Eşzamanlı Elektroensefalografi, Kemirgen Serebral Korteks Laktat Konsantrasyonu ve Nöronal Faaliyet Optogenetic Manipülasyon Gerçek zamanlı ölçüm
Summary
Bir prosedür elektroansefalogram, elektromiyogram ve serebral laktat konsantrasyon takip edilir iken optogenetically kortikal piramidal nöronların etkinlik işlenmesi için tarif edilmektedir. Onlar kendiliğinden uyku / uyanıklık döngüsü geçmesi ise Deneysel kayıtları kablo-tethered fareler üzerinde gerçekleştirilmiştir. Optogenetic cihaz laboratuar monte edilmiştir; kayıt ekipman ticari olarak temin edilebilmektedir.
Abstract
Beyin kütle ile vücut az% 5 temsil etse de, geri kalan kısmı 1 de vücut tarafından kullanılabilir glikoz yaklaşık dörtte biri kullanır. Olmayan hızlı göz hareketleri uyku (NREMS), zaman uyku büyük kısmının, işlevi belirsizdir. Bununla birlikte, NREMS bir önemli özelliği, uyanıklığı 2-4 nispi serebral glukoz kullanımının oranında önemli bir azalmadır. Bu ve diğer bulgular uyku beyin metabolizması ile ilgili bir işlev hizmet veren yaygın olan bir inancın açmıştır. Ancak, NREMS sırasında serebral glukoz metabolizmasında azalma altında yatan mekanizmaların araştırılmasına ihtiyaç vardır.
Serebral metabolik hızı etkileyebilir NREMS ile ilişkili bir fenomen elektroensefalogramda 5,6 içinde, yavaş dalgalar, 4 Hz az frekanslarda osilasyonları oluşumunu olduğunu. Kafatası ya da kortikal yüzey seviyesinde tespit Bunlar, yavaş dalga yansıtmakBir depolarize / yukarı devlet ve hyperpolarized / aşağı devlet 7 arasındaki temel nöronların salınımlar. Aşağı hal süresince, hücrelerin birkaç yüz milisaniye kadar aralıklarla aksiyon potansiyelleri uğramadı. Aksiyon potansiyelleri sonraki iyonik konsantrasyon gradyanı Restorasyonu hücre 8 üzerinde önemli bir metabolik yük temsil eder; NREMS ile ilişkili aşağı durumlarında aksiyon potansiyellerinin yokluğunda uyanmak için göreceli azalmış metabolizma katkıda bulunabilir.
İki teknik zorluklar test edilecek bu varsayımsal bir ilişki için sırayla ele alınması gerekiyordu. Birincisi, serebral EEG dinamiklerini yansıtan bir zamansal çözünürlüğe sahip serebral glikolitik metabolizması ölçmek için gerekli olduğunu (O dakikalar değil saniyeler içinde, is). Bunu yapmak için, laktat konsantrasyonu, aerobik glikolizi ürün ve bu nedenle farelerin beyinlerinde glikoz metabolizmasının bir okuma hızı ölçüldü. Laktat oldufrontal korteks gömülü laktat oksidaz tabanlı gerçek zamanlı sensör kullanılarak ölçülür. Algılama mekanizma laktat oksidaz molekülü ihtiva eden bir tabaka ile çevrelenmiş, bir iridyum, platin elektrot içerir. Laktat oksidaz tarafından laktat metabolizması platin-iridyum elektrot bir akım üretir hidrojen peroksit üretir. Bu nedenle beyin glikoliz Ramping sonra bir algılayıcı elektrod bir artış akım yansıtılır laktat oksidaz için substrat konsantrasyonunda bir artış sağlar. Bu NREMS diğer yönleriyle bu değişken izole etmek için, serebral korteks uyarılabilirlik işlenirken bu değişkenleri ölçmek için ayrıca gerekli oldu.
