脳スライスにおける全細胞パッチクランプ記録
Summary
このプロトコルは、全細胞パッチクランプ記録を実行するための基本的な処理手順を説明します。この技術は、神経細胞の電気的挙動の研究を可能にし、脳スライスに行ったときに、まだ比較的よく保存脳の回路に集積されているニューロンからの様々な神経機能の評価を可能にします。
Abstract
全細胞パッチクランプ記録は、ニューロンの要部の電気的特性の研究を可能にする電気生理学的手法です。この構成では、マイクロピペットは、リーク電流を防止し、それによって以前に使用され、細胞内シャープ電極記録方法よりも正確なイオン電流の測定値を提供する細胞膜と密着しています。古典的には、全細胞記録は、細胞培養モデル、解離ニューロン、脳切片におけるニューロンを含む製剤の各種におけるニューロン上で実行し、完全な麻酔または覚醒動物であることができます。要約すると、この技術は非常に興奮性細胞のパッシブとアクティブの生物物理学的特性の理解に貢献してきました。この手法の主な利点は、特定のニューロンの機能またはCを変化させることができる方法の特定の操作（ 例えば 、薬理学的、実験誘起塑性）に関する情報を提供することですリアルタイムでhannels。また、原形質膜の重要な開口部は、特定の細胞内タンパク質の薬物、 例えば 、アゴニストまたはアンタゴニストを導入し、そして隣接セルにおけるそれらの機能を変更することなく、これらのターゲットを操作するための手段を提供し、自由に細胞質中に拡散するための内部ピペット溶液を可能にします。この記事では、脳切片におけるニューロンの生理学的に関連する文脈で、 すなわち 、比較的よく保存され、脳の回路内のニューロンを記録するという利点があるの準備を行って全細胞記録に焦点を当てます。具体的には、適切な薬理学と組み合わせたときに、この技術は、このような学習、乱用薬物への曝露、ストレスなどの経験、任意のタイプ以下の発生した特定の神経適応の同定を可能にする強力なツールです。要約すると、脳切片における全細胞パッチクランプ記録は、ex vivoで調製長期的な変化を測定する手段を提供します無傷の覚醒した動物で開発した神経細胞の機能インチ
Introduction
パッチクランプ法、1970年代後半1,2に開発された電気生理学的技術は、生きている組織では、単一または複数のイオンチャネルの機能を研究するための主要なツールです。達成することができる別のパッチ構成の中で、全細胞パッチクランプ記録は、ニューロンの要部の電気的挙動の研究を可能にします。古典的には、この技術は、脳スライス、新たに解離ニューロンの、または細胞培養モデル3のいずれかでインビトロで行われます。脳スライス中のニューロン上で実行するとき、この手法にはいくつかの利点を提供します。具体的には、（i）ニューロンは、ある程度相対的に保存脳回路に記録され、そして細胞培養調製物と比較して、3生理学的に関連する環境を提供します。これは、急性pharmacologのいずれかのタイプによってトリガされた細胞および分子事象を早期に取り込む、あるいはリアルタイムでモニタリングすることができますiCalの操作- 生体内条件の古典用いて達成することができない時間分解能。視覚的に脳スライスに脳領域を識別するために、（ii）の機能は、両方の彼らは、蛍光マーカーを発現時に脳領域が研究のために、特定のニューロンのための高い地域の特異性3を可能にします。 （ⅲ）（細胞内記録のための鋭いマイクロピペットで膜に穴を開けるとは対照的に）形質膜4のかなりの部分を開放することにより、細胞の細胞内空間へのアクセスを。今度は、これは、内部液を構成する特定のイオンの含有量または濃度が非常に分子標的を変更するか、細胞のメカニズムが異なる条件下で研究することができることができます。例えば、全細胞構成、任意の特定の薬理学的薬剤（ 例えば 、アンタゴニスト）を確立時に1が記録マイクロピペット（パッチピペット）溶液は、直接細胞質内に拡散し、そのputatに作用しに追加できます隣接するセル内のターゲット関数を変更することなく、細胞内標的をアイブ。さらに、シャープなマイクロピペットの記録と比較して、パッチクランプ電極の先端の大きな開口部は低抵抗、あまり競合ノイズ、ひいてはセル4の内側へのより良い電気的アクセスを提供します。しかし、ピペットチップでの大きな開口部はセル透析、および研究5,6の下にある生物学的現象の発現に重要であり得る細胞内分子機構のそれによって損失につながる可能性があることに注意してください。この場合には、シャープ電極記録は、より適切であり得ます。録音のこのタイプは、それによって細胞内空間と内部ピペット溶液との間のイオン交換を最大限に防止する、全細胞記録のために使用されるものよりもはるかに小さい孔を有するマイクロピペットを必要とします。
7月10日の学習を含む（急性または慢性）経験のいずれかの形、乱用11,1の薬物への曝露2 等ストレス13,14は 、特定の脳領域における神経機能の様々な態様を変化させることができます。これらの変化は、多くの場合、（数時間から数日）を開発するために時間が必要であるため、具体的な経験を受けた動物からの脳スライスにおける全細胞記録は、研究者は、これらの変更を識別することができます。基本的に、（すべてではない）、ニューロンの機能に関与する成分（ 例えば 、リガンド活性化イオンチャネル、電位依存性イオンチャンネル、神経伝達物質トランスポーター）、それによって脳回路の活動および行動の多くは、経験によって変化させることができる（経験に依存可塑性）10,15-17。神経細胞レベルでは、脳の回路の活動は、シナプスの間に一定の相互作用（ 例えば 、グルタミン酸伝達）および固有細胞の興奮因子（ 例えば 、axosomato樹状イオンチャネルから出：;カリウム、K +、ナトリウム、Na +およびカルシウム、 の Ca 2+ ）。 wholを使用して、特定の条件の下で電子細胞は、パッチクランプ電気生理学的手法、シナプス対固有興奮性の変化から、具体的発信信号の変化を単離することができます。
