Kombineret infusion og stimulering med hurtigscanning cyklisk voltammetri (CIS-FSCV) til vurdering af ventral tegmental område receptor regulering af Phasic dopamin
Summary
Målet med denne protokol er at direkte manipulere ventral tegmental område receptorer til at studere deres bidrag til subsekund dopamin frigivelse.
Abstract
Phasic dopamin (DA) frigivelse fra ventral tegmental område (VTA) til kernen accumbens spiller en afgørende rolle i belønning behandling og forstærkning læring. Forståelse af, hvordan de forskellige neuronale input i VTA kontrol phasic DA frigivelse kan give et bedre billede af kredsløb, der styrer belønning behandling og forstærkning læring. Her beskriver vi en metode, der kombinerer intra-VTA kanyle infusioner af farmakologiske agonister og antagonister med stimulation-fremkaldte phasic DA frigivelse (kombineret infusion og stimulation, eller CIS) målt ved in vivo hurtigscanning cyklisk voltammetry (FSCV). Ved hjælp af CIS-FSCV i bedøvede rotter kan et phasic DA-respons fremkaldes ved elektrisk at stimulere VTA med en bipolar elektrode udstyret med en kanyle, mens der registreres i kernen accumbens kerne. Farmakologiske agonister eller antagonister kan infunderes direkte på stimuleringsstedet for at undersøge specifikke VTA-receptorers roller i kørselsfasisk DA-udgivelse. En stor fordel ved CIS-FSCV er, at VTA receptor funktion kan studeres in vivo, der bygger på in vitro undersøgelser.
Introduction
Phasic dopamin (DA) frigivelse fra ventral tegmental område (VTA) til kernen accumbens (NAc) spiller en afgørende rolle i belønning-relaterede adfærd. VTA DA neuroner skifte fra en tonic-lignende fyring (3-8 Hz) til en burst-lignende fyring (>14 Hz)1, som producerer phasic DA frigivelse i NAc. VTA udtrykker en række somatodendritiske receptorer , der er godt positioneret til at styre skiftet fra tonic til burst-fyring2,3,4,5. Identificere, hvilke af disse receptorer, og deres respektive input, kontrol phasic DA frigivelse vil uddybe vores forståelse af, hvordan belønning-relaterede kredsløb er organiseret. Formålet med den metode, der er beskrevet her, kombineret infusion og stimulering med hurtigscanning cyklisk voltammetri (CIS-FSCV), er hurtigt og robust at vurdere funktionaliteten af VTA-receptorer i kørselsphasic DA-frigivelse.
Udtrykket kombineret infusion og stimulering (CIS) refererer til farmakologisk manipulerende receptorer på en gruppe neuroner (her VTA) og stimulere disse neuroner til at studere receptorens funktion. I bedøvelsesrotteren stimulerer vi elektrisk VTA’en til at fremkalde et stort fasisk DA-signal (1-2 μM) i NAc-kernen målt ved hurtigscanning af cyklisk voltammetri (FSCV). Infusioner af farmakologiske lægemidler (dvs. receptoragonister/antagonister) på stimuleringsstedet kan bruges til at måle funktionen af VTA-receptorer ved at observere den efterfølgende ændring i fremkaldte phasic DA-frigivelse. FSCV er en elektrokemisk tilgang, der har både høj rumlig (50-100 μm) og tidsmæssig (10 Hz) opløsning, og er velegnet til at måle belønningsrelaterede, phasic DA-hændelser6,7. Denne opløsning er finere end andre in vivo neurokemiske målinger, såsom mikrodialyse. Således er CIS-FSCV tilsammen velegnet til at vurdere VTA-receptorregulering af phasic dopaminfrigivelse.
En almindelig måde at undersøge VTA receptor funktion er ved hjælp af en kombination af elektrofysiologiske tilgange, der omhandler, hvordan disse receptorer ændre fyring sats af neuroner1,8. Disse undersøgelser er meget værdifulde i at forstå, hvilke receptorer der er involveret i at køre DA fyring ved aktivering. Men, disse undersøgelser kan kun foreslå, hvad der kan ske nedstrøms på axon terminal (dvs. frigivelse af en neurotransmitter). CIS-FSCV bygger på disse elektrofysiologiske undersøgelser ved at besvare, hvordan produktionen af VTA burst-fyring, phasic DA frigivelse, er reguleret af receptorer placeret på VTA dendritter og celle organer. Cis-FSCV er således velegnet til at bygge videre på disse elektrofysiologistudier. Som et eksempel kan nicotinisk receptoraktivering fremkalde burst-firing i VTA9, og CIS-FSCV i den bedøvede rotte blev brugt til at vise, at nicotinisk acetylcholin receptor (nAChR) aktivering i VTA også styrer phasic DA-frigivelsen i NAc10,11.
