Excitação externa de Neurônios Usando Campos Elétricos e Magnéticos em One e culturas bidimensionais

Summary

culturas neuronais são um bom modelo para o estudo de técnicas emergentes de estimulação do cérebro através de seus efeitos sobre os neurônios individuais ou uma população de neurônios. Aqui apresentados são diferentes métodos para a estimulação de culturas neuronais modeladas por um campo eléctrico produzido directamente por eléctrodos de banho ou induzida por um campo magnético variável no tempo.

Abstract

Um neurónio irá disparar um potencial de acção, quando o seu potencial de membrana excede um determinado limiar. A actividade típica do cérebro, isto ocorre como resultado de entradas químicos às suas sinapses. No entanto, os neurônios também pode ser excitado por um campo eléctrico imposto. Em particular, aplicações clínicas recentes ativar os neurônios, criando um campo elétrico externo. Por isso, é de interesse para investigar como o neurônio responde ao campo externo eo que faz com que o potencial de ação. Felizmente, a aplicação precisa e controlada de um campo eléctrico externo é possível que as células neuronais embrionárias que são excisados, dissociadas e cultivadas em culturas. Isso permite que a investigação dessas questões em um sistema altamente reprodutível.

Neste artigo algumas das técnicas utilizadas para aplicação controlada de campo elétrico externo em culturas neuronais são revistos. As redes podem ser unidimensional, ou seja padronizado em lineaformas R ou deixadas a crescer em todo o plano do substrato, e, assim, bidimensional. Além disso, a excitao pode ser criada por aplicação directa do campo eléctrico através de eléctrodos imersos no fluido (eléctrodos de banho) ou através da indução do campo eléctrico utilizando o criação remota de impulsos magnéticos.

Introduction

A interacção entre os neurónios e os campos eléctricos externos tem implicações fundamentais, bem como os práticos. Embora seja conhecido desde os tempos de Volta que um campo eléctrico aplicado externamente pode excitar tecido, os mecanismos responsáveis para a produção de um potencial de acção resultante em neurónios são apenas recentemente começando a ser desvendado ^{1, 2, 3, 4.} Isto inclui encontrar respostas a perguntas sobre o mecanismo que causa despolarização do potencial de membrana, o papel das propriedades da membrana e de canais iônicos, e até mesmo a região do neurônio que reage ao campo elétrico ^{2, 5.} Terapêutico neuro ^{6, 7, 8, 9,} <sup10 metodologias são particularmente dependentes desta informação, que pode ser crucial para a segmentação das áreas afectadas e para a compreensão dos resultados da terapia. Essa compreensão também pode ajudar no desenvolvimento de protocolos de tratamento e novas abordagens para estimulação de diferentes áreas do cérebro.

A medição da interação dentro do cérebro in vivo acrescenta um componente importante a esta compreensão, mas é dificultada pela imprecisão e baixa controlabilidade das medições dentro do crânio. Em contraste, as medições em culturas podem ser facilmente realizadas em alto volume com alta precisão, excelente desempenho sinal-ruído e um alto grau de reprodutibilidade e de controle. Usando culturas uma grande variedade de propriedades neuronais do comportamento coletivo da rede pode ser elucidada ^{11 , 12 , 13 , 14 ,} </sup> ^{15, 16.} De igual modo, este sistema é bem controlada esperado ser altamente eficientes para elucidar o mecanismo pelo qual outros métodos de estimulação trabalhar, por exemplo, como a abertura do canal durante a estimulação óptica em neurónios optogenetically activas ^{17, 18, 19,} é responsável pela criação de potencial de acção.

Aqui, o foco está em descrever o desenvolvimento e compreensão das ferramentas que podem eficientemente excitam o neurônio através de um campo elétrico externo. Neste documento descreve-se a preparação de bidimensional e unidimensional culturas de hipocampo estampados, estimulação utilizando diferentes configurações e orientação de um campo eléctrico aplicado directamente por eléctrodos de banho, e, finalmente, a estimulação da bidimensional e modelado culturas unidimensionais por um tempo variando no campo magnético, o que induz um campo eléctrico^{5, 20, 21.}

Protocol

Declaração de Ética: Os procedimentos envolvendo manuseio de animais foram feitos de acordo com as diretrizes do Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais (IACUC) do Instituto Weizmann de Ciência e a lei israelense apropriada. O Instituto Weizmann é credenciado pela Associação de Avaliação e Acreditação do Laboratório Animal Care International (AAALAC). O Comitê Institucional de Cuidados e Uso Animal de Weizmann aprovou este estudo, conduzido com os neurônios do hipocampo. <p class="jove_title…

Representative Results

O protocolo apresentado permite fácil padronização das culturas neuronais. Quando é combinado com vários métodos desenvolvidos para a estimulação, que permite fazer medições de alguns intrínsecas propriedades neuronais como chronaxie e reobase 5, para comparar as propriedades dos neurónios saudáveis e doentes 27, para encontrar formas ideais para estimular culturas como uma função de sua estrutura e muitos mais novas ab…

Discussion

Padrão 1D é uma ferramenta importante que pode ser usado para uma variedade de aplicações. Por exemplo, utilizamos padrões 1D para criar portas lógicas a partir de culturas neuronais ²⁹ e mais recentemente para medir o Chronaxie e Rheobase de neurônios do hipocampo de ratos ⁵ e a desaceleração da velocidade de propagação de sinal da atividade de disparo em neurônios do hipocampo de síndrome de Down em comparação com a Neurônios do hipocampo do tipo selvagem…

