الإثارة الخارجية من الخلايا العصبية باستخدام المجالات الكهربائية والمغناطيسية في واحدة والثقافات ثنائي الأبعاد

Summary

الثقافات العصبية هي نموذج جيد لدراسة تقنيات تحفيز الدماغ الناشئة عن طريق تأثيرها على الخلايا العصبية واحدة أو عدد من الخلايا العصبية. تظهر هنا طرق مختلفة لتحفيز الثقافات العصبية منقوشة من حقل كهربائي تنتج مباشرة من أقطاب حمام أو التي يسببها المجال المغناطيسي متغير الوقت.

Abstract

وهناك الخلايا العصبية النار إمكانات العمل عندما تتجاوز إمكانات الغشاء عتبة معينة. في النشاط نموذجي من الدماغ، ويحدث هذا نتيجة المدخلات الكيميائية لنقاط الاشتباك العصبي في. ومع ذلك، الخلايا العصبية ويمكن أيضا أن ولع حقل كهربائي المفروضة. على وجه الخصوص، والتطبيقات السريرية الأخيرة تنشيط الخلايا العصبية عن طريق تهيئة المجال الكهربائي خارجيا. ولذلك من مصلحة لمعرفة كيف تستجيب الخلايا العصبية إلى الميدان الخارجي وما يتسبب في إمكانات العمل. لحسن الحظ، التطبيق الدقيق ورقابة من حقل كهربائي خارجي ممكن للخلايا العصبية الجنينية التي يتم رفعه، فصلها وتزرع في الثقافات. وهذا يسمح للتحقيق في هذه المسائل في نظام تكرار للغاية.

في هذه الورقة يتم مراجعة بعض التقنيات المستخدمة لتطبيق رقابة من الحقل الكهربائي الخارجي على الثقافات العصبية. يمكن للشبكات أن تكون إما واحدة الأبعاد، نمط أي في الخطأشكال ص أو سمحت أن ينمو على متن الطائرة كلها من الركيزة، وبالتالي ثنائية الأبعاد. وعلاوة على ذلك، فإن الإثارة يمكن أن تنشأ عن طريق التطبيق المباشر لحقل كهربائي عبر الأقطاب الكهربائية مغمورة في السائل (أقطاب حمام) أو عن طريق حفز الحقل الكهربائي باستخدام إنشاء البعيد من نبضات مغناطيسية.

Introduction

التفاعل بين الخلايا العصبية والمجالات الكهربائية الخارجية له آثار الأساسية فضلا عن تلك العملية. في حين أنه من المعروف منذ زمن فولتا أن الحقل الكهربائي تطبيقها خارجيا يمكن أن تثير الأنسجة، والآليات المسؤولة عن إنتاج إمكانات العمل الناتجة في الخلايا العصبية فقط تبدأ في الآونة الأخيرة إلى أن انحلت ^{1، 2، 3، 4.} وهذا يشمل إيجاد أجوبة على أسئلة بخصوص الآلية التي تسبب الاستقطاب من غشاء المحتملة، ودور خصائص الغشاء ومن القنوات الأيونية، وحتى المنطقة في الخلايا العصبية التي تستجيب لمجال كهربائي ^{2 و 5.} تحفيزا عصبيا ^{6، 7، 8، 9 العلاجية،} <supالطبقة = "XREF"> 10 منهجيات تعتمد بشكل خاص على هذه المعلومات، التي يمكن أن تكون حاسمة لاستهداف المناطق المنكوبة ولفهم نتائج العلاج. ويمكن لهذا الفهم أن يساعد أيضا في تطوير بروتوكولات العلاج وأساليب جديدة لتحفيز مناطق مختلفة في الدماغ.

قياس التفاعل داخل الجسم الحي في الدماغ يضيف عنصرا هاما لهذا الفهم، ولكن يعوقها عدم الدقة والتحكم المنخفض للقياسات داخل الجمجمة. في المقابل، القياسات في الثقافات يمكن بسهولة أن يؤديها في ارتفاع حجم بدقة عالية، إشارة ممتازة لأداء الضوضاء ودرجة عالية من استنساخ والسيطرة. باستخدام الثقافات مجموعة كبيرة ومتنوعة من خصائص الخلايا العصبية من سلوك الشبكة الجماعي يمكن توضيحها ^{11، 12، 13، 14،} </sup> ^{15 و 16.} وبالمثل، يتوقع هذا النظام تسيطر عليها بشكل جيد للغاية أن تكون فعالة في توضيح الآلية التي تعمل وسائل التحفيز الأخرى، على سبيل المثال كيفية قناة الافتتاح خلال التحفيز البصري في الخلايا العصبية نشطة optogenetically ^{17 و 18 و 19} هو المسؤول عن خلق إمكانات العمل.

هنا يتم التركيز على وصف تطوير وفهم من الأدوات التي يمكن أن تثير كفاءة الخلايا العصبية عن طريق المجال الكهربائي الخارجي. في هذه الورقة وصفنا إعداد ثنائي الأبعاد والثقافات الحصين المزخرفة ذات بعد واحد، والتحفيز باستخدام أشكال مختلفة واتجاه الحقل الكهربائي تطبيقها مباشرة من قبل أقطاب حمام، وأخيرا تحفيز ثنائية الأبعاد ونقوش الثقافات ذات بعد واحد من قبل الحقل المغناطيسي، والذي يدفع حقل كهربائي زمنية متفاوتة^{5 ، 20 ، 21} .

Protocol

بيان األخالقيات: تم تنفيذ اإلجراءات التي تشمل التعامل مع الحيوانات وفقا للمبادئ التوجيهية للجنة رعاية واستخدام الحيوان المؤسسية) إاكوك (لمعهد وايزمان للعلوم، والقانون اإلسرائيلي المالئم. وقد تم اعتماد معهد وايزمن من قبل جمعية لتقييم واعتماد المختبر رعاية الحيوان ?…

Representative Results

بروتوكول المعروضة يسمح للالزخرفة سهلة من الثقافات العصبية. عندما يتم دمجها مع العديد من الطرق التي قمنا بتطويرها لتحفيز، فإنه تمكن من إجراء قياسات بعض خصائص الخلايا العصبية الذاتية مثل الزمنة وقرارة التيار 5، مقارنة خصائص الخلايا ?…

Discussion

1D الزخرفة هو أداة هامة التي يمكن استخدامها لمجموعة متنوعة من التطبيقات. على سبيل المثال، استخدمنا 1D الزخرفة لخلق بوابات منطقية من الثقافات العصبية ²⁹ ومؤخرا لقياس كروناكسي و ريوباس من الخلايا العصبية قرن آمون الفئران ⁵ ، وتباطؤ سرعة انتشار إ…

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