Inspelning Gamma Band Svängningar i Pedunculopontine Nucleus Neuroner
Summary
Den pedunculopontine kärnan (PPN) ligger i hjärnstammen och dess nervceller maximalt aktiveras under vakna och snabba ögonrörelser (REM) sömn hjärntillstånd. Detta arbete beskriver den experimentella strategin för att spela in vitro gamma band subthreshold membran svängning i PPN nervceller.
Abstract
Synaptic efferents från PPN är kända för att modulera nervaktivitet av flera intralaminära talamus regioner (t.ex. den centrolateral / parafascicular Cl / Pf kärna). Aktiveringen av antingen PPN eller Cl / Pf kärnor in vivo har beskrivits inducera upphetsning hos djuret och en ökning i gamma band aktivitet i kortikala elektroencefalogram (EEG). De cellulära mekanismer för generering av gamma band svängningar i retikulära aktiveringssystemet (RAS) neuroner är desamma som de som finns för att generera gammabands svängningar i andra hjärnor kärnor. Under strömkläm inspelningar av PPN neuroner (från parasagittal skivor från 9-25 dagar gamla råttor), användningen av depolariserande kvadrat steg snabbt aktiveras spänningsberoende kaliumkanaler som hindrade PPN nervceller från att depolariserade bortom -25 mV.
Injicera 1 – 2 sek lång depolariserande aktuella ramper gradvis depolariseras PPN membran potentiella resting värden mot 0 mV. Men injicera depolariserande fyrkantpulser genererade gamma-band svängningar av membranpotential som visade sig vara mindre i amplitud jämfört med svängningar som genereras av ramper. Alla experiment utfördes i närvaro av spänningskänsliga natriumkanaler och snabba synaptiska receptorer blockerare. Det har visats att aktiveringen av högtröskel-spänningsberoende kalciumkanaler bakom gamma-band oscillerande aktivitet i PPN neuroner. Specifika metodologiska och farmakologiska interventioner beskrivs här, ger de nödvändiga verktygen för att inducera och upprätthålla PPN subthreshold gamma band svängning in vitro.
Introduction
PPN kärna är anatomiskt ingår i stjärtfenan mesencefal tegmentum. Den PPN är en nyckelkomponent i RAS en. Den PPN deltar i upprätthållandet av beteende aktiverade tillstånd (dvs, vakna, REM-sömnen) 2. Elektrisk stimulering av PPN in vivo inducerade snabb oscillation (20-40 Hz) i det kortikala EEG 3, medan bilaterala PPN lesioner i råtta reduceras eller elimineras REM-sömn 4. Medan en majoritet av PPN neuroner brand aktionspotentialerna vid beta / gamma-bandsfrekvensen (20 – 80 Hz), vissa neuroner presenteras låga hastigheter av spontan bränning (<10 Hz) 5. Dessutom PPN verkar vara inblandade i andra aspekter av beteenden såsom motivation och uppmärksamhet sex. Direkt hög frekvens (40-60 Hz) 7 elektrisk stimulering av PPN kärna i decerebrat djur kan främja förflyttning. Under de senaste åren har djup hjärnstimulering (DBS) i PPN använts för att behandla patienter som lider tillbakam störningar involverande gång underskott såsom Parkinsons sjukdom (PD) 8.
Tidigare rapporter har visat att nästan alla PPN nervceller kan avfyra aktionspotentialer på gamma band frekvens när depolariserade användning av kvadratiska strömpulser 9. På grund av den drastiska aktiveringen av spänningskänsliga kaliumkanaler under fyrkantiga pulser depolarisationer upp till eller under -25 mV. Som en konsekvens, fanns inga robusta gamma oscillationer observeras efter blockering aktionspotentialer generation med hjälp av tetrodotoxin 10. I ett försök att kringgå detta problem, en – var 2 sek lång depolariserande aktuella ramper används. Ramper gradvis depolariseras membranpotentialen från vilande värden upp till 0 mV, medan delvis inaktivespänningsstyrda kaliumkanaler. Tydliga gamma band membran svängningar var tydlig inom spänningsberoendet fönster hög tröskel kalciumkanaler (dvs mellan -25 mV och -0 mV) 10. Sammanfattningsvis, gamma band activiTy observerades i PPN nervceller 9, och både P / Q- och N-typ spänningsstyrda kalciumkanaler måste aktiveras för att generera gammabands svängningar i PPN 10.
En rad studier bestämdes placeringen av hög tröskelkalciumkanaler i PPN neuroner. Injicera kombination av färgämnen, ratiometrisk fluorescens avbildning visade kalcium transienter genom spänningsstyrda kalciumkanaler som aktiveras i olika dendriter när depolariseras med dagens ramperna 11.
Inneboende egenskaper PPN neuroner har föreslagits för att möjliggöra samtidig aktivering av dessa celler under vakna och REM-sömn, vilket således inducerar högfrekventa oscillerande neuronal aktivitet mellan RAS och thalamocortical slingor. Så lång gående interaktion anses stödja en hjärntillstånd kan på ett tillförlitligt sätt bedöma omvärlden på en kontinuerlig basis 12. Här beskriver vi experimentetal villkor som krävs för att skapa och upprätthålla gamma band svängning i PPN celler in vitro. Detta protokoll har inte beskrivits tidigare, och skulle hjälpa ett antal grupper för att studera inneboende membranegenskaper som förmedlar gamma band aktivitet vid andra områden i hjärnan. Dessutom kan nuvarande steg leda till den felaktiga slutsatsen att gamma band verksamhet inte kan genereras i dessa celler.
Protocol
Representative Results
Discussion
PPN nervceller har inneboende egenskaper som tillåter dem att skjuta aktionspotentialer på beta / gamma bandsfrekvenser under in vivo-inspelningar från djur som är vaken eller under REM-sömn, men inte under långsam våg sömn 2,3,5,13-17. Andra författare har visat att hjärnstams transections fler främre nivåer än PPN minskade gamma frekvenser under EEG-inspelningar. Men när hjärnstammen lesioner bakre där denna kärna ligger, direkt stimulering av PPN tillät manifestationen av kortika…
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).
