Evaluering af halvkugle Lateralisering med bilateral lokal felt potentiel optagelse i sekundær motor cortex af mus
Summary
Vi præsenterer in vivo elektrofysiologisk registrering af det lokale felt potentiale (LFP) i bilateral sekundær motor cortex (m2) af mus, som kan anvendes til at evaluere halvkugle lateralisering. Undersøgelsen afslørede ændrede synkroniseringsniveauer mellem venstre og højre m2 i APP/PS1-mus sammenlignet med WT-kontrolelementer.
Abstract
Denne artikel viser komplette, detaljerede procedurer for både in vivo bilateral registrering og analyse af lokale felt potentiale (LFP) i de kortikale områder af mus, som er nyttige til at evaluere mulige lateralitet underskud, samt for vurdering af hjernens konnektivitet og kobling af neurale netværksaktiviteter i gnavere. De patologiske mekanismer underliggende Alzheimers sygdom (AD), en fælles neurodegenerative sygdom, forbliver stort set ukendt. Ændret hjernens lateralitet er blevet påvist i aldrende mennesker, men hvorvidt unormal lateralisering er en af de tidlige tegn på annonce er ikke fastlagt. For at undersøge dette indspillede vi bilaterale LFPs i 3-5-måneders gamle annonce modelmus, APP/PS1, sammen med littermate Wild type (WT)-kontrollerne. LFPs i venstre og højre sekundær motor cortex (m2), specielt i gamma båndet, var mere synkroniseret i APP/PS1-mus end i WT-kontrol, hvilket tyder på en afvist halvkugleformet asymmetri af bilateral m2 i denne annonce musemodel. Især er optagelses-og dataanalyse processerne fleksible og nemme at udføre, og kan også anvendes på andre hjerne veje, når de udfører eksperimenter, der fokuserer på neuronal kredsløb.
Introduction
Alzheimers sygdom (ad) er den mest almindeligt forekommende form for demens1,2. Ekstracellulært beta amyloid protein (β-amyloid protein, Aβ) deposition og intracellulære neurofibrillære tangles (NFTS) er de vigtigste patologiske egenskaber i ad3,4,5, men mekanismerne underliggende patogenesen er stort set uklar. Hjernebarken, en nøgle struktur i kognition og hukommelse, er svækket i AD6, og motoriske underskud såsom langsom gang, problemer med at navigere i miljøet og gangart forstyrrelser opstår med fremskreden alder7. Der er også observeret Aβ-aflejring og neurofibrillære Tangler i premotorisk cortex (PMC) og supplerende motor område (SMA) hos AD-patienter8 og kognitivt påvirkede ældre voksne9, hvilket indikerer, at en nedsat motorisk system i AD patogenesen.
Hjernen er dannet af to forskellige hjernehalvdele, der er opdelt af en langsgående fissure. En sund hjerne udviser både strukturelle og funktionelle asymmetrier10, som kaldes “lateralisering”, så hjernen til effektivt at håndtere flere opgaver og aktiviteter. Aldring resulterer i en forringelse af kognition og bevægelse, sammen med en reduktion i hjernens lateralitet11,12. Motoriske evner af den venstre halvkugle er let synlige i den sunde hjerne13, men i annoncen hjerne afvigende lateralitet opstår som følge af svigt af venstre halvkugle dominans forbundet med venstre kortikale atrofi14, 15,16. Derfor kan en forståelse af en mulig ændring af hjernens lateralisering i AD patogenesen og de underliggende mekanismer give ny indsigt i AD patogenesen og føre til identifikation af potentielle biomarkører til behandling.
