Поколения и по требованию начало деятельности острый приступ в грызунов и тканей человека
Summary
Острый захват модели имеют важное значение для изучения механизмов лежащие в основе эпилептиформный события. Кроме того способность генерировать эпилептиформный события по запросу предоставляет весьма эффективный метод для изучения точную последовательность событий, лежащие в основе их начала. Здесь мы описываем модели корковых захват острый 4-aminopyridine, создан в ткани человека и мыши.
Abstract
Контроль изъятий остается сложной проблемой для медицинского сообщества. Чтобы добиться прогресса, исследователи нужен способ широко изучать динамику захват и расследовать его основополагающих механизмов. Острый захват модели удобны, предлагают возможность выполнять электрофизиологических записей и может генерировать большой объем электрографические захват как (во) событий. Многообещающие результаты от острой захват модели можно затем передовые модели хронической эпилепсии и клинических испытаний. Таким образом изучая изъятий в острый модели, которые точно повторяют электрографические и динамические подписи клинических конфискации будет необходимо для изготовления клинически значимых выводов. Изучение во события в моделях острый захват, приготовленный из тканей человека также имеет важное значение для создания результатов, которые клинически значимых. Основное внимание в настоящем документе уделяется корковых модель 4-AP благодаря своей универсальности в генерации противоречивых событий, как в естественных условиях , так и в пробирке исследования, а также в мышь и тканей человека. Методы в этом документе будет также описать альтернативный метод индукции захват с помощью нуль-мг2 + модели и предоставляют подробный обзор преимуществ и ограничений эпилептиформный как деятельности, созданных в различных острых захват модели. Кроме того воспользовавшись коммерчески доступных optogenetic мыши штаммов, Бриф (30 мс) светового импульса может использоваться для запуска противоречивых событий, идентичны тем, которые происходят спонтанно. Аналогичным образом 30-100 мс затяжек нейромедиаторов (гамма-амино-масляная кислота или глутамата) может применяться к человеческой ткани, чтобы спровоцировать приступ события, которые идентичны происходит спонтанно. Возможность вызвать приступ события по требованию в модели острого захват предлагает новообретенным способность соблюдать точную последовательность событий, которые лежат в основе динамики инициации захвата и эффективно оценить потенциальные Антиконфискации терапии.
Introduction
Острый захват модели можно успешно воспроизвести электрографические подписей напоминает противоречивых событий, наблюдаемые в электроэнцефалограммы (ЭЭГ) лиц, испытывающих захват. Исследователи используют эти приступ как события (далее именуемая «приступ события») как суррогаты для захвата событий1. Клинически приступ события служат в качестве надежного прокси для захвата событий после изъятия являются неврологическое расстройство, которое исходит от мозга. В группе контроля эпилепсии неврологи полагаться при обнаружении противоречивых событий для подтверждения эпилептогенных область мозга и изолировать его резекции2. В отделение интенсивной терапии врачи контролировать приступ активность оценить если любой захват активность сохраняется в седативных больных3. Управление изъятий остается сложным вопросом для медицинского сообщества, как 30% больных эпилепсией лекарственно доступных лекарств4,5, и 10% медицинских случаев, связанных с наркотиками индуцированной изъятий не реагируют на стандартное лечение3. Это представляет серьезную озабоченность для общества, как 3% ожидается разработка эпилепсией6и 10% американского населения разведано испытать один захват события в их жизни.