Mekanistisk undersøgelse af phasic DA regulering er også almindeligt undersøgt ved hjælp af skive præparater sammen med bad anvendelse af narkotika. Disse undersøgelser fokuserer ofte på den præsynaptiske regulering af phasic DA frigivelse fra dopamin terminaler, som cellelegemer er ofte fjernet fra skiven12. Disse præparater er værdifulde til at studere præsynaptiske receptoreffekter på dopaminterminaler, mens CIS-FSCV er bedre egnet til at studere somatodendritiske receptoreffekter på dopaminneuroner samt præsynaptiske input til VTA. Denne sondring er vigtig, fordi somatodendritisk receptor aktivering i VTA kan have en anden effekt end NAc præsynaptisk receptor aktivering. Faktisk, blokering dopaminergic presynaptic nAChRs i NAc kan forhøjephasic dopamin frigivelse under burst-fyring13, mens det modsatte er tilfældet på VTA somatodendritc nAChRs10,11.
CIS-FSCV er en ideel tilgang til at studere VTA-receptorers evne til at regulere phasic DA-frigivelse. Det er vigtigt, at denne tilgang kan udføres i en intakt rotte, enten bedøvet eller fri bevægelse. Denne tilgang er velegnet til akutte undersøgelser, at studere receptor funktion i sin baseline tilstand10,14 samt langsigtede undersøgelser, der kan vurdere funktionelle ændringer i en receptor efter eksponering af narkotika eller adfærdsmanipulation11,15.
Protocol
Representative Results
Discussion
CIS-FSCV giver en unik mulighed for at undersøge VTA receptor mekanismer underliggende phasic DA frigivelse. Der er to kritiske trin for at sikre en korrekt optagelse. For det første skal der opnås en stabil baseline-optagelse med lidt drift i det fremkaldte DA-signal. En vigtig måde at øge sandsynligheden for at etablere en stabil optagelse er at sikre, at elektroden har haft masser af tid til at cykle på både 60 Hz og 10 Hz (typisk 15 min ved 60 Hz og 10 min ved 10 Hz). Som kulfiber bliver cyklet, kulfiber selv …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Arbejdet blev støttet af Elizabethtown College (R.J.W, M.L., og L.M.), af en NSF Graduate Fellowship (RJW) og af Yale School of Medicine (NC).
Materials
| Electrode Filling Solution/Supplies | |||
| Micropipette | World Precision Instruments | MF286-5 (28 gauge) | |
| Potassium Acetate | Sigma | 236497-100G | |
| Potassium Chloride | Sigma | P3911-25G | |
| Electrode Supplies | |||
| Carbon fiber | Thornel | T650 | |
| Electrode puller | Narishige International | PE-22 | Note: horizontal pullers can be used as well |
| Glass capillary | A-M systems | 626000 | |
| Insulated wires for electrodes | Weico Wire and Cable Incorporated | UL 1423 | Length; 10 cm; diameter,0.4mm; must get custom made; insulated material should cover 5 cm of the wire |
| Light Microscope (for viewing and cutting electrode) | Fischer Scientific | M3700 | |
| Pin | Phoenix Enterprises | HWS1646 | To be soldered onto the insuled electrode wire and reference electrode; connects to headstage |
| Putty | Alcolin | 23922-1003 | Used to place electrode on while cutting the carbon fiber |
| Scalpal Blade | World Precision Instruments | 500239 | For cutting carbon fiber to the apprpriate length |
| Silver Wire | Sigma | 327026-4G | |
| FSCV Hardware/Software | |||
| Faraday Cage | U-Line | H-3618 (36" x 24" x 42") | |
| Potentiostat | Univ. of N. Carolina, Electronics Facility | ||
| Stimulating electrode | PlasticsOne | MS303/2-A/SPC | when ordering, request a 22 mm cut below pedestal |
| TarHeel HDCV Software | University of North Carolina-Chapel Hill | – | https://chem.unc.edu/critcl-main/criticl-electronics/criticl-electronics-hardware/ for ordering information |
