Generatie van Local CA1 γ Oscillations door Tetanische Stimulation
Summary
Trillingen zijn fundamentele netwerk-eigenschappen en worden gemoduleerd door ziekte en drugs. Studeren brain-slice oscillaties laat karakterisering van geïsoleerde netwerken onder gecontroleerde omstandigheden. Protocollen zijn voorzien voor de voorbereiding van acute hersenen plakjes voor het oproepen van CA1 γ oscillaties.
Abstract
Neuronale netwerk oscillaties zijn belangrijke kenmerken van hersenactiviteit bij gezondheid en ziekte en kan worden gemoduleerd door een aantal klinisch gebruikte geneesmiddelen. Een protocol wordt geleverd aan een model voor de studie CA1 γ trillingen genereren (20-80 Hz). Deze γ oscillaties zijn stabiel gedurende tenminste 30 minuten en afhankelijk prikkelende en remmende synaptische activiteit naast activatie pacemaker stromen. Tetanically gestimuleerd oscillaties hebben een aantal reproduceerbare en gemakkelijk meetbare kenmerken, zoals spike telling, oscillatie duur, latency en frequentie dat melden op het netwerk staat. De voordelen van de elektrisch gestimuleerde oscillaties omvatten stabiliteit, reproduceerbaarheid en episodische acquisitie mogelijk robuust karakterisering van netwerkfunctie. Dit model van CA1 γ oscillaties kunnen worden gebruikt om cellulaire mechanismen bestuderen en systematisch te onderzoeken hoe neuronale netwerkactiviteit wordt veranderd ziekte en drugs.Ziektetoestand farmacologie kan gemakkelijk worden opgenomen door het gebruik van hersenschijfjes genetisch gemodificeerde of interventionele diermodellen selectie van specifieke medicijnen die ziektemechanismen schakelen.
Introduction
Brain netwerk oscillaties optreden binnen verschillende frequentiebanden die correleren met gedrags staten. Bij knaagdieren hippocampus θ oscillaties – worden (5 10 Hz) waargenomen tijdens de verkennende gedrag 1,2, terwijl de γ oscillaties (20 – 80 Hz) associëren met verschillende cognitieve processen, waaronder perceptie en aandacht 3,4. Synchrone γ netwerkactiviteit is ook geïmpliceerd in de pathologie van aandoeningen zoals epilepsie en schizofrenie 5,6. Zo worden γ oscillaties verondersteld overeen te komen gebieden van corticale epileptische foci 5,7,8 en kan worden gebruikt als markers van pharmacosensitivity of weerstand, twee belangrijke gebieden van onderzoek epilepsieonderzoek 9.
De hippocampus slice brein is een model dat is op grote schaal gebruikt om de netwerkactiviteit 10-12 te onderzoeken. Verschillende protocollen ontwikkeld γ oscillaties in hersencoupes die typisch genereren involve farmacologische modulatie zoals lage Mg 2+, 4-aminopyridine (4AP), bicuculline en kainzuur 12-17. Tekortkomingen van farmacologisch geactiveerd oscillaties zijn dat ze zich voordoen na willekeurig drug toepassing en zijn niet betrouwbaar gegenereerd of stabiel in de tijd. Elektrisch aangestuurde γ oscillaties overwinnen veel van deze problemen en hebben ook het voordeel dat tijdelijk vergrendeld aan de stimulerende gebeurtenis waardoor episodische registratie en analyse. Hier wordt een protocol wordt beschreven voor het genereren CA1 γ oscillaties door een op tetanische stimulatie van de stratum Oriens in de hippocampus slice.
Protocol
Representative Results
Discussion
Een robuuste methode om CA1 γ oscillaties in acute hersenen plakjes te genereren wordt beschreven. De gegenereerde trillingen ontstaan uit een lokale circuit waardoor een betere gelegenheid voor de controle en het begrip van de neurofysiologische basis van netwerk oscillaties 12. AMPA receptoren GABA A-receptoren, Ih en T-type Ca2 + kanalen zijn aangegeven voor γ oscillaties in dit model. Terwijl de lokale CA1 oscillaties beschreven robuust kan worden opgewekt is afhankelijk zoda…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Supported by APA to RJH, NHMRC program grant 400121 to SP, and NMHRC fellowship 1005050 to SP. CAR acknowledges the support of the ARC (FT0990628) and the DOWD fellowship scheme. The Florey Institute of Neuroscience and Mental Health is supported by Victorian State Government infrastructure funds.
