Gerçek zamanlı Elektrofizyoloji: Probe Nöronal Dynamics ve Ötesi Kapalı çevrim Protokolleri Kullanma
Summary
Closed-loop protocols are becoming increasingly widespread in modern day electrophysiology. We present a simple, versatile and inexpensive way to perform complex electrophysiological protocols in cortical pyramidal neurons in vitro, using a desktop computer and a digital acquisition board.
Abstract
Deneysel nörobilim teşvik sisteminin cevabına gerçek zamanlı olarak bağlıdır uygulanan geliştirme ve roman uygulama ve genellikle karmaşık, kapalı devre protokolleri, artan bir ilgi tanık olmaktadır. Son uygulamalar optogenetics 3 kullanılarak kortikal inme aşağıdaki nöbetlerin kontrol etmek için, farelerde 1 ve Zebra balığı 2 hem de motorlu yanıtları incelemek için sanal gerçeklik sistemlerinin uygulanması arasında değişir. Kapalı döngü teknikleri önemli bir avantajı doğrudan erişilebilir değildir ya da aynı anda deneysel verim en üst düzeye çıkarırken, bu tür nöronal uyarılabilirlik 4 ve güvenilirlik gibi çoklu değişkenler, bağlı olduğu yüksek boyutlu özelliklerini sondalama kapasitesi bulunur. Bu katkının ve hücresel elektrofizyoloji bağlamında, biz piramidal kortikal nöronlar, rec tepki özelliklerinin çalışmaya kapalı devre protokolleri çeşitli uygulamak nasıl açıklargenç sıçanların somatosensoriyel korteks akut beyin dilimleri yama kelepçe tekniği ile hücre orded. Hiçbir ticari olarak temin veya açık kaynak yazılım verimli Burada anlatılan deneyler için gerekli tüm özellikleri sağlar gibi, LCG 5 olarak adlandırılan yeni bir yazılım araç olan modüler yapısı bilgisayar kodu yeniden en üst düzeye ve yeni deneysel paradigmalar uygulanmasını kolaylaştırır geliştirilmiştir. Uyarım dalga kompakt meta-açıklamasını kullanılarak belirtilir ve tam deneysel protokoller metin tabanlı yapılandırma dosyalarında açıklanmıştır. Ayrıca, LCG çalışmaların tekrarı ve deneysel protokollerin otomasyonu için uygundur bir komut satırı arayüzü var.
Introduction
Son yıllarda, hücresel elektrofizyoloji, modern kapalı devre protokollere gerilim ve akım kelepçe deneylerinde kullanılan geleneksel açık-döngü evrim geçirmiştir. En iyi bilinen kapalı döngü tekniği belki nöronal membran gerilimi 8 belirlemek için yapay voltaj kapılı iyon kanallarının sentetik enjeksiyon etkin dinamik kelepçe 6,7 olduğunu, deterministik olmayan titreşen etkilerinin derinlemesine çalışma iyon nöronal yanıt dinamikleri 9 kanal, yanı sıra sinaptik zemin aktivitesi 10 gibi vivo- gerçekçi in vitro rekreasyon.
Ileri sürülmüştür diğer kapalı çevrim paradigmalar hücresel mekanizmaları altında yatan nöronal uyarılabilirliği araştırmak için, 4,12 kelepçe reaktif kelepçe 11, in vitro kendini sürekli kalıcı aktivite nesil incelemek ve yanıtı yer alıyor.
"ontent> Burada akut beyin dilimleri yapılan tüm hücre yama kelepçe kayıtları bağlamında kapalı döngü elektrofizyolojik protokolleri çeşitli uygulayarak sağlar güçlü bir çerçeve açıklanmaktadır. Biz yama kelepçe kayıtları vasıtasıyla somatik membran gerilimini kaydetmek için nasıl göstermek genç sıçanların somatosensoriyel korteks ve gelen piramidal nöronlar LCG, Teorik Nörobiyoloji ve Neuroengineering laboratuarda geliştirilen bir komut satırı tabanlı yazılım araç kutusunu kullanarak üç farklı kapalı döngü protokolleri uygulamak.Kısaca, tarif edilen protokoller, aktif ve pasif zar özelliklerinin büyük bir set karakterizasyonu hakkında akım kenetli uyaran dalga formu, bir dizi ilk otomatik enjeksiyon bulunmaktadır. Bunlar uyarıcı bir dalga kalıplaşmış dizi onun cevabı özellikleri bakımından bir hücrenin elektrofizyolojik fenotip yakalamak için ileri sürülmüştür. Bir hücrenin e-kodu olarak bilinen (örneğin, bkz & #160; 13,14), elektrik yanıtların Bu tür bir koleksiyon objektif olarak elektriksel özellikleri temelinde nöronlar sınıflandırmak için çeşitli laboratuarlar tarafından kullanılır. Bu orantılı-entegral-türev (PID) ile, kontrol vasıtası ile ateşleme hızının kapalı halka, gerçek zamanlı kontrol içeren bir yeni tekniği sabit giriş-çıkış aktarma bağlantısı ile (eğri), analizini içermektedir in vitro preparasyonlar 10 ve bilgisayar tarafından simüle sanal bir GABAerjik interneuron vasıtasıyla, iki eş zamanlı olarak kaydedilen piramidal nöronlar, gerçek zamanlı olarak, üçüncü yapay bağlantılı olarak gerçekçi bir in vivo benzeri arka sinaptik aktivitenin ikinci dinlenme.