Изучая изъятий в хронической эпилепсии модели дорого, трудоемкий и часто принимают месяцев подготовить7. Это также трудно выполнить электрофизиологических записей в свободно перемещающихся животных. Клинические испытания на человеке сталкиваются с аналогичными вопросами, а также дополнительных сложностей, связанных с согласия пациента, изменчивость в участников стола и нравственные и этические соображения участвуют8. Острый захват модели, с другой стороны, являются благоприятными, потому что они являются относительно удобно готовить, экономически эффективным и способны генерировать большие объемы противоречивых событий для изучения9. Кроме того ткань фиксируется в устойчивом положении, поэтому условия являются идеальными для выполнения электрофизиологических записи, необходимые для изучения динамики захват и соответствующих базовых патофизиологии. Острый захват модели остаются благоприятное течение в silico (компьютер) модели, потому что они основаны на биологический материал, состоящий из мозга составляющих нейронной сети со всеми его присущи факторы и синаптическую подключения, которые не могут быть захвачены даже самые подробные компьютер моделирует10. Эти особенности делают острым захват модели poised для того чтобы быть эффективным на скрининг для потенциальных терапий Антиконфискации и сделать предварительные выводы до продвижения их для дальнейшего расследования в модели хронической эпилепсии и клинические испытания.
Как правило острый захват модели являются производными от нормальной ткани мозга, был подвергнут гипер возбудимых условий. Чтобы побудить клинически значимых приступ события в здоровых мозговой ткани, важно понимать, что мозг функционирует оптимально в критическом состоянии11 где возбуждения (E) и ингибирование (I) являются сбалансированным12. Срыв E-я баланса может привести к гипер возбудимых захват государства, в котором осадок во события. Соответственно, в рамках этой концептуальной основы, существуют две основные стратегии для создания противоречивых событий в срезах головного мозга (в пробирке) или в целом мозг (в естественных условиях) препараты: либо уменьшилась ингибирование («растормаживания») или увеличить возбуждение («не расторможенность»). Однако приступ события высоко приказал и синхронизировать события, которые требуют влияние ГАМК интернейронов оркестровать нейронной сети деятельность13,14. По этой причине не расторможенность модели являются наиболее эффективными для генерации противоречивых событий в изолированных нейронных сетей, таких, как в в vitro мозга ломтик15, тогда как в vitro расторможенность модели обычно приводят к пики активности напоминает межприступная как пики. Кроме того в рамках этой концептуальной основы, мгновенный синхронизации событий также надежно может вызвать приступ событий16. В самом деле приступ события могут быть вызваны любые незначительные возмущения, применяется к нервной системы17 , когда она находится в критическом состоянии перехода («раздвоения») точки18. Традиционно эти возмущения были вызваны электрической стимуляции. Однако, недавнее развитие Оптогенетика в неврологии, теперь предлагает стратегию более элегантный побудить критическое состояние переходов16.
Методы, описанные в этой статье демонстрируют, как генерировать приступ события по требованию в модели острого захват в пробирке (шаг 1 из протокола) и в vivo исследований (шаг 2 из протокола). Они включают в себя выбор области мозга, захват индукционного метода, тип исследования и видов; Однако основное внимание будет уделяться рекомендуется выбор модели острого 4-AP корковых захват из-за своей универсальности в самые разнообразные типы изучения. 4-AP захват острой в vitro модель основана на стандартный протокол подготовить срезы мозга высокого качества для электрофизиологических записей и томографии исследования19. Эти протоколы уже использовались сделать в vitro корональных мозга кусочка от соматосенсорные моторной коры мышей16,людей и20 21. Модификации для создания противоречивых событий в этих типах срезы мозга были ранее продемонстрировали16 и все детали описаны в протоколе ниже. 4-AP корковых захват острой в vivo модель основана на стандартный протокол подготовить краниотомии для изображений исследования22. Модификация является, что окно не (стеклянное скольжение) установлена после краниотомии. Вместо этого proconvulsant агентами (4-AP) местно применяются к воздействию коры побудить противоречивых событий, в то время как животное находится под общей анестезией. Насколько нам известно наша группа была первым, чтобы развивать этот острый в vivo корковых захват модели в мышей16,23. Острой в естественных условиях 4-AP корковых изъятия из взрослых мышей была разработана модель для дополнить модель в vitro фрагментов из несовершеннолетних ткани. Репликации выводов взрослых в vivo захват модели позволяет обобщить результаты срез модели, присущие озабоченностей относительно-физиологических условиях ломтиком 2D мозга (по сравнению с объемной целом мозг структура) и физиологические различия между несовершеннолетних и взрослых ткани.
