Yenidoğan Kemirgenler İzole Beyin Sapı-spinal Kordon Müstahzarlar Elektrofizyoloji Sinir Solunum Ağı Çıktı Kayıt verir
Summary
The central respiratory drive is located in the brainstem. Spontaneous respiratory motor output from an isolated brainstem-spinal cord is recorded by placing an electrode on the fourth ventral root. This experimental approach is valuable for pharmacological investigations or the assessment of respiratory challenges and genetic manipulations on rhythmic motor behavior.
Abstract
While it is well known that the central respiratory drive is located in the brainstem, several aspects of its basic function, development, and response to stimuli remain to be fully understood. To overcome the difficulty of accessing the brainstem in the whole animal, isolation of the brainstem and part of the spinal cord is performed. This preparation is maintained in artificial cerebro-spinal fluid where gases, concentrations, and temperature are controlled and monitored. The output signal from the respiratory network is recorded by a suction electrode placed on the fourth ventral root. In this manner, stimuli can be directly applied onto the brainstem, and the effect can be recorded directly. The signal recorded is linked to the inspiratory signal sent to the diaphragm via the phrenic nerve, and can be described as bursts (around 8 bursts per minute). Analysis of these bursts (frequency, amplitude, length, and area under the curve) allows precise characterization of the stimulus effect on the respiratory network. The main limitation of this method is the viability of the preparation beyond the early post-natal stages. Thus, this method greatly focuses on the study of the whole network without the peripheral inputs in the newborn rat.
Introduction
Solunum dioksijen (O 2) alımı ve karbondioksit (CO 2) eliminasyon izin beyin tarafından kontrol edilen karmaşık ve hayati faaliyeti vardır. Merkezi solunum sürücü hem memelilerde 1 beyin sapı bulunan karmaşık bir ağ, amfibiler 2, sürüngenler 3, kuşlar ve balıklar 4 5 tarafından oluşturulur. Nefes çalışma in vivo olarak işlenebilir bile, hassas mekanik araştırmalar solunum kontrolü ağına doğrudan erişim gerektirir. Bu amaçla, Adrian ve Buytendijk beyin yüzeyi kayıt solungaç havalandırma 5 ile bağlantılı üretilmiş bir ritm yerleştirilmiş elektrodlar olan bir düşük akvaryum balığı hazırlama, geliştirdi. Bu yaklaşım sonradan doğan kemirgenler kullanılmak üzere 1984 yılında 6 Suzue tarafından uyarlandı. Bu hazırlık gelişi solunum nörobiyoloji önemli ilerlemelere yol açmıştır. Bu, nispeten basit olduğundan, bu teknik h sunulmaktadırere ritmik motor davranışlar ve yenidoğan kemirgenlerde kökenleri temel araştırmaların geniş bir mükellef olduğunu.
Bu yöntemin genel amacı inspiratuar aktivite nöral korelasyonu kaydetmek için, bir solunum benzeri ritim solunum ağı tarafından üretilen kurgusal nefes çağırdı. Bu yöntem, hem de vahşi tip 7 ve transjenik 8 hayvan solunum varyasyonlar ve farmakoloji inspiratuar yanıtları hedef araştırma amaçları geniş bir aralığında kullanılabilmektedir. Kaydedilen sinyalin fizyolojik alaka ilgili deneyler duyusal aferentlerde olmadan, düşük bir sıcaklıkta gerçekleştirilir ve aCSF içinde glikoz ve O 2 konsantrasyonları yüksek olduğu koşullarda, sorular gündeme getirilmiştir göz önüne alındığında. In vivo ve in vitro koşullarda arasında belirgin farklılıklar olmakla birlikte (örn., Inspiratuar patlamaların sıklığı) gerçeği varlığı kalırSolunum ağının 6 temel unsurları mümkün hayati homeostatik işlevi 9,10 ilişkili sağlam bir ritim eğitimi yapmak.
