تسجيل غاما التذبذبات الفرقة في Pedunculopontine نواة الخلايا العصبية
Summary
يقع نواة pedunculopontine (PPN) في الدماغ ويتم تنشيط الخلايا العصبية في الحد الأقصى أثناء اليقظة وحركة العين السريعة (REM) النوم الدماغ الدول. يصف هذا العمل المنهج التجريبي لتسجيل في المختبر الفرقة جاما التذبذب غشاء دون العتبي في الخلايا العصبية PPN.
Abstract
ومن المعروف efferents متشابك من PPN لتعديل نشاط الخلايا العصبية من عدة مناطق مهادي داخل الصفيحة (على سبيل المثال، centrolateral / parafascicular، الكلور / الجبهة الوطنية النواة). وقد وصفت تفعيل إما PPN أو نوى الكلورين / الجبهة الوطنية في الجسم الحي للحث على الإثارة من الحيوان وزيادة في النشاط الفرقة جاما في الكهربائي القشري (EEG). الآليات الخلوية لتوليد اهتزازات الفرقة جاما في نظام شبكي تفعيل (RAS) الخلايا العصبية هي نفس تلك التي وجدت لتوليد اهتزازات الفرقة جاما في نوى العقول الأخرى. خلال تسجيلات المشبك الحالي من الخلايا العصبية PPN (من شرائح سهمي من 9 – الفئران من العمر اليوم 25)، واستخدام depolarizing الخطوات مربع تفعيل بسرعة قنوات البوتاسيوم التي تعتمد على الجهد الذي يمنع الخلايا العصبية PPN من يتم استقطابها وراء -25 بالسيارات.
حقن 1-2 ثانية depolarizing طويلة سلالم الحالية استقطابها تدريجيا PPN غشاء الدقة المحتملةتقدر تينغ باتجاه 0 بالسيارات. ومع ذلك، ولدت عن طريق الحقن depolarizing البقول مربع التذبذبات غاما عصابة من غشاء المحتملة التي أظهرت أن تكون أصغر في السعة مقارنة مع التذبذبات التي تم إنشاؤها بواسطة سلالم. أجريت جميع التجارب في وجود قنوات الصوديوم الجهد بوابات وسريعة مستقبلات متشابك حاصرات. ولقد ثبت أن تفعيل قنوات الكالسيوم التي تعتمد على الجهد العالي عتبة تكمن وراء جاما الموجات النشاط متذبذبة في الخلايا العصبية PPN. وصفت التدخلات المنهجية والدوائية محددة هنا، وتوفير الأدوات اللازمة للحث والحفاظ PPN دون العتبي التذبذب الفرقة جاما في المختبر.
Introduction
وتشريحيا وشملت PPN نواة في سقيفة الدماغ المتوسط الذيلية. وPPN هو عنصر أساسي من RAS 1. تشارك PPN في صيانة دول تنشيط السلوكية (أي الاستيقاظ والنوم REM) 2. التحفيز الكهربائي للPPN في الجسم الحي يتسبب التذبذب السريع (20 – 40 هرتز) في EEG القشرية 3، في حين الآفات PPN الثنائية في الفئران خفض أو القضاء REM النوم 4. في حين أن الغالبية العظمى من الخلايا العصبية PPN النار إمكانات العمل في تردد بيتا / غاما النطاق (20-80 هرتز)، وبعض الخلايا العصبية قدمت انخفاض معدلات اطلاق النار التلقائي (<10 هرتز) 5. وعلاوة على ذلك، يبدو أن PPN أن تشارك في جوانب أخرى من السلوك مثل الحافز والاهتمام 6. ارتفاع وتيرة المباشر (40 – 60 هرتز) 7 التحفيز الكهربائي للPPN نواة في الحيوانات فصل الدماغ يمكن أن تعزز الحركة. في السنوات الأخيرة، وقد تم استخدام التحفيز العميق للدماغ (DBS) من PPN لعلاج المرضى الذين يعانون جيئة وذهابااضطرابات م التي تنطوي على العجز المشية مثل مرض باركنسون (PD) 8.