Метод по требованию противоречивых событий посвящения подтверждается с помощью либо затяжек нейротрансмиттеров с picospritzer или optogenetic стратегии. В меру наших знаний наша группа является первым, чтобы инициировать приступ события в тканях человека с помощью нейротрансмиттеров через picospritzer16. Для optogenetic стратегии штамм мышей C57BL/6 является обычным штамм используется для выражения трансгенов. Выражение channelrhodopsin-2 (ChR2) в ГАМК интернейронов или пирамидальных клеток глутаматергические обеспечит Факультативный способность генерировать противоречивых событий по запросу с кратким световых импульсов. Подходит optogenetic мышей штаммов включают коммерчески доступных вариант C57BL/6, который выражает ChR2 в любом интернейронов, с помощью мыши везикулярного ГАМК транспортер активаторных (VGAT)24, или пирамидальных клеток, с помощью мыши вилочковой железы клетки антиген 1 Promotor (Thy1)25. Эти коммерчески доступных VGAT-ChR2 и Thy1-ChR2 мышей предлагают возможность активации ГАМК нейронов или глутаматергические нейронов, соответственно, в коры головного мозга с синим (470 Нм) свет. Способность генерировать противоречивых событий по требованию в модели острого захват может предложить новые возможности для изучения динамики инициации захвата и эффективно оценить потенциальные Антиконфискации терапии.
Protocol
Representative Results
Discussion
Срезы мозга относятся с proconvulsant наркотиков или изменены фаго perfusate увеличить нейросеть в возбудимости и содействовать осадков во события (электрографические захват подобных). Для мышей предпочтительным корональных ломтики области соматосенсорные Мотор должен содержать поясной коры, …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана канадской институтов медицинских исследований (СС 119603 Питер л Карлин и Taufik A. Valiante), Института мозга Онтарио (чтобы Taufik а. Valiante) и Mightex студенческий исследовательский грант (до Майкл Чанг). Мы хотели бы поблагодарить Liam долго за его помощь в съемках видео рукопись. Мы хотели бы признать Paria Baharikhoob, Abeeshan Selvabaskaran и Shadini Dematagoda за их помощь в составлении фигур и таблиц в этой рукописи. 1A цифры, 3А, 4аи 6A являются все оригинальные фигуры, сделанные из данных, опубликованных в Чанг et al. 16.
Materials
| Sodium pentobarbital | N/A | N/A | Purchased through the Toronto Western Hospital's Suppliers |
| 1 mm syringe | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| 25G 5/8” sterile needle | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Single edge razor blade (2x) | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Instant adhesive glue | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Lens paper | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Glass petri dish (2x) | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Splinter forceps (2x) | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| PVC handle micro spatula | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Micro spoon with flat end | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Detailing brush 5/0 | N/A | N/A | Purcahsed from a boutique art store |
| Wide bore transfer pipette | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Dental Tweezer | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Thermometer (digital) | N/A | N/A | Purchased on Amazon.ca |
| Check carbogen tank (95%O2/5%CO2) | N/A | N/A | Purchased through the Toronto Western Hospital's Suppliers |
| Vibratome | Leica | N/A | Purchased through the Toronto Western Hospital's Suppliers |
| brain slice incubation chamber (a.k.a. brain slice keeper) | Scientific Systems Design Inc | N/A | |
| Sodium Chloride (NaCl) | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Sodium Bicarbonate | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Dextrose | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Potassium Chloride (KCl) | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Magnesium Sulfate (MgSO4 H2O) | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Sodium phosphate monobasic monohydrate (HNaPO4·H2O) | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Calcium Chloride (CaCl2·2H2O) | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Sucrose | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
References
- Jefferys, J. G. R. Advances in understanding basic mechanisms of epilepsy and seizures. Seizure. 19 (10), 638-646 (2010).
- Fujiwara, H., et al. Resection of ictal high-frequency oscillations leads to favorable surgical outcome in pediatric epilepsy. Epilepsia. 53 (9), 1607-1617 (2012).
