Gecombineerde infusie en stimulatie met Fast-Scan cyclische voltammetrie (CIS-FSCV) om ventrale tegmentale gebiedsreceptorregulatie van fasische dopamine te beoordelen
Summary
Het doel van dit protocol is om ventrale tegmentale gebiedsreceptoren direct te manipuleren om hun bijdrage aan subseconde dopamine-afgifte te bestuderen.
Abstract
Fasische dopamine (DA) afgifte van het ventrale tegmentale gebied (VTA) naar de nucleus accumbens speelt een cruciale rol bij beloningsverwerking en reinforcement learning. Begrijpen hoe de diverse neuronale inputs in de VTA-controlefasische DA-release een beter beeld kunnen geven van de circuits die beloningsverwerking en reinforcement learning regelen. Hier beschrijven we een methode die intra-VTA canule-infusies van farmacologische agonisten en antagonisten combineert met stimulatie-opgeroepen fasische DA-afgifte (gecombineerde infusie en stimulatie, of CIS) zoals gemeten door in vivo fast-scan cyclische voltammetrie (FSCV). Met behulp van CIS-FSCV bij verdoofde ratten kan een fasische DA-respons worden opgeroepen door de VTA elektrisch te stimuleren met een bipolaire elektrode uitgerust met een canule tijdens het opnemen in de nucleus accumbens-kern. Farmacologische agonisten of antagonisten kunnen direct op de stimulatieplaats worden toegediend om de rol van specifieke VTA-receptoren bij het stimuleren van fasische DA-afgifte te onderzoeken. Een groot voordeel van CIS-FSCV is dat de VTA-receptorfunctie in vivo kan worden bestudeerd, voortbouwend op in vitro studies.
Introduction
Fasische dopamine (DA) afgifte van het ventrale tegmentale gebied (VTA) naar de nucleus accumbens (NAc) speelt een vitale rol in beloningsgerelateerd gedrag. VTA DA-neuronen schakelen over van een tonisch-achtige vuren (3-8 Hz) naar een burst-achtige vuren (>14 Hz)1, die fasische DA-afgifte in de NAc produceert. De VTA drukt een verscheidenheid aan somatodendritische receptoren uit die goed gepositioneerd zijn om de omschakeling van tonisch naar burst-firing2,3,4,5te regelen. Het identificeren van welke van deze receptoren, en hun respectieve ingangen, de fasische DA-afgifte regelen, zal ons begrip van hoe de beloningsgerelateerde circuits zijn georganiseerd, verdiepen. Het doel van de hier beschreven methodologie, gecombineerd met infusie en stimulatie met fast-scan cyclische voltammetrie (CIS-FSCV), is om snel en robuust de functionaliteit van VTA-receptoren bij het aansturen van fasische DA-afgifte te beoordelen.
De term gecombineerde infusie en stimulatie (CIS) verwijst naar het farmacologisch manipuleren van receptoren op een groep neuronen (hier de VTA) en het stimuleren van die neuronen om de functie van de receptor te bestuderen. Bij de verdoofde rat stimuleren we elektrisch de VTA om een groot fasisch DA-signaal (1-2 μM) in de NAc-kern op te roepen, zoals gemeten door fast-scan cyclische voltammetrie (FSCV). Infusies van farmacologische geneesmiddelen (d.w.z. receptoragonisten / antagonisten) op de stimulatieplaats kunnen worden gebruikt om de functie van VTA-receptoren te meten door de daaropvolgende verandering in de opgeroepen fasische DA-afgifte te observeren. FSCV is een elektrochemische benadering die zowel een hoge ruimtelijke (50-100 μm) als temporele (10 Hz) resolutie heeft, en is zeer geschikt om beloningsgerelateerde, faseuze DA-gebeurtenissen6,7te meten. Deze resolutie is fijner dan andere in vivo neurochemische metingen, zoals microdialyse. Dus, samen, CIS-FSCV is zeer geschikt om VTA receptor regulatie van fasische dopamine afgifte te beoordelen.
Een veel voorkomende manier om de VTA-receptorfunctie te onderzoeken, is door een combinatie van elektrofysiologische benaderingen te gebruiken die aanpakken hoe die receptoren de vuursnelheid van neuronenveranderen 1,8. Deze studies zijn zeer waardevol om te begrijpen welke receptoren betrokken zijn bij het aansturen van DA-vuur bij activering. Deze studies kunnen echter alleen suggereren wat er stroomafwaarts zou kunnen gebeuren bij de axonterminal (d.w.z. afgifte van een neurotransmitter). CIS-FSCV bouwt voort op deze elektrofysiologische studies door te antwoorden hoe de output van VTA burst-firing, fasische DA-afgifte, wordt gereguleerd door receptoren op VTA-dendrieten en cellichamen. CIS-FSCV is dus zeer geschikt om voort te bouwen op deze elektrofysiologische studies. Als voorbeeld, nicotinereceptoractivatie kan burst-firing induceren in de VTA9,en CIS-FSCV in de verdoofde rat werd gebruikt om aan te tonen dat nicotine-acetylcholinereceptor (nAChR) activering in de VTA ook fasische DA-afgifte in de NAc10,11regelt.
