Summary

Tuning i Hippocampal Theta Band<em> In Vitro</em>: Metoder til optagelse fra den isolerede gnagere Septohippocampal Circuit

Published: August 02, 2017
doi:

Summary

Her præsenterer vi en protokol til optagelse af rytmisk neuronalt netværk theta og gamma oscillationer fra et isoleret hele hippocampal præparat. Vi beskriver de eksperimentelle trin fra udvindingen af ​​hippocampus til detaljer af felt-, enheds- og helcelle-patch-klemmeoptagelser samt optogenetisk pacing af theta-rytmen.

Abstract

Denne protokol beskriver fremgangsmåderne til fremstilling og registrering fra den isolerede hele hippocampus, af WT og transgene mus sammen med nylige forbedringer i metoder og anvendelser til undersøgelsen af ​​theta-oscillationer. En simpel karakterisering af det isolerede hippocampale præparat præsenteres, hvorved forholdet mellem interne hippocampale theta-oscillatorer undersøges sammen med aktiviteten af ​​pyramidale celler og GABAergiske interneuroner af cornu ammoni-1 (CA1) og subikulum (SUB) områder. Samlet viser vi, at den isolerede hippocampus er i stand til at generere indre theta-oscillationer in vitro, og at rytmicitet frembragt inden for hippocampus kan manipuleres nøjagtigt ved optogenetisk stimulering af parvalbumin-positive (PV) interneuroner. Det in vitro- isolerede hippocampale præparat giver en enestående mulighed for at anvende samtidige felt- og intracellulære patch-clamp-optagelser fra visuelt identificeret neuRons for bedre at forstå mekanismerne bagved theta rytmegenerering.

Introduction

Hippokampale theta-oscillationer (4-12 Hz) er blandt de mest fremtrædende former for rytmisk aktivitet i pattedyrs hjernen og antages at spille centrale roller i kognitive funktioner som behandling af spatiotemporale oplysninger og dannelse af episodiske minder 1 , 2 , 3 . Mens flere in vivo- undersøgelser, der fremhæver forholdet mellem theta-modulerede stedceller med rumlig navigation og læsionsundersøgelser samt kliniske beviser, understøtter synspunktet om, at hippocampale theta-oscillationer er involveret i hukommelsesdannelse 4 , 5 , 6 , de mekanismer, der er forbundet Med generering af hippocampale theta-oscillationer er stadig ikke fuldt ud forstået. Tidlige in vivo undersøgelser foreslog, at theta-aktivitet hovedsageligt afhænger af ekstrinsiske oscillatorer, især rytmisk inputFra afferente hjerne strukturer såsom septum og entorhinal cortex 7 , 8 , 9 , 10 . En rolle for indre faktorer – intern tilslutning af hippocampale neurale netværk sammen med egenskaberne af hippocampale neuroner – blev også postuleret på basis af in vitro observationer 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 . Men bortset fra nogle få landmærkeundersøgelser 19 , 20 , 21 er der vanskeligheder med at udvikle fremgangsmåder, som kunne replikere fysiologisk realistiske befolkningsaktiviteter i simpel in vitro- skiveforberedelseS har i lang tid forsinket mere detaljeret forsøgsundersøgelse af hippocampus 'indbyggede evner og relaterede områder til selvfrembringende theta-oscillationer.

En vigtig ulempe ved standard in vitro -tyndskiveeksperimentelle indstillinger er, at den 3D-cellulære og synaptiske organisation af hjernestrukturer sædvanligvis kompromitteres. Det betyder, at mange former for samordnede netværksaktiviteter baseret på rumligt fordelte celleanlæg, der spænder fra lokaliserede grupper (≤1 mm radius) til populationer af neuroner spredt over en eller flere hjerneområder (> 1 mm), ikke kan understøttes. I betragtning af disse overvejelser var der behov for en anden type tilgang til at studere, hvordan theta-svingninger dukker op i hippocampus og former for relaterede cortical og subcortical output strukturer.

I de senere år har den indledende udvikling af "komplet septo-hippocampal" -præparatet til at undersøge tovejsinteraCtioner af de to strukturer 22 og den efterfølgende udvikling af det "isolerede hippocampus" -præparat har vist, at intrinsiske theta-oscillationer forekommer spontant i hippocampus, der mangler ekstern rytmisk indgang 23 . Værdien af ​​disse fremgangsmåder ligger på den indledende indsigt, at hele den funktionelle struktur af disse regioner skulle bevares for at fungere som en theta-rytmegenerator in vitro 22 .