Buna ek olarak, LCG tek bir elektrot kullanarak dinamik kelepçe protokolleri uygulanması mümkün olmaktadır aktif elektrot Telafisi (AEC), 15 olarak bilinen bir teknik uygular. Bu istenmeyen etkileri telafi izin verir (artifacts) hücre içi uyaranlara teslim etmek için kullanıldığı zaman ortaya çıkan kayıt elektrot. yöntem kayıt devrenin eşdeğer elektriksel özelliklerinin parametrik olmayan tahmin dayanmaktadır.
Bu yazıda tarif edilen teknikler ve deneysel protokoller hali hazırda, geleneksel açık döngü gerilim ve akım kenetli deneylerinde uygulanabilir ve in vivo 17,18 gibi hücre dışı 4,16 diğer preparasyonlar ya da hücre içi kayıtları uzatılabilir. tüm hücre yama kelepçe elektrofizyoloji için kurulum dikkatli montaj istikrarlı, yüksek kaliteli kayıtlar için çok önemli bir adımdır. Aşağıda böyle bir deney düzeneği deneyci için zaten mevcut olduğunu varsayalım ve LCG kullanımını anlatan bizim dikkatimizi. Okuyucu optimizasyonu ve hata ayıklama hakkında ek ipuçları için 19-22 işaret edilmektedir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu metinde gerçek zamanlı uygulanması için tam bir protokol olarak, kapalı döngü tek bir hücre elektrofizyolojik deneyler yama kelepçe tekniği ve LCG adında bir süre önce geliştirilen yazılım araç kutusunu kullanarak tarif edilmiştir. Kayıtların kalitesini optimize etmek için bu kayıt kurulum düzgün, topraklı ücretsiz ekranlı ve titreşim olması çok önemlidir: bu hücrenin, istikrarlı ve kalıcı tam hücreli erişimi garantiler birlikte stimülasyon protokolleri tüm bölümlerini otomasy…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Financial support from the Flanders Research Foundation FWO (contract n. 12C9112N to DL), the 7th Framework Programme of the European Commission (Marie Curie Network “C7”, contract n. 238214; ICT Future Emerging Technology “ENLIGHTENMENT” project, contract n. 306502), the Interuniversity Attraction Poles Program initiated by the Belgian Science Policy Office (contract n. IUAP-VII/20), and the University of Antwerp is kindly acknowledged.
Materials
| Tissue slicer | Leica | VT-1000S | |
| Pipette puller | Sutter | P-97 | |
| Pipettes | WPI | 1B150F-4 | 1.5/0.84 mm OD/ID, with filament |
| Vibration isolation table | TMC | 20 Series | |
| Microscope | Leica | DMLFS | 40X Immersion Objective |
| Manipulators | Scientifica | PatchStar | |
| Amplifiers | Axon Instruments | MultiClamp 700B | Computer controlled |
| Data acquisition card | National Instruments | PCI-6229 | Supported by Comedi Linux Drivers |
| Desktop computer | Dell | Optiplex 7010 Tower | OS: real-time Linux |
| Oscilloscopes | Tektronix | TDS-1002 | |
| Perfusion Pump | Gibson | MINIPULS3 | Used with R4 Pump head (F117606) |
| Temperature controller | Multichannel Systems | TC02 | PH01 Perfusion Cannula |
| Manometer | Testo | 510 | Optional |
| Incubator | Memmert | WB14 | |
| NaCl | Sigma | 71376 | ACSF |
| KCl | Sigma | P9541 | ACSF, ICS |
| NaH2PO4 | Sigma | S3139 | ACSF |
| NaHCO3 | Sigma | S6014 | ACSF |
| CaCl2 | Sigma | C1016 | ACSF |
| MgCl2 | Sigma | M8266 | ACSF |
| Glucose | Sigma | G7528 | ACSF |
| K-Gluconate | Sigma | G4500 | ICS |
| HEPES | Sigma | H3375 | ICS |
| Mg-ATP | Sigma | A9187 | ICS |
| Na2-GTP | Sigma | 51120 | ICS |
| Na2-Phosphocreatine | Sigma | P7936 | ICS |
Referencias
- Saleem, A. B., Ayaz, A., Jeffery, K. J., Harris, K. D., Carandini, M. Integration of visual motion and locomotion in mouse visual cortex. Nature neuroscience. 16, 1864-1869 (2013).
- Ahrens, M. B., Li, J. M., et al. Brain-wide neuronal dynamics during motor adaptation in zebrafish. Nature. 485 (7399), 471-477 (2012).
