Induktion einer Isoelektrischer Gehirn Staat die Auswirkungen der Endogene synaptische Aktivität auf neuronaler Erregbarkeit zur Untersuchung<em> In Vivo</em
Summary
Dieses Verfahren führt langanhaltende in vivo intrazelluläre Aufnahmen von einzelnen Neuronen während physiologisch relevanten Hirnzustände und nach der vollständigen Abschaffung der laufenden elektrischen Aktivitäten, in einem isoelektrischen Zustand des Gehirns führt. Die physiologischen Konstanten des Tieres während des Übergangs zur künstlichen komatösen Zustand sorgfältig überwacht.
Abstract
Die Art und Weise Neuronen Prozessinformationen hängt sowohl von ihrer intrinsischen Membraneigenschaften und auf die Dynamik des afferenten synaptischen Netzwerkes. Insbesondere endogen erzeugten Netzwerkaktivität, die in Abhängigkeit von dem Zustand der Wachsamkeit stark variiert, moduliert signifikant neuronale Berechnung. Um zu untersuchen , wie verschiedene spontane Hirn Dynamik einzelner Neuronen "integrative Eigenschaften auswirken, entwickelten wir eine neue experimentelle Strategie bei der Ratte die darin besteht, mittels einer systemischen Injektion einer hohen Dosis von Natrium – Pentobarbital in vivo alle Hirnaktivität zu unterdrücken. Cortical Aktivitäten kontinuierlich durch kombinierte Elektrokortikogramm überwacht (ECoG) und intrazelluläre Aufnahmen werden zunehmend verlangsamt, zu einem stetigen isoelektrischen Profil führt. Diese extreme Gehirnzustand, die Ratte in einen tiefen komatösen setzen, wurde durch Messen der physiologischen Konstanten des Tieres während des gesamten Experiments sorgfältig überwacht. intrazellulärer recordings erlaubt es uns, die integrative Eigenschaften des gleichen Neuron in physiologisch relevanten kortikalen Dynamik, wie sie in den Schlaf-Wach-Zyklus, und wenn das Gehirn war völlig still begegnet eingebettet zu charakterisieren und zu vergleichen.
Introduction
In Abwesenheit von irgendwelchen Umweltreize oder Verhaltens Aufgaben erzeugt der "Ruhe" brain einen kontinuierlichen Strom der elektrischen Aktivität, die von der Kopfhaut aufgenommen werden kann, wie elektroenzephalographischen (EEG) Wellen. Die intrazelluläre Korrelat dieser endogenen Hirnaktivität wird durch Hintergrundmembranspannungsschwankungen (auch bekannt als "synaptischen Rauschen") aus, die aus einer Kombination von erregenden und hemmenden synaptischen Potentiale zusammengesetzt sind, die die laufende Tätigkeit der zuführenden Netzwerke 1,2 reflektieren. Diese spontane Aktivität variiert in Frequenz und Amplitude mit den verschiedenen Staaten der Wachsamkeit. Die Aufklärung , die Auswirkungen der Netzwerkaktivität auf der Erregbarkeit und Ansprechbarkeit einzelner Neuronen ist eine der großen Herausforderungen der Neurowissenschaften 3,4.
Viele experimentelle und theoretische Studien haben die funktionellen Auswirkungen der laufenden synaptische Aktivität auf dem integrativen propertie erforschts von Neuronen. die Rolle der verschiedenen neuronalen Parameter durch das Hintergrundrauschen beeinflusst synaptic bleibt jedoch unklar. Zum Beispiel hat sich die mittlere Ebene der Membrandepolarisierung wurde positiv oder negativ 5,6 7-9 korreliert mit der Fähigkeit der sensorischen Input auslösen Aktionspotentiale gefunden. Außerdem, während einige Untersuchungen legen nahe , dass Schwankungen des Membranpotentials, die sich aus einem kontinuierlich von afferenten synaptischen Eingaben variierenden Strom, stark das Ansprechverhalten der einzelnen Neuronen beeinflussen , indem die Verstärkung ihrer Eingangs-Ausgangs – Beziehung Modulieren 3,10-13, andere zeigen , daß Änderungen in der Leitfähigkeit Membran Eingabe durch Rangier- Hemmung vermittelt sind ausreichend , um die neuronale Verstärkung unabhängig von der Größe der Membranschwankungen 14,15 zu modulieren. Schließlich auf wach Tieren durchgeführt jüngsten Studien betont, wie die Verarbeitung von Sinnesinformationen in einzelnen Neurons, hängt entscheidend von dem Zustand der Wachsamkeit einnd die aktuelle Verhaltens Nachfrage 16,17.
Eine einfache Strategie, um die funktionelle Rolle eines gegebenen Prozesses in einer stark vernetzten System zu erläutern ist, um zu bestimmen, wie seine Abwesenheit spezifisch die Funktion des Systems verändert. Diese Methode wurde in der neurowissenschaftlichen Forschung, zum Beispiel unter Verwendung von experimentellen Läsionen oder Inaktivierung von verschiedenen Hirnarealen 18-21 oder pharmakologische Blockade von bestimmten Ionenkanälen 22,23 ausgiebig genutzt. Bemerkenswert ist , wurde in vivo angewendet zu enthüllen , wie funktionelle Konnektivität und Netzwerk – Dynamik 24-27 einzelne Zelle Berechnung beeinflussen. Allerdings lokale Manipulationen bisher soll die Feuern von Neuronen und / oder stören ihre grundlegenden biophysikalischen Eigenschaften zu blockieren können relativ kleine Gehirne 28 teilweise wirksam und begrenzt sein.