ほとんどの場合、シナプスの興奮は、全細胞電圧クランプ技術を用いて評価され 、この記録モードは、αアミノ-3-ヒドロキシ-5-メチル-4- isoxazolepropionic酸受容体（によって媒介される、 例えば [イオン電流の測定を可能にしますAMPA受容体）および神経原形質膜を介してN-メチル-D-アスパラギン酸受容体（NMDA受容体）]のセット電圧で膜電位を保持しています。ここでは、実験者は、セシウム（Cs +）を含有する内部マイクロピペットソリューション、K +チャネル（キー固有興奮要因）の幅広いブロッカーを使用します。全細胞構成の確立時に、細胞内空間内のCs +の拡散は、K +チャンネルを遮断し、それによって、比較的効率的なスペースでクランプと事前の両方を許可します他の測定上の本質的な興奮の要因の影響をベント。不規則な形の細胞（ 例えば 、ニューロン）、および18,19アーバ広大で複雑 な樹状で、特にニューロンを記録するときにスペースクランプの問題は、 すなわち 、電圧クランプに難易全細胞は、発生します。体細胞電圧クランプ不十分コントロールニューロンの樹状突起における電圧ので、研究対象の樹状電気信号の様々な態様は、樹状距離依存的に歪んでいます。 （人工脳脊髄液、ACSF）細胞外溶液に溶解し、このようなピクロトキシン（ガンマ-アミノ酪酸、GABA受容体拮抗薬）またはキヌレン酸（グルタミン酸受容体の広いブロッカー）などの薬理学的なツールと組み合わせることで、この技術は、グルタミン酸の測定を可能にしますそれぞれ受容体とGABA A R媒介電流。
対照的に、本質的な興奮性は、通常、電流 – クランプ記録モードで評価されます。電圧クランプ記録とは対照的に、この記録モードは、神経細胞膜を通って流れるイオン電流により誘導される膜電位の変化を測定することができます。典型的には、内因性の興奮性の変化は、両方のNa +及びK +チャネルを必要とする活動電位を生成するニューロンのための能力の変化を介して評価されます。電流クランプ記録を行う際したがって、マイクロピペットは、K +の代わりのCs +を含有する内部溶液で満たされています。グルタミン酸やGABA ACSFに溶解し、受容体媒介電流を遮断する薬理学的薬剤と組み合わせることで、この実験デザインは、シナプスの興奮の潜在的な変化によって汚染されることなく、ニューロンの発火に固有の要因（ 例えば 、K +チャネル）の寄与を測定することができます要因。
この記事では、トンの基本的な必要な手続きの手順を説明しますO（ⅰ）健康な脳スライスを準備します。 （ii）の全細胞構成を達成し、および（iii）シナプスおよび固有興奮性を評価するための基本的なパラメータを監視します。
Protocol
Representative Results
Discussion
このプロトコルは、脳切片におけるニューロンの全細胞パッチクランプ実験を行うための基本的な手順を説明します。しかし、この技術の複雑さ、可能性と感度は完全にこの資料に記載することはできません。ここでは、最も基本的な手順を描写し、成功と厳格なホールセル記録を達成するために制御されなければならない重要なパラメータを強調しようとしています。さらに理論的な学習?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、サウスウエスタン大学のスタートアップ資金（SK）によってサポートされていました。
Materials
| Isolated pulse stimulus generator | A.M.P.I | Master-8 | |
| Isolation unit (ISO-Flex) | A.M.P.I | ISO-Flex | |
| Computer controlled Amplifier | Molecular Devices | Multiclamp 700B | |
| Digital Acquisition system | Molecular Devices | Digidata 1500 | |
| Microscope | Olympus | BX-51 | |
| Micromanipulator | Sutter Instruments | MPC-200 | |
| Chamber and in-line Heater | Warner Instruments | TC-344B | |
| Vibratome Slicer | Leica | VT1000 S | |
| Micropipette Puller | Narishige | PC-10 | |
| Imaging Camera | Q Imaging | QIClick-F-M-12 | |
| Narishige pipette puller PC-10 | Narishige | PC-10 | |
| Glass capillaries | WPI | TW150F-3 | |
| Slice hold-down (harp) | Warner Instruments | 64-0255 | |