وأظهرت تقارير سابقة أن ما يقرب من جميع الخلايا العصبية PPN يمكن اطلاق النار إمكانات العمل في نطاق التردد جاما عندما استقطابها باستخدام النبضات الحالية مربع 9. بسبب تفعيل جذري للقنوات البوتاسيوم الجهد مسور خلال النبضات اللاإستقطابات depolarizations مربع تصل إلى أو تحت -25 بالسيارات. ونتيجة لذلك، لم يلاحظ أي اهتزازات جاما قوية بعد منع توليد إمكانات العمل باستخدام سم الأسماك الرباعية الأسنان 10. في محاولة لتجاوز هذه المشكلة، 1 – استخدمت 2 ثانية depolarizing طويلة سلالم الحالية. استقطابها سلالم تدريجيا غشاء المحتملة من الراحة القيم يصل إلى 0 بالسيارات، بينما تعطيل جزئيا قنوات البوتاسيوم الجهد مسور. كانت واضحة التذبذبات غشاء الفرقة جاما واضحة ضمن إطار الاعتماد الجهد قنوات الكالسيوم عالية العتبة (أي بين -25 بالسيارات و-0 بالسيارات) 10. وفي الختام، والفرقة جاما activiوقد لوحظ تاي في الخلايا العصبية PPN 9، وكلا P / ** ووN-نوع قنوات الكالسيوم الجهد بوابات تحتاج إلى تنشيط من أجل توليد ذبذبات الموجات جاما في PPN 10.
سلسلة من الدراسات حددت موقع قنوات عالية من الكالسيوم في الخلايا العصبية عتبة PPN. حقن مزيج من الأصباغ، وأظهر ratiometric التصوير مضان العابرين الكالسيوم من خلال قنوات الكالسيوم الجهد بوابات التي يتم تفعيلها في التشعبات المختلفة عندما استقطابها باستخدام سلالم الحالي 11.
وقد اقترحت الخصائص الذاتية للخلايا العصبية PPN للسماح تفعيل المتزامن لهذه الخلايا أثناء اليقظة والنوم REM، مما يحفز عالية التردد متذبذبة نشاط الخلايا العصبية بين RAS والحلقات مهادية قشرية. ويعتبر هذا التفاعل الوصول إلى فترة طويلة لدعم دولة الدماغ قادرة على تقييم موثوق العالم من حولنا بشكل مستمر 12. هنا، نحن تصف التجربةالشروط آل اللازمة لتوليد والحفاظ جاما الفرقة التذبذب في الخلايا PPN في المختبر. لم يتم وصف هذا البروتوكول في وقت سابق، وسيساعد عددا من المجموعات لدراسة خصائص الغشاء الجوهرية التوسط النشاط الفرقة غاما في مناطق أخرى من الدماغ. وعلاوة على ذلك، قد تؤدي الخطوات الحالية إلى الاستنتاج الخاطئ بأن نشاط الفرقة غاما لا يمكن أن تتولد في هذه الخلايا.
Protocol
Representative Results
Discussion
الخلايا العصبية PPN لها خصائص الجوهرية التي تسمح لهم لاطلاق النار إمكانات العمل على ترددات الموجات بيتا / غاما خلال في الجسم الحي تسجيلات من الحيوانات التي هي مستيقظا أو أثناء النوم REM، ولكن ليس أثناء بطيئة موجة النوم 2،3،5،13-17. وقد أظهر مؤلفين آخرين أن transections…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by core facilities of the Center for Translational Neuroscience supported by NIH award P20 GM103425 and P30 GM110702 to Dr. Garcia-Rill. This work was also supported by grants from FONCYT-Agencia Nacional de Promociòn Cientìfica y Tecnològica; BID 1728 OC.AR. PICT-2012-1769 and UBACYT 2014-2017 #20120130101305BA (to Dr. Urbano).
