在人体中，经颅前庭电刺激可改善前庭功能。然而，这种效应的发生机制尚不清楚。本文介绍了如何在C57BL/6小鼠的内侧前庭核单个神经元中施加正弦波和随机电噪声刺激，并评估合适的刺激强度。
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本文内容
摘要
摘要
前庭galvanic刺激（GVS）已被证明可改善存在平衡或前庭功能障碍个体的平衡指标。这被认为归因于随机共振（SR）现象，即向非线性系统施加低水平/亚阈值刺激以增强对较弱信号的检测能力。然而，目前尚不清楚SR如何对人体平衡产生积极影响。本研究是首次展示正弦噪声和随机噪声对单个神经元作用的实验之一。通过全细胞膜片钳电生理技术，可将正弦信号和随机噪声直接施加于C57BL/6小鼠内侧前庭核（MVN）中的单个神经元。本文演示了如何确定MVN神经元的阈值，以确保所施加的正弦信号和随机噪声均处于亚阈值水平，并进一步分析这两类噪声对MVN神经元增益的影响。我们发现，亚阈值的正弦噪声和随机噪声可在不影响神经元基础放电频率的前提下，调节MVN中单个神经元的敏感性。
引言
前庭系统（或称平衡系统）通过整合听觉、本体感觉、躯体感觉和视觉信息来调控我们的平衡感。研究表明，前庭系统的功能会随年龄增长而退化，可能导致平衡功能障碍1,2。然而，针对前庭系统功能的治疗方法目前仍十分有限。
已证明前庭电刺激（Galvanic Vestibular Stimulation, GVS）可改善人体的平衡功能、自主神经功能及其他感觉模态3,4,5,6。这些改善被认为归因于随机共振（Stochastic Resonance, SR）现象，即通过施加阈下噪声可增强非线性系统对微弱信号的检测能力7,8。这些研究已证实静态9,10和动态11,12平衡能力以及前庭输出功能测试（如眼反向扭转，Ocular Counter Roll, OCR）的改善13。然而，许多研究采用的刺激参数组合各不相同，例如白噪声9、有色噪声13、不同的刺激频率范围及阈值设定方法。因此，最佳刺激参数仍不明确，本方案有助于确定最有效的参数设置。除刺激参数外，刺激类型本身也对治疗和实验效果具有重要意义。上述在人体中开展的研究使用的是电噪声刺激，而在体内动物实验中则多采用机械14,15或光遗传学16噪声刺激。本方案将采用电噪声刺激来考察其对前庭核的影响。
此前，已有研究在体内对松鼠猴17、栗鼠18、鸡胚15和豚鼠14的初级前庭传入神经应用经前庭刺激（GVS）。然而，这些研究中仅有两项探讨了GVS对初级前庭传入神经增益的影响14,15。这些实验均在体内进行，因此无法确定施加于前庭核的精确刺激模式。据我们所知，仅有一项其他研究在中枢神经系统中对单个酶解分离的神经元施加了随机噪声刺激19。然而，尚无研究在中枢前庭核内开展以评估合适的刺激参数和阈值设定技术，因此本方案能够更精确地确定刺激对前庭核内单个神经元的影响。
本文介绍了如何将正弦波和随机（电）噪声直接施加于内侧前庭核（MVN）的单个神经元，以确定神经元的阈值并测量增益/敏感性的变化。
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方案
所有描述的实验方案均经悉尼大学动物伦理委员会批准（批准协议编号：2018/1308）。
1. 动物
注意：小鼠购自澳大利亚啮齿类动物中心（ARC；澳大利亚珀斯），并饲养于悉尼大学医学基金会大楼动物实验设施中。
- 将小鼠饲养在标准的12小时光照/12小时黑暗循环环境中，并提供环境丰富化措施。
- 所有实验均使用雄性和雌性C57BL/6小鼠（3–5周龄）。
2. 溶液的配制
- 配制1 L人工脑脊液（ACSF），其中包含29 mM NaHCO3、11 mM葡萄糖、120 mM NaCl、3.3 mM KCl、1.4 mM NaH2PO4、2.2 mM MgCl2、2.77 mM CaCl2。
- 配制200 mL蔗糖-人工脑脊液（sACSF），其中包含29 mM NaHCO3、11 mM葡萄糖、241.5 mM蔗糖、3.3 mM KCl、1.4 mM NaH2PO4、2.2 mM MgCl2、2.77 mM CaCl2。在向ACSF和sACSF中加入CaCl2之前，需用碳氧混合气体（95% O2和5% CO2）对溶液进行通气，以调节pH至7.4，防止钙盐沉淀（浑浊）。
- 配制基于K+的细胞内液，成分为70 mM葡萄糖酸钾、70 mM KCl、2 mM NaCl、10 mM HEPES、4 mM EGTA、4 mM Mg2-ATP、0.3 mM Na3-GTP；最终pH为7.3（用KOH调节）。
