Summary

Stochastische Lärmanwendung zur Beurteilung der medialen vestibulären Nukleus-Neuron-Empfindlichkeit in vitro

Published: August 28, 2019
doi:

Summary

Die galvanische vestibuläre Stimulation beim Menschen zeigt Verbesserungen in der vestibulären Funktion. Es ist jedoch nicht bekannt, wie diese Effekte auftreten. Hier beschreiben wir, wie man sinusförmiges und stochastisches elektrisches Rauschen aufträgt und geeignete Stimulusamplituden in einzelnen medialen vestibulären Nukleusneuronen in der C57BL/6-Maus auswertet.

Abstract

Es hat sich gezeigt, dass die galvanische vestibuläre Stimulation (GVS) die Gleichgewichtsmaße bei Personen mit Gleichgewichts- oder vestibulären Beeinträchtigungen verbessert. Dies wird aufgrund des Stochastischen Resonanzphänomens (SR) vorgeschlagen, das als Anwendung eines Low-Level-/Unterschwellenreizes auf ein nichtlineares System definiert ist, um die Erkennung schwächerer Signale zu erhöhen. Es ist jedoch noch nicht bekannt, wie SR seine positiven Auswirkungen auf das menschliche Gleichgewicht zeigt. Dies ist eine der ersten Demonstrationen der Auswirkungen von sinusförmigen und stochastischen Lärm auf einzelne Neuronen. Mit Hilfe der Ganzzell-Patchklemmenelektrophysiologie können sinusförmige und stochastische Geräusche direkt auf einzelne Neuronen im medialen vestibulären Kern (MVN) von C57BL/6-Mäusen angewendet werden. Hier zeigen wir, wie die Schwelle von MVN-Neuronen zu bestimmen, um sicherzustellen, dass die sinusförmigen und stochastischen Reize unterschwellig sind und daraus die Auswirkungen bestimmen, die jede Art von Rauschen auf den neuronalen Gewinn von MVN hat. Wir zeigen, dass unterschwelliges sinusförmiges und stochastisches Rauschen die Empfindlichkeit einzelner Neuronen im MVN modulieren kann, ohne die Basalfeuerraten zu beeinflussen.

Introduction

Das vestibuläre (oder Gleichgewichts-)System steuert unseren Gleichgewichtssinn durch die Integration von auditiven, propriozeptiven, somatosensorischen und visuellen Informationen. Die Verschlechterung des vestibulären Systems hat sich als Funktion des Alters erwiesen und kann zu Gleichgewichtsdefiziten1,2führen. Therapien, die auf das Funktionieren des vestibulären Systems abzielen, sind jedoch rar.

Galvanische Vestibuläre Stimulation (GVS) hat gezeigt, dass Balance-Maßnahmen zu verbessern, autonome Funktion und andere sensorische Modalitäten beim Menschen3,4,5,6. Diese Verbesserungen sind angeblich auf das Phänomen der Stochastischen Resonanz (SR) zurückzuführen, das die Zunahme der Detektion schwächerer Signale in nichtlinearen Systemen durch die Anwendung von Unterschwellenrauschen7,8ist. Diese Studien haben Verbesserungenbei statischen 9,10 und dynamischen11,12 Balance- und vestibulären Ausgangstests wie Ocular Counter Roll (OCR)13gezeigt. Viele dieser Studien haben jedoch verschiedene Kombinationen von Stimulusparametern wie weißes Rauschen9, farbiges Rauschen13, verschiedene Stimulusfrequenzbereiche und Schwellenwerttechniken verwendet. Daher bleiben optimale Stimulusparameter unbekannt und dieses Protokoll kann bei der Bestimmung der effektivsten Parameter helfen. Neben Stimulusparametern ist die Art des Stimulus auch bei der therapeutischen und experimentellen Wirksamkeit wichtig. Die oben genannten Arbeiten beim Menschen wurden mit elektrischen Lärmreizen durchgeführt, während ein Großteil der in vivo Tierischen Arbeit mechanische14,15 oder optogenetische16 Lärmreize verwendet hat. Dieses Protokoll wird elektrisches Rauschen verwenden, um die Auswirkungen auf vestibuläre Kerne zu untersuchen.

Zuvor wurde die Anwendung von GVS zur Stimulierung der primären vestibulären Afferents in vivo bei Eichhörnchenaffen17, Chinchillas18, Hühnerembryonen15 und Meerschweinchen14durchgeführt. Allerdings untersuchten nur zwei dieser Studien die Auswirkungen von GVS auf den Gewinn von primären vestibulären Afferents14,15. Diese Experimente wurden in vivo durchgeführt, was bedeutet, dass die genauen Stimulationsmuster, die vestibulären Kernen auferlegt werden, nicht bestimmt werden können. Unserer Kenntnis nach hat nur eine andere Studie stochastisches Rauschen auf einzelne enzymatisch dissoziierte Neuronen im Zentralnervensystem angewendet19. Es wurden jedoch keine Experimente in den zentralen vestibulären Kernen durchgeführt, um geeignete Stimulusparameter und Schwellenwerttechniken zu bewerten, wodurch dieses Protokoll bei der Bestimmung der Stimuluseffekte auf einzelne Neuronen innerhalb der vestibulären Kerne.

Hier beschreiben wir, wie man sinusförmiges und stochastisches (elektrisches) Rauschen direkt auf einzelne Neuronen im medialen vestibulären Kern (MVN) aufträgt, die neuronale Schwelle bestimmt und Veränderungen der Gewinn-/Empfindlichkeit misst.

Protocol

Alle beschriebenen Experimentellen Protokolle wurden von der Animal Ethics Committee der University of Sydney genehmigt (genehmigte Protokollnummer: 2018/1308). 1. Tiere HINWEIS: Mäuse wurden aus dem Australian Rodent Centre (ARC; Perth, Australien) und in der Medical Foundation Building Animal Facility der University of Sydney. Halten Sie die Mäuse auf einem normalen 12 h Licht/Dunkel-Zyklus mit Umweltanreicherung. Verwenden S…

Representative Results

Erste Aufnahmen können Informationen über die Auswirkungen liefern, die sinusförmiges und stochastisches Rauschen auf die Basalfeuerraten einzelner MVN-Neuronen haben und wie die Reize den Gewinn von Neuronen wirken. Abbildung 2 zeigt, dass weder sinusförmige noch stochastische Geräusche die Basalfeuerraten von MVN-Neuronen im Vergleich zu Kontrollaufzeichnungen (kein Rauschen) verändern. Diese Informationen sind entscheidend für die Bestimmung der Schwelle der ein…

Discussion

Die Auswirkungen der galvanischen vestibulären Stimulation (GVS) auf das vestibuläre System wurde in vivo beim Menschen hervorgehoben3,13,23, Meerschweinchen14, Nagetiere18 und nicht-menschliche Primaten24. Jedoch, keine dieser Studien haben die direkten Auswirkungen von elektrischem Rauschen auf die Empfindlichkeit der einzelnen Neuronen im vestibulären …

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

SPS wurde vom postgradualen Forschungsstipendium der University of Sydney unterstützt.

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

Riferimenti

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Citazione di questo articolo
Stefani, S. P., Breen, P. P., Serrador, J. M., Camp, A. J. Stochastic Noise Application for the Assessment of Medial Vestibular Nucleus Neuron Sensitivity In Vitro. J. Vis. Exp. (150), e60044, doi:10.3791/60044 (2019).

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