| Slice Chamber | Warner Instruments | RC-26 | |
| Nonmetallic syringe needle | World Precision Instruments | MF28G67-5 | |
| Syringe filters | Nalgene | 176-0045 | |
| Glue Gun | Home Depot | various | |
| Gas dispersion tube | Ace Glass Inc. | various | |
| Decapitation scissors | Home Depot | 100649198 | |
| Scalpel Handle #3 | World Precision Instruments | 500236 | |
| Small straight sharp tips scissors | World Precision Instruments | 14218 | |
| Vessel canulation forceps | World Precision Instruments | 500453 | |
| Curved hemostatic forceps | World Precision Instruments | 501288 | |
| Economy Tweezers #3 | World Precision Instruments | 501976-6 | |
| Spatula | Fisher Scientific | 14357Q | |
| Scooping spatula | Fisher Scientific | 14-357Q | |
| Petri dish | Fisher Scientific | 08-747B | |
| Filter paper | Lab Depot | CFP1-110 | |
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments |
| Solutions | |||
| Cs-Gluconate internal solution (pH 7.2–7.3, 280–290 mOsm) | |||
| D-gluconic acid 50% | Sigma Aldrich/various | G1951 | |
| Cesium-OH (CsOH) 50% | Sigma Aldrich/various | 232041 | |
| NaCl, 2.8 mM | Sigma Aldrich/various | S7653 | |
| HEPES, 20 mM | Sigma Aldrich/various | H3375 | |
| EGTA, 0.4 mM | Sigma Aldrich/various | E4378 | |
| tetraethylammonium-Cl, 5 mM | Sigma Aldrich/various | T2265 | |
| Na2GTP, 0.3 mM | Sigma Aldrich/various | G8877 | |
| MgATP, 2 mM | Sigma Aldrich/various | A9187 | |
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments |
| K-Gluconate internal solution (pH 7.2–7.3, 280–290 mOsm) | |||
| K D-gluconate, 120 mM | Sigma Aldrich/various | G4500 | |
| KCl, 20 mM | Sigma Aldrich/various | P3911 | |
| HEPES, 10 mM | Sigma Aldrich/various | H3375 | |
| EGTA, 0.2 mM | Sigma Aldrich/various | E4378 | |
| MgCl2 | Sigma Aldrich/various | M8266 | |
| Na2GTP, 0.3 mM | Sigma Aldrich/various | G8877 | |
| MgATP, 2 mM | Sigma Aldrich/various | A9187 | |
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments |
| Standard artificial cerebrospinal fluid (ACSF, osmolarity ≈ 300-310 mOsm) | |||
| KCl, 2.5 mM | Sigma Aldrich/various | P3911 | |
| NaCl, 119 mM | Sigma Aldrich/various | S7653 | |
| NaH2PO4-H20, 1 mM | Sigma Aldrich/various | S9638 | |
| NaHCO3, 26.2 mM | Sigma Aldrich/various | S8875 | |
| Glucose, 11 mM | Sigma Aldrich/various | G8270 | |
| MgSO4-7H2O, 1.3 mM | Sigma Aldrich/various | 230391 | |