注意：建议使用0.22 µm滤器过滤细胞内液，并将0.5 mL分装液储存于-20 °C。
3. 脑干的制备
- 在提取脑干之前，用碳氧混合气体平衡sACSF并冷却至-80 °C 25分钟，直至形成冰浆。
- 使用氧气（3 mL/min）饱和的异氟烷（3–5%）麻醉小鼠。待后肢足垫反射消失后，用锋利的不锈钢剪刀剪断小鼠头部。
- 使用剃须刀片（#22 圆头）在皮肤上做矢状切口，暴露颅骨。
- 使用标准剪刀的尖端在人字缝处做一个小切口，然后沿纵裂方向剪开。
- 使用浅弯 Pearson 咬骨钳小心地将成对的顶骨和枕骨向外翻折。
注意： 在整个操作过程中，脑组织持续用预先配制的冰冻sACSF悬液进行原位灌注。 - 使用11号直刃剃刀沿顶枕沟及延髓尾端切开，将脑干从端脑及其骨性包膜中分离出来。
- 将分离的脑干腹侧朝下固定在预先切割好的梯形聚苯乙烯块上。用滤纸条吸除解剖组织周围的多余液体，以确保组织与切片台之间良好粘附。
注意： 将聚苯乙烯块切割成梯形，以确保中脑的吻端能够贴合并逐渐过渡至脊髓。 - 使用氰基丙烯酸酯胶水将连接有脑干的聚苯乙烯块（脑干头端朝下）固定在切片台上。
- 以0.16 mm/s的进给速度和3.00 mm的振动幅度制备 200 µm MVN的横切面切片
注意： 利用Paxinos和Franklin小鼠脑图谱确定前庭内侧核（MVN）的位置（图79–89）20. MVN（图谱中列为MVe）位于第4脑室腹外侧紧邻处th 脑室，并在小脑附着前（下丘与延髓末端之间）达到最大。 - 使用带有塑料包边的移液管将脑片转移至置于充有碳合气的ACSF中的滤纸圆片上 25 °C 记录前至少静置 30 分钟。
4. 仪器
- 使用标准电生理装置进行全细胞膜片钳技术21。
- 使用微电极拉制仪（见材料表）采用两步法程序（加热步骤1：70；加热步骤2：45）制备微电极。当微电极置于浴液中时，其最终电阻应在3–5 MΩ范围内。
注意：所用设置可能因室内温度不同而有所差异，且可能频繁变化。
5. 全细胞膜片钳电生理学
- 为了从内侧前庭核（MVN）的单个神经元获得全细胞膜片钳记录，需在记录电极内使用基于 K+ 的细胞内液。
- 将一片脑组织切片从孵育槽转移至记录槽中，并用尼龙线固定在U形重物上。以3 mL/min的流速持续向记录槽灌流含碳合气的人工脑脊液（ACSF），温度维持在25 °C。
- 将微电极充满细胞内液后，先使用低倍（10x）物镜定位内侧前庭核（MVN）。再切换至高倍（40x）物镜，以识别MVN内的单个神经元。
注意：细胞质量对于获得高质量的记录以及实现全细胞构型时维持细胞的稳定性至关重要。健康的细胞呈球形，细胞膜有光泽，细胞核不可见；状态差的细胞则细胞核明显增大（呈卵形），且细胞出现肿胀或皱缩现象。 - 在电极接触组织前，施加少量正压，以防止碎屑堵塞电极尖端。
- 使用显微操作器将电极移向目标神经元，此时神经元膜上应出现微小凹陷。随后释放正压，并施加少量负压。
- 当封接电阻达到1 GΩ时，通过吸口对电极夹持器施加轻柔、短暂而迅速的正压，以破裂膜片，形成全细胞构型。
- 采用标准技术进行全细胞电流钳记录21,22。
6. 对单个内侧前庭神经核神经元施加正弦波和随机噪声刺激
- 施加振幅范围为 3 至 24 pA 的随机噪声和正弦噪声，以确定神经元的放电阈值和放电频率。
- 通过将较低和较高刺激强度分组，并进行方差分析（ANOVA）以观察是否存在差异，从而确定感觉阈值（如补充图 1所示）。
- 计算在去极化电流脉冲注入（或将要注入）的 10 秒时间段内，每个单独电流水平下的平均放电频率（即共 7 个阶段；图 1）。
- 利用平均放电频率值绘制放电频率-电流关系图，并进行线性回归分析以确定最佳拟合直线的斜率。最佳拟合直线的斜率反映了神经元的增益22。
图1：对照、正弦噪声和随机噪声刺激方案的示意图。（A）施加于前庭神经核（MVN）神经元的对照（无噪声）刺激方案。（B）频率为2 Hz的正弦噪声刺激方案。（C）随机噪声刺激方案，其功率谱的大部分成分≤2 Hz。此处展示的每种刺激方案的振幅均为±6 pA，并叠加10秒的去极化电流，该电流以10 pA为步长递增至50 pA。真实的刺激不包含去极化电流步骤，因此通过这些方案的第一个阶段来确定神经元的增益变化。请点击此处查看该图的放大版本。
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结果
