Applicazione di rumore stocastico per la valutazione della sensibilità mediale del neurone del nucleo in vitro
Summary
La stimolazione vestibolare galvanica nell’uomo presenta miglioramenti nella funzione vestibolare. Tuttavia, non è noto come si verificano questi effetti. Qui, descriviamo come applicare il rumore elettrico sinusoidale e stocastico e valutare le appropriate ampiezze di stimolo nei singoli neuroni del nucleo vestibolare mediale nel topo C57BL/6.
Abstract
La stimolazione vestibolare galvanica (GVS) ha dimostrato di migliorare le misure di equilibrio negli individui con deficit di equilibrio o vestibolare. Ciò è stato proposto per essere dovuto al fenomeno di risonanza stocastica (SR), che è definito come l’applicazione di uno stimolo di basso livello / sottosoglia a un sistema non lineare per aumentare il rilevamento dei segnali più deboli. Tuttavia, non è ancora noto come la SR mostri i suoi effetti positivi sull’equilibrio umano. Questa è una delle prime dimostrazioni degli effetti del rumore sinusoidale e stocastico sui singoli neuroni. L’utilizzo di elettrofisiologia a morsetto a morsetto a tutta cellula, il rumore sinusoidale e stocastico può essere applicato direttamente ai singoli neuroni nel nucleo vestibolare mediale (MVN) dei topi C57BL/6. Qui dimostriamo come determinare la soglia dei neuroni MVN al fine di garantire che gli stimoli sinusoidali e stocastici siano sottosoglia e da questo, determinare gli effetti che ogni tipo di rumore ha sul guadagno neuronale MVN. Mostriamo che il rumore sinusoidale e stocastico sottosoglia può modulare la sensibilità dei singoli neuroni nel MVN senza influenzare i tassi di cottura basale.
Introduction
Il sistema vestibolare (o equilibrio) controlla il nostro senso dell’equilibrio integrando informazioni uditive, propriocettive, somatosensoriali e visive. È stato dimostrato che la degradazione del sistema vestibolare si verifica in funzione dell’età e può comportare disavanzi di bilancio1,2. Tuttavia, le terapie che mirano al funzionamento del sistema vestibolare sono scarse.
Galvanic Vestibular Stimulation (GVS) ha dimostrato di migliorare le misure di equilibrio, il funzionamento autonomo e altre modalità sensoriali all’interno di esseri umani3,4,5,6. Si dice che questi miglioramenti siano dovuti al fenomeno risonanza stocastica (SR), che è l’aumento del rilevamento di segnali più deboli nei sistemi non lineari attraverso l’applicazione di rumore sottosoglia7,8. Questi studi hanno mostrato miglioramenti nei test statici9,10 e dinamici11,12 di bilanciamento e nei test di output vestibolare come Ocular Counter Roll (OCR)13. Tuttavia, molti di questi studi hanno utilizzato diverse combinazioni di parametri di stimolo come il rumore bianco9, rumore colorato13, diverse gamme di frequenza di stimolo e tecniche di soglia. Pertanto, i parametri di stimolo ottimali rimangono sconosciuti e questo protocollo può aiutare a determinare i parametri più efficaci. Oltre ai parametri di stimolo, il tipo di stimolo è importante anche nell’efficacia terapeutica e sperimentale. Il lavoro di cui sopra negli esseri umani è stato eseguito utilizzando stimoli di rumore elettrico, mentre gran parte del lavoro animale in vivo ha utilizzato stimoli meccanici14,15 o optogenetici16 rumore. Questo protocollo utilizzerà il rumore elettrico per esaminare gli effetti sui nuclei vestiboli.
In precedenza, l’applicazione di GVS per stimolare gli afferenti vestiboli primari era stata eseguita in vivo nelle scimmie scoiattolo17, cincillà18, embrioni di pollo15 e porcellini d’India14. Tuttavia, solo due di questi studi hanno esaminato l’effetto che GVS ha sul guadagno degli afferenti vestiboliprimari primari14,15. Questi esperimenti sono stati eseguiti in vivo, il che significa che non è possibile determinare i modelli precisi di stimolazione imposti ai nuclei vestibolici. A nostra conoscenza, solo un altro studio ha applicato il rumore stocastico ai singoli neuroni enzimaticamente dissociati nel sistema nervoso centrale19. Tuttavia, non sono stati effettuati esperimenti nei nuclei vestiboliri centrali per valutare i parametri di stimolo appropriati e le tecniche di soglia, rendendo questo protocollo più preciso nel determinare gli effetti di stimolo sui singoli neuroni all’interno del vestibolare Nuclei.