Materials
| Sucrose | Sigma-Aldrich | S8501 | C12H22O11, molecular weight = 342.30 |
| Sodium Bicarbonate | Sigma-Aldrich | S6014 | NaHCO3, molecular weight = 84.01 |
| Potassium Chloride | Sigma-Aldrich | P3911 | KCl, molecular weight = 74.55 |
| Magnesium Chloride Hexahydrate | Sigma-Aldrich | M9272 | MgCl2 · 6H2O, molecular weight = 203.30 |
| Calcium Chloride Dihydrate | Sigma-Aldrich | C3881 | CaCl2 · 2H2O, molecular weight =147.02 |
| D-(+)-Glucose | Sigma-Aldrich | G5767 | C6H12O6, molecular weight = 180.16 |
| L-Ascorbic Acid | Sigma-Aldrich | A5960 | C6H8O6, molecular weight =176.12 |
| Sodium Chloride | Acros Organics | 327300025 | NaCl, molecular weight = 58.44 |
| Potassium Gluconate | Sigma-Aldrich | G4500 | C6H11KO7, molecular weight = 234.25 |
| Phosphocreatine di(tris) salt | Sigma-Aldrich | P1937 | C4H10N3O5P · 2C4H11NO3, molecular weight = 453.38 |
| HEPES | Sigma-Aldrich | H3375 | C8H18N2O4S, molecular weight = 238.30 |
| EGTA | Sigma-Aldrich | E0396 | [-CH2OCH2CH2N(CH2CO2H)2]2, molecular weight = 380.40 |
| Adenosine 5'-triphosphate magnesium salt | Sigma-Aldrich | A9187 | C10H16N5O13P3 · xMg2+, molecular weight = 507.18 |
| Guanosine 5'-triphosphate sodium salt hydrate | Sigma-Aldrich | G8877 | C10H16N5O14P3 · xNa+, molecular weight = 523.18 |
| Tetrodotoxin citrate | Alomone Labs | T-550 | C11H17N3O8, molecular weight = 319.27 |
| DL-2-Amino-5-Phosphonovaleric Acid | Sigma-Aldrich | A5282 | C5H12NO5P, molecular weight = 197.13 |
| CNQX disodium salt hydrate | Sigma-Aldrich | C239 | C9H2N4Na2O4 · xH2O, molecular weight = 276.12 |
| Strychnine | Sigma-Aldrich | S0532 | C21H22N2O2, molecular weight = 334.41 |
| Mecamylamine hydrochloride | Sigma-Aldrich | M9020 | C11H21N · HCl, molecular weight = 203.75 |
| Gabazine (SR-95531) | Sigma-Aldrich | S106 | C15H18BrN3O3, molecular weight = 368.23 |
| Ketamine hydrochloride | Mylan | 67457-001-00 | |
| Microscope | Nikon | Eclipse E600FN | |
| Micromanipulator | Sutter Instruments | ROE-200 | |
| Micromanipulator | Sutter Instruments | MPC-200 | |
| Amplifier | Molecular Devices | Multiclamp 700B | |
| A/D converter | Molecular Devices | Digidata 1440A | |
| Heater | Warner Instruments | TC-324B | |
| Pump | Cole-Parmer | Masterflex L/S 7519-20 | |
| Pump cartridge | Cole-Parmer | Masterflex 7519-85 | |
| Pipette puller | Sutter Instruments | P-97 | |
| Camera | Q-Imaging | RET-200R-F-M-12-C | |
| Vibratome | Leica Biosystems | Leica VT1200 S | |
| Refrigeration system | Vibratome Instruments | 900R | |
| Equipment | |||
| microscope | Nikon | Eclipse E600FN | |
| micromanipulator | Sutter Instruments | ROE-200 | |
| micromanipulator | Sutter Instruments | MPC-200 | |
| amplifier | Molecular Devices | Multiclamp 700B | |
| A/D converter | Molecular Devices | Digidata 1440A | |
| heater | Warner Instruments | TC-324B | |
| pump | Cole-Parmer | Masterflex L/S 7519-20 | |
| pump cartridge | Cole-Parmer | Masterflex 7519-85 | |
| pipette puller | Sutter Instruments | P-97 | |
| camera | Q-Imaging | RET-200R-F-M-12-C |
Referências
- Profice, P., et al. Neurophysiological evaluation of the pedunculopontine nucleus in humans. J. Neural. Transm (Vienna). 118 (10), 1423-1429 (2011).
- Steriade, M., Datta, S., Pare, D., Oakson, G., Curro Dossi, R. C. Neuronal activities in brain-stem cholinergic nuclei related to tonic activation processes in thalamocortical systems. J. Neurosci. 10 (8), 2541-2559 (1990).
- Steriade, M., Dossi, R. C., Pare, D., Oakson, G. Fast oscillations (20-40 Hz) in thalamocortical systems and their potentiation by mesopontine cholinergic nuclei in the cat. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 88 (10), 4396-4400 (1991).
- Deurveilher, S., Hennevin, E. Lesions of the pedunculopontine tegmental nucleus reduce paradoxical sleep (PS) propensity: evidence from a short-term PS deprivation study in rats. Eur. J. Neurosci. 13 (10), 1963-1976 (2001).
- Steriade, M., Pare, D., Datta, S., Oakson, G., Curro Dossi, R. Different cellular types in mesopontine cholinergic nuclei related to ponto-geniculo-occipital waves. J. Neurosci. 10 (8), 2560-2579 (1990).
- Steckler, T., Inglis, W., Winn, P., Sahgal, A. The pedunculopontine tegmental nucleus: a role in cognitive processes?. Brain Res. Brain Res. Rev. 19 (3), 298-318 (1994).
- Garcia-Rill, E., Simon, C., Smith, K., Kezunovic, N., Hyde, J. The pedunculopontine tegmental nucleus: from basic neuroscience to neurosurgical applications: arousal from slices to humans: implications for DBS. J. Neural. Transm. 118 (10), 1397-1407 (2011).
