We demonstrate the fabrication, calibration and properties of two types of ion-selective microelectrodes (double-barreled and concentric) for measurement of ion concentrations in brain tissue. These are then used in the mouse hippocampal slice preparation to show that excitatory activity changes both extracellular potassium and sodium concentrations.
Electrical activity in the brain is accompanied by significant ion fluxes across membranes, resulting in complex changes in the extracellular concentration of all major ions. As these ion shifts bear significant functional consequences, their quantitative determination is often required to understand the function and dysfunction of neural networks under physiological and pathophysiological conditions. In the present study, we demonstrate the fabrication and calibration of double-barreled ion-selective microelectrodes, which have proven to be excellent tools for such measurements in brain tissue. Moreover, so-called “concentric” ion-selective microelectrodes are also described, which, based on their different design, offer a far better temporal resolution of fast ion changes. We then show how these electrodes can be employed in acute brain slice preparations of the mouse hippocampus. Using double-barreled, potassium-selective microelectrodes, changes in the extracellular potassium concentration ([K+]o) in response to exogenous application of glutamate receptor agonists or during epileptiform activity are demonstrated. Furthermore, we illustrate the response characteristics of sodium-sensitive, double-barreled and concentric electrodes and compare their detection of changes in the extracellular sodium concentration ([Na+]o) evoked by bath or pressure application of drugs. These measurements show that while response amplitudes are similar, the concentric sodium microelectrodes display a superior signal-to-noise ratio and response time as compared to the double-barreled design. Generally, the demonstrated procedures will be easily transferable to measurement of other ions species, including pH or calcium, and will also be applicable to other preparations.
Electrical signaling in the brain is based on the flux of ions across plasma membranes. Major ion movements into and from the extracellular space are not only mediated by passage through voltage-gated ion channels, but also by postsynaptic ionotropic receptors as well as ion transporters. Neuronal activity is thus accompanied by complex changes in the extracellular concentration of all major ions 1. For example, influx of sodium into neurons during excitatory activity has been shown to result in a decrease in the extracellular sodium concentration ([Na+]o) 2. The same holds true for the extracellular calcium concentration because calcium ions rapidly enter both pre- and postsynaptic structures 3. At the same time, potassium moves the opposite way and this mediates an increase in the extracellular potassium concentration ([K+]o) in the low mM range 4,5. Synaptic activity also causes changes in extracellular pH that are partly mitigated by concomitant glial membrane fluxes that change intraglial pH 6,7. These activity-related changes in extracellular ion concentrations have significant functional consequences. For example, even small increases in [K+]o depolarize neurons as well as glial cells thereby altering neuronal excitability, and several mechanisms exist to remove excess potassium 8. Failure of these may result in epileptiform activity of neurons or phenomena like spreading depression 1.
Because of their critical importance, quantitative determination of extracellular ion concentrations is often necessary and required to understand the function and dysfunction of neural networks under physiological and pathophysiological conditions. For decades, double-barreled ion-selective microelectrodes have proven to be excellent tools for such measurements in brain tissue 9. For many ions, highly specific sensors with low cross-reactivity for other ions are available. In addition to the classical double-barreled electrodes, so-called concentric electrodes were recently introduced. The latter provide a superior time resolution, but take a little more time and effort to construct 10.
In the following, we will describe the preparation and calibration of these two types of ion-selective microelectrodes. We then show how these electrodes can be employed in brain slice preparations for measurement of changes in [K+]o or [Na+]o induced by excitatory activity following different stimulation paradigms including bath and pressure application of drugs.
Base líquida portadora, electrodos selectivos de iones se han empleado con éxito durante décadas y para muchos iones, sensores altamente específicos están disponibles 22-26 de. Cuando se utiliza en el espacio extracelular (ECS) de preparaciones de cerebro de vertebrados, hay que tener en cuenta, sin embargo, que se trata de una técnica muy invasiva: mientras que el ancho de la ECS sólo alrededor de 20 a 50 nm, el diámetro de ion-selectivo microelectrodos es de aproximadamente 1 m (electrodos de dos cañones) o grandes (electrodos concéntricos). Las puntas de microelectrodos selectivos de iones por lo tanto no sólo dañar el tejido durante su empalamiento del tejido, sino también ampliar el ECS, favoreciendo una subestimación de los transitorios de iones. A pesar de estas dificultades, los transitorios de iones extracelulares en respuesta a la actividad neuronal son notablemente consistente entre diferentes laboratorios 7,8, lo que demuestra la fiabilidad de este método.