Biz pyra arasında optogenetic aktivasyonu ile serebral kortikal nöronal aktivitenin elecetroencephalogram, bir laktat biyosensör ile glikolitik akı ölçüm ve manipülasyon yoluyla nöronal aktivitenin eş zamanlı ölçümü için deneysel bir sistem geliştirdimidal nöronlar. Biz uyku ile ilişkili EEG dalga formları ve serebral korteks laktat konsantrasyonunun an-to-an dinamikleri arasındaki ilişkiyi belgelemek için bu sistemi kullanmış olurlar. Protokolü serbestçe kemirgenler davranıyor yılında, okuyan ilgilenen herhangi bir birey için yararlı olabilir, beyin içinde elektroensefalografik seviyesi ve hücresel enerjetikleri ölçülen nöronal aktivite arasındaki ilişki.
Protocol
Representative Results
Discussion
Yöntemlerden birini daha önce mümkün olmayan bir zaman ölçeği üzerinde glikolitik ara laktat beyin konsantrasyonu uyku ve değişimler arasındaki ilişkiyi ölçmek için izin burada sundu. Hayvanlar ardından, NREMS ve REMS arasında spontan geçişler uğrarlar. Hayvanlar bu geçişler tabi iken Ayrıca, biz optogenetic uyaranlara uygulamak edebiliyoruz. Veriler laktat oksidaz tabanlı biyosensör okuması o kendiliğinden ve isteyerek hem dalgaların etkisini göstermesi bugüne kadar toplanan.
<p class=…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Savunma Bakanlığı (Savunma Bakanlığı İleri Araştırma Projeleri Ajansı, Genç Fakültesi Ödülü, Hibe Numarası N66001-09-1-2117) ve NINDS (R15NS070734) tarafından finanse edilen araştırma.
Materials
| Component | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
| BASi Mouse Guide Cannula | Pinnacle Technology/BASi Inc | 7032 | |
| Lactate Biosensor | Pinnacle Technology | 7004 | |
| Head Mount | Pinnacle Technology | 8402 | |
| Sleep/Biosensor Recording system | Pinnacle Technology | 8400-K1-SL | 2 EEG channels, 1 EMG channel, & 1 biosensor |
| Tethered Mouse in-vitro Calibration kit | Pinnacle Technology | 7000-K1-T | |
| Fiber Optic Guide Cannula | Plastics One | C312G | 21 Gauge Guide Cannula |
| Dummy Cannula | Plastics One | C312DC | 21 Gauge Dummy |
| Diamond Fiber Scribe | Thorlabs | S90W | |
| Fiber Connector Crimp Tool | Thorlabs | CT042 | |
| Furcation Tubing | Thorlabs | FT030 | 03.0 mm |
| Thorlabs | T10S13 | Max Dia. 0.012 | |
| Furcation Tube Stripper | Thorlabs | FTS3 | |
| Bare Hard Cladding Multimode Fiber | Thorlabs | BFL37-200 | 200 μm Core, 0.37 NA |
| Wire Snips/Kevlar Shears | Thorlabs | T865 | |
| Fiber Optic Epoxy | Thorlabs | F112 | |
| Fiber Stripper Tool | Thorlabs | ||
| Glass Polishing Plate | Thorlabs | CTG913 | |
| Rubber Polishing Pad | Thorlabs | NRS913 | |
| Eye Loupe | Thorlabs | JEL10 | |
| Kim Wipes | Thorlabs | KW32 | |
| Compressed Air | Thorlabs | CA3 | |
| Polishing Puck | Thorlabs | D50-xx | |
| Fiber Inspection scope | Thorlabs | CL-200 | |
| Polishing Films | Thorlabs | LFG5P, LFG3P, LFG1P, LFG03P | |
| FC/PC connector end | Thorlabs | 30126G2-240 | 240 μm Bore, SS Ferrule |
| MC Stimulus Unit | Multi-Channel Systems | STG-4002 | |
| MC Stimulus Software | Multi-Channel Systems | MC-Stimulus V 2.1.5 | |
| Blue Laser | CrystaLaser | CL473-050-0 | |
| Laser Power supply | CrystaLaser | CL2005 | |
| Fiber Optic Rotary Joint | Doric Lenses | FRJ-v4 | |
| Table 2. Supplies and equipment. |
References
- Magistretti, P., Zigmond, M. J., Bloom, F. E., Landis, S. C., Roberts, J. L., Squire, L. R. Brain Energy Metabolism. Fundamental Neuroscience. , 389-413 (1999).