- Mazzone, P., et al. Implantation of human pedunculopontine nucleus: a safe and clinically relevant target in Parkinson’s disease. Neuroreport. 16 (17), 1877-1881 (2005).
- Simon, C., et al. Gamma band unit activity and population responses in the pedunculopontine nucleus. J. Neurophysiol. 104 (1), 463-474 (2010).
- Kezunovic, N., Urbano, F. J., Simon, C., Hyde, J., Smith, K., Garcia-Rill, E. Mechanism behind gamma band activity in pedunculopontine nucleus (PPN). Eur. J. Neurosci. 34 (3), 404-415 (2011).
- Hyde, J. R., Kezunovic, N., Urbano, F. J., Garcia-Rill, E. Spatiotemporal properties of high speed calcium oscillations in the pedunculopontine nucleus. J. Appl. Physiol (1985). 115 (9), 1402-1414 (2013).
- Llinas, R. R., Leznik, E., Urbano, F. J. Temporal binding via cortical coincidence detection of specific and nonspecific thalamocortical inputs: a voltage-dependent dye-imaging study in mouse brain slices. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99 (1), 449-454 (2002).
- Boucetta, S., Cisse, Y., Mainville, L., Morales, M., Jones, B. E. Discharge profiles across the sleep-waking cycle of identified cholinergic, gabaergic, and glutamatergic neurons in the pontomesencephalic tegmentum of the rat. J. Neurosci. 34 (13), 4708-4727 (2014).
- Datta, S., Siwek, D. F. Single cell activity patterns of pedunculopontine tegmentum neurons across the sleep-wake cycle in the freely moving rats. J. Neurosci. Res. 70 (4), 79-82 (2002).
- Datta, S., Siwek, D. F., Stack, E. C. Identification of cholinergic and non-cholinergic neurons in the pons expressing phosphorylated cyclic adenosine monophosphate response element-binding protein as a function of rapid eye movement sleep. Neurociência. 163 (1), 397-414 (2009).
- Kayama, Y., Ohta, M., Jodo, E. Firing of ‘possibly’ cholinergic neurons in the rat laterodorsal tegmental nucleus during sleep and wakefulness. Brain Res. 569 (2), 210-220 (1992).
- Sakai, K., El Mansari, M., Jouvet, M. Inhibition by carbachol microinjections of presumptive cholinergic PGO-on neurons in freely moving cats. Brain Res. 527 (2), 213-223 (1990).
- Lindsley, D. B., Bowden, J. W., Magoun, H. W. Effect upon the EEG of acute injury to the brainstem activating system. Electroenceph. Clin. Neurophysiol. 1 (4), 475-486 (1949).
- Moruzzi, G. The sleep-waking cycle. Ergeb. Physiol. 64, 1-165 (1972).
- Moruzzi, G., Magoun, H. W. Brain stem reticular formation and activation of the EEG. Electroenceph. Clin. Neurophysiol. 1 (4), 455-473 (1949).
- Steriade, M., Constantinescu, E., Apostol, V. Correlations between alterations of the cortical transaminase activity and EEG patterns of sleep and wakefulness induced by brainstem transections. Brain Res. 13 (1), 177-180 (1969).
- Ishibashi, M., et al. Orexin receptor activation generates gamma band input to cholinergic and serotonergic arousal system neurons and drives an intrinsic Ca2+ -dependent resonance in LDT and PPT cholinergic neurons. Frontiers Neurol. 6, e120 (2015).
- Brown, R. E., Winston, S., Basheer, R., Thakkar, M. M., McCarley, R. W. Electrophysiological characterization of neurons in the dorsolateral pontine REM sleep induction zone of the rat: intrinsic membrane properties and responses to carbachol and orexins. Neurociência. 143 (3), 739-755 (2006).
- Goetz, L., et al. On the role of the pedunculopontine nucleus and mesencephalic reticular formation in locomotion in non-human primates. J. Neurosci. 36 (18), 4917-4929 (2016).
- Fraix, V., et al. Pedunculopontine nucleus area oscillations during stance, stepping and freezing in Parkinson’s disease. PLOS ONE. 8 (12), e83919 (2013).
- Luster, B., Hyde, J., D’Onofrio, S., Urbano, F. J., Garcia-Rill, E. Mechanisms behind gamma band activity in the pedunculopontine nucleus (PPN). Abstr Soc Neurosci. 38, 257.20 (2014).
- Luster, B., D’Onofrio, S., Urbano, F. J., Garcia-Rill, E. High-threshold Ca2+ channels behind gamma band activity in the pedunculopontine nucleus (PPN). Physiol. Rep. 3 (6), e12431 (2015).