El rendimiento y la idoneidad de los electrodos selectivos de ionesdepende de su sensibilidad y selectividad, que se define por el cóctel de sensor ('ionóforo de membrana líquida') utilizado. Cócteles de sensores contienen una molécula transportadora especial, por ejemplo valinomicina para K + microelectrodos selectivos que presenta una alta selectividad para el potasio 27. No obstante, la reactividad cruzada con otros iones puede ocurrir y debe ser probado. Valinomicina exhibe una reactividad cruzada significativa para el amonio, que tiene que tenerse en cuenta al interpretar los resultados (por ejemplo, 11,12). Además, debido a la tensión de respuesta de los ionóforos sigue un comportamiento de Nernst (cf. ecuación 1), la relación señal-ruido y umbral de detección dependen de la concentración del ion a medir. Así, mientras que los pequeños [K +] o transitorios evocar grandes cambios de voltaje contra el bajo de línea de base [K +] o, pequeña [Na +] o transitorios son mucho más difíciles de detectar en contra de la hila línea de base gh [Na +] o (cf. Figura 5 y 6).
El rendimiento de los electrodos selectivos de iones también está determinado por la resolución temporal, que se rige en gran medida por su constante de tiempo eléctrica. Esta última está determinada principalmente por la resistencia axial del sensor, y por la capacitancia distribuida a lo largo de la longitud de la pipeta, entre sus soluciones internas y el fluido externo. En la configuración de dos cañones, la resistencia es alta, debido a la larga columna de sensor de iones de rellenado. Para un dieléctrico aislante dado (en este caso de vidrio de borosilicato), la capacitancia se rige por el grosor dieléctrico. En electrodos de doble cañón, la anchura dieléctrica asciende a la pared de vidrio de la pipeta. A medida que el vidrio se adelgaza cerca de la punta, la anchura dieléctrica cae, y la capacitancia aumenta. Estos factores se combinan para producir electrodos con los tiempos de respuesta que van desde varios cientos de milisegundos a variossegundo, ya que estos factores son variados.
Una ventaja importante del diseño concéntrico es que tanto la resistencia axial y la capacitancia para el baño están muy disminuido. Las derivaciones de pipeta concéntricos mayoría de la resistencia del intercambiador de iones rellenado, dejando sólo un remanente en los últimos pocos micrómetros antes de la punta. Además, la solución de llenado dentro de la pipeta concéntrico está distanciado físicamente de la bañera, separados por el grosor de dos paredes de cristal, reduciendo en gran medida la capacitancia. Como se muestra anteriormente 10, el efecto combinado de reducción de la resistencia y la capacitancia es una mejora en la resolución temporal de dos órdenes de magnitud. En el caso de concéntricos de Ca2 + y pH microelectrodos, el 90% los tiempos de respuesta fueron tan bajos como 10 a 20 ms 10. Una ventaja relacionada del diseño concéntrico es el nivel de ruido inferior (ver Figura 8). Debido a la resistencia reducido en gran medida, los transitorios de tensión de cualquier ambient el ruido se reduce al mínimo. Por otra parte, la recuperación de dichos transitorios es rápida, debido a la constante de tiempo rápida. Estos artefactos son, por tanto, pequeño y rápido, y tienen un efecto menos perjudicial en las grabaciones fisiológicas (cf. Figura 8).
También hay desventajas de la técnica concéntrica. En primer lugar, su montaje es más compleja, y requiere mucho tiempo. Una segunda desventaja es la necesidad de colocar un microelectrodo de referencia independiente con su punta, lo que implica el uso de cualquiera de un micromanipulador separado o un doble manipulador especializada. Finalmente, microelectrodos de doble cañón se pueden extender a un diseño de triple cañón, lo que permite la detección de dos especies de iones diferentes al mismo tiempo 28, que no es posible para los electrodos concéntricos.
