JoVE Journal > Neuroscience
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Ergebnisse
Discussion
Offenlegungen
Acknowledgements
Materials
Referenzen
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Neurowissenschaften

Оценка латерализации полушария с двусторонней локальной полевой потенциальной записью во вторичном моторном кортексе мышей

Published: July 31, 2019
doi:
10.3791/59310
, , ,
1School of Life Sciences,Guangzhou University, 2Institute for Brain Research and Rehabilitation,South China Normal University, 3School of Life Sciences,South China Normal University

Summary

Мы представляем в vivo электрофизиологическую запись локального полевого потенциала (LFP) в двусторонней вторичной моторной коре (М2) мышей, которые могут быть применены для оценки боковой части полушария. Исследование выявило измененные уровни синхронизации между левым и правым M2 у мышей APP/PS1 по сравнению с управлением WT.

Abstract

Данная статья демонстрирует полную, детальную процедуру как для двусторонней регистрации и анализа локального полевого потенциала (LFP) в корковых областях мышей, которые полезны для оценки возможного дефицита боковости, а также для оценка связности мозга и связи деятельности нейронных сетей у грызунов. Патологические механизмы, лежащие в основе болезни Альцгеймера (Ад), распространенного нейродегенеративного заболевания, остаются в значительной степени неизвестными. Измененная латеральность мозга была продемонстрирована у стареющих людей, но является ли аномальная латерализация одним из ранних признаков АД, не определено. Чтобы исследовать это, мы записали двусторонние LFPs в 3-5-месячный модель aD мышей, APP / PS1, вместе с littermate дикого типа (WT) контроля. LFPs левой и правой вторичной моторной коры (M2), в частности, в гамма-диапазоне, были более синхронизированы в аппликации АПП/ПС1 мышей, чем в управления WT, что свидетельствует о снижение асимметрии полушария двусторонней M2 в этой модели мыши AD. Примечательно, что процессы записи и анализа данных являются гибкими и простыми в проведении, а также могут быть применены к другим путям мозга при проведении экспериментов, которые сосредоточены на нейронных цепей.

Introduction

Болезнь Альцгеймера (Ад) является наиболее распространенной формой деменции1,2. Внеклеточный бета-амилоидный белок (амилоидный белок, АЗ) осаждение и внутриклеточные нейрофибриллярные клубки (NFT) являются основными патологическими особенностями AD3,4,5, но механизмы, лежащие в основе АД патогенеза остаются в значительной степени неясными. Кора головного мозга, ключевая структура в познании и памяти, нарушается в6г. н.эр., и двигательные дефициты, такие как медленная ходьба, трудности навигации окружающей среды и походки нарушения происходят с возрастом7. Осаждение АЗ и нейрофибрилларные связки также наблюдались в премоторной коре (PMC) и дополнительной двигательной области (SMA) у пациентов AD8 и когнитивно влияет на пожилых людей9, что свидетельствует о причастности нарушения двигателя системы в ад патогенеза.

Мозг формируется двумя различными полушариями головного мозга, которые разделены продольной трещиной. Здоровый мозг проявляет как структурные, так и функциональные асимметрии10, которая называется “латерализация”, что позволяет мозгу эффективно решать несколько задач и мероприятий. Старение приводит к ухудшению познания и передвижения, а также снижение боковости мозга11,12. Моторные способности левого полушария легко проявляются в здоровом мозге13, но в aD мозг аномальной боковости происходит как следствие отказа левого полушария доминирование, связанное с левой корковой атрофии14, 15,16. Таким образом, понимание возможного изменения боковой системы мозга в патогенеза АД и основных механизмов может дать новое представление о патогенезаАДЫ ад и привести к выявлению потенциальных биомаркеров для лечения.

Электрофизиологическое измерение является чувствительным и эффективным методом оценки изменений в нейрональной деятельности животных. Снижение асимметрии полушария у старейшин (HAROLD)17 было задокументировано электрофизиологическими исследованиями с синхронизированным межгемисферным временем передачи, которое показывает ослабление или отсутствие асимметрии полушария к нонауальному представлению речевые стимулы у пожилыхлюдей 18. Использование APP/PS1, одна из наиболее часто используемых моделей aD-мышей19,20,21,22, в сочетании с in vivo двусторонней внеклеточной записью LFPs как в левом, так и вправом M2, мы оценивалвозможный дефицит боковости в АД. Кроме того, с простыми параметрами, встроенная функция программного обеспечения для анализа данных (см. Таблица материалов) обеспечивает более быстрый и простой способ анализа синхронизации электрических сигналов, чем математически сложный язык программирования, который является дружественным для начинающих с in vivo электрофизиологии.