Materials
| 4-(N-Ethyl-N-phenylamino)-1,2- dimethyl-6-(methylamino) pyrimidinium chloride (ZD7288) | Sigma-Aldrich | Z3777 | |
| Biuculline | Sigma-Aldrich | 14340 | |
| 6-cyano-7-nitroquinoxa- line-2,3-dione (CNQX) | Sigma-Aldrich | C127 | |
| Nickel | Sigma-Aldrich | 266965 | |
| Carbamazepine | Sigma-Aldrich | C4024 | |
| (2R)-amino-5-phosphonopentano-ate (APV) | Tocris Bioscience | 0105 | |
| Retigabine | ChemPacific | 150812-12-7 | |
| Choline-Cl | Sigma Aldrich | C1879-5KG | |
| KCl | Sigma Aldrich | P9333-500G | |
| NaH2PO4 | Sigma Aldrich | S9638-250G | |
| NaHCO3 | Sigma Aldrich | S6297-250G | |
| NaCl | Sigma Aldrich | S7653-5KG | |
| Glucose | Sigma Aldrich | G8270-1KG | |
| CaCl2.2H2O | Sigma Aldrich | 223506-500G | |
| MgCl2.6H2O | Sigma Aldrich | M2670-500G | |
| Electrode glass | Harvard Apparatus | GC150F-10 | |
| Concentric bipolar stimulating metal electrode | FHC | CBBPF75 | |
| Digital Isolator | Getting Instruments | Model BJN8-9V1 | |
| Model 1800 amplifier | A-M systems | Model 1800 amplifier | |
| Digitizer | National Intruments | NI USB-6211 | |
| Vibrotome | Leica | VT1200s |
Riferimenti
- Buzsaki, G. Theta rhythm of navigation: link between path integration and landmark navigation, episodic and semantic memory. Hippocampus. 15 (7), 827-840 (2005).
- Vanderwolf, C. H. Hippocampal electrical activity and voluntary movement in the rat. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 26 (4), 407-418 (1969).
- Bartos, M., Vida, I., Jonas, P. Synaptic mechanisms of synchronized gamma oscillations in inhibitory interneuron networks. Nat. Rev. Neurosci. 8 (1), 45-56 (2007).
- Buzsáki, G., Wang, X. -. J. Mechanisms of gamma oscillations. Annu. Rev. Neurosci. 35, 203-225 (2012).
- Kobayashi, K., et al. Cortical contribution to scalp EEG gamma rhythms associated with epileptic spasms. Brain Dev. 35 (8), 762-770 (2013).
- Andreou, C., et al. Increased Resting-State Gamma-Band Connectivity in First-Episode Schizophrenia. Schizophr Bull. , (2014).
- Alarcon, G., Binnie, C. D., Elwes, R. D., Polkey, C. E. Power spectrum and intracranial EEG patterns at seizure onset in partial epilepsy. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 94 (5), 326-337 (1995).
- Fisher, R. S., Webber, W. R., Lesser, R. P., Arroyo, S., Uematsu, S. High-frequency EEG activity at the start of seizures. J. Clin. Neurophysiol. 9 (3), 441-448 (1992).
- Kwan, P., Brodie, M. J. Early identification of refractory epilepsy. N. Engl. J. Med. 342 (5), 314-319 (2000).
- Traub, R. D., Kopell, N., Bibbig, A., Buhl, E. H., LeBeau, F. E., Whittington, M. A. Gap junctions between interneuron dendrites can enhance synchrony of gamma oscillations in distributed networks. J. Neurosci. 21 (23), 9478-9486 (2001).
- Traub, R. D., Whittington, M. A., Buhl, E. H., Jefferys, J. G., Faulkner, H. J. On the mechanism of the gamma –> beta frequency shift in neuronal oscillations induced in rat hippocampal slices by tetanic stimulation. J. Neurosci. 19 (3), 1088-1105 (1999).