Geliştirilmesi ve bu tekniğin kullanılması ardındaki mantık, özellikle yenidoğanlarda, in vivo pek erişilebilir solunum şebekenin beyin sapı elemanları, doğrudan erişim kolaylaştırmaktır. Beyin sapı sıkı kontrol koşulları altında yerleştirilir: kaydedilen ritim akciğerlerde veya karotid organları periferik afferent girdiler modüle değil, çalışma merkezi solunum sürücünün kendisini 11 odaklanmasını sağlar. Bu nedenle, bu erişim uyaranlara uygulanır ve çıkış sinyalini kaydetmek için kullanılır. Kayıtları, pletismografi aksine, solunum ritminde vücut boyunca tüm bileşenleri ile modüle (örn., Akciğer şişliği, periferal chemosensors), zor hassas uyaranlara uygulamak adrestir.
Bir Inewborn sıçan, protokol yapay beyin-omurilik sıvısı (aCSF) muhafaza izole bir beyin sapında dördüncü ventral kök sinyali ve bir kesik omuriliği, kayıt oluşmaktadır. Beyin-omurilik preparasyonlar tarafından oluşturulan ritim inspiratuar sinyali 9 bağlanmış, tek tek ağır patlamaları oluşmaktadır. 7 – İzole beyin sapı-omurilik hazırlıkları kolayca 4 (P4 P0) post-natal 0. günden sıçanlarda kaydedilebilen vardır. Bu yaklaşım, genellikle, solunum ağın hipoksik yanıtı ve aynı zamanda hiperkapni, asidoz ve ilaçlara yanıtını değerlendirmek için kullanılır. Akut hipoksi protokol sunulmuştur. Bu uyarım aCSF içinde O 2 çekilmesi ile elde edilir; Bu yaklaşım genellikle hipoksiktir hoşgörü ve yanıt değerlendirmek için kullanılır. Protokol hipoksi maruziyeti sonunda (Şekil 1) 12 kadar ilk dakikadan itibaren bir ritim depresyon neden olur. Bu depresyon tersine çevrilirPost-hipoksik iyileşme 12'ye sırasında. Deneysel tasarım ile ilgili, beyin sapı rostral kısmında bulunan pons, ritim jeneratörü 8 üzerinde inhibitör etkiye sahip olduğunu fark etmek önemlidir. Böylece, tam beyin sapı ve rostral omurilik hazırlıklar daha düşük bir ritim gösterir. Kayıt için izole numunede pons dahil edilmesi Deney 13 hedefine göre belirlenir; soğanilik ağdaki pons etkisi çalışma sonuçlarını 14 karşılaştırmak pons olan ve olmayan kayıtları gerektirecektir. Ayrıca, bu tekniğin avantajlarından biri, mezensefalik ve / veya diensefalik bölgeleri 15,16 dahil hazırlık rostral bir kısmının etrafında uzanan mümkün ponto-medüller solunum ağda bu bölgelerin etkisini değerlendirmek için yapma imkanı vardır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Solunum aktivitesinin doğru miktar zor olabilir. Nitekim, nefes otomatik ve gönüllü hem de olabilecek bir fonksiyondur ve bu ortamda, vücudun ihtiyaçlarına duygusal durumu ve davranış göre modüle edilir. Bu tekniğin avantajı, solunum komutu üretmekten sorumlu nöral elemanların izolasyondur. Bu nedenle, beyin sapı-omurilik preparatları ve pletismografi elektrofizyolojik ölçümler sırasıyla in vitro ve in vivo olarak bütün nöronal solunum ağ çalışma tamamlayıcı tekniklerdir. Beyin s…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors sincerely thank the Canadian Institutes of Health Research MOP 130258 and the Star Foundation for Children’s Health Research, along with the Molly Towell Foundation, for the provision of the research facility and financial support. The authors also sincerely thank Dr. Kinkead Richard for manuscript proofreading and advice.