Protocol

Alle procedurer er blevet udført i henhold til protokoller og retningslinjer godkendt af McGill University Animal Care Committee og Det Canadiske Råd for Dyrlæge. 1. Akut Hippocampus In Vitro Præparat BEMÆRK: Isolering af det intakte hippocampale præparat involverer tre hovedtrin: (1) Forberedelse af opløsninger og udstyr, (2) Dippektion af hippocampus og (3) Opsætning af det hurtige perfusionshastighedssystem, som er nødvendigt for generering af …

Representative Results

Dette afsnit illustrerer eksempler på resultater, som kan opnås ved at studere theta-oscillationer i det mus-isolerede hippocampale præparat in vitro . Dissektionsproceduren til ekstraktion af den isolerede hippocampus er illustreret i figur 1 . Ved anvendelse af dette præparat kan intrinsiske theta-oscillationer undersøges under placering af multiple feltelektroder, optagelse af overordnet aktivitet og synkroniserede synaptiske input til…

Discussion

Mens elektrofysiologiske optagelser fra akutte hippocampale skiver udgør en standard in vitro- teknik, adskiller de her fremlagte metoder sig væsentligt fra den klassiske tilgang. I modsætning til de tynde skivepræparater, hvor specifikke cellelag er synlige på overfladen og kan undersøges direkte, er de intakte hippocampale præparater mere beslægtede med in vivo konfigurationer, hvor elektroder sænkes til målrettede hjerneområder, mens de krydser gennem individuelle lag. Hippocampus integri…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet af de canadiske institutter for sundhedsforskning og naturvidenskab.

Materials

Reagents
Sodium Chloride Sigma Aldrich S9625
Sucrose Sigma Aldrich S9378
Sodium Bicarbonate Sigma Aldrich S5761
NaH2PO4 – sodium phosphate monobasic Sigma Aldrich S8282
Magnesium sulfate Sigma Aldrich M7506
Potassium Chloride Sigma Aldrich P3911
D-(+)-Glucose Sigma Aldrich G7528
Calcium chloride dihydrate Sigma Aldrich C5080
Sodium Ascorbate Sigma Aldrich A7631-25G
Name Company Catalog Number Comments
Equipment
Standard Dissecting Scissors Fisher Scientific 08-951-25 brain extraction
Scalpel Handle #4, 14cm WPI 500237 brain extraction
Filter forceps, flat jaws, straight (11cm) WPI 500456 brain extraction
Paragon Stainless Steel Scalpel Blades #20 Ultident 02-90010-20 brain extraction
Fine Point Curved Dissecting Scissors Thermo Fisher Scientific 711999 brain extraction
Teflon (PTFE) -coated thin spatula VWR 82027-534 hippocampal preparation
Hayman Style Microspatula Fisher Scientific 21-401-25A hippocampal preparation
Lab spoon Fisher Scientific 14-375-20 hippocampal preparation
Borosilicate Glass Pasteur Pipets Fisher Scientific 13-678-20A hippocampal preparation
Droper Fisher Scientific hippocampal preparation
Razor blades Single edged VWR 55411-055 hippocampal preparation
Lens paper (4X6 inch) VWR 52846-001 hippocampal preparation
Glass petri dishes (100 x 20 mm) VWR 25354-080 hippocampal preparation
Plastic tray for ice; size 30 x 20 x 5 cm n.a. n.a. hippocampal preparation
Single Inline Solution Heater Warner Instruments SH-27B perfusion system
Aquarium air stones for bubbling n.a. n.a. perfusion system
Tygon E-3603 tubing (ID 1/16 OD 1/8) Fisherbrand 14-171-129 perfusion system
Electric Skillet Black & Decker n.a. perfusion system
95% O2/5% CO2 gas mixture (carbogen)  Vitalaire SG466204A perfusion system
Glass bottles/flasks (4 x 1 L) n.a. n.a. perfusion system
Submerged recording Chamber custom design (FM) n.a. Commercial alternative may be used
Glass pipettes (1.5 / 0.84 OD/ID (mm) ) WPI 1B150F-4 electrophysiology
Hum Bug 50/60 Hz Noise Eliminator Quest Scientific Q-Humbug electrophysiology
Multiclamp 700B patch-clamp amplifier Molecular devices MULTICLAMP electrophysiology
Multiclamp 700B Commander Program Molecular devices MULTICLAMP electrophysiology
Digital/Analogue converter Molecular devices DDI440 electrophysiology
PCLAMP10 Molecular devices PCLAMP10 electrophysiology
Vibration isolation table  Newport n.a. electrophysiology
Micromanipulators (manually operated ) Siskiyou  MX130 electrophysiology (LFP)
Micromanipulators (automated) Siskiyou  MC1000e electrophysiology (patch)
Audio monitor  A-M Systems Model 3300 electrophysiology
Micropipette/Patch pipette puller Sutter P-97 electrophysiology
Custom-built upright fluorescence microscope Siskiyou n.a. Imaging
Analogue video camera COHU 4912-2000/0000 Imaging
Digital frame grabber with imaging software EPIX, Inc PIXCI-SV7 Imaging
Olympus 2.5x objective Olympus MPLFLN Imaging
Olympus 40x water immersion objective Olympus UIS2 LUMPLFLN Imaging
Custom-made light-emitting diode (LED) system  custom n.a. optogenetic stimulation (Amhilon et al., 2015)
Name Company Catalog Number Comments
Animals
PV::Cre (KI) mice Jackson Laboratory stock number 008069 Allow  Cre-directed gene expression in PV interneurons
Constitutive-conditional Ai9 mice (R26-lox-stop-lox-tdTomato (KI)) Jackson Laboratory stock number 007905 Express TdTomato following Cre-mediated recombination
Ai32 mice (R26-lox-stop-lox-ChR2(H134R)-EYFP Jackson Laboratory stock
number 012569
Express the improved channelrhodopsin-2/EYFP fusion protein following exposure to Cre recombinase
PVChY mice In house breeding n.a. Offspring obtained from cross-breeding the PV-Cre line with Ai32 mice (R26-lox-stop-lox-ChR2(H134R)-EYFP