Protocol

Все животные были в паре-дом в стандартных условиях (12 ч свет / темный, постоянная температура окружающей среды, свободный доступ к пище и воде) в соответствии с китайским Министерством науки и техники Лаборатория животных Руководящие принципы и эксперименты были утверждены местным ком…

Representative Results

Чтобы увидеть, ухудшает ли ранняя патология АД способность боковой полушария, мы провели двусторонние внеклеточные записи LFP в левой и правой M2 из системы управления APP/PS1 и WT (в возрасте 3-5 месяцев), и проанализировали перекрестную корреляцию этих левых и правые LFP. В WT мышей, результаты п?…

Discussion

Мы сообщаем здесь о процедуре двусторонней внеклеточной записи in vivo, а также анализируем синхронизацию сигналов двойного региона LFP, которая является одновременно гибкой и легкой для проведения для оценки боковой системы полушария мозга, а также связь, направленность или связь ме…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа была поддержана грантами Национального фонда естественных наук Китая (31771219, 31871170), Научно-технического отдела Гуандун (2013KJCX0054), и Фонда естественных наук провинции Гуандун (2014A030313418, 2014A030313440).

Materials

AC/DC Differential Amplifier A-M Systems Model 3000
Analog Digital converter Cambridge Electronic Design Ltd. Micro1401
Glass borosilicate micropipettes Nanjing spring teaching experimental equipment company 161230 Outer diameter: 1.0mm
Microelectrode puller Narishige PC-10
NaCl Guangzhou Chemical Reagent Factory 7647-14-5
Pin microelectrode holder World Precision Instruments, INC. MEH3SW10
Spike2  Cambridge Electronic Design Ltd.
Stereomicroscope Zeiss 435064-9020-000
Stereotaxic apparatus  RWD Life Science 68045
Urethane Sigma-Aldrich 94300
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referenzen