| CaCl2-2H20, 2.5 mM | Sigma Aldrich/various | C3881 | |
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments |
| Additional compounds used for solutions preparation | |||
| KOH | various | ||
| Kynurenic acid | Sigma Aldrich/various | K3375 | |
References
- Neher, E., Sakmann, B. Single-channel currents recorded from membrane of denervated frog muscle fibres. Nature. 260 (5554), 799-802 (1976).
- Sakmann, B., Neher, E. Patch clamp techniques for studying ionic channels in excitable membranes. Annu Rev Physiol. 46, 455-472 (1984).
- Cahalan, M., Neher, E. Patch clamp techniques: an overview. Methods Enzymol. 207, 3-14 (1992).
- Staley, K. J., Otis, T. S., Mody, I. Membrane properties of dentate gyrus granule cells: comparison of sharp microelectrode and whole-cell recordings. J Neurophysiol. 67 (5), 1346-1358 (1992).
- Horn, R., Marty, A. Muscarinic activation of ionic currents measured by a new whole-cell recording method. J Gen Physiol. 92 (2), 145-159 (1988).
- Pusch, M., Neher, E. Rates of diffusional exchange between small cells and a measuring patch pipette. Pflugers Arch. 411 (2), 204-211 (1988).
- Kandel, E. R., Dudai, Y., Mayford, M. R. The molecular and systems biology of memory. Cell. 157 (1), 163-186 (2014).
- Kourrich, S., Bonci, A. Chapter 5: Synaptic and Neural plasticity. Neurobiology of Mental Illness. 4th edn. , (2013).
- Mozzachiodi, R., Byrne, J. H. More than synaptic plasticity: role of nonsynaptic plasticity in learning and memory. Trends Neurosci. 33 (1), 17-26 (2010).
- Zhang, W., Linden, D. J. The other side of the engram: experience-driven changes in neuronal intrinsic excitability. Nat Rev Neurosci. 4 (11), 885-900 (2003).
- Kourrich, S., Calu, D. J., Bonci, A. Intrinsic plasticity: an emerging player in addiction. Nat Rev Neurosci. 16 (3), 173-184 (2015).
- Luscher, C., Malenka, R. C. Drug-evoked synaptic plasticity in addiction: from molecular changes to circuit remodeling. Neuron. 69 (4), 650-663 (2011).
- McEwen, B. S., Morrison, J. H. The brain on stress: vulnerability and plasticity of the prefrontal cortex over the life course. Neuron. 79 (1), 16-29 (2013).
- Sandi, C., Haller, J. Stress and the social brain: behavioural effects and neurobiological mechanisms. Nat Rev Neurosci. 16 (5), 290-304 (2015).
- Kim, S. J., Linden, D. J. Ubiquitous plasticity and memory storage. Neuron. 56 (4), 582-592 (2007).