References

  1. Buzsaki, G. Theta rhythm of navigation: link between path integration and landmark navigation, episodic and semantic memory. Hippocampus. 15 (7), 827-840 (2005).
  2. Sanders, H., Renno-Costa, C., Idiart, M., Lisman, J. Grid Cells and Place Cells: An Integrated View of their Navigational and Memory Function. Trends Neurosci. 38 (12), 763-775 (2015).
  3. O’Keefe, J., Recce, M. L. Phase relationship between hippocampal place units and the EEG theta rhythm. Hippocampus. 3 (3), 317-330 (1993).
  4. Winson, J. Loss of hippocampal theta rhythm results in spatial memory deficit in the rat. Science. 201 (4351), 160-163 (1978).
  5. M’Harzi, M., Jarrard, L. E. Strategy selection in a task with spatial and nonspatial components: effects of fimbria-fornix lesions in rats. Behav Neural Biol. 58 (3), 171-179 (1992).
  6. Osipova, D., et al. Theta and gamma oscillations predict encoding and retrieval of declarative memory. J Neurosci. 26 (28), 7523-7531 (2006).
  7. Stumpf, C., Petsche, H., Gogolak, G. The significance of the rabbit’s septum as a relay station between the midbrain and the hippocampus. II. The differential influence of drugs upon both the septal cell firing pattern and the hippocampus theta activity. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 14, 212-219 (1962).
  8. Mitchell, S. J., Ranck, J. B. Generation of theta rhythm in medial entorhinal cortex of freely moving rats. Brain Res. 189 (1), 49-66 (1980).
  9. Alonso, A., Garcia-Austt, E. Neuronal sources of theta rhythm in the entorhinal cortex of the rat. I. Laminar distribution of theta field potentials. Exp Brain Res. 67 (3), 493-501 (1987).
  10. Vertes, R. P., Kocsis, B. Brainstem-diencephalo-septohippocampal systems controlling the theta rhythm of the hippocampus. Neuroscience. 81 (4), 893-926 (1997).
  11. Bland, B. H., Colom, L. V., Konopacki, J., Roth, S. H. Intracellular records of carbachol-induced theta rhythm in hippocampal slices. Brain Res. 447 (2), 364-368 (1988).
  12. Cobb, S. R., Buhl, E. H., Halasy, K., Paulsen, O., Somogyi, P. Synchronization of neuronal activity in hippocampus by individual GABAergic interneurons. Nature. 378 (6552), 75-78 (1995).
  13. Williams, J. H., Kauer, J. A. Properties of carbachol-induced oscillatory activity in rat hippocampus. J Neurophysiol. 78 (5), 2631-2640 (1997).
  14. Chapman, C. A., Lacaille, J. C. Cholinergic induction of theta-frequency oscillations in hippocampal inhibitory interneurons and pacing of pyramidal cell firing. J Neurosci. 19 (19), 8637-8645 (1999).
  15. Strata, F. Intrinsic oscillations in CA3 hippocampal pyramids: physiological relevance to theta rhythm generation. Hippocampus. 8 (6), 666-679 (1998).