Trampas más comunes
Silanización ineficiente.
El paso más importante, y el principal obstáculo en la fabricación de cualquier líquido-senso microelectrodos selectivo de iones a base es el procedimiento silanización. Cuando los electrodos no responden a cambios en la concentración de iones específico, o responder con una respuesta sub-Nernst (es decir, bien menos de 58 mV por diferencia de concentración de diez veces), pobre eficacia de silanización es típicamente la causa. En nuestra experiencia, esto puede ocurrir si la humedad del aire es demasiado alto o demasiado bajo, típico de las condiciones en la temporada de verano o invierno, respectivamente. Si es factible ejercer algún control sobre la humedad ambiente, estos problemas pueden ser superados.
La resistencia del electrodo es demasiado alto.
Si es necesario, la resistencia del barril sensible a iones puede ser reducido por el biselado. Con este fin, exponer su punta a un fuerte chorro de abrasivo en suspensión en el agua durante un par de segundos. Esto hará que su punta todo lo posible para romper y menor es la resistencia al valor deseado.
Puentes de sal.
Salpuentes entre los barriles de iones y de referencia como resultado electrodos mal o ninguno-respuesta y por lo tanto también pueden confundir enormemente su desempeño en la calibración. Como se ha mencionado anteriormente (véase el punto 1.6.), Esto es principalmente un problema cuando se elige de dos cañones de vidrio theta, pero es un hecho poco habitual cuando se utiliza la técnica de barril offset, trenzado se describe aquí.
Con la facilidad de fabricación en mente, el diseño de doble cañón original de Lux 29 menudo se puede utilizar de forma rentable. Este método utiliza pre-llenado de los barriles de iones y de referencia con soluciones salinas, una exposición rápida a una solución de silano por su aspiración y expulsión de la punta, siguiendo por la incorporación de intercambiador de iones, también a través de la punta (ver 30,31) . Estos electrodos pueden ser fabricados en aproximadamente 10 minutos, pero su tamaño de la punta es típicamente 4 micras o más y son más propensos a fallar durante un experimento. Por el contrario, los métodos de silanización que implican la exposición a vapores de silano y el caloring puede producir electrodos con puntas más pequeñas que duran días, ya veces semanas.
En conjunto, hay varios protocolos y enfoques sobre cómo preparar microelectrodos selectivos de iones. Aquí, hemos descrito dos procedimientos principales para la fabricación de microelectrodos de dos cañones, así como concéntricos retorcidas que funcionan bien y fiable en nuestros laboratorios, con una tasa global de éxito de cerca del 100%. Es importante destacar que estas técnicas serán transferibles a la medición de otras especies de iones, incluyendo el pH o calcio, y también será aplicable a otras preparaciones que el cerebro, incluyendo cavidades o fluidos llenos de fluido en general. Por último, pero no menos importante, microelectrodos selectivos de iones permiten la determinación de las concentraciones de iones dentro de las células. Debido a su tamaño relativamente grande de la punta (~ 1 m), esta voluntad, sin embargo, será posible sólo en las células con un cuerpo de células grandes, por ejemplo, tal como se encuentra en los preparativos de invertebrados 28,32.
The authors have nothing to disclose.
Los autores desean agradecer a C. Rodrigo para la asistencia técnica de expertos. Damos las gracias a S. Köhler (Centro de Advanced Imaging, Heinrich Heine Universidad Düsseldorf) para ayudar en la producción de vídeo. La investigación en el laboratorio del autor ha sido financiado por la Asociación Alemana de Investigación (DFG: Ro 2327 / 8-1 para CRR), la Universidad Heinrich Heine Düsseldorf (NH) y por los Institutos Nacionales de Salud de subvención R01NS032123 (MC).
