Whole-Cell-Patch-Clamp-Aufnahmen in Hirnschnitten
Summary
Dieses Protokoll beschreibt grundlegende Verfahrensschritte für die Ganzzell-Patch-Clamp-Aufnahmen durchführen. Diese Technik ermöglicht die Untersuchung des elektrischen Verhaltens von Neuronen, und wenn in Hirnschnitten durchgeführt wird, ermöglicht die Bewertung verschiedener neuronaler Funktionen von Neuronen, die in relativ gut erhalten Gehirn Schaltungen noch integriert sind.
Abstract
Whole-Cell-Patch-Clamp-Aufzeichnung ist eine elektrophysiologische Verfahren, das die Untersuchung der elektrischen Eigenschaften eines wesentlichen Teils des Neurons ermöglicht. In dieser Konfiguration ist der Mikropipette in engen Kontakt mit der Zellmembran, die Kriechströme verhindert und dadurch liefert genauere Ionenstrommessungen als die bisher verwendeten intrazellulärem scharfe Elektrodenaufzeichnungsverfahren. Classically können Ganzzellaufzeichnung auf Neuronen in verschiedenen Typen von Präparaten durchgeführt werden, einschließlich Zellkulturmodellen, dissoziierte Neuronen, Neuronen in Gehirnschnitten und in intakten narkotisierten oder wachen Tieren. Zusammenfassend hat diese Technik zum Verständnis der passiven und aktiven biophysikalischen Eigenschaften von erregbaren Zellen immens beigetragen. Ein wesentlicher Vorteil dieser Technik ist , dass sie Informationen darüber , wie bestimmte Manipulationen (beispielsweise pharmakologischer, Experimentator-Induced Plasticity) stellt spezifische neuronale Funktionen verändern können oder canäle e xistieren in Echtzeit. Zusätzlich wesentliche Öffnung der Plasmamembran ermöglicht die interne Pipettenlösung frei in das Zytoplasma diffundieren, Mittel zum Einführen von Medikamenten, beispielsweise Agonisten oder Antagonisten spezifischer intrazellulärer Proteine Bereitstellung und diese Ziele zu manipulieren , ohne in benachbarten Zellen ihre Funktion zu verändern. Dieser Artikel wird auf Ganzzell Aufnahme konzentrieren ausgeführt auf Neuronen in Hirnschnitten, ein Präparat , das den Vorteil der Aufnahme Neuronen in relativ gut erhaltenen Schaltkreise im Gehirn, das heißt, in einem physiologisch relevanten Kontext hat. Insbesondere wenn sie mit geeigneten pharmakologischen kombiniert ist diese Technik ein leistungsfähiges Werkzeug Identifizierung spezifischer neuroadaptations ermöglicht, die folgenden jede Art von Erfahrungen, wie Lernen aufgetreten ist, Exposition gegenüber Drogen und Stress. Zusammengefasst bieten whole-cell Patch-Clamp – Aufzeichnungen in Hirnschnitten Mittel ex vivo Herstellung nachhaltige Veränderungen zu messenin neuronalen Funktionen, die bisher in intakten wach Tiere entwickelt.