Qui, descriviamo come applicare il rumore sinusoidale e stocastico (elettrico) direttamente ai singoli neuroni nel nucleo vestibolare mediale (MVN), determinare la soglia neuronale e misurare i cambiamenti nel guadagno/sensibilità.
Protocol
Representative Results
Discussion
Gli effetti della stimolazione vestibolare galvanica (GVS) sul sistema vestibolare sono stati evidenziati in vivo in esseri umani3,13,23, cavie14, roditori18 e primati non umani24. Tuttavia, nessuno di questi studi ha valutato l’impatto diretto del rumore elettrico sulla sensibilità dei singoli neuroni nel sistema vestibolare. Qui dimostriamo la prima appli…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
SPS è stato sostenuto dalla borsa di studio di ricerca post-laurea dell’Università di Sydney.
Materials
| CaCl | Scharlau | CA01951000 | Used for ACSF and sACSF |
| D-(+)-Glucose | Sigma | G8270 | Used for ACSF and sACSF |
| EGTA | Sigma | E0396-25G | Used for K-based intracellular solution |
| HEPES | Sigma | H3375-25G | Used for K-based intracellular solution |
| KCl | Chem-supply | PA054-500G | Used for ACSF, sACSF and intracellular solution |
| K-gluconate | Sigma | P1847-100G | Used for K-based intracellular solution |
| Mg-ATP | Sigma | A9187-500MG | Used for K-based intracellular solution |
| MgCl | Chem-supply | MA00360500 | Used for ACSF and sACSF |
| Na3-GTP | Sigma | G8877-100MG | Used for K-based intracellular solution |
| NaCl | Chem-supply | SO02270500 | Use for ACSF and intracellular solution |
| NaH2PO4.2H2O | Ajax | AJA471-500G | Used for ACSF and sACSF |
| NaHCO3 | Sigma | S5761-1KG | Used for ACSF and sACSF |
| Sucrose | Chem-supply | SA030-500G | Used for sACSF |
| Isoflurane | Henry Schein | 1169567762 | Used for anaesthetising mice |
| EQUIPMENT | |||
| Borosilicate glass capillaries | Warner instruments | GC150T-7.5 | 1.5mm OD, 1.16mm ID, 7.5cm length |
| Data acquisition software | Axograph | Used for electrophysiology and analysis | |
| Friedmen-Pearson Rongeurs | World precision instruments | 14089 | Used for dissection |
| Micropipette puller | Narishige | PP-830 | Used for micropipette |
| Multiclamp amplifier | Axon instruments | 700B | Used for electrophysiology |
| pH meter | Sper scientific | 860033 | Used for internal solution |
| Standard pattern scissors | FST | 14028-10 | Used for dissection |
| Sutter micromanipulator | Sutter | MP-225/M | Used for electrophysiology |
| Upright microscope | Olympus | BX51WI | Used for electrophysiology |
| Vibratome | Leica | VT1200 | Used for slicing brain tissue |
References
- Amiridis, I. G., Hatzitaki, V., Arabatzi, F. Age-induced modifications of static postural control in humans. Neuroscience Letters. 350 (3), 137-140 (2003).
- Iwasaki, S., Yamasoba, T. Dizziness and imbalance in the elderly: age-related decline in the vestibular system. Aging and disease. 6 (1), (2015).
- Fujimoto, C., et al. Noisy galvanic vestibular stimulation induces a sustained improvement in body balance in elderly adults. Scientific Reports. 6, 37575 (2016).
- Breen, P. P., et al. Peripheral tactile sensory perception of older adults improved using subsensory electrical noise stimulation. Medical Engineering & Physics. 38 (8), 822-825 (2016).
