실시간 전기 생리학 : 프로브 신경 역학과 저쪽에 폐쇄 루프 프로토콜을 사용하여
概要
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
실험은 신경 자극 시스템의 응답에 대한 실시간에 의존인가 개발 및 신규 적용 종종 복잡한 폐쇄 – 루프 프로토콜에 대한 관심이 증가 목격된다. 최근 애플리케이션 optogenetics 3을 사용 피질 스트로크 다음 발작 제어 생쥐 1 및 지브라 피쉬 2 모두 모터 반응 연구를위한 가상 현실 시스템의 구현에 이르기까지 다양. 폐쇄 루프 기술의 주요 장점은 직접 액세스 할 수없는 또는 동시에 실험 처리량을 최대화하면서, 이러한 신경 흥분성 4 및 신뢰성 등 여러 변수에 의존하는 더 높은 차원의 특성을 프로빙하는 능력에있다. 이 기여 및 세포 전기 생리학의 맥락에서, 우리는 피라미드 대뇌 피질의 뉴런, REC의 응답 특성의 연구에 폐쇄 루프 다양한 프로토콜을 적용하는 방법에 대해 설명합니다청소년 쥐의 체 감각 피질에서 급성 뇌 조각에서 패치 클램프 기술로 세포 내 orded. 어떠한 시판 또는 개방 소스 소프트웨어를 효율적으로 여기에 설명 된 실험을 수행하는 데 필요한 모든 기능을 제공하지 같이, LCG 5라는 새로운 소프트웨어 도구는 그 모듈러 구조 컴퓨터 코드의 재사용을 극대화하고 새로운 실험 패러다임의 구현을 용이하게 개발되었다. 자극 파형은 컴팩트 한 메타 설명을 사용하여 지정하고 전체 실험 프로토콜은 텍스트 기반의 구성 파일에 설명되어 있습니다. 또한, LCG는 시험의 반복 실험 프로토콜의 자동화에 적합 명령 줄 인터페이스를 가지고 있습니다.
Introduction
최근, 셀룰러 전기 생리학 현대 폐쇄 루프 프로토콜 전압 및 전류 클램프 실험에 이용 전통적인 개방 루프 패러다임에서 진화했다. 가장 잘 알려진 폐 루프 기술은 아마도 신경 세포막 전압 (8)를 결정하기 위해 인공 전압 관문 이온 채널의 합성 주입 활성화 동적 클램프 6,7이며, 비 결정적가 플리커 효과 심층 연구 이온 신경 응답 역학 9 채널뿐만 아니라, 시냅스 백그라운드 작업 (10)와 같은 vivo-에서 실제의 체외에서 휴양.
제안 된 다른 폐쇄 루프 패러다임은 세포 메커니즘을 기본 신경 흥분을 조사하기 위해, 4,12 클램프 반응 클램프 (11), 생체 자기 유지 지속적인 활동의 세대에서 공부하고, 응답을 포함한다.
"ontent> 다음은 급성 뇌 조각 수행 전체 셀 패치 클램프 기록의 맥락에서 폐 루프 전기 생리 다양한 프로토콜을 적용 할 수있는 강력한 구조를 설명한다. 우리는 패치 클램프 기록을 이용하여 체세포 멤브레인 전압을 기록하는 방법을 보여 청소년 쥐의 체 감각 피질과에서 피라미드 뉴런에 LCG, 이론적 신경 생물학 및 Neuroengineering의 실험실에서 개발 된 명령 줄 기반 소프트웨어 도구를 사용하여 세 가지 다른 폐 루프 프로토콜을 적용 할 수 있습니다.간단히 설명 프로토콜은 능동 및 수동 막 특성의 큰 집합의 특성에 대한 관련 현재 클램프 자극 파형의 시리즈의 첫 번째 자동 주입입니다. 이러한 자극 파형의 정형화 된 일련의 응답 특성면에서 세포의 전기 생리 학적 표현형을 캡처하도록 제안되어왔다. 셀의 전자 코드로 알려진 (예를 들어, 참조 & #160; 13,14)는, 예컨대 전기 응답의 컬렉션 객관적 그들의 전기적 특성에 기초하여 신경 세포를 분류하기 위해 여러 실험실에서 사용된다. 이 비례 적분 미분 (PID) 제어기에 의하여 발화 속도의 폐 루프, 실시간 제어를 포함 혁신 기술에 의해 고정 된 입력 – 출력 전송 관계 (FI 곡선)의 분석을 포함 , 체외 준비 (10)과, 컴퓨터 시뮬레이션 가상의 GABA 성 interneuron의 수단으로이 동시에 기록 피라미드 뉴런의 실시간 세 번째 인공 관련하여 사실적인 생체 -like 배경 시냅스 활동의 두 번째 휴양.
또한, LCG는 단일 전극을 사용하여 동적 클램프 프로토콜을 구현 허용 전극 활성 보정 (AEC) (15)로 알려진 기술을 구현한다. 이 원하지 않는 효과를 보정 할 수 있습니다 (rtifacts) 세포가 자극을 전달하기 위해 사용될 때 발생하는 기록 전극. 방법은 기록 회로의 등가 전기 특성의 비모수 추정치에 기초한다.
이 논문에서 설명 된 기술 및 실험 프로토콜 용이 종래 개방 루프 전압 및 전류 클램프 실험에 적용 할 수 있고, 생체 내에서 그러한 세포 외 17,18 4,16와 같은 다른 제제 또는 세포 내 레코딩로 확장 될 수있다. 전체 셀 패치 클램프 전기 생리학에 대한 설정의주의 조립체 안정된 고품질 레코딩을위한 매우 중요한 단계이다. 다음에 우리는 실험 장치는 실험에 이미 사용할 수 있다고 가정하고, LCG의 사용을 설명하기에 우리의 관심을 집중한다. 독자는 최적화 및 디버깅에 대한 자세한 팁은 19-22로 지적되고있다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 텍스트 실시간 구현에 대한 전체 프로토콜에서, 폐쇄 루프 단일 세포 전기 생리 실험은 패치 클램프 기술과 LCG라는 최근에 개발 된 소프트웨어 도구를 사용하여, 기술되었다. 레코딩의 품질을 최적화하기 위해 그 녹화 설정이 적절하게 접지 된 프리 실드 진동 인 것이 중요하다 :이 셀, 안정적이고 지속적인 전체 세포 접근을 보장 함께 자극 프로토콜의 전체 부분을 자동화 가능성있는 실험의 ?…
開示
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 |
参考文献
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