Introduction
Die Patch-Clamp – Technik, eine elektrophysiologische Technik , die in den späten 1970er Jahren 1,2 entwickelt wurde, ist ein wichtiges Werkzeug für einzelne oder mehrere Ionenkanalfunktionen in lebendem Gewebe zu studieren. Unter den verschiedenen Patch-Konfigurationen, die erreicht werden kann, lassen whole-cell patch-clamp-Aufnahmen die Untersuchung des elektrischen Verhaltens eines wesentlichen Teils des Neurons. Klassischerweise wird diese Technik in vitro entweder an Hirnschnitten durchgeführt, frisch Neuronen dissoziiert, oder Zellkulturmodellen 3. Wenn auf Neuronen in Hirnschnitten durchgeführt wird, stellt diese Technik mehrere Vorteile. Insbesondere: (i) Neuronen in relativ konserviert Gehirn Schaltungen aufgezeichnet dass zu einem gewissen Grad, und im Vergleich zu Zellkulturpräparationen, eine Umgebung bereitzustellen , die physiologisch relevant 3 ist. Dies ermöglicht die Erfassung früh, oder die Überwachung sogar in Echtzeit, zellulären und molekularen Ereignisse, die durch jede Art von akuten pharmacolog ausgelöst werdenschen Manipulationen – eine zeitliche Auflösung , die mit klassischen In – vivo – Bedingungen nicht erreicht werden kann; (ii) Fähigkeit zur visuellen Hirnregionen in Hirnschnitten identifizieren ermöglicht eine hohe regionale Spezifität 3 sowohl für die Hirnregion untersucht und für spezifische Neuronen , wenn sie zum Ausdruck bringen fluoreszierende Marker; (iii) Zugriff auf den intrazellulären Raum der Zelle durch einen wesentlichen Teil der Plasmamembran Öffnung (im Gegensatz zu der Membran mit einem scharfen Mikropipette für die intrazelluläre Aufnahme Punktierung) 4. Im Gegenzug ermöglicht dies der Inhalt oder die Konzentration bestimmter Ionen, welche die interne Lösung zu komponieren kann modifiziert werden, um molekulare Targets oder zellulären Mechanismen, die unter unterschiedlichen Bedingungen untersucht werden. Zum Beispiel bei der Gesamtzellkonfiguration, jede spezifische pharmakologische Mittel zur Festlegung (zB Antagonisten) , dass man auf die Aufnahme Mikro (Patch – Pipette) in Lösung wird in das Zytoplasma direkt diffundieren und wirken auf seine Putatintrazelluläre Ziele ive, ohne dass die Zielfunktion in benachbarten Zellen zu verändern. Zusätzlich, im Vergleich zu scharfen Mikroaufnahme, die große Öffnung an der Spitze der Patch – Clamp – Elektrode stellt einen geringeren Widerstand, weniger konkurrierenden Rauschen und damit besseren elektrischen Zugang zum Inneren der Zelle 4. Beachten Sie jedoch, daß die große Öffnung an der Pipettenspitze zu Zelle Dialyse führen kann und damit der Verlust der intrazellulären molekularen Maschinerie, die für die Expression der biologischen Phänomenen kritisch sein kann , die untersuchten 5,6 sind. In diesem Fall können scharfe Elektrode Aufnahmen besser geeignet. Diese Art von Aufnahmen erfordert Mikropipetten mit einer Pore, die viel kleiner als die für die Whole-Cell-Aufnahmen verwendet wird, wodurch die meisten der Ionenaustausch zwischen intrazellulären Raum und der inneren Pipettenlösung verhindert wird.
Jede Form von Erfahrungen (akut oder chronisch), einschließlich Lernen 7-10, Kontakt mit Drogen 11,12, Stress 13,14, etc., können verschiedene Aspekte der neuronalen Funktion in spezifischen Hirnregionen verändert. Da diese Änderungen oft Zeit benötigen zu entwickeln (Stunden bis Tage), Ganzzell-Aufzeichnungen in Gehirnschnitten von Tieren, die eine bestimmte Erfahrung durchlaufen haben es den Forschern ermöglichen, diese Veränderungen zu identifizieren. Grundsätzlich viele (wenn nicht alle) Komponenten , die in neuronalen Funktionen (zB Liganden-aktivierte Ionenkanäle, spannungsabhängige Ionenkanäle, Neurotransmitter – Transporter) und dadurch Gehirn Schaltungs Aktivität und Verhalten teilnehmen, können durch Erfahrung verändert werden (Erfahrung abhängigen Plastizität) 10,15-17. Auf neuronaler Ebene, Gehirn Schaltungsaktivität ergibt sich aus konstanten Wechselwirkungen zwischen synaptischen (zB Glutamat – Übertragung) und intrinsische zelluläre Erregbarkeit Faktoren (zB axosomato-dendritischen lonenkanäle: Natrium, Na +, Kalium, K + und Calcium, Ca 2+ ). Unter bestimmten Bedingungen whol mitE-Cell-Patch-Clamp-elektro Techniken können Änderungen Signal Ursprung speziell von Veränderungen der synaptischen vs. intrinsische Erregbarkeit isoliert werden.
