Induksjon av et isoelektrisk Brain State å undersøke effekten av endogent Synaptic aktivitet på neuronal Excitability<em> I Vivo</em

I fravær av eventuelle miljømessige stimuli eller atferds oppgaver, genererer den "hvile" brain en kontinuerlig strøm av elektrisk aktivitet som kan tas opp fra hodebunnen, som (EEG) bølger. Den intracellulære korrelat av dette endogene cerebrale aktivitet er kjennetegnet ved bakgrunn membranspenningsvariasjoner (også kjent som "synaptisk noise"), som er sammensatt av en kombinasjon av eksitatoriske og hemmende synaptiske potensialer som reflekterer den pågående aktivitet av afferent nettverk ^1,2. Dette spontan aktivitet varierer i frekvens og amplitude med de forskjellige tilstander av årvåkenhet. Belyse effekten av nettverksaktivitet på oppstemthet og responsen til enkeltnerveceller er en av de store utfordringene i nevrovitenskap ^3,4.

Mange eksperimentelle og beregnings studier har utforsket den funksjonelle effekten av pågående synaptisk aktivitet på integrerende properties av nerveceller. Men rollen til de ulike nevrale parametere påvirket av bakgrunns synaptiske støy fortsatt ukjent. For eksempel har det midlere nivå av membran depolarisering blitt funnet positivt eller negativt ^{5,6 7-9} korrelert med evnen til sanseinntrykk for å utløse aksjonspotensialer. Videre, mens noen undersøkelser tyder på at svingninger i membranpotensialet, som følge av en kontinuerlig varierende strøm av afferent synaptiske innganger, sterkt påvirker respons fra enkeltnerveceller ved å modulere gevinsten av deres input-output forhold ^3,10-13, andre viser at endringer i membraninngangs konduktans mediert av shunting inhibering er tilstrekkelig til å modulere den neuronale forsterkningen uavhengig av størrelsen av membransvingninger ^14,15. Til slutt, nyere studier utført på våken dyr streket hvordan behandlingen av sensorisk informasjon i enkelt nevron kritisk avhengig av tilstand av årvåkenhet ennd gjeldende atferds etterspørselen ^16,17.

En enkel strategi for å klargjøre den funksjonelle rollen til en gitt prosess i et sterkt sammenhengende system, er å bestemme hvor dens fravær spesifikt endrer funksjon av systemet. Denne metoden har vært mye brukt i nevrovitenskap forskning, for eksempel ved hjelp av eksperimentelle lesjoner eller inaktivering av ulike hjerneområder ^18-21, eller farmakologisk blokkering av spesifikke ionekanaler ^22,23. Spesielt, har det vært anvendt in vivo for å avsløre hvor funksjonelle tilkobling og nettverksdynamikk påvirke enkelt celle beregning ^24-27. Men til dags dato lokale manipulasjoner ment å blokkere avfyring av nevroner og / eller forstyrre deres grunnleggende biofysiske egenskaper kan være delvis effektive og er begrenset til relativt små hjernevolum ^28.

For å overvinne disse begrensningene, har vi utviklet en ny in vivo eksperimentell tilnærming irotte å sammenligne elektrofysiologiske egenskapene til enkelt nevroner registrert i en gitt hjerne tilstand, dvs. innebygd i en bestemt nettverk dynamisk, til de som ble oppnådd etter fullstendig undertrykkelse av hele hjernen synaptisk aktivitet ^29. I kontrollbetingelsene, ble to adskilte kortikale dynamikk bli generert. Søvn-lignende electrocorticographic (ECOG) mønstre ble indusert ved injeksjon av moderate doser av natrium pentobarbital. Alternativt kan fast ECOG bølger med liten amplitude sammenlignes med det kortikale aktivitet som ligger under våken tilstand (våken-lignende mønster) fremstilles ved injeksjon av fentanyl. Deretter, og samtidig opprettholde den samme ECOG og intracellulære opptaket, ble en fullstendig stanse av endogen hjernens elektriske aktivitet som oppnås ved systemisk injeksjon av en høy dose av natriumpentobarbital, karakterisert ved isoelektrisk ECOG og intracellulære aktivitet. På grunn av at induksjon av en slik ekstrem koma kan potensielt ha dødelig derav følgendeces på biologiske funksjoner, en forsiktig og kontinuerlig overvåking av de fysiologiske variablene var avgjørende. Derfor har vi omhyggelig fulgt hjerteslagfrekvens, slutttidevanns CO ₂ konsentrasjon (EtCO _2), O ₂ metning _(SpO2) og kjernetemperaturen av rotter gjennom forsøkene.

Vi evaluerer enkelt nevroner eiendommer i løpet av disse forskjellige stater bruker skarpe mikroelektroder, som er spesielt egnet for lange og stabile opptak i vivo. Den fremgangsmåte som er beskrevet her, kan kombineres med andre elektrofysiologiske og bildedannende fremgangsmåter og kan bli utvidet til andre dyremodeller.