  1. Goedert, M., Spillantini, M. G. A century of Alzheimer’s disease. Science. 314 (5800), 777-781 (2006).
  2. Perrin, R. J., Fagan, A. M., Holtzman, D. M. Multimodal techniques for diagnosis and prognosis of Alzheimer’s disease. Nature. 461 (7266), 916-922 (2009).
  3. Cummings, B. J., Pike, C. J., Shankle, R., Cotman, C. W. Beta-amyloid deposition and other measures of neuropathology predict cognitive status in Alzheimer’s disease. Neurobiology of aging. 17 (6), 921-933 (1996).
  4. Gordon, M. N., et al. Correlation between cognitive deficits and Abeta deposits in transgenic APP+PS1 mice. Neurobiology of aging. 22 (3), 377-385 (2001).
  5. Fitzpatrick, A. W. P., et al. Cryo-EM structures of tau filaments from Alzheimer’s disease. Nature. 547 (7662), 185-190 (2017).
  6. Shankar, G. M., et al. Amyloid-beta protein dimers isolated directly from Alzheimer’s brains impair synaptic plasticity and memory. Nature medicine. 14 (8), 837-842 (2008).
  7. Buchman, A. S., Bennett, D. A. Loss of motor function in preclinical Alzheimer’s disease. Expert review of neurotherapeutics. 11 (5), 665-676 (2011).
  8. Arnold, S. E., Hyman, B. T., Flory, J., Damasio, A. R., Van Hoesen, G. W. The topographical and neuroanatomical distribution of neurofibrillary tangles and neuritic plaques in the cerebral cortex of patients with Alzheimer’s disease. Cerebral cortex. 1 (1), 103-116 (1991).
  9. Giannakopoulos, P., Hof, P. R., Michel, J. P., Guimon, J., Bouras, C. Cerebral cortex pathology in aging and Alzheimer’s disease: a quantitative survey of large hospital-based geriatric and psychiatric cohorts. Brain research. Brain research reviews. 25 (2), 217-245 (1997).
  10. Renteria, M. E. Cerebral asymmetry: a quantitative, multifactorial, and plastic brain phenotype. Twin research and human genetics : the official journal of the International Society for Twin Studies. 15 (3), 401-413 (2012).
  11. Derflinger, S., et al. Grey-matter atrophy in Alzheimer’s disease is asymmetric but not lateralized. Journal of Alzheimer’s disease : JAD. 25 (2), 347-357 (2011).
  12. Abdul Manan, H., Yusoff, A. N., Franz, E. A., Sarah Mukari, S. Z. Early and Late Shift of Brain Laterality in STG, HG, and Cerebellum with Normal Aging during a Short-Term Memory Task. ISRN neurology. 2013, 892072 (2013).
  13. Kim, S. G., et al. Functional magnetic resonance imaging of motor cortex: hemispheric asymmetry and handedness. Science. 261 (5121), 615-617 (1993).
  14. Bartolomeo, P., D’Erme, P., Perri, R., Gainotti, G. Perception and action in hemispatial neglect. Neuropsychologia. 36 (3), 227-237 (1998).
  15. Bartolomeo, P., et al. Right-side neglect in Alzheimer’s disease. Neurology. 51 (4), 1207-1209 (1998).
  16. Thompson, P. M., et al. Tracking Alzheimer’s disease. Annals of the New York Academy of Sciences. 1097, 183-214 (2007).
  17. Cabeza, R., Anderson, N. D., Locantore, J. K., McIntosh, A. R. Aging gracefully: compensatory brain activity in high-performing older adults. NeuroImage. 17 (3), 1394-1402 (2002).
  18. Bellis, T. J., Nicol, T., Kraus, N. Aging affects hemispheric asymmetry in the neural representation of speech sounds. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 20 (2), 791-797 (2000).
  19. Jankowsky, J. L., et al. Co-expression of multiple transgenes in mouse CNS: a comparison of strategies. Biomolecular engineering. 17 (6), 157-165 (2001).
  20. Venegas, C., et al. Microglia-derived ASC specks cross-seed amyloid-beta in Alzheimer’s disease. Nature. 552 (7685), 355-361 (2017).
  21. Busche, M. A., et al. Tau impairs neural circuits, dominating amyloid-beta effects, in Alzheimer models in vivo. Nat Neurosci. 22 (1), 57-64 (2019).
  22. Velazquez, R., et al. Maternal choline supplementation ameliorates Alzheimer’s disease pathology by reducing brain homocysteine levels across multiple generations. Molecular Psychiatry. , (2019).
  23. Huo, Q., et al. Prefrontal Cortical GABAergic Dysfunction Contributes to Aberrant UP-State Duration in APP Knockout Mice. Cerebral Cortex. 27 (8), 4060-4072 (2017).
  24. Palop, J. J., et al. Aberrant excitatory neuronal activity and compensatory remodeling of inhibitory hippocampal circuits in mouse models of Alzheimer’s disease. Neuron. 55 (5), 697-711 (2007).
  25. Ang, G., et al. Absent sleep EEG spindle activity in GluA1 (Gria1) knockout mice: relevance to neuropsychiatric disorders. Translational Psychiatry. 8 (1), 154 (2018).
  26. Funk, C. M., Honjoh, S., Rodriguez, A. V., Cirelli, C., Tononi, G. Local Slow Waves in Superficial Layers of Primary Cortical Areas during REM Sleep. Current Biology. 26 (3), 396-403 (2016).