In den meisten Fällen wird synaptischen Erregbarkeit beurteilt die Ganzzellspannung-clamp – Technik. Dieser Aufzeichnungsmodus ermöglicht die Messung von Ionenströmen [eg, vermittelt durch α-Amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolpropionsäure – Rezeptoren ( AMPA-Rezeptoren) und N-Methyl-D-Asparaginsäure-Rezeptoren (NMDA-Rezeptoren)] durch die neuronale Plasmamembran, während die Potentialspannung bei einer festgelegten Membran hält. Hier Experimentatoren verwenden interne Mikro Lösungen , die Cäsium (Cs +), eine breite Blocker der K + -Kanäle (key intrinsische Erregbarkeit Faktoren) enthalten. Bei Herstellung von Ganzzellkonfiguration, wird die Diffusion von Cs + im intrazellulären Raum Block K + -Kanälen und damit ermöglicht sowohl eine relativ effiziente Raum-clamp und preLüftungs Einfluss der intrinsischen Erregbarkeit Faktoren auf andere Messungen. Raum-Clamp – Fragen, das heißt, die Schwierigkeit zu Voltage-Clamp die ganze Zelle, entstehen , wenn unregelmäßig geformte Zellen der Aufnahme (zB Neuronen) und insbesondere Neuronen mit einer großen und komplexen dendritischen Dorn 18,19. Da somatischen voltage clamp schlecht Kontrollen im Dendritenbaum von Neuronen, die verschiedenen Aspekte der dendritischen elektrische Signale zu unter Spannung werden in einer dendritischen entfernungsabhängigen Weise verzerrt. In Verbindung mit pharmakologischer Werkzeuge wie Picrotoxin (gamma-Aminobuttersäure, GABA A -Rezeptor – Antagonist) oder Kynurensäure (broad Blocker der Glutamat – Rezeptoren) , gelöst in der extrazellulären Lösung (künstliche Cerebrospinalflüssigkeit, ACSF), erlaubt diese Technik die Messung des Glutamats Rezeptor- und GABA A Strömen , die jeweils-R vermittelt.
Im Gegensatz dazu wird intrinsische Erregbarkeit üblicherweise in Current-Clamp-Aufnahme-Modus überprüft.Hinsichtlich Voltage-Clamp-Aufzeichnung gegenüber, ermöglicht diese Aufzeichnungsmodus die Messung von Änderungen in Potentialen Membran durch Ionenströme induziert durch die neuronale Plasmamembran fließt. Typischerweise wird Veränderung intrinsische Erregbarkeit durch Veränderungen in der Fähigkeit beurteilt für Neuronen Aktionspotentiale zu erzeugen, die sowohl Na + und K + Kanäle erfordert. Deshalb wird , wenn Strom-Clamp – Aufnahmen durchführen, werden Mikro mit einer internen Lösung gefüllt , die K + anstelle von Cs + enthält. In Verbindung mit pharmakologischen Mitteln , die Glutamat und GABA A – Rezeptor-vermittelten Ströme in dem ACSF gelöst blockieren, diese Versuchsanordnung ermöglicht die Messung des Beitrags der intrinsischen Faktoren (zB K + Kanäle) auf neuronale Feuern ohne durch mögliche Änderungen in der synaptischen Erregbarkeit kontaminiert Faktoren.
In diesem Artikel werden die grundlegenden notwendigen Verfahrensschritte beschreiben to (i) bereiten gesunde Gehirnscheiben; (Ii) erreichen whole-cell-Konfiguration ist, und (iii) Überwachen Eckwerte synaptischen und intrinsische Erregbarkeit zu beurteilen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieses Protokoll beschreibt das grundlegende Verfahren für whole-cell Patch-Clamp-Experimente an Neuronen in Hirnschnitten durchgeführt wird. Jedoch kann die Komplexität, Potential und Empfindlichkeit dieser Technik nicht vollständig in diesem Artikel beschrieben. Hier haben wir versucht, die grundlegenden Schritte zur Abgrenzung und wichtige Parameter unterstreichen, die für das Erreichen erfolgreiche und rigorosen Ganzzellaufnahmen kontrolliert werden muss. Für weitere theoretische Lernen haben viele Bücher und…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Forschung wurde von UT Southwestern-Startfonds (SK) unterstützt.