  16. Kocsis, B., Bragin, A., Buzsaki, G. Interdependence of multiple theta generators in the hippocampus: a partial coherence analysis. J Neurosci. 19 (14), 6200-6212 (1999).
  17. Fellous, J. M., Sejnowski, T. J. Cholinergic induction of oscillations in the hippocampal slice in the slow (0.5-2 Hz), theta (5-12 Hz), and gamma (35-70 Hz) bands. Hippocampus. 10 (2), 187-197 (2000).
  18. Gillies, M. J., et al. A model of atropine-resistant theta oscillations in rat hippocampal area CA1. J Physiol. 543 (Pt 3), 779-793 (2002).
  19. Gloveli, T., et al. Orthogonal arrangement of rhythm-generating microcircuits in the hippocampus. Proc Natl Acad Sci U S A. 102 (37), 13295-13300 (2005).
  20. Konopacki, J., Eckersdorf, B., Kowalczyk, T., Golebiewski, H. Firing cell repertoire during carbachol-induced theta rhythm in rat hippocampal formation slices. Eur J Neurosci. 23 (7), 1811-1818 (2006).
  21. Hajos, N., et al. Maintaining network activity in submerged hippocampal slices: importance of oxygen supply. Eur J Neurosci. 29 (2), 319-327 (2009).
  22. Manseau, F., Goutagny, R., Danik, M., Williams, S. The hippocamposeptal pathway generates rhythmic firing of GABAergic neurons in the medial septum and diagonal bands: an investigation using a complete septohippocampal preparation in vitro. J Neurosci. 28 (15), 4096-4107 (2008).
  23. Goutagny, R., Jackson, J., Williams, S. Self-generated theta oscillations in the hippocampus. Nat Neurosci. 12 (12), 1491-1493 (2009).
  24. Jackson, J., Goutagny, R., Williams, S. Fast and slow gamma rhythms are intrinsically and independently generated in the subiculum. J Neurosci. 31 (34), 12104-12117 (2011).
  25. Amilhon, B., et al. Parvalbumin Interneurons of Hippocampus Tune Population Activity at Theta Frequency. Neuron. 86 (5), 1277-1289 (2015).
  26. Huh, C. Y., et al. Excitatory Inputs Determine Phase-Locking Strength and Spike-Timing of CA1 Stratum Oriens/Alveus Parvalbumin and Somatostatin Interneurons during Intrinsically Generated Hippocampal Theta Rhythm. J Neurosci. 36 (25), 6605-6622 (2016).
  27. Gu, N., et al. NMDA-dependent phase synchronization between septal and temporal CA3 hippocampal networks. J Neurosci. 33 (19), 8276-8287 (2013).
  28. Jackson, J., et al. Reversal of theta rhythm flow through intact hippocampal circuits. Nat Neurosci. 17 (10), 1362-1370 (2014).
  29. Gonzalez-Burgos, G., Lewis, D. A. GABA neurons and the mechanisms of network oscillations: implications for understanding cortical dysfunction in schizophrenia. Schizophr Bull. 34 (5), 944-961 (2008).

Play Video

Cite This Article
Manseau, F., Williams, S. Tuning in the Hippocampal Theta Band In Vitro: Methodologies for Recording from the Isolated Rodent Septohippocampal Circuit. J. Vis. Exp. (126), e55851, doi:10.3791/55851 (2017).

View Video