| UEI breakout box | Univ. of N. Carolina, Electronics Facility | https://chem.unc.edu/critcl-main/criticl-electronics/criticl-electronics-hardware/ for ordering information | |
| UEI power supply | Univ. of N. Carolina, Electronics Facility | https://chem.unc.edu/critcl-main/criticl-electronics/criticl-electronics-hardware/ for ordering information | |
| Stimulator Hardware | |||
| Neurolog stimulus isolator | Digitimer Ltd. | DS4 | Neurolog 800A |
| Infusion/Stimulation Supplies | |||
| Infusion Pump | New Era Syringe Pump | NE-300 | |
| Internal Cannula | PlasticsOne | C315I/SPC INTERNAL 33GA | |
| Microliter Syringe | Hamilton | 80308 | |
| Tubing | PlasticsOne | C313CT/ PKG TUBING 023 X 050 PE50 | |
| Surgical Supplies | |||
| Cannula Holder | Kopf Instruments | 1776 P-1 | |
| Cotton Tip Applicators | Vitality Medical | 806 | |
| Electrode Holder | Kopf Instruments | 1770 | |
| Heating Pad | Kent Scientific | RT-0501 | |
| Povidone Iodine | Vitality Medical | 29906-004 | |
| Screws | Stoelting | Bone Anchor Screws/Pkg.of 100 | 1.59 mm O.D., 3.2 mm long |
| Silver wire reference with AgCl | InVivo Metric | E255A | |
| Square Gauze | Vitality Medical | 441408 | |
| Stereotax | Kopf Instruments | Model 902 (Dual Arm Bar) | |
| Histological Supplies | |||
| Formulin | Sigma | 1004960700 | |
| Power supply | BK Precision | 9110 | |
| Sucrose | Sigma | 80497 | |
| Tungsten microelectrode | MicroProbes | WE30030.5A3 | |
| Drugs for infusions | |||
| ((2R)-amino-5-phosphonovaleric acid | Sigma Aldrich | A5282 | |
| N-methyl-D-aspartate | Sigma Aldrich | M3262 | |
| Mecamylamine hydrochloride (M9020-5mg) | Sigma Aldrich | M9020 | |
| Scopolamine hydrobromide (S0929-1g) | Sigma Aldrich | S0929 |
References
- Grace, A. A., Bunney, B. S. The control of firing pattern in nigral dopamine neurons: burst firing. Journal of Neuroscience. 4 (11), 2877-2890 (1984).
- Lester, D. B., et al. Midbrain acetylcholine and glutamate receptors modulate accumbal dopamine release. Neuroreport. 19 (9), 991-995 (2008).
- Lodge, D. J., Grace, A. A. The laterodorsal tegmentum is essential for burst firing of ventral tegmental area dopamine neurons. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 103 (13), 5167-5172 (2006).
- Li, C., et al. Mu Opioid Receptor Modulation of Dopamine Neurons in the Periaqueductal Gray/Dorsal Raphe: A Role in Regulation of Pain. Neuropsychopharmacology. 41 (8), 2122-2132 (2016).
- Zhang, H. Y., et al. Expression of functional cannabinoid CB2 receptor in VTA dopamine neurons in rats. Addiction Biology. 22 (3), 752-765 (2017).
- Wickham, R. J., et al. Advances in studying phasic dopamine signaling in brain reward mechanisms. Frontiers in Bioscience. 5, 982-999 (2013).
- Wightman, R. M., et al. Monitoring of transmitter metabolites by voltammetry in cerebrospinal fluid following neural pathway stimulation. Nature. 262 (5564), 145-146 (1976).
- Grace, A. A., Bunney, B. S. The control of firing pattern in nigral dopamine neurons: single spike firing. Journal of Neuroscience. 4 (11), 2866-2876 (1984).
- Mameli-Engvall, M., et al. Hierarchical control of dopamine neuron-firing patterns by nicotinic receptors. Neuron. 50 (6), 911-921 (2006).
- Wickham, R., et al. Ventral tegmental area alpha6beta2 nicotinic acetylcholine receptors modulate phasic dopamine release in the nucleus accumbens core. Psychopharmacology. 229 (1), 73-82 (2013).
- Solecki, W., et al. Differential role of ventral tegmental area acetylcholine and N-methyl-D-aspartate receptors in cocaine-seeking. Neuropharmacology. 75, 9-18 (2013).
- John, C. E., Jones, S. R., Michael, A. C., Borland, L. M. Fast Scan Cyclic Voltammetry of Dopamine and Serotonin in Mouse Brain Slices. Electrochemical Methods for Neuroscience. , (2007).
