Opname Gamma Band oscillaties in Pedunculopontine Nucleus Neuronen
Summary
De pedunculopontine nucleus (PPN) is gelegen in de hersenstam en de neuronen maximaal worden geactiveerd tijdens waken en snelle oogbeweging (REM) slaap hersentoestanden. Dit werk beschrijft de experimentele benadering op te nemen in vitro gamma band subthreshold membraan oscillatie in PPN neuronen.
Abstract
Synaptic afferenten van de PPN is bekend dat de neuronale activiteit van verscheidene intra-laminaire thalamische gebieden moduleren (bijvoorbeeld de centrolateral / parafascicular, Cl / Pf nucleus). De activering van zowel de PPN of Cl / Pf kernen in vivo is beschreven aan de opwinding van de dieren en een toename in gamma-band activiteit in de corticale elektro-encefalogram (EEG) induceren. De cellulaire mechanismen voor het genereren van gamma band oscillaties in reticulair activeren systeem (RAS) neuronen zijn dezelfde als die gevonden met gamma band oscillaties in andere hersenen kernen genereren. Tijdens de huidige-clamp opnames van PPN neuronen (van parasagittal slices 9-25 dagen oude ratten), het gebruik van depolariserende vierkante stappen snel geactiveerd spanningsafhankelijke kaliumkanalen dat PPN neuronen verhinderd gedepolariseerd dan -25 mV.
Het injecteren van 1-2 sec lange depolariserende huidige hellingen geleidelijk gedepolariseerd PPN membraanpotentiaal resTing waarden in de richting van 0 mV. Echter, injecteren depolariserende vierkante pulsen gamma-band oscillaties van membraanpotentiaal waaruit bleek kleinere amplitude ten opzichte van de trillingen die door hellingen zijn. Alle experimenten werden uitgevoerd in de aanwezigheid van spanningsafhankelijke natriumkanalen en snelle synaptische receptoren blokkers. Het is aangetoond dat de activering van hoge drempelspanning calciumkanalen grondslag gamma-band oscillerende activiteit PPN neuronen. Specifieke methodologische en farmacologische interventies worden hier beschreven, het verstrekken van de nodige instrumenten om te induceren en in stand PPN subthreshold gamma band trilling in vitro.
Introduction
PPN kern is anatomisch opgenomen in de staart mesencefale tegmentum. De PPN is een belangrijk onderdeel van RAS 1. De PPN deel aan de handhaving van gedrags- geactiveerde toestanden (bijv waken, REM slaap) 2. Elektrische stimulatie van de PPN in vivo geïnduceerde snelle oscillatie (20 – 40 Hz) in het corticale EEG 3, terwijl bilaterale PPN lesies bij ratten verminderd of geëlimineerd REM slaap 4. Terwijl een meerderheid van de PPN neuronen vuren actiepotentialen in bèta / gamma-band frequentie (20 – 80 Hz), een aantal neuronen gepresenteerd lage tarieven van spontane vuren (<10 Hz) 5. Voorts de PPN lijkt betrokken te zijn bij andere aspecten van gedrag, motivatie en aandacht 6. Directe hoge frequentie (40 – 60 Hz) 7 elektrische stimulatie van PPN nucleus in decerebrate dieren kunnen motoriek te promoten. De laatste jaren is diepe hersenstimulatie (DBS) van PPN gebruikt voor de behandeling van patiënten die lijden from aandoeningen waarbij gang gebreken zoals de ziekte (PD) 8 Parkinson.
Eerdere rapporten toonden aan dat bijna alle PPN neuronen kan actiepotentialen schieten op gamma band frequentie wanneer gedepolariseerd gebruik vierkante stroompulsen 9. Als gevolg van de drastische activering van voltage-gated kaliumkanalen tijdens vierkante pulsen depolarisaties tot of onder -25 mV. Dientengevolge werden geen robuuste gamma oscillaties waargenomen na blokkeren actiepotentialen genereren middels tetrodotoxin 10. In een poging om een dergelijk probleem te omzeilen, 1-2 sec lang depolariserende stroom hellingen gebruikt. Ramps geleidelijk gedepolariseerd de membraanpotentiaal van rust waarden tot 0 mV, terwijl de voltage-gated kaliumkanalen gedeeltelijk inactiveren. Clear gamma band membraan oscillaties waren duidelijk binnen de spanning afhankelijkheid raam van hoge drempel calciumkanalen (dat wil zeggen, tussen -25 mV en -0 mV) 10. Tot slot, gamma band activity werd waargenomen in PPN neuronen 9, en beide P / Q en N-type voltage-gated calcium kanalen moeten worden geactiveerd om gamma band oscillaties te genereren in de PPN 10.
Een aantal studies bepalen de locatie van hoge drempel calciumkanalen in PPN neuronen. Het injecteren van de combinatie van kleurstoffen, ratiometrische fluorescentie beeldvorming toonde calcium transiënten door middel van voltage-gated calcium kanalen die worden geactiveerd in verschillende dendrieten wanneer gedepolariseerd gebruik van de huidige ramps 11.
Intrinsieke eigenschappen van PPN neuronen voorgesteld om gelijktijdige activering van deze cellen mogelijk te maken tijdens waken en REM slaap, waardoor induceren hoogfrequente oscillerende neuronale activiteit tussen de RAS- en thalamocorticale loops. Dergelijke lange verstrekkende interactie wordt beschouwd als een brein staat in staat is op betrouwbare wijze de beoordeling van de wereld om ons heen op een continue basis 12 te ondersteunen. Hier beschrijven we het experimental voorwaarden die nodig zijn voor het genereren en onderhouden van gamma-band trilling in PPN cellen in vitro. Dit protocol is niet eerder beschreven, en zou een aantal groepen helpen intrinsieke membraaneigenschappen bemiddelen gamma-band activiteit bij andere hersengebieden te bestuderen. Bovendien kan de huidige stappen leiden tot de verkeerde conclusie dat gamma band activiteit niet kan worden gegenereerd in deze cellen.
Protocol
Representative Results
Discussion
PPN neuronen intrinsieke eigenschappen die hen in staat stellen om actiepotentialen op bèta / gamma band frequenties brand tijdens de in vivo opnames van dieren die wakker of tijdens de REM-slaap, maar niet tijdens slow wave sleep 2,3,5,13-17 zijn. Andere auteurs hebben aangetoond dat hersenstam doorsnijdingen op meer anterieure niveaus dan PPN verminderd gamma frequenties tijdens de EEG-registraties. Wanneer echter hersenstam laesies posterior waar deze kern ligt, de directe stimulatie van PPN kon …
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).