Mechanistisch onderzoek van fasische DA-regulatie wordt ook vaak bestudeerd met behulp van plakpreparaten naast het in bad brengen van geneesmiddelen. Deze studies richten zich vaak op de presynaptische regulatie van fasische DA-afgifte uit dopamineterminals, omdat de cellichamen vaak uit de plak12worden verwijderd . Deze preparaten zijn waardevol voor het bestuderen van presynaptische receptoreffecten op dopamineterminals, terwijl CIS-FSCV beter geschikt is om somatodendritische receptoreffecten op dopamineneuronen te bestuderen, evenals presynaptische inputs voor de VTA. Dit onderscheid is belangrijk, omdat somatodendritische receptoractivering in de VTA een ander effect kan hebben dan NAc presynaptische receptoractivering. Inderdaad, het blokkeren van dopaminerge presynaptische nAChRs in de NAc kan de fasische dopamineafgifte tijdens burst-firing13verhogen, terwijl het tegenovergestelde waar is bij VTA somatodendritc nAChRs10,11.
CIS-FSCV is een ideale aanpak voor het bestuderen van het vermogen van VTA-receptoren om de fasische DA-afgifte te reguleren. Belangrijk is dat deze aanpak kan worden uitgevoerd bij een intacte rat, verdoofd of vrij bewegend. Deze aanpak is geschikt voor acute studies, om de receptorfunctie in de uitgangstoestand10,14 tebestuderen,evenals langetermijnstudies die functionele veranderingen in een receptor kunnen beoordelen na blootstelling aan geneesmiddelen of gedragsmanipulatie11,15.
Protocol
Representative Results
Discussion
CIS-FSCV biedt een unieke kans om VTA-receptormechanismen te onderzoeken die ten grondslag liggen aan fasische DA-afgifte. Er zijn twee cruciale stappen om een goede registratie te garanderen. Eerst moet een stabiele basislijnregistratie worden bereikt, met weinig afwijking in het opgeroepen DA-signaal. Een belangrijke manier om de kans op een stabiele opname te vergroten, is ervoor te zorgen dat de elektrode voldoende tijd heeft gehad om te fietsen op zowel 60 Hz als 10 Hz (meestal 15 minuten bij 60 Hz en 10 minuten bij…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Het werk werd ondersteund door Elizabethtown College (R.J.W, M.L., en L.M.), door een NSF Graduate Fellowship (R.J.W.) en door de Yale School of Medicine (N.A.).
Materials
| Electrode Filling Solution/Supplies | |||
| Micropipette | World Precision Instruments | MF286-5 (28 gauge) | |
| Potassium Acetate | Sigma | 236497-100G | |
| Potassium Chloride | Sigma | P3911-25G | |
| Electrode Supplies | |||
| Carbon fiber | Thornel | T650 | |
| Electrode puller | Narishige International | PE-22 | Note: horizontal pullers can be used as well |
| Glass capillary | A-M systems | 626000 | |
| Insulated wires for electrodes | Weico Wire and Cable Incorporated | UL 1423 | Length; 10 cm; diameter,0.4mm; must get custom made; insulated material should cover 5 cm of the wire |
| Light Microscope (for viewing and cutting electrode) | Fischer Scientific | M3700 | |
| Pin | Phoenix Enterprises | HWS1646 | To be soldered onto the insuled electrode wire and reference electrode; connects to headstage |
| Putty | Alcolin | 23922-1003 | Used to place electrode on while cutting the carbon fiber |
| Scalpal Blade | World Precision Instruments | 500239 | For cutting carbon fiber to the apprpriate length |
| Silver Wire | Sigma | 327026-4G | |
| FSCV Hardware/Software | |||
| Faraday Cage | U-Line | H-3618 (36" x 24" x 42") | |
| Potentiostat | Univ. of N. Carolina, Electronics Facility | ||
| Stimulating electrode | PlasticsOne | MS303/2-A/SPC | when ordering, request a 22 mm cut below pedestal |
| TarHeel HDCV Software | University of North Carolina-Chapel Hill | – | https://chem.unc.edu/critcl-main/criticl-electronics/criticl-electronics-hardware/ for ordering information |