Materials
| Sylgard | Sigma Aldrich | 761036-5EA | Use under hood |
| NaCl | Bioshop | SOD002 | |
| KCl | Bioshop | POC888 | |
| CaCl2 | Bioshop | CCL444 | |
| MgCl2 | Bioshop | MAG510 | |
| NaHCO3 | Bioshop | SOB999 | |
| NaH2PO4 | Bioshop | SPM306 | |
| D-glucose | Bioshop | GLU501 | |
| Carbogen | Linde | 343-02-0006 | |
| Temperature Controller | Warner Instruments, Hamden, CT, USA | TC-324B | |
| Suction electrode | A-M Systems, Everett, WA, USA | model 573000 | |
| Differential AC amplifier | A-M Systems, Everett, WA, USA | model 1700 | |
| Moving averager | CWE, Ardmore, PA, USA | model MA-821 | |
| Data acquisition system | Dataq Instruments, Akron, OH, USA | model DI-720 | |
| LabChart software | ADInstruments, Colorado Springs, CO, USA | ||
| Prism sofware | Graphpad, La Jolla, CA, USA | ||
| Dissection chamber | Plastic box (e.g. petri box) will do | ||
| Recording chamber | Home made | ||
| Base | Kanetec, Bensenville, IL, USA | MB | |
| Micromanipulator | World Precision Instrument Inc, Sarasota, FL, USA | KITE-R | |
| Base | Kanetec, Bensenville, IL, USA | MB | |
| Peristaltic pump | Gilson, Middleton, WI, USA | MINIPULS 3 | |
| Faraday Cage | Home made | ||
| Computer |
Referencias
- Feldman, J. L., Del Negro, ., A, C., Gray, P. A. Understanding the rhythm of breathing: so near, yet so far. Annu Rev Physiol. 75, 423-452 (2013).
- Taylor, A. C., Kollros, J. J. Stages in the normal development of Rana pipiens larvae. Anat Rec (Hoboken). 94, 7-13 (1946).
- Takeda, R., Remmers, J. E., Baker, J. P., Madden, K. P., Farber, J. P. Postsynaptic potentials of bulbar respiratory neurons of the turtle. Respir Physiol. 64, 149-160 (1986).
- Bouverot, P. Control of breathing in birds compared with mammals. Physiol Rev. 58, 604-655 (1978).
- Adrian, E. D., Buytendijk, F. J. Potential changes in the isolated brain stem of the goldfish. J Physiol. 71, 121-135 (1931).
- Suzue, T. Respiratory rhythm generation in the in vitro brain stem-spinal cord preparation of the neonatal rat. J Physiol. 354, 173-183 (1984).
- Fournier, S., et al. Gestational stress promotes pathological apneas and sex-specific disruption of respiratory control development in newborn rat. J Neurosci. 33, 563-573 (2013).
- Caravagna, C., Kinkead, R., Soliz, J. Post-natal hypoxic activity of the central respiratory command is improved in transgenic mice overexpressing Epo in the brain. Respir Physiol Neurobiol. 200, 64-71 (2014).
- Onimaru, H., Arata, A., Homma, I. Neuronal mechanisms of respiratory rhythm generation: an approach using in vitro preparation. Jpn J Physiol. 47, 385-403 (1997).
- Onimaru, H. Studies of the respiratory center using isolated brainstem-spinal cord preparations. Neurosci Res. 21, 183-190 (1995).
- Ballanyi, K., Onimaru, H., Homma, I. Respiratory network function in the isolated brainstem-spinal cord of newborn rats. Prog Neurobiol. 59, 583-634 (1999).
- Viemari, J. C., Burnet, H., Bevengut, M., Hilaire, G. Perinatal maturation of the mouse respiratory rhythm-generator: in vivo and in vitro studies. Eur J Neurosci. 17, 1233-1244 (2003).
- Rybak, I. A., Abdala, A. P., Markin, S. N., Paton, J. F., Smith, J. C. Spatial organization and state-dependent mechanisms for respiratory rhythm and pattern generation. Prog Brain Res. , 165-201 (2007).
- Hilaire, G., Viemari, J. C., Coulon, P., Simonneau, M., Bevengut, M. Modulation of the respiratory rhythm generator by the pontine noradrenergic A5 and A6 groups in rodents. Respir Physiol Neurobiol. 143, 187-197 (2004).