- Chen, H. Y., Albertson, T. E., Olson, K. R. Treatment of drug-induced seizures. British Journal of Clinical Pharmacology. 81 (3), 412-419 (2015).
- Kwan, P., Brodie, M. J. Early Identification of Refractory Epilepsy. New England Journal of Medicine. 342 (5), 314-319 (2000).
- Giussani, G., et al. A population-based study of active and drug-resistant epilepsies in Northern Italy. Epilepsy & Behavior. 55, 30-37 (2016).
- Pellock, J. M. Overview: definitions and classifications of seizure emergencies. Journal of Child Neurology. 22 (5_suppl), 9S-13S (2007).
- Löscher, W. Critical review of current animal models of seizures and epilepsy used in the discovery and development of new antiepileptic drugs. Seizure. 20 (5), 359-368 (2011).
- Jones, R. S., da Silva, A. B., Whittaker, R. G., Woodhall, G. L., Cunningham, M. O. Human brain slices for epilepsy research: Pitfalls, solutions and future challenges. Journal of Neuroscience Methods. 260, 221-232 (2016).
- Castel-Branco, M., Alves, G., Figueiredo, I., Falcão, A., Caramona, M. The maximal electroshock seizure (MES) model in the preclinical assessment of potential new antiepileptic drugs. Methods and Findings in Experimental and Clinical Pharmacology. 31 (2), 101-106 (2009).
- Wendling, F., Bartolomei, F., Modolo, J., Pitkänen, A., Buckmaster, P., Galanopoulou, A. S., Moshé, S. Neocortical/Thalamic In Silico Models of Seizures and Epilepsy. Models of Seizures and Epilepsy. , 233-246 (2017).
- Cocchi, L., Gollo, L. L., Zalesky, A., Breakspear, M. Criticality in the brain: A synthesis of neurobiology, models and cognition. Progress in Neurobiology. 158, 132-152 (2017).
- Xue, M., Atallah, B. V., Scanziani, M. Equalizing excitation-inhibition ratios across visual cortical neurons. Nature. 511 (7511), 596-600 (2014).
- Engel, J. . Seizures and epilepsy. , (2013).
- Panuccio, G., Curia, G., Colosimo, A., Cruccu, G., Avoli, M. Epileptiform synchronization in the cingulate cortex. Epilepsia. 50 (3), 521-536 (2009).
- Avoli, M., de Curtis, M. GABAergic synchronization in the limbic system and its role in the generation of epileptiform activity. Progress in Neurobiology. 95 (2), 104-132 (2011).
- Chang, M., et al. Brief activation of GABAergic interneurons initiates the transition to ictal events through post-inhibitory rebound excitation. Neurobiology of Disease. 109, 102-116 (2018).
- Jiruska, P., et al. High-frequency network activity, global increase in neuronal activity, and synchrony expansion precede epileptic seizures in vitro. The Journal of Neuroscience. 30 (16), 5690-5701 (2010).
- Jirsa, V. K., Stacey, W. C., Quilichini, P. P., Ivanov, A. I., Bernard, C. On the nature of seizure dynamics. Brain. 137 (Pt 8), 2210-2230 (2014).
- Colbert, C. M. Preparation of cortical brain slices for electrophysiological recording. Ion Channels: Methods and Protocols. 337, 117-125 (2006).
- Li, H., Prince, D. A. Synaptic activity in chronically injured, epileptogenic sensory-motor neocortex. Journal of Neurophysiology. 88 (1), 2-12 (2002).
- Köhling, R., Avoli, M. Methodological approaches to exploring epileptic disorders in the human brain in vitro. Journal of Neuroscience Methods. 155 (1), 1-19 (2006).
- Mostany, R., Portera-Cailliau, C. A Craniotomy Surgery Procedure for Chronic Brain Imaging. Journal of Visualized Experiments. (12), e680 (2008).
- Ritter, L. M., et al. WONOEP appraisal: optogenetic tools to suppress seizures and explore the mechanisms of epileptogenesis. Epilepsia. 55 (11), 1693-1702 (2014).