Elektrofysiologisk måling er en følsom og effektiv metode til at evaluere ændringer i de neuronal aktiviteter af dyr. Reduktionen af hemisfærisk asymmetri i ældsterne (HAROLD)17 er dokumenteret ved elektrofysiologisk forskning med synkroniseret interhemisfærisk overførings tidspunkt, som viser svækkelse eller fravær af hemifærisk asymmetri til monauralt præsenteret tale stimuli i de ældre18. Udnytte app/PS1, en af de mest almindeligt anvendte ad Mouse modeller19,20,21,22, i kombination med in vivo bilateral ekstracellulær optagelse af lfps i både venstre og højre m2, vi evalueret mulige lateralitetsprincippet underskud i AD. Hertil kommer, med enkle parameterindstillinger, den indbyggede funktion af data analysis software (Se tabellen over materialer) giver en hurtigere og mere ligetil måde at analysere synkroniseringen af elektriske signaler end matematisk komplekst programmeringssprog, som er venligt for begyndere med in vivo Elektrofysiologi.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi rapporterer her proceduren for in vivo bilateral ekstracellulær optagelse, sammen med at analysere synkroniseringen af Dual-region LFP-signaler, som er både fleksibel og nem at foretage for at anslå hjernen halvkugle lateralisering, samt konnektivitet, direktionalitet eller kobling mellem neurale aktiviteter i to hjerneområder. Dette kan være almindeligt anvendt til at afsløre ikke kun gruppe-neuronal aktiviteter, men også nogle grundlæggende egenskaber af interregionalt Elektrofysiologi, især for la…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af tilskud fra National Natural Science Foundation i Kina (31771219, 31871170), den videnskabelige og teknologiske division i Guangdong (2013KJCX0054), og Natural Science Foundation i Guangdong-provinsen (2014A030313418, 2014A030313440).
Materials
| AC/DC Differential Amplifier | A-M Systems | Model 3000 | |
| Analog Digital converter | Cambridge Electronic Design Ltd. | Micro1401 | |
| Glass borosilicate micropipettes | Nanjing spring teaching experimental equipment company | 161230 | Outer diameter: 1.0mm |
| Microelectrode puller | Narishige | PC-10 | |
| NaCl | Guangzhou Chemical Reagent Factory | 7647-14-5 | |
| Pin microelectrode holder | World Precision Instruments, INC. | MEH3SW10 | |
| Spike2 | Cambridge Electronic Design Ltd. | ||
| Stereomicroscope | Zeiss | 435064-9020-000 | |
| Stereotaxic apparatus | RWD Life Science | 68045 | |
| Urethane | Sigma-Aldrich | 94300 |
Referências
- Goedert, M., Spillantini, M. G. A century of Alzheimer’s disease. Science. 314 (5800), 777-781 (2006).
- Perrin, R. J., Fagan, A. M., Holtzman, D. M. Multimodal techniques for diagnosis and prognosis of Alzheimer’s disease. Nature. 461 (7266), 916-922 (2009).
- Cummings, B. J., Pike, C. J., Shankle, R., Cotman, C. W. Beta-amyloid deposition and other measures of neuropathology predict cognitive status in Alzheimer’s disease. Neurobiology of aging. 17 (6), 921-933 (1996).
- Gordon, M. N., et al. Correlation between cognitive deficits and Abeta deposits in transgenic APP+PS1 mice. Neurobiology of aging. 22 (3), 377-385 (2001).
- Fitzpatrick, A. W. P., et al. Cryo-EM structures of tau filaments from Alzheimer’s disease. Nature. 547 (7662), 185-190 (2017).
- Shankar, G. M., et al. Amyloid-beta protein dimers isolated directly from Alzheimer’s brains impair synaptic plasticity and memory. Nature medicine. 14 (8), 837-842 (2008).
- Buchman, A. S., Bennett, D. A. Loss of motor function in preclinical Alzheimer’s disease. Expert review of neurotherapeutics. 11 (5), 665-676 (2011).
- Arnold, S. E., Hyman, B. T., Flory, J., Damasio, A. R., Van Hoesen, G. W. The topographical and neuroanatomical distribution of neurofibrillary tangles and neuritic plaques in the cerebral cortex of patients with Alzheimer’s disease. Cerebral cortex. 1 (1), 103-116 (1991).