| UEI breakout box | Univ. of N. Carolina, Electronics Facility | https://chem.unc.edu/critcl-main/criticl-electronics/criticl-electronics-hardware/ for ordering information | |
| UEI power supply | Univ. of N. Carolina, Electronics Facility | https://chem.unc.edu/critcl-main/criticl-electronics/criticl-electronics-hardware/ for ordering information | |
| Stimulator Hardware | |||
| Neurolog stimulus isolator | Digitimer Ltd. | DS4 | Neurolog 800A |
| Infusion/Stimulation Supplies | |||
| Infusion Pump | New Era Syringe Pump | NE-300 | |
| Internal Cannula | PlasticsOne | C315I/SPC INTERNAL 33GA | |
| Microliter Syringe | Hamilton | 80308 | |
| Tubing | PlasticsOne | C313CT/ PKG TUBING 023 X 050 PE50 | |
| Surgical Supplies | |||
| Cannula Holder | Kopf Instruments | 1776 P-1 | |
| Cotton Tip Applicators | Vitality Medical | 806 | |
| Electrode Holder | Kopf Instruments | 1770 | |
| Heating Pad | Kent Scientific | RT-0501 | |
| Povidone Iodine | Vitality Medical | 29906-004 | |
| Screws | Stoelting | Bone Anchor Screws/Pkg.of 100 | 1.59 mm O.D., 3.2 mm long |
| Silver wire reference with AgCl | InVivo Metric | E255A | |
| Square Gauze | Vitality Medical | 441408 | |
| Stereotax | Kopf Instruments | Model 902 (Dual Arm Bar) | |
| Histological Supplies | |||
| Formulin | Sigma | 1004960700 | |
| Power supply | BK Precision | 9110 | |
| Sucrose | Sigma | 80497 | |
| Tungsten microelectrode | MicroProbes | WE30030.5A3 | |
| Drugs for infusions | |||
| ((2R)-amino-5-phosphonovaleric acid | Sigma Aldrich | A5282 | |
| N-methyl-D-aspartate | Sigma Aldrich | M3262 | |
| Mecamylamine hydrochloride (M9020-5mg) | Sigma Aldrich | M9020 | |
| Scopolamine hydrobromide (S0929-1g) | Sigma Aldrich | S0929 |
References
- Grace, A. A., Bunney, B. S. The control of firing pattern in nigral dopamine neurons: burst firing. Journal of Neuroscience. 4 (11), 2877-2890 (1984).
- Lester, D. B., et al. Midbrain acetylcholine and glutamate receptors modulate accumbal dopamine release. Neuroreport. 19 (9), 991-995 (2008).
- Lodge, D. J., Grace, A. A. The laterodorsal tegmentum is essential for burst firing of ventral tegmental area dopamine neurons. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 103 (13), 5167-5172 (2006).
- Li, C., et al. Mu Opioid Receptor Modulation of Dopamine Neurons in the Periaqueductal Gray/Dorsal Raphe: A Role in Regulation of Pain. Neuropsychopharmacology. 41 (8), 2122-2132 (2016).
- Zhang, H. Y., et al. Expression of functional cannabinoid CB2 receptor in VTA dopamine neurons in rats. Addiction Biology. 22 (3), 752-765 (2017).
- Wickham, R. J., et al. Advances in studying phasic dopamine signaling in brain reward mechanisms. Frontiers in Bioscience. 5, 982-999 (2013).
- Wightman, R. M., et al. Monitoring of transmitter metabolites by voltammetry in cerebrospinal fluid following neural pathway stimulation. Nature. 262 (5564), 145-146 (1976).
- Grace, A. A., Bunney, B. S. The control of firing pattern in nigral dopamine neurons: single spike firing. Journal of Neuroscience. 4 (11), 2866-2876 (1984).
- Mameli-Engvall, M., et al. Hierarchical control of dopamine neuron-firing patterns by nicotinic receptors. Neuron. 50 (6), 911-921 (2006).
- Wickham, R., et al. Ventral tegmental area alpha6beta2 nicotinic acetylcholine receptors modulate phasic dopamine release in the nucleus accumbens core. Psychopharmacology. 229 (1), 73-82 (2013).
- Solecki, W., et al. Differential role of ventral tegmental area acetylcholine and N-methyl-D-aspartate receptors in cocaine-seeking. Neuropharmacology. 75, 9-18 (2013).