初始记录可提供关于正弦噪声和随机噪声对单个前庭内侧核（MVN）神经元基础放电率的影响信息，以及这些刺激如何影响神经元增益的信息。图2显示，与对照组（无噪声）记录相比，正弦噪声和随机噪声均未改变MVN神经元的基础放电率。该信息对于确定单个神经元的阈值至关重要。在对人类施加经颅前庭电刺激时，需执行感觉阈值测定任务，以确保刺激处于阈下水平13。阈下刺激是随机共振（SR）现象的一个重要组成部分7,8。在体外实验中，该阈值测定任务需采用不同方法进行，目前选择神经元的活动性或基础放电率作为评估指标。这可确保刺激尽可能接近阈下水平，从而与人类研究具有可比性。图2B表明，所选的噪声水平（6 pA）处于阈下状态，因为平均放电率从12 pA（实验阈值）开始才出现上升。该阈值通过客观方法确定，即根据高于（18 和 24 pA）和低于（3 和 6 pA）12 pA阈...
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讨论
经皮前庭电刺激（galvanic vestibular stimulation, GVS）对前庭系统的影响已在人体3,13,23、豚鼠14、啮齿类动物18以及非人灵长类动物24中通过活体实验得到证实。然而，这些研究均未评估电噪声对前庭系统单个神经元敏感性的直接作用。本文首次展示了在体外将随机噪声直接施加于内侧前庭神经核（medial vestibular nucleus, MVN）单个神经元的应用。
直接对单个前庭内侧核（MVN）神经元施加随机噪声的主要目的是确定该噪声是否直接影响神经元的敏感性，从而阐明随机共振（SR）如何影响人类的平衡功能。要观察到随机共振现象，刺激必须低于阈值，以确保单个神经元不会被明显激活7
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披露
作者声明无利益冲突。
致谢
SPS 获得了悉尼大学研究生研究奖学金的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| CaCl | Scharlau | CA01951000 | 用于ACSF和sACSF |
| D-(+)-葡萄糖 | Sigma | G8270 | 用于ACSF和sACSF |
| EGTA | Sigma | E0396-25G | 用于钾基细胞内液 |
| HEPES | Sigma | H3375-25G | 用于钾基细胞内液 |
| KCl | Chem-supply | PA054-500G | 用于ACSF、sACSF和细胞内液 |
| K-葡萄糖酸盐 | Sigma | P1847-100G | 用于钾基细胞内液 |
| Mg-ATP | Sigma | A9187-500MG | 用于钾基细胞内液 |
| MgCl | Chem-supply | MA00360500 | 用于ACSF和sACSF |
| Na3-GTP | Sigma | G8877-100MG | 用于钾基细胞内液 |
| NaCl | Chem-supply | SO02270500 | 用于ACSF和细胞内液 |
| NaH2PO4•2H2O | Ajax | AJA471-500G | 用于ACSF和sACSF |
| NaHCO3 | Sigma | S5761-1KG | 用于ACSF和sACSF |
| 蔗糖 | Chem-supply | SA030-500G | 用于sACSF |
| 异氟烷 | Henry Schein | 1169567762 | 用于小鼠麻醉 |
| 设备 | |||
| 硼硅酸盐玻璃毛细管 | Warner Instruments | GC150T-7.5 | 外径1.5 mm，内径1.16 mm，长度7.5 cm |
| 数据采集软件 | Axograph | 用于电生理记录与分析 | |
| Friedman-Pearson 骨钳 | World Precision Instruments | 14089 | 用于解剖 |
| 微电极拉制仪 | Narishige | PP-830 | 用于制备微电极 |
| 多钳制放大器 | Axon Instruments | 700B | 用于电生理实验 |
| pH计 | Sper Scientific | 860033 | 用于细胞内液配制 |
| 标准型剪刀 | FST | 14028-10 | 用于解剖 |
| Sutter 微操纵器 | Sutter | MP-225/M | 用于电生理实验 |
| 直立显微镜 | Olympus | BX51WI | 用于电生理实验 |
| 振动切片机 | Leica | VT1200 | 用于脑组织切片 |
参考文献
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