Generation av lokala CA1 γ Svängningar från tetanisk Stimulering
Summary
Svängningar är grundläggande nätverksegenskaper och moduleras av sjukdom och droger. Studera hjärn slice svängningar tillåter karakterisering av isolerade nät under kontrollerade förhållanden. Protokoll finns för framställning av akut hjärnan skivor för att framkalla CA1 γ svängningar.
Abstract
Neuronala nätverket svängningar är viktiga inslag i hjärnans aktivitet vid hälsa och sjukdom och kan moduleras av en rad kliniskt använda läkemedel. Ett protokoll är anordnat för att generera en modell för att studera CA1 γ oscillationer (20-80 Hz). Dessa γ oscillationer är stabila under åtminstone 30 minuter och beror på retande och inhiberande synaptisk aktivitet förutom aktivering av pacemaker strömmar. Tetanically stimulerade svängningar har ett antal reproducerbara och lätt kvantifierbara egenskaper inklusive spik räkna, svängning varaktighet, latens och frekvens som rapporterar på nätverksstatus. Fördelarna med de elektriskt stimulerade svängningar innefattar stabilitet, reproducerbarhet och episodisk förvärvet möjliggör robust karakterisering av nätverksfunktion. Denna modell av CA1 γ svängningar kan användas för att studera cellulära mekanismer och att systematiskt undersöka hur nervnätverksaktivitet förändras vid sjukdom och droger.Sjukdomstillstånd farmakologi kan lätt införlivas genom användning av hjärnan skivor från genetiskt modifierade eller interventionell djurmodeller för att möjliggöra val av läkemedel som specifikt riktar sjukdomsmekanismer.
Introduction
Brain nätverks svängningar förekommer inom olika frekvensband som korrelerar till beteende stater. Hos gnagare hippocampus θ svängningar – är (5 10 Hz) observeras under förberedande beteenden 1,2, medan γ svängningar (20 – 80 Hz) förknippar med olika kognitiva processer, inklusive perception och uppmärksamhet 3,4. Synkron γ nätverksaktivitet är också inblandad i patologin av sjukdomar, såsom epilepsi och schizofreni 5,6. Till exempel är γ oscillationer tros motsvara områden av kortikal epileptiska foci 5,7,8 och skulle kunna användas som markörer för pharmacosensitivity eller motstånd, två viktiga områden för undersökning vid epilepsi forskning 9.
Den hippocampus hjärnan skiva är en modell som har använts i stor utsträckning för att undersöka nätverksaktivitet 10-12. Olika protokoll har utvecklats för att generera γ svängningar i hjärnan skivor som normalt involve farmakologisk modulering såsom låg Mg 2+, 4-aminopyridin (4AP), bikukullin och kainsyra 12-17. Brister i farmakologiskt utlösta svängningar är att de dyker upp slumpmässigt efter drogansökan och inte genereras eller stabila över tiden på ett tillförlitligt sätt. Elektriskt utlöst γ svängningar övervinna många av dessa problem och har också fördelen av att vara temporärt låst till stimulerande händelse möjliggör episodisk registrering och analys. Här ett protokoll beskrivs för att generera CA1 γ svängningar genom att leverera en tetanic stimulans till stratum oriens i hippocampus slice.
Protocol
Representative Results
Discussion
En robust metod för att generera CA1 γ svängningar i akut hjärnan skivor beskrivs. De svängningar genererade uppstår från en lokal krets som möjliggör en bättre möjlighet att styra och förstå neurofysiologiska grunden för nätverks svängningar 12. AMPA-receptorer, GABA A-receptorer, I h och T-typ Ca2 + kanaler alla krävs för γ svängningar i den här modellen. Medan lokala CA1 svängningar som beskrivs här kan kraftigt genererade detta beror på att säkerst…
Declarações
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 |
Referências
- 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. Neurociência. 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).