- John, C. E., Jones, S. R., Michael, A. C., Borland, L. M. Fast Scan Cyclic Voltammetry of Dopamine and Serotonin in Mouse Brain Slices. Electrochemical Methods for Neuroscience. , (2007).
- Rice, M. E., Cragg, S. J. Nicotine amplifies reward-related dopamine signals in striatum. Nature Neuroscience. 7 (6), 583-584 (2004).
- Espana, R. A., et al. Hypocretin 1/orexin A in the ventral tegmental area enhances dopamine responses to cocaine and promotes cocaine self-administration. Psychopharmacology. 214 (2), 415-426 (2011).
- Addy, N. A., et al. The L-type calcium channel blocker, isradipine, attenuates cue-induced cocaine-seeking by enhancing dopaminergic activity in the ventral tegmental area to nucleus accumbens pathway. Neuropsychopharmacology. 43 (12), 2361-2372 (2018).
- Hermans, A., Wightman, R. M. Conical tungsten tips as substrates for the preparation of ultramicroelectrodes. Langmuir. 22 (25), 10348-10353 (2006).
- Borland, L. M., Michael, A. C., Borland, L. M., Michael, A. C. An Introduction to Electrochemical Methods in Neuroscience. Electrochemical Methods for Neuroscience. , (2007).
- Mundroff, M. L., Wightman, R. M. Amperometry and cyclic voltammetry with carbon fiber microelectrodes at single cells. Current Protocols in Neuroscience. 6 (6), 14 (2002).
- Rodeberg, N. T., et al. Hitchhiker’s Guide to Voltammetry: Acute and Chronic Electrodes for in vivo Fast-Scan Cyclic Voltammetry. ACS Chemical Neuroscience. 8 (2), 221-234 (2017).
- Sabeti, J., Gerhardt, G. A., Zahniser, N. R. Chloral hydrate and ethanol, but not urethane, alter the clearance of exogenous dopamine recorded by chronoamperometry in striatum of unrestrained rats. Neuroscience Letters. 343 (1), 9-12 (2003).
- Masuzawa, M., et al. Pentobarbital inhibits ketamine-induced dopamine release in the rat nucleus accumbens: a microdialysis study. Anesthesia & Analgesia. 96 (1), 148-152 (2003).
- Montague, P. R., et al. Dynamic gain control of dopamine delivery in freely moving animals. Journal of Neuroscience. 24 (7), 1754-1759 (2004).
- Keithley, R. B., et al. Higher sensitivity dopamine measurements with faster-scan cyclic voltammetry. Analytical Chemistry. 83 (9), 3563-3571 (2011).
- Jackson, B. P., Dietz, S. M., Wightman, R. M. Fast-scan cyclic voltammetry of 5-hydroxytryptamine. Analytical Chemistry. 67 (6), 1115-1120 (1995).
- Park, J., Takmakov, P., Wightman, R. M. In vivo comparison of norepinephrine and dopamine release in rat brain by simultaneous measurements with fast-scan cyclic voltammetry. Journal of Neurochemistry. 119 (5), 932-944 (2011).
- Wenzel, J. M., et al. Phasic Dopamine Signals in the Nucleus Accumbens that Cause Active Avoidance Require Endocannabinoid Mobilization in the Midbrain. Current Biology. 28 (9), 1392-1404 (2018).
- Spanos, M., et al. NMDA Receptor-Dependent Cholinergic Modulation of Mesolimbic Dopamine Cell Bodies: Neurochemical and Behavioral Studies. ACS Chemical Neuroscience. 10 (3), 1497-1505 (2019).
- Cheer, J. F., et al. Cannabinoids enhance subsecond dopamine release in the nucleus accumbens of awake rats. Journal of Neuroscience. 24 (18), 4393-4400 (2004).
- Melchior, J. R., et al. Optogenetic versus electrical stimulation of dopamine terminals in the nucleus accumbens reveals local modulation of presynaptic release. Journal of Neurochemistry. 134 (5), 833-844 (2015).
- Sun, F., et al. A Genetically Encoded Fluorescent Sensor Enables Rapid and Specific Detection of Dopamine in Flies, Fish, and Mice. Cell. 174 (2), 481-496 (2018).
- Robinson, D. L., et al. Monitoring rapid chemical communication in the brain. Chemical Reviews. 108 (7), 2554-2584 (2008).
- Park, J., et al. Heterogeneous extracellular dopamine regulation in the subregions of the olfactory tubercle. Journal of Neurochemistry. 142 (3), 365-377 (2017).
- Ganesana, M., Venton, B. J. Early changes in transient adenosine during cerebral ischemia and reperfusion injury. PLoS One. 13 (5), e0196932 (2018).