  27. Gregoriou, G. G., Gotts, S. J., Zhou, H., Desimone, R. High-frequency, long-range coupling between prefrontal and visual cortex during attention. Science. 324 (5931), 1207-1210 (2009).
  28. Zheng, C., Bieri, K. W., Hsiao, Y. T., Colgin, L. L. Spatial Sequence Coding Differs during Slow and Fast Gamma Rhythms in the Hippocampus. Neuron. 89 (2), 398-408 (2016).
  29. Freeman, W. J., Holmes, M. D., West, G. A., Vanhatalo, S. Fine spatiotemporal structure of phase in human intracranial EEG. Clinical neurophysiology : official journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 117 (6), 1228-1243 (2006).
  30. Fries, P. Rhythms for Cognition: Communication through Coherence. Neuron. 88 (1), 220-235 (2015).
  31. Cardin, J. A., et al. Driving fast-spiking cells induces gamma rhythm and controls sensory responses. Nature. 459 (7247), 663-667 (2009).
  32. Verret, L., et al. Inhibitory interneuron deficit links altered network activity and cognitive dysfunction in Alzheimer model. Cell. 149 (3), 708-721 (2012).
  33. Ahlbeck, J., Song, L., Chini, M., Bitzenhofer, S. H., Hanganu-Opatz, I. L. Glutamatergic drive along the septo-temporal axis of hippocampus boosts prelimbic oscillations in the neonatal mouse. Elife. 7, (2018).
  34. Spellman, T., et al. Hippocampal-prefrontal input supports spatial encoding in working memory. Nature. 522 (7556), 309-314 (2015).
  35. Vandecasteele, M., et al. Optogenetic activation of septal cholinergic neurons suppresses sharp wave ripples and enhances theta oscillations in the hippocampus. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (37), 13535-13540 (2014).
  36. Seidenbecher, T., Laxmi, T. R., Stork, O., Pape, H. C. Amygdalar and hippocampal theta rhythm synchronization during fear memory retrieval. Science. 301 (5634), 846-850 (2003).
  37. Zitnik, G. A., Curtis, A. L., Wood, S. K., Arner, J., Valentino, R. J. Adolescent Social Stress Produces an Enduring Activation of the Rat Locus Coeruleus and Alters its Coherence with the Prefrontal Cortex. Neuropsychopharmacology : official publication of the American College of Neuropsychopharmacology. 41 (5), 1376-1385 (2015).
  38. Rogers, L. J., Zucca, P., Vallortigara, G. Advantages of having a lateralized brain. Proceedings. Biological sciences / The Royal Society. 271, 420-422 (2004).
  39. Vallortigara, G. The evolutionary psychology of left and right: costs and benefits of lateralization. Developmental psychobiology. 48 (6), 418-427 (2006).
  40. MacNeilage, P. F., Rogers, L. J., Vallortigara, G. Origins of the left, right brain. Scientific American. 301 (1), 60-67 (2009).
  41. Habas, P. A., et al. Early folding patterns and asymmetries of the normal human brain detected from in utero MRI. Cerebral cortex. 22 (1), 13-25 (2012).
  42. Dennis, N. A., Kim, H., Cabeza, R. Effects of aging on true and false memory formation: an fMRI study. Neuropsychologia. 45 (14), 3157-3166 (2007).
  43. Cabeza, R., et al. Task-independent and task-specific age effects on brain activity during working memory, visual attention and episodic retrieval. Cerebral cortex. 14 (4), 364-375 (2004).
  44. Cherbuin, N., Reglade-Meslin, C., Kumar, R., Sachdev, P., Anstey, K. J. Mild Cognitive Disorders are Associated with Different Patterns of Brain asymmetry than Normal Aging: The PATH through Life Study. Frontiers in psychiatry / Frontiers Research Foundation. 1, 11 (2010).
  45. Jankowsky, J. L., et al. Mutant presenilins specifically elevate the levels of the 42 residue beta-amyloid peptide in vivo: evidence for augmentation of a 42-specific gamma secretase. Human molecular genetics. 13 (2), 159-170 (2004).
  46. Radde, R., et al. Abeta42-driven cerebral amyloidosis in transgenic mice reveals early and robust pathology. EMBO reports. 7 (9), 940-946 (2006).
  47. Lacor, P. N., et al. Abeta oligomer-induced aberrations in synapse composition, shape, and density provide a molecular basis for loss of connectivity in Alzheimer’s disease. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 27 (4), 796-807 (2007).

Tags

Hemisphere LateralizationBilateral Local Field PotentialSecondary Motor CortexMiceElectrophysiologyNeuronal ActivitySynchronizationAlzheimer’s DiseaseAnesthesiaStereotaxic ApparatusMicroelectrodesM2 RegionLFP RecordingCross-correlation Analysis

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Diesen Artikel zitieren
Chen, Y., Li, M., Zheng, Y., Yang, L. Evaluation of Hemisphere Lateralization with Bilateral Local Field Potential Recording in Secondary Motor Cortex of Mice. J. Vis. Exp. (149), e59310, doi:10.3791/59310 (2019).
Zitat herunterladen
Nachdrucke und Berechtigungen

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image