Abrasive | MicroPolish | Buehler GmbH | Dissolved in A.dest |
Borosilicate-glass capillaries | 1405059 | Hilgenberg | Application pipette; 75 mm x 2 mm, wall thickness 0.3 mm |
Borosilicate glass capillaries with filament | GC 150 F-15 | Clark Electromedical Instruments, Harvard Apparatus | For the sensor of double-barreled microelectrodes |
Borosilicate glass capillaries with filament | GC100-F-15 | Clark Electromedical Instruments, Harvard Apparatus | For the reference of double-barreled microelectrodes |
Borosilicate glass capillaries with filament | GB-200TF-15 | Science Products | Concentric, outer channel. o.d. 2.0 mm |
Borosilicate glass capillaries with filament | GB-120TF-10 | Science Products | Concentric, inner channel. o.d. 1.2 mm |
Digidata | 1322A | Axon Instruments | |
Electrometer amplifier with headstage | Custom-made | Rin = 10TΩ and Ibias=50fA-1pA (commercially available alternatives: e. g. Dagan IX2-700, with headstage (10 Gig feedback resistor) or EPMS-07, NPI, Tamm, Germany) | |
Experimental chamber | Custom-made | Commercially available from e.g. Warner Instruments,USA; Scientifica, UK | |
Furnace | Heraeus | Must stay constant at 200°C | |
Hard sticky wax / dental wax | Deiberit 502 | Siladent Dr. Boehme & Schoeps GmbH | |
Hot plate | Custom-made | Must stay constant at 40°C | |
Microelectrodes holder made of plexiglas | Custom-made | Double-barreled: o.d. capillaries 1.5 mm, concentric: o.d. capillaries 2 mm | |
Micromanipulator | Leitz | ||
Micromanipulator | MD4R | Leica | |
Stereo microscope | M205C | Leica | |
Objective | Plan 0.8xLWD | Leica | |
Pipette puller | Model PP-830 | Narishige | Concentric microelectrodes |
Pipette puller | Model P-97 | Sutter Instruments | Sensor of concentric microelectrodes |
Pneumatic drug ejection system | Picospritzter Type II | General Valve TM Corporation | |
Travel dovetail stage | DT 25/M | Thorlabs | |
Two-component glue | Araldite | Huntsman advanced materials GmbH | One may also use a small stripe of aluminum foil to stick the capillaries together |
Silverwire | 99.9% | Wieland Edelmetalle | |
Slicer / Vibratome | Microm HM 650 V | Thermo Scientific | |
Software | AxoScope 8.1 | Axon Instruments | |
Vertical puller | Type PE-2 | Narishige Scientific Instruments | With a revolvable chuck for double-barreled microelectrodes |
x/y translational stage | Custom-made | ||
Name of Compound | Company | Catalog Number | Comments/Description |
1(S),9(R)-(−)-Bicuculline methiodide | Sigma aldrich | 14343 | Competitive antagonist of GABAA receptors (light-sensitive); CAUTION toxic |
CNQX | Sigma aldrich | C-127 | AMPA/kainate receptor antagonist; CAUTION toxic |
Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Sigma aldrich | D5879 | |
DL-AP5 | Alfa Aesar | J64210 | NMDA receptor antagonist; CAUTION toxic |
Hexamethyldisilazane (HMDS) | Sigma aldrich | 440191 | CAUTION: Flammable, acute toxicity (oral, dermal, inhalation) and corrosive to metals and skin |
L-Aspartic acid | Sigma aldrich | A9256 | Activates NMDA and non-NMDA and EAATs |
L-Glutamic acid monosodium salt hydrate | Sigma aldrich | G1626 | Activates NMDA-R, AMPA-R, QA-R and KA-R), mGluRs and EAATs |
Potassium ionophore I – cocktail B | Fluka | 60403 | Based on valinomycin; CAUTION toxic |
Sodium ionophore II – cocktail A | Fluka | 71178 | Based on ETH 157 |
TTX | Ascent Scientific | Asc-055 | Inhibitor of voltage-dependent Na+ channels; CAUTION toxic |
Water, ultra pure | Sigma aldrich | W3500 |