Registrazione Gamma banda oscillazioni Pedunculopontine Nucleo neuroni
Summary
Il nucleo pedunculopontine (PPN) si trova nel tronco cerebrale e le sue neuroni vengono attivati al massimo durante gli stati di veglia e movimento rapido degli occhi (REM) del cervello sonno. Questo lavoro descrive l'approccio sperimentale di registrare de banda gamma di oscillazione membrana sottosoglia vitro in neuroni PPN.
Abstract
Efferenze Synaptic dal PPN sono noti per modulare l'attività neuronale di diverse regioni del talamo intralaminari (ad esempio, la centrolateral / parafascicular; Cl / Pf nucleo). L'attivazione di una PPN o nuclei Cl / Pf in vivo è stata descritta per indurre l'eccitazione dell'animale e un incremento dell'attività banda gamma nel elettroencefalogramma corticale (EEG). I meccanismi cellulari per la generazione di oscillazioni banda gamma di Attivazione Reticolare System (RAS) neuroni sono gli stessi di quelli trovati per generare oscillazioni banda gamma di altri nuclei cervello. Durante registrazioni current-clamp su neuroni PPN (da fette parasagittali da 9 – 25 giorni-ratti), l'uso di depolarizzante punti quadrato rapidamente attivato canali del potassio voltaggio-dipendenti che impedivano neuroni PPN venga depolarizzato oltre -25 mV.
Iniezione 1 – 2 sec depolarizzante lungo rampe attuali gradualmente depolarizzata PPN potenziale di membrana resting Valori verso 0 mV. Tuttavia, parenterale depolarizzanti impulsi quadrati generati oscillazioni gamma-banda di potenziale di membrana che mostravano ad essere più piccole in ampiezza rispetto alle oscillazioni generate da rampe. Tutti gli esperimenti sono stati eseguiti in presenza di canali del sodio voltaggio-dipendenti e veloci recettori sinaptici bloccanti. E 'stato dimostrato che l'attivazione dei canali del calcio voltaggio-dipendenti soglia alta sottendono attività oscillatoria banda gamma nei neuroni PPN. Interventi metodologici e farmacologici sono descritte qui, fornendo gli strumenti necessari per indurre e sostenere PPN sottosoglia oscillazione banda gamma in vitro.
Introduction
PPN nucleo è anatomicamente incluso nel tegmento mesencefalica caudale. Il PPN è un componente chiave di RAS 1. Il PPN partecipa alla manutenzione degli stati attivati comportamentali (ad esempio, la veglia, il sonno REM) 2. La stimolazione elettrica del PPN in vivo indotta oscillazione veloce (20 – 40 Hz) nella EEG corticale 3, mentre le lesioni bilaterali PPN nel ratto ridotti o eliminati sonno REM 4. Mentre la maggioranza dei neuroni PPN fuoco potenziali d'azione a frequenza beta / gamma-banda (20 – 80 Hz), alcuni neuroni hanno presentato bassi tassi di scarica spontanea (<10 Hz) 5. Inoltre, la PPN sembra essere coinvolti in altri aspetti del comportamento come la motivazione e l'attenzione 6. Ad alta frequenza diretta (40 – 60 Hz) 7 stimolazione elettrica del nucleo PPN negli animali decerebrate può promuovere la locomozione. Negli ultimi anni, la stimolazione cerebrale profonda (DBS) del PPN è stato usato per trattare pazienti affetti frodisturbi m coinvolgono deficit della deambulazione come il morbo di Parkinson (PD) 8.
Studi precedenti hanno dimostrato che quasi tutti i neuroni PPN possono sparare potenziali d'azione a frequenza di banda di gamma quando depolarizzato utilizzando impulsi di corrente quadrati 9. A causa della drastica attivazione dei canali del potassio voltaggio-dipendenti durante impulsi depolarizzazioni quadrati pari o sotto -25 mV. Di conseguenza, non sono state osservate robusti oscillazioni gamma dopo il blocco generazione potenziali d'azione usando tetrodotoxin 10. Nel tentativo di aggirare tale problema, 1 – sono stati utilizzati 2 sec depolarizzante lungo le rampe di corrente. Rampe gradualmente depolarizzati il potenziale di membrana dai valori fino a 0 mV a riposo, mentre in parte l'inattivazione canali del potassio voltaggio-dipendenti. Oscillazioni della membrana banda gamma Cancella erano evidenti all'interno della finestra di dipendenza di tensione dei canali del calcio soglia alta (cioè tra -25 mV e -0 mV) 10. In conclusione, banda gamma Activity stata osservata nei neuroni PPN 9, ed entrambi P / Q e canali del calcio voltaggio-dipendenti di tipo N deve essere attivato al fine di generare oscillazioni banda gamma nella PPN 10.
Una serie di studi ha determinato la posizione dei canali del calcio ad alta soglia nei neuroni PPN. Iniettando la combinazione di coloranti, imaging di fluorescenza raziometrico mostrato transienti di calcio attraverso i canali del calcio voltaggio-dipendenti che si attivano in diversi dendriti quando depolarizzato utilizzando le rampe di corrente 11.
proprietà intrinseche dei neuroni PPN sono state proposte per permettere l'attivazione simultanea di queste cellule durante la veglia e il sonno REM, inducendo così oscillatoria ad alta frequenza attività neuronale tra la RAS e loop talamocorticali. Tale interazione lunga portata è considerata supportare uno stato del cervello in grado di valutare attendibilmente il mondo intorno noi su base continua 12. Qui, descriviamo l'esperimentoAl condizioni necessarie per generare e mantenere gamma banda di oscillazione in cellule in vitro PPN. Questo protocollo non è stato descritto in precedenza, e avrebbe aiutato un certo numero di gruppi per studiare le proprietà intrinseche della membrana che mediano l'attività banda gamma in altre aree cerebrali. Inoltre, a pochi passi attuali potrebbero portare alla conclusione erronea che l'attività banda gamma non può essere generata in queste cellule.
Protocol
Representative Results
Discussion
Neuroni PPN hanno proprietà intrinseche che permettono loro di fuoco potenziali d'azione a frequenze in banda beta / gamma durante le registrazioni in vivo da animali che sono sveglio o durante il sonno REM, ma non durante il sonno ad onde lente 2,3,5,13-17. Altri autori hanno mostrato che transections tronco cerebrale a più livelli anteriori di PPN ha ridotto le frequenze di gamma durante le registrazioni EEG. Tuttavia, quando le lesioni del tronco cerebrale posteriore al punto in cui si trova…
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).
