Generasjon Lokale CA1 γ Svingninger av tetanic Stimulering
Summary
Svingninger er grunnleggende nettverksegenskaper og er modulert av sykdom og medikamenter. Studerer hjerne-slice svingninger tillater karakterisering av isolerte nettverk under kontrollerte forhold. Protokoller for utarbeidelse av akutte hjerneskiver for fremkaller CA1 γ svingninger.
Abstract
Nevrale nettverk svingninger er viktige funksjoner i hjernens aktivitet i helse og sykdom, og kan moduleres av en rekke klinisk brukt narkotika. En protokoll er anordnet for å generere en modell for å studere CA1 γ oscillasjoner (20 – 80 Hz). Disse γ svingninger er stabile i minst 30 minutter og avhenger av stimulerende og hemmende synaptisk aktivitet i tillegg til aktivering av pacemaker strømninger. Tetanically stimulert oscillasjoner har en rekke av reproduserbar og lett målbare karakteristikker inkludert pigg teller, oscillation varighet, ventetid og frekvens som rapporterer på nettverkstilstand. Fordelene med de elektrisk stimulerte svingninger inkluderer stabilitet, reproduserbarhet og episodisk oppkjøpet gjør det mulig robust karakterisering av nettverksfunksjonen. Denne modellen av CA1 γ svingninger kan brukes til å studere cellulære mekanismer og systematisk undersøke hvordan nettverks neuronal aktivitet er endret på sykdom og av medikamenter.Sykdomstilstand farmakologi lett kan innlemmes ved bruk av hjerneskiver fra genmodifiserte eller intervensjonsdyremodeller for å aktivere en rekke medikamenter som spesifikt retter sykdomsmekanismer.
Introduction
Brain nettverks svingninger forekommer innenfor forskjellige frekvensbånd som korrelerer til atferdstilstander. I gnagere, hippocampus θ svingninger – er (5 10 Hz) observert under utforskende atferd 1,2, mens γ svingninger (20 – 80 Hz) forbinder med ulike kognitive prosesser, herunder persepsjon og oppmerksomhet 3,4. Synkron γ nettverks aktivitet er også implisert i patologien av forstyrrelser slik som epilepsi og schizofreni 5,6. For eksempel er γ svingninger antas å tilsvare områder av kortikale epileptiske foci 5,7,8 og kan brukes som markører for pharmacosensitivity eller motstand, to viktige områder for undersøkelse i epilepsi forskning 9.
Hippocampus hjernen skive er en modell som har vært mye brukt til å undersøke nettverksaktivitet 10-12. Ulike protokoller har blitt utviklet for å generere γ svingninger i hjerneskiver som vanligvis jegNvolve farmakologisk modulering slik som lav Mg2 +, 4-aminopyridin (4AP) bicuculline, og kainsyre 12-17. Mangler av farmakologisk utløste svingninger er at de opptrer tilfeldig etter medikament påføring og er ikke pålitelig genereres eller stabil over tid. Elektrisk utløst γ svingninger overkomme mange av disse problemer og har også fordelen av å være tidsmessig låst til den stimulerende arrangementet slik at for episodisk registrering og analyse. Her en protokoll er beskrevet for å generere CA1 γ svingninger ved å levere en tetanic stimulering til stratum Oriens i hippocampus skive.
Protocol
Representative Results
Discussion
En robust metode for å generere CA1 γ svingninger i akutte hjerneskiver er beskrevet. Svingningene generert oppstå fra en lokal krets muliggjør en bedre mulighet for å kontrollere og forstå nevrofysiologiske grunnlaget for nettverks svingninger 12. AMPA-reseptorer, GABAA-reseptorer, I h og T-type Ca2 + kanaler er alt som kreves for γ svingninger i denne modellen. Mens de lokale CA1 svingninger beskrevet her kan bli robust generert dette er avhengig av at de hjerneskiver…
Disclosures
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 |
References
- 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. 신경과학. 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).
