Комбинированная инфузия и стимуляция с помощью циклической вольтамперометрии быстрого сканирования (CIS-FSCV) для оценки регуляции рецепторов вентральной тегментальной области фазового дофамина
Summary
Целью этого протокола является непосредственное манипулирование рецепторами вентральной тегментальной области для изучения их вклада в субсекундное высвобождение дофамина.
Abstract
Высвобождение фазового дофамина (DA) из вентральной тегментальной области (VTA) в прилежащее ядро играет ключевую роль в обработке вознаграждения и обучении с подкреплением. Понимание того, как разнообразные нейронные входы в VTA контролируют фазовое высвобождение DA, может обеспечить лучшую картину схемы, которая контролирует обработку вознаграждения и обучение с подкреплением. Здесь мы описываем метод, который сочетает внутри-VTA канюли инфузии фармакологических агонистов и антагонистов со стимулирующим фазовым высвобождением DA (комбинированная инфузия и стимуляция, или CIS), измеренным с помощью циклической вольтамметрии in vivo с быстрым сканированием (FSCV). Используя CIS-FSCV у анестезируемых крыс, фазовый ответ DA может быть вызван электрическим стимулированием VTA биполярным электродом, оснащенным канюлей, при записи в ядре прилежащего ядра. Фармакологические агонисты или антагонисты могут вводиться непосредственно в место стимуляции для исследования роли специфических рецепторов VTA в стимулировании фазового высвобождения DA. Основным преимуществом CIS-FSCV является то, что функция рецептора VTA может быть изучена in vivo, основываясь на исследованиях in vitro.
Introduction
Высвобождение фазового дофамина (DA) из вентральной тегментальной области (VTA) в прилежащее ядро (NAc) играет жизненно важную роль в поведении, связанном с вознаграждением. Нейроны VTA DA переключаются с тонического возбуждения (3-8 Гц) на взрывоподобное возбуждение (>14Гц) 1,которое производит фазовое высвобождение DA в NAc. VTA экспрессирует различные соматодендритические рецепторы, которые хорошо расположены для управления переключением с тоника на разрывную стрельбу2,3,4,5. Определение того, какие из этих рецепторов и их соответствующие входы контролируют фазовое высвобождение DA, углубит наше понимание того, как организована схема, связанная с вознаграждением. Целью методики, описанной здесь, комбинированной инфузии и стимуляции с циклической вольтамметрией быстрого сканирования (CIS-FSCV), является быстрая и надежная оценка функциональности рецепторов VTA в управлении фазовым высвобождением DA.
Термин комбинированная инфузия и стимуляция (CIS) относится к фармакологическому манипулированию рецепторами на группе нейронов (здесь VTA) и стимулированию этих нейронов к изучению функции рецептора. У анестезированной крысы мы электрически стимулируем VTA вызывать большой фазовый сигнал DA (1-2 мкМ) в ядре NAc, измеренный с помощью циклической вольтамметрии быстрого сканирования (FSCV). Инфузии фармакологических препаратов (т.е. агонистов/антагонистов рецепторов) в месте стимуляции могут быть использованы для измерения функции рецепторов VTA путем наблюдения за последующим изменением вызванного фазового высвобождения DA. FSCV – это электрохимический подход, который имеет как высокое пространственное (50-100 мкм), так и временное (10 Гц) разрешение и хорошо подходит для измерения связанных с вознаграждением фазовых событий DA6,7. Это разрешение лучше, чем другие нейрохимические измерения in vivo, такие как микродиализ. Таким образом, в совокупности CIS-FSCV хорошо подходит для оценки регуляции рецепторов VTA фазового высвобождения дофамина.
Одним из распространенных способов исследования функции рецептора VTA является использование комбинации электрофизиологических подходов, которые решают, как эти рецепторы изменяют скорость срабатывания нейронов1,8. Эти исследования очень ценны для понимания того, какие рецепторы участвуют в управлении DA при активации. Тем не менее, эти исследования могут только предположить, что может произойти вниз по течению на терминале аксона (то есть высвобождение нейротрансмиттера). CIS-FSCV основывается на этих электрофизиологических исследованиях, отвечая, как выход VTA-выстрела, фазового высвобождения DA, регулируется рецепторами, расположенными на дендритах VTA и клеточных телах. Таким образом, CIS-FSCV хорошо подходит для развития этих электрофизиологических исследований. В качестве примера, активация никотиновых рецепторов может индуцировать всплеск-возбуждение в VTA9,а CIS-FSCV у анестезированной крысы был использован, чтобы показать, что активация никотинового ацетилхолинового рецептора (nAChR) в VTA также контролирует фазовое высвобождение DA в NAc10,11.
Механистическое исследование фазовой регуляции DA также обычно изучается с использованием срезовых препаратов наряду с применением лекарств в ванне. Эти исследования часто фокусируются на пресинаптической регуляции фазового высвобождения DA из дофаминовых терминалей, поскольку клеточные тела часто удаляются из среза12. Эти препараты ценны для изучения влияния пресинаптических рецепторов на дофаминовые терминали, тогда как CIS-FSCV лучше подходит для изучения влияния соматодендритических рецепторов на дофаминовые нейроны, а также пресинаптических входов в VTA. Это различие важно, потому что активация соматодендритных рецепторов в VTA может иметь другой эффект, чем активация пресинаптического рецептора NAc. Действительно, блокирование дофаминергических пресинаптических nAChRs в NAc может повысить высвобождение фазового дофамина во время выстрела13,тогда как обратное верно при VTA somatodendritc nAChRs10,11.
CIS-FSCV является идеальным подходом для изучения способности рецепторов VTA регулировать фазовое высвобождение DA. Важно отметить, что этот подход может быть выполнен на неповрежденной крысе, либо обезболенной, либо свободно движущейся. Этот подход подходит для острых исследований, для изучения функции рецептора в его исходном состоянии10,14, а также для долгосрочных исследований, которые могут оценить функциональные изменения в рецепторе после воздействия препарата или поведенческих манипуляций11,15.
Protocol
Representative Results
Discussion
CIS-FSCV предоставляет уникальную возможность исследовать механизмы рецепторов VTA, лежащие в основе фазового высвобождения DA. Есть два критических шага для обеспечения правильной записи. Во-первых, должна быть достигнута стабильная базовая запись с небольшим дрейфом в вызванном сигнале D…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Работа поддерживалась Элизабеттаунским колледжем (R.J.W, M.L. и L.M.), стипендией NSF Graduate Fellowship (R.J.W.) и Йельской школой медицины (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).