- Ganguly, K., Poo, M. M. Activity-dependent neural plasticity from bench to bedside. Neuron. 80 (3), 729-741 (2013).
- Kullmann, D. M., Moreau, A. W., Bakiri, Y., Nicholson, E. Plasticity of inhibition. Neuron. 75 (6), 951-962 (2012).
- Bar-Yehuda, D., Korngreen, A. Space-clamp problems when voltage clamping neurons expressing voltage-gated conductances. J Neurophysiol. 99 (3), 1127-1136 (2008).
- Williams, S. R., Mitchell, S. J. Direct measurement of somatic voltage clamp errors in central neurons. Nat Neurosci. 11 (7), 790-798 (2008).
- Neher, E. Correction for liquid junction potentials in patch clamp experiments. Methods Enzymol. 207, 123-131 (1992).
- Defelice, L. J. . Electrical Properties of Cells-Patch Clamp for Biologists. , (1997).
- Kornreich, B. G. The patch clamp technique: principles and technical considerations. J Vet Cardiol. 9 (1), 25-37 (2007).
- Molleman, A. . Patch Clamping: An Introductory Guide To Patch Clamp Electrophysiology. , (2003).
- Neher, E., Sakmann, B. The patch clamp technique. Sci Am. 266 (3), 44-51 (1992).
- Richerson, G. B., Messer, C. Effect of composition of experimental solutions on neuronal survival during rat brain slicing. Exp Neurol. 131 (1), 133-143 (1995).
- Tanaka, Y., Tanaka, Y., Furuta, T., Yanagawa, Y., Kaneko, T. The effects of cutting solutions on the viability of GABAergic interneurons in cerebral cortical slices of adult mice. J Neurosci Methods. 171 (1), 118-125 (2008).
- Ye, J. H., Zhang, J., Xiao, C., Kong, J. Q. Patch-clamp studies in the CNS illustrate a simple new method for obtaining viable neurons in rat brain slices: glycerol replacement of NaCl protects CNS neurons. J Neurosci Methods. 158 (2), 251-259 (2006).
- Kourrich, S., et al. Dynamic interaction between sigma-1 receptor and Kv1.2 shapes neuronal and behavioral responses to cocaine. Cell. 152 (1-2), 236-247 (2013).
- Kourrich, S., Klug, J. R., Mayford, M., Thomas, M. J. AMPAR-Independent Effect of Striatal aCaMKII Promotes the Sensitization of Cocaine Reward. J Neurosci. , (2012).
- Kourrich, S., Rothwell, P. E., Klug, J. R., Thomas, M. J. Cocaine experience controls bidirectional synaptic plasticity in the nucleus accumbens. J Neurosci. 27 (30), 7921-7928 (2007).
- Kourrich, S., Thomas, M. J. Similar neurons, opposite adaptations: psychostimulant experience differentially alters firing properties in accumbens core versus shell. J Neurosci. 29 (39), 12275-12283 (2009).
- Rothwell, P. E., Kourrich, S., Thomas, M. J. Environmental novelty causes stress-like adaptations at nucleus accumbens synapses: implications for studying addiction-related plasticity. Neuropharmacology. 61 (7), 1152-1159 (2011).
- Rothwell, P. E., Kourrich, S., Thomas, M. J. Synaptic adaptations in the nucleus accumbens caused by experiences linked to relapse. Biol Psychiatry. 69 (11), 1124-1126 (2011).
- Koya, E., et al. Silent synapses in selectively activated nucleus accumbens neurons following cocaine sensitization. Nat Neurosci. 15 (11), 1556-1562 (2012).
- Conrad, K. L., et al. Formation of accumbens GluR2-lacking AMPA receptors mediates incubation of cocaine craving. Nature. 454 (7200), 118-121 (2008).
- Kruskal, P. B., Jiang, Z., Gao, T., Lieber, C. M. Beyond the patch clamp: nanotechnologies for intracellular recording. Neuron. 86 (1), 21-24 (2015).
- Novak, P., et al. Nanoscale-targeted patch-clamp recordings of functional presynaptic ion channels. Neuron. 79 (6), 1067-1077 (2013).