Materials
| Isolated pulse stimulus generator | A.M.P.I | Master-8 | |
| Isolation unit (ISO-Flex) | A.M.P.I | ISO-Flex | |
| Computer controlled Amplifier | Molecular Devices | Multiclamp 700B | |
| Digital Acquisition system | Molecular Devices | Digidata 1500 | |
| Microscope | Olympus | BX-51 | |
| Micromanipulator | Sutter Instruments | MPC-200 | |
| Chamber and in-line Heater | Warner Instruments | TC-344B | |
| Vibratome Slicer | Leica | VT1000 S | |
| Micropipette Puller | Narishige | PC-10 | |
| Imaging Camera | Q Imaging | QIClick-F-M-12 | |
| Narishige pipette puller PC-10 | Narishige | PC-10 | |
| Glass capillaries | WPI | TW150F-3 | |
| Slice hold-down (harp) | Warner Instruments | 64-0255 | |
| Slice Chamber | Warner Instruments | RC-26 | |
| Nonmetallic syringe needle | World Precision Instruments | MF28G67-5 | |
| Syringe filters | Nalgene | 176-0045 | |
| Glue Gun | Home Depot | various | |
| Gas dispersion tube | Ace Glass Inc. | various | |
| Decapitation scissors | Home Depot | 100649198 | |
| Scalpel Handle #3 | World Precision Instruments | 500236 | |
| Small straight sharp tips scissors | World Precision Instruments | 14218 | |
| Vessel canulation forceps | World Precision Instruments | 500453 | |
| Curved hemostatic forceps | World Precision Instruments | 501288 | |
| Economy Tweezers #3 | World Precision Instruments | 501976-6 | |
| Spatula | Fisher Scientific | 14357Q | |
| Scooping spatula | Fisher Scientific | 14-357Q | |
| Petri dish | Fisher Scientific | 08-747B | |
| Filter paper | Lab Depot | CFP1-110 | |
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments |
| Solutions | |||
| Cs-Gluconate internal solution (pH 7.2–7.3, 280–290 mOsm) | |||
| D-gluconic acid 50% | Sigma Aldrich/various | G1951 | |
| Cesium-OH (CsOH) 50% | Sigma Aldrich/various | 232041 | |
| NaCl, 2.8 mM | Sigma Aldrich/various | S7653 | |
| HEPES, 20 mM | Sigma Aldrich/various | H3375 | |
| EGTA, 0.4 mM | Sigma Aldrich/various | E4378 | |
| tetraethylammonium-Cl, 5 mM | Sigma Aldrich/various | T2265 | |
| Na2GTP, 0.3 mM | Sigma Aldrich/various | G8877 | |
| MgATP, 2 mM | Sigma Aldrich/various | A9187 | |
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments |
| K-Gluconate internal solution (pH 7.2–7.3, 280–290 mOsm) | |||
| K D-gluconate, 120 mM | Sigma Aldrich/various | G4500 | |
| KCl, 20 mM | Sigma Aldrich/various | P3911 | |
| HEPES, 10 mM | Sigma Aldrich/various | H3375 | |
| EGTA, 0.2 mM | Sigma Aldrich/various | E4378 | |
| MgCl2 | Sigma Aldrich/various | M8266 | |
| Na2GTP, 0.3 mM | Sigma Aldrich/various | G8877 | |
| MgATP, 2 mM | Sigma Aldrich/various | A9187 | |
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments |
| Standard artificial cerebrospinal fluid (ACSF, osmolarity ≈ 300-310 mOsm) | |||
| KCl, 2.5 mM | Sigma Aldrich/various | P3911 | |
| NaCl, 119 mM | Sigma Aldrich/various | S7653 | |
| NaH2PO4-H20, 1 mM | Sigma Aldrich/various | S9638 | |
| NaHCO3, 26.2 mM | Sigma Aldrich/various | S8875 | |
| Glucose, 11 mM | Sigma Aldrich/various | G8270 | |
| MgSO4-7H2O, 1.3 mM | Sigma Aldrich/various | 230391 | |
| CaCl2-2H20, 2.5 mM | Sigma Aldrich/various | C3881 | |
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments |
| Additional compounds used for solutions preparation | |||
| KOH | various | ||
| Kynurenic acid | Sigma Aldrich/various | K3375 | |
References
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