- Giannakopoulos, P., Hof, P. R., Michel, J. P., Guimon, J., Bouras, C. Cerebral cortex pathology in aging and Alzheimer’s disease: a quantitative survey of large hospital-based geriatric and psychiatric cohorts. Brain research. Brain research reviews. 25 (2), 217-245 (1997).
- Renteria, M. E. Cerebral asymmetry: a quantitative, multifactorial, and plastic brain phenotype. Twin research and human genetics : the official journal of the International Society for Twin Studies. 15 (3), 401-413 (2012).
- Derflinger, S., et al. Grey-matter atrophy in Alzheimer’s disease is asymmetric but not lateralized. Journal of Alzheimer’s disease : JAD. 25 (2), 347-357 (2011).
- Abdul Manan, H., Yusoff, A. N., Franz, E. A., Sarah Mukari, S. Z. Early and Late Shift of Brain Laterality in STG, HG, and Cerebellum with Normal Aging during a Short-Term Memory Task. ISRN neurology. 2013, 892072 (2013).
- Kim, S. G., et al. Functional magnetic resonance imaging of motor cortex: hemispheric asymmetry and handedness. Science. 261 (5121), 615-617 (1993).
- Bartolomeo, P., D’Erme, P., Perri, R., Gainotti, G. Perception and action in hemispatial neglect. Neuropsychologia. 36 (3), 227-237 (1998).
- Bartolomeo, P., et al. Right-side neglect in Alzheimer’s disease. Neurology. 51 (4), 1207-1209 (1998).
- Thompson, P. M., et al. Tracking Alzheimer’s disease. Annals of the New York Academy of Sciences. 1097, 183-214 (2007).
- Cabeza, R., Anderson, N. D., Locantore, J. K., McIntosh, A. R. Aging gracefully: compensatory brain activity in high-performing older adults. NeuroImage. 17 (3), 1394-1402 (2002).
- Bellis, T. J., Nicol, T., Kraus, N. Aging affects hemispheric asymmetry in the neural representation of speech sounds. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 20 (2), 791-797 (2000).
- Jankowsky, J. L., et al. Co-expression of multiple transgenes in mouse CNS: a comparison of strategies. Biomolecular engineering. 17 (6), 157-165 (2001).
- Venegas, C., et al. Microglia-derived ASC specks cross-seed amyloid-beta in Alzheimer’s disease. Nature. 552 (7685), 355-361 (2017).
- Busche, M. A., et al. Tau impairs neural circuits, dominating amyloid-beta effects, in Alzheimer models in vivo. Nat Neurosci. 22 (1), 57-64 (2019).
- Velazquez, R., et al. Maternal choline supplementation ameliorates Alzheimer’s disease pathology by reducing brain homocysteine levels across multiple generations. Molecular Psychiatry. , (2019).
- Huo, Q., et al. Prefrontal Cortical GABAergic Dysfunction Contributes to Aberrant UP-State Duration in APP Knockout Mice. Cerebral Cortex. 27 (8), 4060-4072 (2017).
- Palop, J. J., et al. Aberrant excitatory neuronal activity and compensatory remodeling of inhibitory hippocampal circuits in mouse models of Alzheimer’s disease. Neuron. 55 (5), 697-711 (2007).
- Ang, G., et al. Absent sleep EEG spindle activity in GluA1 (Gria1) knockout mice: relevance to neuropsychiatric disorders. Translational Psychiatry. 8 (1), 154 (2018).
- Funk, C. M., Honjoh, S., Rodriguez, A. V., Cirelli, C., Tononi, G. Local Slow Waves in Superficial Layers of Primary Cortical Areas during REM Sleep. Current Biology. 26 (3), 396-403 (2016).
- Gregoriou, G. G., Gotts, S. J., Zhou, H., Desimone, R. High-frequency, long-range coupling between prefrontal and visual cortex during attention. Science. 324 (5931), 1207-1210 (2009).
- Zheng, C., Bieri, K. W., Hsiao, Y. T., Colgin, L. L. Spatial Sequence Coding Differs during Slow and Fast Gamma Rhythms in the Hippocampus. Neuron. 89 (2), 398-408 (2016).