- Okada, Y., Kawai, A., Muckenhoff, K., Scheid, P. Role of the pons in hypoxic respiratory depression in the neonatal rat. Respir Physiol. 111, 55-63 (1998).
- Voituron, N., Frugiere, A., Gros, F., Macron, J. M., Bodineau, L. Diencephalic and mesencephalic influences on ponto-medullary respiratory control in normoxic and hypoxic conditions: an in vitro study on central nervous system preparations from newborn rat. Neurociencias. 132, 843-854 (2005).
- Somjen, G. G. Ion regulation in the brain: implications for pathophysiology. Neuroscientist. 8, 254-267 (2002).
- Danneman, P. J., Mandrell, T. D. Evaluation of five agents/methods for anesthesia of neonatal rats. Lab Anim Sci. 47, 386-395 (1997).
- Formenti, A., Zocchi, L. Error signals as powerful stimuli for the operant conditioning-like process of the fictive respiratory output in a brainstem-spinal cord preparation from rats. Behav Brain Res. 272, 8-15 (2014).
- Bierman, A. M., Tankersley, C. G., Wilson, C. G., Chavez-Valdez, R., Gauda, E. B. Perinatal hyperoxic exposure reconfigures the central respiratory network contributing to intolerance to anoxia in newborn rat pups. J App Physiol. 116, 47-53 (2014).
- Umezawa, N., et al. Orexin-B antagonized respiratory depression induced by sevoflurane, propofol, and remifentanil in isolated brainstem-spinal cords of neonatal rats. Respir Physiol Neurobiol. 205, 61-65 (2015).
- Ruangkittisakul, A., Secchia, L., Bornes, T. D., Palathinkal, D. M., Ballanyi, K. Dependence on extracellular Ca2+/K+ antagonism of inspiratory centre rhythms in slices and en bloc preparations of newborn rat brainstem. J Physiol. 584, 489-508 (2007).
- Cayetanot, F., Bodineau, L., Frugiere, A. 5-HT acting on 5-HT(1/2) receptors does not participate in the in vitro hypoxic respiratory depression. Neurosci Res. 41, 71-78 (2001).
- Onimaru, H., Homma, I. Whole cell recordings from respiratory neurons in the medulla of brainstem-spinal cord preparations isolated from newborn rats. Pflugers Archiv : European journal of physiology. 420, 399-406 (1992).
- Paton, J. F. Rhythmic bursting of pre- and post-inspiratory neurones during central apnoea in mature mice. J Physiol. 502 (Pt 3), 623-639 (1997).
- Morin-Surun, M. P., Boudinot, E., Kato, F., Foutz, A. S., Denavit-Saubie, M. Involvement of NMDA receptors in the respiratory phase transition is different in the adult guinea pig in vivo and in the isolated brain stem preparation. J Neurophysiol. 74, 770-778 (1995).
- Otsuka, H. Effects of volatile anesthetics on respiratory activity and chemosensitivity in the isolated brainstem-spinal cord of the newborn rat. Hokkaido Igaku Zasshi. 73, 117-136 (1998).
- Gestreau, C., et al. Task2 potassium channels set central respiratory CO2 and O2 sensitivity. PNAS. 107, 2325-2330 (2010).
- Caravagna, C., Soliz, J. PI3K and MEK molecular pathways are involved in the erythropoietin-mediated regulation of the central respiratory command. Respir Physiol Neurobiol. 206C, 36-40 (2014).
- Tree, K., Caravagna, C., Hilaire, G., Peyronnet, J., Cayetanot, F. Anandamide centrally depresses the respiratory rhythm generator of neonatal mice. Neurociencias. 170, 1098-1109 (2010).
- Arata, A. Respiratory activity of the neonatal dorsolateral pons in vitro. Respir Physiol Neurobiol. 168, 144-152 (2009).
- Onimaru, H., Homma, I. A novel functional neuron group for respiratory rhythm generation in the ventral medulla. J Neurosci. 23, 1478-1486 (2003).
- St-John, W. M., Paton, J. F. Characterizations of eupnea, apneusis and gasping in a perfused rat preparation. Respir Physiol. 123, 201-213 (2000).
