Real-time Electrofysiologie: Met behulp van Closed-loop protocollen bij Probe Neuronale Dynamics and Beyond

De laatste jaren heeft cellulaire electrofysiologie ontwikkeld van de traditionele open-loop paradigma gebruikt in spanning en stroom clamp experimenten moderne closed-loop protocols. De bekendste closed-loop techniek is misschien wel de dynamische klem ^6,7, die de synthetische injectie van kunstmatige voltage-gated ion kanalen nodig om de neuronale membraan spanning ⁸ te bepalen, de grondige studie van de effecten van niet-deterministische flikkeren op ion kanalen op neuronale respons dynamiek ^9, evenals de recreatie in vitro van realistische in vivo- als synaptische achtergrond activiteit ^10.

Andere closed-loop paradigma's die zijn voorgesteld onder de reactieve klem ^11, in vitro bestuderen van de vorming van zichzelf onderhoudende persistente activiteit en de reactie klem ^4,12, de cellulaire mechanismen te onderzoeken onderliggende neuronale exciteerbaarheid.

nhoud "> Hier beschrijven we een krachtig raamwerk dat toelaat aanbrengen diverse closed-loop elektrofysiologische protocollen in de context van whole-cell patch clamp uitgevoerd acute hersencoupes. We tonen hoe somatische membraanspanning opnemen door middel van patch clamp in piramidale neuronen van de somatosensorische cortex van jonge ratten en toe te passen drie verschillende closed-loop protocollen met LCG, een command-line-gebaseerde software toolbox ontwikkeld in het laboratorium van Theoretische Neurobiologie en Neuroengineering.

Kortom, de beschreven protocollen zijn, eerst de geautomatiseerde injectie van een reeks stroomtang stimulans golfvormen, die relevant zijn voor de karakterisering van een grote set van actieve en passieve membraan eigenschappen. Deze zijn voorgesteld om de elektrofysiologische fenotype van een cel vast te leggen met betrekking tot de responseigenschappen een stereotype reeks stimulus golfvormen. Bekend als de e-code van een cel (zie bijvoorbeeld & #160; ^13,14) wordt een dergelijke verzameling van elektrische responsen door verscheidene laboratoria objectief neuronen classificeren op basis van hun elektrische eigenschappen. Dit omvat de analyse van de stationaire input-output overbrengend verband (FI curve), door een innovatieve techniek die de gesloten lus, real-time controle van de snelheid van afvuren gaat via een proportionele-integrale-afgeleide (PID) regelaar anderzijds de recreatie van realistische in vivo-achtige achtergrond synaptische activiteit de de vitro preparaten ¹⁰ en ten derde de kunstmatige verbinding in real-time van twee gelijktijdig opgenomen piramidale neuronen via een virtuele GABAerge interneuronen, die wordt gesimuleerd door de computer.

Bovendien, LCG implementeert de techniek die bekend staat als actieve elektrode Compensation (AEC) ^15, die het mogelijk maakt de uitvoering dynamische clamp protocollen het gebruik van een enkele elektrode. Dit maakt compensatie ongewenste effecten (artifacts) van de registratie-elektrode die ontstaan ​​bij gebruik voor het leveren van intracellulaire stimuli. De werkwijze is gebaseerd op een niet-parametrische schatting van het equivalente elektrische eigenschappen van het opnamecircuit.

De technieken en experimentele protocollen beschreven in dit document kunnen eenvoudig worden toegepast in conventionele open-loop spanning en stroom clamp experimenten en kan worden uitgebreid tot andere preparaten, zoals ^4,16 extracellulaire of intracellulaire recordings in vivo ^17,18. De zorgvuldige montage van de setup voor de hele cel patch clamp elektrofysiologie is een zeer belangrijke stap voor stabiele, hoge kwaliteit opnames. In het volgende gaan we ervan uit dat een dergelijke experimentele opstelling is al beschikbaar voor de experimentator, en onze aandacht richten op het gebruik van LCG beschrijven. De lezer wordt gewezen op ^19-22 voor meer tips over optimalisatie en debugging.