Запись сетевой активности в спинальных ноцицептивных цепях с помощью микроэлектродных матриц

Роль специфических типов ингибирующих и возбуждающих интернейронов в ДГ спинного мозга раскрывается с быстрой скоростью 1,2,3,4. Вместе интернейроны составляют более 95% нейронов в DH и участвуют в сенсорной обработке, включая ноцицепцию. Кроме того, эти интернейронные цепи важны для определения того, поднимаются ли периферические сигналы по нейрооси, чтобы достичь мозга и способствовать восприятию боли ^5,6,7. На сегодняшний день в большинстве исследований изучалась роль нейронов DH на уровне анализа одной клетки или всего организма с использованием комбинаций внутриклеточной электрофизиологии in vitro, нейроанатомической маркировки и поведенческого анализа in vivo 1,3,8,9,10,11,12,13,14 . Эти подходы значительно продвинули понимание роли конкретных популяций нейронов в обработке боли. Тем не менее, остается пробел в понимании того, как конкретные типы клеток и небольшие макроцепи влияют на большие популяции нейронов на уровне микросхем, чтобы впоследствии формировать выход DH, поведенческие реакции и болевой опыт.

Одной из технологий, которая может исследовать макросхему или функцию многоклеточного уровня, является микроэлектродная матрица (MEA)^15,16. MEA использовались для исследования функции нервной системы в течение нескольких десятилетий^17,18. В мозге они способствовали изучению развития нейронов, синаптической пластичности, фармакологического скрининга и тестирования токсичности^17,18. Они могут использоваться как для приложений in vitro, так и in vivo, в зависимости от типа MEA. Кроме того, разработка МПС развивалась быстрыми темпами, и в настоящее время доступны различные номера и конфигурации электродов¹⁹. Ключевым преимуществом MEA является их способность одновременно оценивать электрическую активность во многих нейронах с высокой пространственной и временной точностью с помощью нескольких электродов^15,16. Это обеспечивает более широкое считывание того, как нейроны взаимодействуют в цепях и сетях в условиях контроля и в присутствии локально применяемых соединений.

Одна из проблем препаратов DH in vitro заключается в том, что текущие уровни активности, как правило, низкие. Здесь эта проблема решается в цепях DH спинного мозга с использованием блокатора каналов K⁺ с напряжением, 4-аминопридина (4-AP), для химической стимуляции цепей DH. Этот препарат ранее применялся для установления ритмической синхронной электрической активности в ДГ острых срезов спинного мозга и при острых условиях in vivo 20,21,22,23,24. Эти эксперименты использовали одноклеточный пластырь и внеклеточную запись или кальциевую визуализацию для характеристики 4-AP-индуцированной активности ^{20,21,22,23,24,25}. Вместе эта работа продемонстрировала потребность в возбуждающей и тормозной синаптической передаче и электрических синапсах для ритмической активности, индуцированной 4-AP. Таким образом, ответ 4-AP рассматривался как подход, который разоблачает нативные полисинаптические схемы DH с биологической значимостью, а не как эпифеномен, вызванный лекарственными средствами. Кроме того, активность, индуцированная 4-AP, демонстрирует аналогичный профиль реакции на анальгетические и противоэпилептические препараты, как невропатические болевые состояния, и была использована для предложения новых мишеней для анальгетических препаратов на основе позвоночника^, таких как коннексины ^20,21,22.

Здесь описан препарат, который сочетает в себе MEA и химическую активацию спинального DH с 4-AP для изучения этой ноцицептивной схемы на макроцептивном или сетевом уровне анализа. Этот подход обеспечивает стабильную и воспроизводимую платформу для исследования ноцицептивных цепей в наивных и невропатических «болевых» условиях. Этот препарат также легко применим для проверки действия известных анальгетиков на уровне схемы и для скрининга новых анальгетиков в гиперактивном спинном мозге.