- Whittington, M. A., Stanford, I. M., Colling, S. B., Jefferys, J. G., Traub, R. D. Spatiotemporal patterns of gamma frequency oscillations tetanically induced in the rat hippocampal slice. J. Physiol. 502 (3), 591-607 (1997).
- Avoli, M., Panuccio, G., Herrington, R., D’Antuono, M., de Guzman, P., Lévesque, M. Two different interictal spike patterns anticipate ictal activity in vitro. Neurobiol. Dis. 52, 168-176 (2013).
- Boido, D., Jesuthasan, N., de Curtis, M., Uva, L. Network Dynamics During the Progression of Seizure-Like Events in the Hippocampal-Parahippocampal Regions. Cereb Cortex. 24 (1), 162-173 (2014).
- Gloveli, T., Albrecht, D., Heinemann, U. Properties of low Mg2+ induced epileptiform activity in rat hippocampal and entorhinal cortex slices during adolescence. Brain Res. Dev. Brain Res. 87 (2), 145-152 (1995).
- McLeod, F., Ganley, R., Williams, L., Selfridge, J., Bird, A., Cobb, S. R. Reduced seizure threshold and altered network oscillatory properties in a mouse model of Rett syndrome. Neuroscienze. 231, 195-205 (2013).
- Bracci, E., Vreugdenhil, M., Hack, S. P., Jefferys, J. G. On the synchronizing mechanisms of tetanically induced hippocampal oscillations. J. Neurosci. 19 (18), 8104-8113 (1999).
- Main, M. J., Cryan, J. E., Dupere, J. R., Cox, B., Clare, J. J., Burbidge, S. A. Modulation of KCNQ2/3 potassium channels by the novel anticonvulsant retigabine. Mol. Pharmacol. 58 (2), 253-262 (2000).
- Wickenden, A. D., Yu, W., Zou, A., Jegla, T., Wagoner, P. K. Retigabine, a novel anti-convulsant, enhances activation of KCNQ2/Q3 potassium channels. Mol. Pharmacol. 58 (3), 591-600 (2000).
- Otto, J. F., Kimball, M. M., Wilcox, K. S. Effects of the anticonvulsant retigabine on cultured cortical neurons: changes in electroresponsive properties and synaptic transmission. Mol. Pharmacol. 61 (4), 921-927 (2002).
- Pomper, J. K., Graulich, J., Kovacs, R., Hoffmann, U., Gabriel, S., Heinemann, U. High oxygen tension leads to acute cell death in organotypic hippocampal slice cultures. Brain Res. Dev. Brain Res. 126 (1), 109-116 (2001).
- Hatch, R. J., Reid, C. A., Petrou, S. Enhanced in vitro CA1 network activity in a sodium channel β1(C121W) subunit model of genetic epilepsy. Epilepsia. 55 (4), 601-608 (2014).
- Lord, L. -. D., Expert, P., Huckins, J. F., Turkheimer, F. E. Cerebral energy metabolism and the brain/’s functional network architecture: an integrative review. J. Cereb. Blood Flow Metab. 33 (9), 1347-1354 (2013).
- Hájos, N., et al. Maintaining network activity in submerged hippocampal slices: importance of oxygen supply. Eur. J. Neurosci. 29 (2), 319-327 (2009).
- Hájos, N., Mody, I. Establishing a physiological environment for visualized in vitro brain slice recordings by increasing oxygen supply and modifying aCSF content. J. Neurosci. Methods. 183 (2), 107-113 (2009).
- Boido, D., Jesuthasan, N., de Curtis, M., Uva, L. Network Dynamics During the Progression of Seizure-Like Events in the Hippocampal-Parahippocampal Regions. Cereb Cortex. 24 (1), 163-173 (2012).
- Antuono, M., Köhling, R., Ricalzone, S., Gotman, J., Biagini, G., Avoli, M. Antiepileptic drugs abolish ictal but not interictal epileptiform discharges in vitro. Epilepsia. 51 (3), 423-431 (2010).
- Stenkamp, K., et al. Enhanced temporal stability of cholinergic hippocampal gamma oscillations following respiratory alkalosis in vitro. J. Neurophysiol. 85 (5), 2063-2069 (2001).