Um diese Einschränkungen zu überwinden, entwickelten wir einen neuen in vivo experimentellen Ansatz indie Ratte die elektrophysiologischen Eigenschaften von einzelnen Neuronen in einem bestimmten Gehirnzustand, dh eingebettet in einem bestimmten Netzwerk dynamisch, auf diejenigen , die erhalten nach der vollständigen Unterdrückung des gesamten Gehirns synaptische Aktivität 29 aufgezeichnet zu vergleichen. In den Kontrollbedingungen zwei verschiedene könnte kortikalen Dynamik erzeugt werden. Schlaf-like electrocorticographic (ECoG) Muster wurden durch Injektion von moderaten Dosen von Natrium-Pentobarbital induziert. Alternativ schnell ECoG Wellen mit kleiner Amplitude vergleichbar mit der kortikalen Aktivität Wachzustand (Wachartiges Muster) zugrunde liegen könnte durch Injektion von Fentanyl hergestellt werden. Anschließend, während die gleiche ECoG und intrazelluläre Aufnahme aufrechterhalten wird, eine vollständige Silencing des endogenen elektrische Aktivität des Gehirns wurde durch systemische Injektion einer hohen Dosis von Natrium-Pentobarbital erhalten durch isoelektrische ECoG und intrazellulären Aktivitäten gekennzeichnet. Da die Induktion einer solchen extremen komatösen könnte potenziell tödlich FOLGEces auf biologische Funktionen, eine sorgfältige und kontinuierliche Überwachung der physiologischen Variablen war von wesentlicher Bedeutung. Daher folgten wir genau die Herzschlagfrequenz, die endexspiratorische CO 2 -Konzentration (EtCO 2), die O 2 -Sättigung (SpO 2) und die Kerntemperatur der Ratte in den Experimenten.
Wir bewerten einzelne Neuronen Eigenschaften in diesen verschiedenen Zuständen mit scharfen Mikroelektroden, die für lange und stabile Aufnahmen in vivo besonders geeignet sind. Das hier beschriebene Verfahren kann mit anderen elektrophysiologischen und bildgebenden Methoden kombiniert werden und könnte auch auf andere Tiermodelle ausgedehnt werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Wir beschreiben hier eine neue Methode in vivo spontanen zerebralen elektrischen Aktivität zu unterdrücken sowohl auf Netzwerk und zellulärer Ebene. Dieses Verfahren führt zu einem extremen Zustand des Gehirns, bekannt als isoelektrischen komatösen 41. Aus klinischer Sicht ein solches electrocerebral Inaktivität ist die schwerste Abnormalität, die auf dem EEG zu sehen ist. Es ist vor allem mit einem irreversiblen Koma, bei allen Patienten in Zusammenhang gebracht , entweder zu sterben oder in …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde durch Zuschüsse aus der Fondation de France unterstützt, das Institut National de la Santé Et de la Recherche Médicale, der Pierre & Marie Curie Universität und das Programm "Investissements d'avenir" ANR-10-IAIHU-06.
Materials
| Sodium Pentobarbital | Centravet | Pentobarbital | |
| Ketamine 500 | Merial | Imalgène 500 | |
| Fentanyl | Janssen-Cilag | Fentanyl | |
| Xylocaine | Centravet | Xylovet | |
| Gallamine triethiodide | Sigma | G8134 | |
| ECoG amplifier | A-M Systems | AC amplifier, Model 1700 | |
| Intracellular amplifier | Molecular Devices | Axoclamp 900A | |
| Data acquisition interface | Cambridge Electronic Design | CED power 1401-3 | |
| Data analysis software | Cambridge Electronic Design | Spike2 version 7 | |
| micromanipulator | Scientifica | IVM-3000 | |
| Capillary Puller | Narishige | PE-2 | |
| Borosilicate glass capillaries | Harvard Apparatus | GC150F-10 | |
| Silver wire 0.125mm (intracellular recording) | WPI | AGT0525 | |
| Ag-AgCl reference | Phymep | E242 | |
| Silver wire 0.25mm (ECoG recording) | WPI | AGT1025 | |
| Artificial respiration system | Minerve | Alpha Lab | |
| Physiological parameters monitoring | Digicare | LifeWindow Lite | |
| Heating Blanket | Harvard Apparatus | 507215 | |
| Stereomicroscope | Leica | M80 | |
| Scissors | FST | 15005-08 | |
| Forceps Dumont #5 | FST | 11295-10 | |
| Forceps Dumont #5SF | FST | 11252-00 | |
| IP Polyurethane catheter – 0.43×0.69mm | Instech | BTPU-027 | |
| Silicon elastomere | WPI | KWIK-CAST | |
| Dental drill | NSK | Y1001151 and P496 | |
| Surgical glue | 3M | vetbond |
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