Materials

APV	Sigma-Aldrich	A8054	Disconnect the network. Mentioned in Section 2.4.2
B27 supp	Gibco	17504-044	Plating medium. Mentioned in Section 1.1.1
bicuculline	Sigma-Aldrich	14343	Disconnect the network . Mentioned in Section 2.4.2
Borax (sodium tetraborate decahydrate)	Sigma-Aldrich	S9640	Borate buffer. Mentioned in Section 1.1.2
Boric acid	Frutarom LTD	5550710	Borate buffer. Mentioned in Section 1.1.2
CaCl2 , 1M	Fluka	21098	Extracellular recording solution . Mentioned in Section 1.5.2
CNQX	Sigma-Aldrich	C239	Disconnect the network . Mentioned in Section 2.4.2
COMSOL	COMSOL Inc	Multiphysics 3.5	Numerical simulation. Mentioned in Section 3.5.2
D-(+)-Glucose, 1M	Sigma-Aldrich	65146	Plating medium, Extracellular recording solution . Mentioned in Section 1.1.1    1.5.2
D-PBS	Sigma-Aldrich	D8537	Cell Cultures. Mentioned in Section 1.2.4    1.2.6
FCS(FBS)	Gibco	12657-029	Plating medium. Mentioned in Section 1.1.1
Fibronectin	Sigma-Aldrich	F1141	Bio Coating. Mentioned in Section 1.2.6
Fluo4, AM	Life technologies	F14201	Imaging of spontaneous or evoked activity . Mentioned in Section 1.5.1    1.5.3    1.5.5
FUDR	Sigma-Aldrich	F0503	Changing medium. Mentioned in Section 1.4.1
Gentamycin	Sigma-Aldrich	G1272	Plating medium, Changing medium, Final medium. Mentioned in Section 1.1.1
GlutaMAX 100X	Gibco	35050-038	Plating medium, Changing medium, Final medium. Mentioned in Section 1.1.1
Hepes, 1M	Sigma-Aldrich	H0887	Extracellular recording solution . Mentioned in Section 1.5.2
HI HS	BI	04-124-1A	Plating medium, Changing medium, Final medium. Mentioned in Section 1.1.1    1.4.1    1.4.2
KCl,  3M	Merck	1049361000	Extracellular recording solution. Mentioned in Section 1.5.2
Laminin	Sigma-Aldrich	L2020	Bio Coating. Mentioned in Section 1.2.6
MEM x 1	Gibco	21090-022	Plating medium, Changing medium, Final medium. Mentioned in Section 1.4.1    1.4.2
MgCl2 , 1M	Sigma-Aldrich	M1028	Extracellular recording solution. Mentioned in Section 1.5.2
NaCl, 4M	Bio-Lab	19030591	Extracellular recording solution . Mentioned in Section 1.5.2
Octadecanethiol	Sigma-Aldrich	01858	Cleaning Cr-Au coated coverslips (1D cultures). Mentioned in Section 1.2.3
Pluracare F108 NF Prill	BASF Corparation	50475278	Bio-Rejection Coating, Bio Coating. Mentioned in Section 1.2.4    1.2.6
Poly-L-lysine 0.01% solution	Sigma-Aldrich	P47075	Promote cell division. Mentioned in Section 1.1.4
Sucrose, 1M	Sigma-Aldrich	S1888	Extracellular recording solution . Mentioned in Section 1.5.2
Thiol	Sigma-Aldrich	1858	Bio-Rejection Coating. Mentioned in Section 1.2.3
URIDINE	Sigma-Aldrich	U3750	Changing medium. Mentioned in Section 1.4.1
Sputtering machine	AJA International, Inc	ATC Orion-5Series	coating glass with thin layers of metal. Mentioned in Section 1.2.2
Pen plotter	Hewlett Packard	HP 7475A	Etching of pattern to the coated coverslip. Mentioned in Section 1.2.5
Electrodes wires	A-M Systems, Carlsborg WA	767000	Electric stimulation of neuronal cultures. Mentioned in Section 2.1    2.2    2.3   2.4.5
Signal generator	BKPrecision	4079	Shaping of the electric signal. Mentioned in Section 2.3
Amplifier	Homemade		Voltage amplification of the signal from the signal generator to the electrodes. Mentioned in Section 2.3
Power supply	Matrix	MPS-3005 LK-3	Power supply to the sputtering machine. Mentioned in Section 1.2.2.3
Transcranial magnetic stimulation	Magstim, Spring Gardens, UK	Rapid 2	Magnetic stimulation of neuronal culture. Mentioned in Section 3.1   3.3   3.4
Epoxy	Cognis	Versamid 140	Casting of homemade coils. Mentioned in Section 3.4
Epoxy	Shell	EPON 815	Casting of homemade coils. Mentioned in Section 3.4
Platinum wires 0.005'' thick; A-M Systems,	Carlsborg WA	767000	Electric stimulation of neuronal cultures. Mentioned in Section 2.1
Circular magnetic coil	Homemade		Magnetic stimulation of neuronal culture. Mentioned in Section 3.3
WaveXpress SW	B&K Precision		Waveform editing software. Mentioned in Section 2.1.32
Xion Ultra 897	Andor		Sensitive EMCCD camera. Mentioned in Section 2.4.4