- Paz, J. T., Davidson, T. J., et al. Closed-loop optogenetic control of thalamus as a tool for interrupting seizures after cortical injury. Nature neuroscience. 16 (1), 64-70 (2013).
- Wallach, A., Eytan, D., Gal, A., Zrenner, C., Marom, S. Neuronal response clamp. Frontiers in neuroengineering. 3 (April), 3 (2011).
- Linaro, D., Couto, J., Giugliano, M. Command-line cellular electrophysiology for conventional and real-time closed-loop experiments. Journal of neuroscience. 230, 5-19 (2014).
- Sharp, A., O’Neil, M., Abbott, L. F., Marder, E. Dynamic clamp: computer-generated conductances in real neurons. Journal of neurophysiology. 69 (3), 992-995 (1993).
- Robinson, H. P., Kawai, N. Injection of digitally synthesized synaptic conductance transients to measure the integrative properties of neurons. Journal of neuroscience methods. 49 (3), 157-165 (1993).
- Vervaeke, K., Hu, H., Graham, L. J., Storm, J. F. Contrasting effects of the persistent Na+ current on neuronal excitability and spike timing. Neuron. 49 (2), 257-270 (2006).
- White, J. A., Klink, R., Alonso, A., Kay, A. R. Noise from voltage-gated ion channels may influence neuronal dynamics in the entorhinal cortex. Journal of neurophysiology. 80 (1), 262-269 (1998).
- Destexhe, a., Rudolph, M., Fellous, J. M., Sejnowski, T. J. Fluctuating synaptic conductances recreate in vivo-like activity in neocortical neurons. Neurociencias. 107 (1), 13-24 (2001).
- Fellous, J. -. M. Regulation of Persistent Activity by Background Inhibition in an In Vitro Model of a Cortical Microcircuit. Cerebral Cortex. 13 (11), 1232-1241 (2003).
- Gal, A., Eytan, D., Wallach, A., Sandler, M., Schiller, J., Marom, S. Dynamics of excitability over extended timescales in cultured cortical neurons. The Journal of neuroscience. the official journal of the Society for Neuroscience. 30 (48), 16332-16342 (2010).
- Wang, Y., Toledo-Rodriguez, M., et al. Anatomical, physiological and molecular properties of Martinotti cells in the somatosensory cortex of the juvenile rat. The Journal of physiology. 561 (Pt 1), 65-90 (2004).
- Wang, Y., Gupta, A., Toledo-Rodriguez, M., Wu, C. Z., Markram, H. Anatomical, physiological, molecular and circuit properties of nest basket cells in the developing somatosensory cortex). Cerebral cortex (New York, N.Y). 12 (4), 395-410 (1991).
- Brette, R., Piwkowska, Z., et al. High-resolution intracellular recordings using a real-time computational model of the electrode. Neuron. 59 (3), 379-391 (2008).
- Rutishauser, U., Kotowicz, A., Laurent, G. A method for closed-loop presentation of sensory stimuli conditional on the internal brain-state of awake animals. Journal of neuroscience. 215 (1), 139-155 (2013).
- Margrie, T., Brecht, M., Sakmann, B. In vivo, low-resistance, whole-cell recordings from neurons in the anaesthetized and awake mammalian brain. Pflugers Archiv European Journal of Physiology. 444 (4), 491-498 (2002).
- Graham, L., Schramm, A. In Vivo Dynamic-Clamp Manipulation of Extrinsic and Intrinsic Conductances: Functional Roles of Shunting Inhibition and I BK in Rat and Cat Cortex. Dynamic Clamp: From Principles to Applications. , (2008).
- Sakmann, B., Neher, E. . Single-channel recording. , (1995).
- Molleman, A. . Patch Clamping. , (2002).
- Davie, J. T., Kole, M. H. P., et al. Dendritic patch-clamp recording. Nature Protocols. 1 (3), 1235-1247 (2006).
- Gold, R. . The Axon Guide for Electrophysiolog., & Biophysics Laboratory Techniques... , (2007).
- Mainen, Z. F., Sejnowski, T. J. Reliability of spike timing in neocortical neurons. Science. 268 (5216), 1503-1506 (1995).
- Buzsáki, G. Action potential threshold of hippocampal pyramidal cells in vivo is increased by recent spiking activity. Neurociencias. 105 (1), 121-130 (2001).
- Koch, C., Segev, I. . Methods in Neuronal Modeling: From Synapses to Networks. , (1988).
- Silberberg, G., Markram, H. Disynaptic inhibition between neocortical pyramidal cells mediated by Martinotti cells. Neuron. 53 (5), 735-746 (2007).
- Berger, T. K., Silberberg, G., Perin, R., Markram, H. Brief bursts self-inhibit and correlate the pyramidal network. PLoS biology. 8 (9), (2010).
- Tsodyks, M., Pawelzik, K., Markram, H. Neural networks with dynamic synapses. Neural computation. 10 (4), 821-835 (1998).
- Kapfer, C., Glickfeld, L. L., Atallah, B. Supralinear increase of recurrent inhibition during sparse activity in the somatosensory cortex. Nature. 10 (6), 743-753 (2007).