- Freeman, W. J., Holmes, M. D., West, G. A., Vanhatalo, S. Fine spatiotemporal structure of phase in human intracranial EEG. Clinical neurophysiology : official journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 117 (6), 1228-1243 (2006).
- Fries, P. Rhythms for Cognition: Communication through Coherence. Neuron. 88 (1), 220-235 (2015).
- Cardin, J. A., et al. Driving fast-spiking cells induces gamma rhythm and controls sensory responses. Nature. 459 (7247), 663-667 (2009).
- Verret, L., et al. Inhibitory interneuron deficit links altered network activity and cognitive dysfunction in Alzheimer model. Cell. 149 (3), 708-721 (2012).
- Ahlbeck, J., Song, L., Chini, M., Bitzenhofer, S. H., Hanganu-Opatz, I. L. Glutamatergic drive along the septo-temporal axis of hippocampus boosts prelimbic oscillations in the neonatal mouse. Elife. 7, (2018).
- Spellman, T., et al. Hippocampal-prefrontal input supports spatial encoding in working memory. Nature. 522 (7556), 309-314 (2015).
- Vandecasteele, M., et al. Optogenetic activation of septal cholinergic neurons suppresses sharp wave ripples and enhances theta oscillations in the hippocampus. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (37), 13535-13540 (2014).
- Seidenbecher, T., Laxmi, T. R., Stork, O., Pape, H. C. Amygdalar and hippocampal theta rhythm synchronization during fear memory retrieval. Science. 301 (5634), 846-850 (2003).
- Zitnik, G. A., Curtis, A. L., Wood, S. K., Arner, J., Valentino, R. J. Adolescent Social Stress Produces an Enduring Activation of the Rat Locus Coeruleus and Alters its Coherence with the Prefrontal Cortex. Neuropsychopharmacology : official publication of the American College of Neuropsychopharmacology. 41 (5), 1376-1385 (2015).
- Rogers, L. J., Zucca, P., Vallortigara, G. Advantages of having a lateralized brain. Proceedings. Biological sciences / The Royal Society. 271, 420-422 (2004).
- Vallortigara, G. The evolutionary psychology of left and right: costs and benefits of lateralization. Developmental psychobiology. 48 (6), 418-427 (2006).
- MacNeilage, P. F., Rogers, L. J., Vallortigara, G. Origins of the left, right brain. Scientific American. 301 (1), 60-67 (2009).
- Habas, P. A., et al. Early folding patterns and asymmetries of the normal human brain detected from in utero MRI. Cerebral cortex. 22 (1), 13-25 (2012).
- Dennis, N. A., Kim, H., Cabeza, R. Effects of aging on true and false memory formation: an fMRI study. Neuropsychologia. 45 (14), 3157-3166 (2007).
- Cabeza, R., et al. Task-independent and task-specific age effects on brain activity during working memory, visual attention and episodic retrieval. Cerebral cortex. 14 (4), 364-375 (2004).
- Cherbuin, N., Reglade-Meslin, C., Kumar, R., Sachdev, P., Anstey, K. J. Mild Cognitive Disorders are Associated with Different Patterns of Brain asymmetry than Normal Aging: The PATH through Life Study. Frontiers in psychiatry / Frontiers Research Foundation. 1, 11 (2010).
- Jankowsky, J. L., et al. Mutant presenilins specifically elevate the levels of the 42 residue beta-amyloid peptide in vivo: evidence for augmentation of a 42-specific gamma secretase. Human molecular genetics. 13 (2), 159-170 (2004).
- Radde, R., et al. Abeta42-driven cerebral amyloidosis in transgenic mice reveals early and robust pathology. EMBO reports. 7 (9), 940-946 (2006).
- Lacor, P. N., et al. Abeta oligomer-induced aberrations in synapse composition, shape, and density provide a molecular basis for loss of connectivity in Alzheimer’s disease. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 27 (4), 796-807 (2007).