- Yamamoto, Y., Struzik, Z. R., Soma, R., Ohashi, K., Kwak, S. Noisy vestibular stimulation improves autonomic and motor responsiveness in central neurodegenerative disorders. Annals of Neurology. 58 (2), 175-181 (2005).
- Soma, R., Nozaki, D., Kwak, S., Yamamoto, Y. 1/f noise outperforms white noise in sensitizing baroreflex function in the human brain. Physical Review Letters. 91 (7), 078101 (2003).
- Wiesenfeld, K., Moss, F. Stochastic resonance and the benefits of noise: from ice ages to crayfish and SQUIDs. Nature. 373 (6509), 33-36 (1995).
- Moss, F., Ward, L. M., Sannita, W. G. Stochastic resonance and sensory information processing: a tutorial and review of application. Clinical Neurophysiology. 115 (2), 267-281 (2004).
- Goel, R., et al. Using low levels of stochastic vestibular stimulation to improve balance function. PloS one. 10 (8), e0136335 (2015).
- Inukai, Y., et al. Effect of noisy galvanic vestibular stimulation on center of pressure sway of static standing posture. Brain Stimulation: Basic, Translational, and Clinical Research in Neuromodulation. 11 (1), 85-93 (2018).
- Mulavara, A. P., et al. Using low levels of stochastic vestibular stimulation to improve locomotor stability. Frontiers in Systems Neuroscience. 9, 117 (2015).
- Iwasaki, S., et al. Noisy vestibular stimulation increases gait speed in normals and in bilateral vestibulopathy. Brain stimulation. 11 (4), 709-715 (2018).
- Serrador, J. M., Deegan, B. M., Geraghty, M. C., Wood, S. J. Enhancing vestibular function in the elderly with imperceptible electrical stimulation. Scientific Reports. 8 (1), 336 (2018).
- Kim, J., Curthoys, I. S. Responses of primary vestibular neurons to galvanic vestibular stimulation (GVS) in the anaesthetised guinea pig. Brain Research Bulletin. 64 (3), 265-271 (2004).
- Flores, A., et al. Stochastic resonance in the synaptic transmission between hair cells and vestibular primary afferents in development. Neuroscience. 322, 416-429 (2016).
- Huidobro, N., et al. Brownian Optogenetic-Noise-Photostimulation on the Brain Amplifies Somatosensory-Evoked Field Potentials. Frontiers in Neuroscience. 11, 464-464 (2017).
- Goldberg, J., Ferna, C., Smith, C. Responses of vestibular-nerve afferents in the squirrel monkey to externally applied galvanic currents. Brain Research. 252 (1), 156-160 (1982).
- Baird, R., Desmadryl, G., Fernandez, C., Goldberg, J. The vestibular nerve of the chinchilla. II. Relation between afferent response properties and peripheral innervation patterns in the semicircular canals. Journal of Neurophysiology. 60 (1), 182-203 (1988).
- Remedios, L., et al. Effects of Short-Term Random Noise Electrical Stimulation on Dissociated Pyramidal Neurons from the Cerebral Cortex. Neuroscience. 404, 371-386 (2019).
- Paxinos, G., Franklin, K. B. . The mouse brain in stereotaxic coordinates. , (2004).
- Camp, A. J., Callister, R. J., Brichta, A. M. Inhibitory synaptic transmission differs in mouse type A and B medial vestibular nucleus neurons in vitro. Journal of Neurophysiology. 95 (5), 3208-3218 (2006).
- Camp, A., et al. Attenuated glycine receptor function reduces excitability of mouse medial vestibular nucleus neurons. Neuroscience. 170 (1), 348-360 (2010).
- Iwasaki, S., et al. Effect of Noisy Galvanic Vestibular Stimulation on Ocular Vestibular-Evoked Myogenic Potentials to Bone-Conducted Vibration. Front in Neurology. 8, 26 (2017).
- Goldberg, J., Smith, C. E., Fernandez, C. Relation between discharge regularity and responses to externally applied galvanic currents in vestibular nerve afferents of the squirrel monkey. Journal of Neurophysiology. 51 (6), 1236-1256 (1984).