- Zhao, S., et al. Cell type-specific channelrhodopsin-2 transgenic mice for optogenetic dissection of neural circuitry function. Nature Methods. 8 (9), 745-752 (2011).
- 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).
- Heinemann, U., Pitkänen, A., Buckmaster, P., Galanopoulou, A. S., Moshé, S., et al. Brain slices from human resected tissue. Models of Seizures and Epilepsy. , 285-299 (2017).
- Florez, C., et al. In vitro recordings of human neocortical oscillations. Cerebral Cortex. 25 (3), 578-597 (2015).
- Lein, P. J., Barnhart, C. D., Pessah, I. N. Acute hippocampal slice preparation and hippocampal slice cultures. Methods in Molecular Biology. , 115-134 (2011).
- Haas, H. L., Schaerer, B., Vosmansky, M. A simple perfusion chamber for the study of nervous tissue slices in vitro. Journal of Neuroscience Methods. 1 (4), 323-325 (1979).
- Poulton, T. J., Ellingson, R. J. Seizure associated with induction of anesthesia with isoflurane. Anesthesiology: The Journal of the American Society of Anesthesiologists. 61 (4), 471-476 (1984).
- Borris, D. J., Bertram, E. H., Kapur, J. Ketamine controls prolonged status epilepticus. Epilepsy Research. 42 (2-3), 117-122 (2000).
- DeFelipe, J., Alonso-Nanclares, L., Arellano, J. I. Microstructure of the neocortex: comparative aspects. Journal of Neurocytology. 31 (3-5), 299-316 (2002).
- Velasco, A. L., Wilson, C. L., Babb, T. L., Engel, J. Functional and anatomic correlates of two frequently observed temporal lobe seizure-onset patterns. Neural Plasticity. 7 (1-2), 49-63 (2000).
- Vlachos, A., Reddy-Alla, S., Papadopoulos, T., Deller, T., Betz, H. Homeostatic regulation of gephyrin scaffolds and synaptic strength at mature hippocampal GABAergic postsynapses. Cerebral Cortex. 23 (11), 2700-2711 (2012).
- Kirmse, K., et al. GABA depolarizes immature neurons and inhibits network activity in the neonatal neocortex in vivo. Nature Communications. 6, 7750 (2015).
- Stein, V., Hermans-Borgmeyer, I., Jentsch, T. J., Hübner, C. A. Expression of the KCl cotransporter KCC2 parallels neuronal maturation and the emergence of low intracellular chloride. Journal of Comparative Neurology. 468 (1), 57-64 (2004).
- Wong, B. Y., Prince, D. A. The lateral spread of ictal discharges in neocortical brain slices. Epilepsy Research. 7 (1), 29-39 (1990).
- Trevelyan, A. J., Sussillo, D., Watson, B. O., Yuste, R. Modular propagation of epileptiform activity: evidence for an inhibitory veto in neocortex. Journal of Neuroscience. 26 (48), 12447-12455 (2006).
- Brahma, B., Forman, R., Stewart, E., Nicholson, C., Rice, M. Ascorbate inhibits edema in brain slices. Journal of Neurochemistry. 74 (3), 1263-1270 (2000).
- MacGregor, D. G., Chesler, M., Rice, M. E. HEPES prevents edema in rat brain slices. Neuroscience Letters. 303 (3), 141-144 (2001).
- Ting, J. T., Daigle, T. L., Chen, Q., Feng, G., Martina, M., Taverna, S. Acute brain slice methods for adult and aging animals: Application of targeted patch clamp analysis and optogenetics. Patch-clamp Methods and Protocols. , 221-242 (2014).
- Swartzwelder, H. S., Lewis, D., Anderson, W., Wilson, W. Seizure-like events in brain slices: suppression by interictal activity. Brain Research. 410 (2), 362-366 (1987).
- Lees, G., Stöhr, T., Errington, A. C. Stereoselective effects of the novel anticonvulsant lacosamide against 4-AP induced epileptiform activity in rat visual cortex in vitro. Neuropharmacology. 50 (1), 98-110 (2006).
