H. J. Selective extracellular stimulation of individual neurons in ganglia. J. Neural. Eng. 5 (3), 287-309 (2008).
- Church, P. J., Lloyd, P. E. Expression of diverse neuropeptide cotransmitters by identified motor neurons in Aplysia. J. Neurosci. 11 (3), 618-625 (1991).
- Church, P. J., Lloyd, P. E. Activity of multiple identified motor neurons recorded intracellularly during evoked feedinglike motor programs in Aplysia. J. Neurophys. 72 (4), 1794-1809 (1994).
- McManus, J. M., Lu, H., Chiel, H. J. An In Vitro Preparation for Eliciting and Recording Feeding Motor Programs with Physiological Movements in Aplysia californica. J. Vis. Exp. (70), e4320 (2012).
- Cullins, M. J., Chiel, H. J. Electrode fabrication and implantation in Aplysia californica for multi-channel neural and muscular recordings in intact, freely behaving animals. J Vis. Exp. (40), e1791 (2010).
- Zhurov, Y., Weiss, K. R., Brezina, V. Tight or loose coupling between components of the feeding neuromusculature of Aplysia. J. Neurophysiol. 94 (1), 531-549 (2005).
- Hurwitz, I., Goldstein, R. S., Susswein, A. J. Compartmentalization of pattern-initiation and motor functions in the B31 and B32 neurons of the buccal ganglia of Aplysia californica. J. Neurophysiol. 71 (4), 1514-1527 (1994).
- Morton, D. W., Chiel, H. J. The timing of activity in motor neurons that produce radula movements distinguishes ingestion from rejection in Aplysia. J. Comp. Physiol. A. 173 (5), 519-536 (1993).
- Iles, J. F. Structure and synaptic activation of the fast coxal depressor motoneurone of the cockroach. Periplaneta americana. J. Exp. Biol. 56 (3), 647-656 (1972).
- Westerfield, M., McMurray, J. V., Eisen, J. S. Identified motoneurons and their innervation of axial muscles in the zebrafish. J. Neurosci. 6 (8), 2267-2277 (1986).
- Susswein, A. J., Rosen, S. C., Gapon, S., Kupfermann, I. Characterization of buccal motor programs elicited by a cholinergic agonist applied to the cerebral ganglion of Aplysia californica. J. Comp. Physiol. A. 179 (4), 509-524 (1996).
- Hurwitz, I., Neustadter, D., Morton, D. W., Chiel, H. J., Susswein, A. J. Activity patterns of the B31/B32 pattern initiators innervating the I2 muscle of the buccal mass during normal feeding movements in Aplysia californica. J. Neurophys. 75 (4), 1309-1326 (1996).
- Morton, D. W., Chiel, H. J. In vivo buccal nerve activity that distinguishes ingestion from rejection can be used to predict behavioral transitions in Aplysia. J. Comp. Physiol. A. 172 (1), 17-32 (1993).
- Warman, E. N., Chiel, H. J. A new technique for chronic single-unit extracellular recording in freely behaving animals using pipette electrodes. J. Neurosci. Methods. 57 (2), 161-169 (1995).
- Nargeot, R. N., Baxter, D. A., Byrne, J. H. Contingent-dependent enhancement of rhythmic motor patterns: an in vitro analog of operant conditioning. J. Neurosci. 17 (21), 8093-8105 (1997).
- Kandel, E. R. . Behavioral biology of Aplysia. , (1979).
- Scott, M. L., Govind, C. K., Kirk, M. D. Neuromuscular organization of the buccal system in Aplysia californica. J. Comp. Neurol. 312 (2), 207-222 (1991).
- Rosen, S. C., Miller, M. W., Cropper, E. C., Kupfermann, I. Outputs of radula mechanoafferent neurons in Aplysia are modulated by motor neurons, interneurons, and sensory neurons. J. Neurophysiol. 83 (3), 1621-1636 (2000).
- Rosen, S. C., Miller, M. W., Evans, C. G., Cropper, E. C., Kupfermann, I. Diverse synaptic connections between peptidergic radula mechanoafferent neurons and neurons in the feeding system of Aplysia. J. Neurophysiol. 83 (3), 1605-1620 (2000).
- Weiss, K. R., Chiel, H. J., Koch, U., Kupfermann, I. Activity of an identified histaminergic neuron, and its possible role in arousal of feeding behavior in semi-intact Aplysia. J. Neurosci. 6 (8), 2403-2415 (1986).
- Rosen, S. C., Teyke, T., Miller, M. W., Weiss, K. R., Kupfermann, I. Identification and characterization of cerebral-to-buccal interneurons implicated in the control of motor programs associated with feeding in Aplysia. J. Neurosci. 11 (11), 3630-3655 (1991).
- Jing, J., Weiss, K. R. Generation of variants of a motor act in a modular and hierarchical motor network. Curr. Biol. 15 (19), 1712-1721 (2005).
- Azizi, F., Lu, H., Chiel, H. J., Mastrangelo, C. H. Chemical neurostimulation using pulse code modulation (PCM) microfluidic chips. J. Neurosci. Methods. 192 (2), 193-198 (2010).
- Zhurov, Y., Proekt, A., Weiss, K. R., Brezina, V. Changes of internal state are expressed in coherent shifts of neuromuscular activity in Aplysia feeding behavior. J. Neurosci. 25 (5), 1268-1280 (2005).
- Baker, B. J., Kosmidis, E. K., Vucinic, D., Falk, C. X., Cohen, L. B., Djurisic, M., Zecevic, D. Imaging brain activity with voltage- and calcium-sensitive dyes. Cell. Mol. Neurobiol. 25 (2), 245-282 (2005).
- Fejtl, M., Stett, A., Nisch, W., Boven, K. -. H., Möller, A., Baudry, M., Taketani, M. On Micro-Electrode Array Revival. Advances in Network Electrophysiology Using Multi-Electrode Arrays. , 24-37 (2006).
