Optagelse Gamma Band Svingninger i Pedunculopontine Nucleus neuroner
Summary
Den pedunculopontine kerne (PPN) er placeret i hjernestammen og dens neuroner maksimalt aktiveret under vågne og hurtige øjenbevægelser (REM) søvn hjernen stater. Dette arbejde beskriver den eksperimenterende tilgang til at optage in vitro gamma band subthreshold membran svingning i PPN neuroner.
Abstract
Synaptiske efferents fra PPN vides at modulere neuronal aktivitet af adskillige intralaminære thalamiske regioner (f.eks, den centrolateral / parafascicular, Cl / Pf kerne). Aktiveringen af enten PPN eller Cl / Pf kerner in vivo er blevet beskrevet at inducere ophidselse af dyret og en stigning i gamma band aktivitet i det kortikale elektroencefalogram (EEG). De cellulære mekanismer for dannelsen af gamma band svingninger i retikulære aktiveringssystem (RAS) neuroner er de samme som dem, der findes til at generere gamma band svingninger i andre hjerne kerner. Under nuværende-clamp optagelser af PPN neuroner (blandt parasagittal udsnit fra den 9. – 25 dage gamle rotter), anvendelse af depolariserende kvadratiske trin hurtigt aktiveret spændingsafhængige kaliumkanaler, der forhindrede PPN neuroner i at blive depolariseret end -25 mV.
Injektion 1 – 2 ud sek lange depolariserende nuværende ramper gradvist depolariseret PPN membran potentielle resTing værdier mod 0 mV. Men intravenøse depolariserende firkantede impulser genereret gamma-band svingninger af membranpotentiale, der viste sig at være mindre i amplitude i forhold til de svingninger frembragt af ramper. Alle eksperimenter blev udført i nærvær af spændingsstyrede natriumkanaler og hurtige synaptiske receptorer blokkere. Det er blevet vist, at aktiveringen af høj tærskel spændingsafhængige calciumkanaler grund for gamma-band oscillerende aktivitet i PPN neuroner. Specifikke metodiske og farmakologiske interventioner beskrives her, giver de nødvendige værktøjer til at fremkalde og opretholde PPN subthreshold gamma band svingning in vitro.
Introduction
PPN kerne er anatomisk inkluderet i den kaudale mesencephale tegmentum. Den PPN er et centralt element i RAS 1. Den PPN deltager i vedligeholdelse af adfærdsmæssige aktiverede tilstande (dvs. vågen, REM søvn) 2. Elektrisk stimulering af PPN in vivo induceret hurtig svingning (20 – 40 Hz) i det kortikale EEG 3, mens bilaterale PPN læsioner i rotter reduceres eller elimineres REM søvn 4. Mens et flertal af PPN neuroner brand aktionspotentialer på beta / gamma-band frekvens (20 – 80 Hz), nogle neuroner præsenteret lave spontan fyring (<10 Hz) 5. Desuden PPN synes at være involveret i andre aspekter af adfærd, såsom motivation og opmærksomhed 6. Direkte høj frekvens (i 40 – 60 Hz) 7 elektrisk stimulering af PPN kerne i decerebrate dyr kan fremme bevægelse. I de senere år har deep brain stimulation (DBS) af PPN blevet anvendt til at behandle patienter, der lider from lidelser, der involverer gangart underskud såsom Parkinsons sygdom (PD) 8.
Tidligere rapporter viste, at næsten alle PPN neuroner kan brand aktionspotentialer på gamma band frekvens, når depolariseret hjælp firkantede strømpulser 9. På grund af den drastiske aktivering af spændingsstyrede kaliumkanaler under firkantspulser depolariseringer op til eller under -25 mV. Som følge heraf blev der ikke robuste gamma svingninger observeret efter blokering aktionspotentialer generation ved hjælp tetrodotoxin 10. I et forsøg på at omgå et sådant problem, 1 – blev to sek lange depolariserende nuværende ramper anvendes. Ramper gradvist depolariseret membranpotentialet fra hvilende værdier op til 0 mV, mens delvis inaktivering spændingsstyrede kaliumkanaler. Klare gamma band membran svingninger var tydelige i spænding afhængighed vinduet med høj tærskel calciumkanaler (dvs. mellem -25 mV og -0 mV) 10. Afslutningsvis gamma band aktivity blev observeret i PPN neuroner 9, og begge P / Q og N-type spændingsafhængige calcium-kanaler skal aktiveres for at generere gamma band svingninger i PPN 10.
En række undersøgelser bestemmes placeringen af høj tærskel calciumkanaler i PPN neuroner. Injektion kombinationen af farvestoffer, viste ratiometrisk fluorescensafbildning calcium transienter gennem spændingsafhængige calcium-kanaler, der aktiveres i forskellige dendritter når depolariseret hjælp aktuelle ramperne 11.
Iboende egenskaber PPN neuroner er blevet foreslået at tillade samtidig aktivering af disse celler under vågne og REM-søvn, og dermed fremkalde højfrekvente oscillerende neuronal aktivitet mellem RAS og thalamus sløjfer. Sådanne lange nå interaktion anses for at understøtte en hjerne tilstand i stand til pålideligt at vurdere verden omkring os løbende 12. Her beskriver vi eksperimentetal nødvendige betingelser for at generere og vedligeholde gamma band svingning i PPN celler in vitro. Denne protokol er ikke blevet beskrevet tidligere, og ville hjælpe en række grupper til at studere iboende membran egenskaber medierende gamma band aktivitet på andre områder i hjernen. Desuden kan de nuværende trin fører til den fejlagtige konklusion, at gamma band aktivitet ikke kan genereres i disse celler.
Protocol
Representative Results
Discussion
PPN neuroner har iboende egenskaber, som tillader dem at fyre aktionspotentialer på beta / gamma band frekvenser under in vivo optagelser fra dyr, der er vågen eller under REM søvn, men ikke under slow wave sleep 2,3,5,13-17. Andre forfattere har vist, at hjernestammen transections også flere forreste niveauer end PPN reducerede gamma frekvenser under EEG optagelser. Men når hjernestamme læsioner posteriort for hvor denne kerne er placeret, direkte stimulering af PPN tillod manifestation af kor…
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).