- Maquet, P., et al. Cerebral glucose utilization during sleep-wake cycle in man determined by positron emission tomography and [18F]2-fluoro-2-deoxy-D-glucose method. Brain Res. 513 (1), 136-143 (1990).
- Buchsbaum, M. S., et al. Regional cerebral glucose metabolic rate in human sleep assessed by positron emission tomography. Life Sci. 45 (15), 1349-1356 (1989).
- Kennedy, C. Local cerebral glucose utilization in non-rapid eye movement sleep. Nature. 297 (5864), 325-327 (1982).
- Pappenheimer, J. R., Koski, G., Fencl, V., Karnovsky, M. L., Krueger, J. Extraction of sleep-promoting factor S from cerebrospinal fluid and from brains of sleep-deprived animals. J. Neurophysiol. 38 (6), 1299-1311 (1975).
- Borbely, A. A., Achermann, P., Kryger, M. H., Roth, T., Dement, W. C. Sleep homeostasis and models of sleep regulation. Principles and Practice of Sleep Medicine. , 377-390 (2004).
- Destexhe, A., Contreras, D., Steriade, M. Spatiotemporal analysis of local field potentials and unit discharges in cat cerebral cortex during natural wake and sleep states. J. Neurosci. 19 (11), 4595-4608 (1999).
- Astrup, J., Sorensen, P. M., Sorensen, H. R. Oxygen and glucose consumption related to Na+-K+ transport in canine brain. Stroke. 12 (6), 726-730 (1981).
- Arenkiel, B. R., et al. In vivo light-induced activation of neural circuitry in transgenic mice expressing channelrhodopsin-2. Neuron. 54 (2), 205-218 (2007).
- Mateo, C. In Vivo Optogenetic Stimulation of Neocortical Excitatory Neurons Drives Brain-State-Dependent. Curr. Biol. , (2011).
- Wisor, J. P., Clegern, W. C. Quantification of short-term slow wave sleep homeostasis and its disruption by minocycline in the laboratory mouse. Neurosci. Lett. 490 (3), 165-169 (2011).
- El Yacoubi, M., et al. Behavioral, neurochemical, and electrophysiological characterization of a genetic mouse model of depression. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 100 (10), 6227-6232 (2003).
- Tsunematsu, T., et al. Acute optogenetic silencing of orexin/hypocretin neurons induces slow-wave sleep in mice. J. Neurosci. 31 (29), 10529-10539 (2011).
- Le, S., Gruner, J. A., Mathiasen, J. R., Marino, M. J., Schaffhauser, H. Correlation between ex vivo receptor occupancy and wake-promoting activity of selective H3 receptor antagonists. J. Pharmacol. Exp. Ther. 325 (3), 902-909 (2008).
- Burmeister, J. J., Palmer, M., Gerhardt, G. A. L-lactate measures in brain tissue with ceramic-based multisite microelectrodes. Biosens. Bioelectron. 20 (9), 1772-1779 (2005).
- Cardin, J. A. Targeted optogenetic stimulation and recording of neurons in vivo using cell-type-specific expression of Channelrhodopsin-2. Nat. Protoc. 5 (2), 247-254 (2010).
- Destexhe, A., Contreras, D., Steriade, M. Cortically-induced coherence of a thalamic-generated oscillation. Neuroscience. 92 (2), 427-443 (1999).
- Liu, Z. W., Faraguna, U., Cirelli, C., Tononi, G., Gao, X. B. Direct evidence for wake-related increases and sleep-related decreases in synaptic strength in rodent cortex. J. Neurosci. 30 (25), 8671-8675 (2010).
- Iwai, Y., Honda, S., Ozeki, H., Hashimoto, M., Hirase, H. A simple head-mountable LED device for chronic stimulation of optogenetic molecules in freely moving mice. Neurosci. Res. 70 (1), 124-127 (2011).