- Rice, M. E., Cragg, S. J. Nicotine amplifies reward-related dopamine signals in striatum. Nature Neuroscience. 7 (6), 583-584 (2004).
- Espana, R. A., et al. Hypocretin 1/orexin A in the ventral tegmental area enhances dopamine responses to cocaine and promotes cocaine self-administration. Psychopharmacology. 214 (2), 415-426 (2011).
- Addy, N. A., et al. The L-type calcium channel blocker, isradipine, attenuates cue-induced cocaine-seeking by enhancing dopaminergic activity in the ventral tegmental area to nucleus accumbens pathway. Neuropsychopharmacology. 43 (12), 2361-2372 (2018).
- Hermans, A., Wightman, R. M. Conical tungsten tips as substrates for the preparation of ultramicroelectrodes. Langmuir. 22 (25), 10348-10353 (2006).
- Borland, L. M., Michael, A. C., Borland, L. M., Michael, A. C. An Introduction to Electrochemical Methods in Neuroscience. Electrochemical Methods for Neuroscience. , (2007).
- Mundroff, M. L., Wightman, R. M. Amperometry and cyclic voltammetry with carbon fiber microelectrodes at single cells. Current Protocols in Neuroscience. 6 (6), 14 (2002).
- Rodeberg, N. T., et al. Hitchhiker’s Guide to Voltammetry: Acute and Chronic Electrodes for in vivo Fast-Scan Cyclic Voltammetry. ACS Chemical Neuroscience. 8 (2), 221-234 (2017).
- Sabeti, J., Gerhardt, G. A., Zahniser, N. R. Chloral hydrate and ethanol, but not urethane, alter the clearance of exogenous dopamine recorded by chronoamperometry in striatum of unrestrained rats. Neuroscience Letters. 343 (1), 9-12 (2003).
- Masuzawa, M., et al. Pentobarbital inhibits ketamine-induced dopamine release in the rat nucleus accumbens: a microdialysis study. Anesthesia & Analgesia. 96 (1), 148-152 (2003).
- Montague, P. R., et al. Dynamic gain control of dopamine delivery in freely moving animals. Journal of Neuroscience. 24 (7), 1754-1759 (2004).
- Keithley, R. B., et al. Higher sensitivity dopamine measurements with faster-scan cyclic voltammetry. Analytical Chemistry. 83 (9), 3563-3571 (2011).
- Jackson, B. P., Dietz, S. M., Wightman, R. M. Fast-scan cyclic voltammetry of 5-hydroxytryptamine. Analytical Chemistry. 67 (6), 1115-1120 (1995).
- Park, J., Takmakov, P., Wightman, R. M. In vivo comparison of norepinephrine and dopamine release in rat brain by simultaneous measurements with fast-scan cyclic voltammetry. Journal of Neurochemistry. 119 (5), 932-944 (2011).
- Wenzel, J. M., et al. Phasic Dopamine Signals in the Nucleus Accumbens that Cause Active Avoidance Require Endocannabinoid Mobilization in the Midbrain. Current Biology. 28 (9), 1392-1404 (2018).
- Spanos, M., et al. NMDA Receptor-Dependent Cholinergic Modulation of Mesolimbic Dopamine Cell Bodies: Neurochemical and Behavioral Studies. ACS Chemical Neuroscience. 10 (3), 1497-1505 (2019).
- Cheer, J. F., et al. Cannabinoids enhance subsecond dopamine release in the nucleus accumbens of awake rats. Journal of Neuroscience. 24 (18), 4393-4400 (2004).
- Melchior, J. R., et al. Optogenetic versus electrical stimulation of dopamine terminals in the nucleus accumbens reveals local modulation of presynaptic release. Journal of Neurochemistry. 134 (5), 833-844 (2015).
- Sun, F., et al. A Genetically Encoded Fluorescent Sensor Enables Rapid and Specific Detection of Dopamine in Flies, Fish, and Mice. Cell. 174 (2), 481-496 (2018).
- Robinson, D. L., et al. Monitoring rapid chemical communication in the brain. Chemical Reviews. 108 (7), 2554-2584 (2008).
- Park, J., et al. Heterogeneous extracellular dopamine regulation in the subregions of the olfactory tubercle. Journal of Neurochemistry. 142 (3), 365-377 (2017).
- Ganesana, M., Venton, B. J. Early changes in transient adenosine during cerebral ischemia and reperfusion injury. PLoS One. 13 (5), e0196932 (2018).
