Запись гамма-полосами частот колебания в Pedunculopontine Nucleus Нейроны
Summary
Ядро pedunculopontine (ППН) находится в стволе головного мозга и его нейроны максимально активируется во время бодрствования и быстрого движения глаз (REM) сна мозг состояний. Эта работа описывает экспериментальный подход к записи в пробирке гамма полосы подпороговую мембраны колебаний в ППН нейронов.
Abstract
Synaptic эфференты от ППН , как известно, модулировать активность нейронов ряда интраламинарных таламуса областей (например, centrolateral / parafascicular, Cl / Pf ядро). Активация либо ППН или ядер Cl / ФФ в естественных условиях было описано , чтобы вызвать возбуждение животного и приращение гамма – диапазона активности в корковой электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Клеточные механизмы генерации гамма-диапазона колебаний в ретикулярной активирующий систему (RAS) нейроны такие же, как те, что для генерации гамма-колебаний полосы в других ядрах мозга. Во время ток-зажим записи ППН нейронов (от парасагиттальных срезов из 9 – 25-дневных крыс), использование деполяризующими квадратных шагов быстро активируются зависящие от напряжения калиевые каналы, которые препятствуют ППН нейроны от того деполяризованы за -25 мВ.
Инъекционное 1 – 2 сек долго деполяризующего тока пандусы постепенно деполяризованы ППН мембранного потенциала рестин значения в сторону 0 мВ. Тем не менее, потребители инъекционных деполяризующие прямоугольные импульсы генерируются гамма-диапазона колебаний мембранного потенциала, которые показали, что меньше по сравнению с амплитудой колебаний, генерируемых пандусов. Все эксперименты проводились в присутствии напряжения натриевых каналов и быстрых синаптических рецепторов блокаторов. Было показано, что активация высокого порога входного напряжения кальциевых каналов лежать в основе гамма-диапазона колебательную активность в ППН нейронов. Конкретные методологические и фармакологические вмешательства описаны здесь, предоставляя необходимые инструменты для индукции и поддержания ППН подпороговая гамма – диапазона колебаний в пробирке.
Introduction
ППН ядро анатомически включены в хвостовом мезенцефалической тегментума. ППН является ключевым компонентом РАН 1. ППН участвует в поддержании поведенческих состояний активированных (т.е. бодрствования, фаза быстрого сна) 2. Электрическая стимуляция ППН в естественных условиях индуцированных быстрое колебание (20 – 40 Гц) в корковой ЭЭГ 3, в то время как двусторонние поражения ППН у крыс уменьшить или устранить парадоксальный сон 4. В то время как большинство ППН нейронов потенциалы действия огня на частоте бета / гамма-диапазоне (20 – 80 Гц), некоторые нейроны представлены низкие показатели спонтанной стрельбы (<10 Гц) 5. Кроме того, ППН – видимому, участвует в других аспектах поведения , таких как мотивация и внимание 6. Прямой высокой частоты (40 – 60 Гц) 7 электрическая стимуляция ППН ядра в децеребрированных животных может способствовать передвижению. В последние годы, глубокая стимуляция мозга (DBS) из ППН был использован для лечения пациентов, страдающих сюдам расстройства , связанные с дефицитом походки , таких как болезнь Паркинсона (PD) 8.
Предыдущие отчеты показали , что почти все нейроны ППН могут стрелять потенциалы действия на частоте гамма – диапазона при использовании деполяризованы квадратных импульсов тока 9. Из-за резкого активации напряжения закрытого калиевых каналов во время прямоугольных импульсов деполяризаций до или при -25 мВ. Как следствие, не наблюдались устойчивые гамма – колебаний после блокирования генерации потенциалов действия с помощью тетродотоксин 10. В попытке обойти такую проблему, 1 – было использовано 2 сек долго деполяризующими тока пандусы. Рампы постепенно деполяризованы мембранный потенциал от покоя до значения 0 мВ, в то время как частично инактивирующего потенциалзависимыми калиевые каналы. Четкие гамма – диапазона колебания мембраны были очевидны в окне зависимость напряжения высокого порога кальциевых каналов (то есть, в пределах от -25 мВ до -0 мВ) 10. В заключение, гамма-группа деятельноти наблюдалась в ППН нейронов 9, и оба P / Q- и N-типа напряжения закрытого кальциевых каналов должны быть активизированы для того , чтобы генерировать колебания гамма – диапазона в ППН 10.
Ряд исследований определили местоположение высокого порога кальциевых каналов в ППН нейронов. Впрыскивание сочетание красителей, ратиометрический флуоресцентных изображений показал , переходные процессы кальция через напряжение-кальциевых каналов, которые активируются в разных дендритов при деполяризованы с использованием текущих пандусов 11.
Собственные свойства ППН нейронов было предложено, чтобы позволить одновременную активацию этих клеток во время бодрствования и сна, вызывая таким образом высокочастотный колебательный нейронную активность между РАН и таламокортикального петель. Такое длительное идущее взаимодействие считается поддерживать состояние мозга , способного надежно оценить мир вокруг нас на постоянной основе 12. Здесь мы опишем экспериментAl условия , необходимые для создания и поддержания гамма – диапазона колебаний в клетках ППН в пробирке. Этот протокол не был описан ранее, и будет способствовать ряд групп по изучению внутренние свойства мембраны, опосредующие полосы активности гамма в других областях мозга. Кроме того, нынешние шаги могут привести к ошибочному выводу, что гамма-активность полоса не может быть сформирована в этих клетках.
Protocol
Representative Results
Discussion
ППН нейроны имеют собственные свойства , которые позволяют им стрелять потенциалы действия на частотах бета / гамма – диапазона при записи от животных, которые просыпаются или во время сна, но не во время медленного сна волны 2,3,5,13-17 в естественных условиях. Другие авторы показ…
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).
