Индуцирование государства Изоэлектрическая мозга для изучения влияния эндогенного синаптической активности на нейронную возбудимость,<em> В Vivo</em
Summary
Эта процедура выполняет долговечные внутриклеточные записи в естественных условиях от отдельных нейронов во время физиологически соответствующих мозговых состояний и после полной отмены текущих электрических деятельности, в результате чего в изоэлектрической состоянии мозга. Физиологические константы животного тщательно контролируются при переходе к искусственному коматозного состояния.
Abstract
Информация о процессе путь нейроны зависит как от их внутренних свойств мембраны и на динамику афферентной синаптической сети. В частности, эндогенно-генерируемой сетевую активность, которая сильно изменяется в зависимости от состояния бдительности, значительно модулирует вычисление нейронную. Для того, чтобы исследовать , как различные спонтанные церебральные динамика влияет на интегративные свойства отдельных нейронов, мы разработали новую экспериментальную стратегию у крыс , заключающийся в подавлении в естественных условиях все мозговую активность с помощью системной инъекции высокой дозы пентобарбитала натрия. Кортикальные деятельность, непрерывно контролируется комбинированным ЭГ (ЭГ) и внутриклеточных записей постепенно замедляется, что приводит к постоянному изоэлектрической профилю. Это экстремальное состояние мозга, помещая крысу в глубокий коматозное состояние, был тщательно контролироваться путем измерения физиологических констант животного на протяжении экспериментов. Внутриклеточные гecordings позволило охарактеризовать и сравнить интегративные свойства одного и того же нейроне внедренного в физиологически соответствующих корковой динамики, такие, как те, которые встречаются в цикле сон-бодрствование, а когда мозг был полностью молчит.
Introduction
При отсутствии каких-либо внешних стимулов или поведенческих задач, то "отдыхает" мозг генерирует непрерывный поток электрической активности, которые могут быть записаны с кожи головы, как электроэнцефалографии (ЭЭГ) волн. Внутриклеточная коррелятом этого эндогенного активности мозга характеризуется колебаниями фона мембранного напряжения (также известный как "синаптической шум"), которые состоят из комбинации возбуждающих и тормозных синаптических потенциалов , которые отражают текущую активность афферентных сетей 1,2. Эта спонтанная активность изменяется по частоте и амплитуде с различными состояниями бдительности. Освещающий влияние сетевой активности на возбудимости и реактивности отдельных нейронов является одной из основных проблем нейронаук 3,4.
Многие экспериментальные и расчетные исследования исследовали функциональное влияние текущей синаптической активности на интегративной СВОЙСТВs нейронов. Тем не менее, роль различных нейрональных параметров, пострадавших от фонового шума синаптической остается неуловимым. Например, средний уровень деполяризации мембраны было обнаружено положительно или отрицательно 5,6 7-9 коррелирует со способностью сенсорных входов , чтобы вызвать потенциалы действия. Кроме того, в то время как некоторые исследования показывают , что колебания мембранного потенциала, в результате чего из непрерывно изменяющегося потока афферентных синаптических входов, сильно влияет на быстроту реакции отдельных нейронов путем модуляции усиления их ввода-вывода отношений 3,10-13, другие указывают , что изменения входной проводимости мембраны , опосредованные маневрового ингибирования достаточны для модуляции нейрональной усиления независимо от величины мембранных колебаний 14,15. Наконец, недавние исследования, проведенные на животных, бодрствующих подчеркнул, как обработка сенсорной информации в одном нейроне в значительной степени зависит от состояния бдительности ай ток поведенческая спроса 16,17.
Несложный стратегия для выяснения функциональной роли данного процесса в высокой степени взаимосвязанной системе, чтобы определить, каким образом его отсутствие конкретно изменяет функционирование системы. Этот метод широко используется в исследованиях нейронауки, например , с использованием экспериментальных поражений или инактивация различных областей мозга , 18-21 или фармакологической блокады специфических ионных каналов 22,23. Примечательно, что он применялся в естественных условиях , чтобы представить как функциональную динамику подключений и сетевых влияют на вычисление одноклеточ- 24-27. Тем не менее, на сегодняшний день местные манипуляции предназначены для блокирования возбуждения нейронов и / или возмущать их основные биофизические свойства могут быть частично эффективными и ограничены на сравнительно небольшие объемы мозга 28.
Чтобы преодолеть эти ограничения, мы разработали новый в естественных условиях экспериментального подхода вкрыса сравнить электрофизиологические свойства отдельных нейронов , зарегистрированных в данном состоянии головного мозга, то есть, встроенный в конкретной сети динамической, к полученным после полного подавления всего мозга синаптической активности 29. В условиях управления, два различных корковой динамики может быть сгенерирован. Сон, как electrocorticographic (ЭГ) модели были вызваны инъекции умеренных доз фенобарбитала натрия. В качестве альтернативы, быстрые ЭГ волны малой амплитуды, сравнимые с корковой активности, лежащей в основе состояния бодрствования (бодрствование-подобный рисунок) может быть получен путем введения фентанила. В дальнейшем, при сохранении той же ЭГ и внутриклеточной регистрации, полное глушение эндогенный электрической активности головного мозга была получена путем системной инъекции высокой дозы фенобарбитала натрия, характеризующийся изоэлектрической ЭГ и внутриклеточного деятельности. Поскольку индукция такой экстремальной коматозных потенциально может привести к фатальным consequenКЕС на биологические функции, тщательный и непрерывный мониторинг физиологических переменных имеет важное значение. Поэтому мы тщательно следили за частотой сердечных биений, конец приливные концентрации СО 2 (Eţco 2), O 2 насыщения (SPO 2) и температуру ядра крысы на протяжении экспериментов.
Мы оцениваем свойства отдельных нейронов во время этих различных состояний с использованием резких микроэлектродов, которые особенно подходят для длительных и стабильных записей в естественных условиях. Процедура, описанная здесь, может быть объединен с другими электрофизиологических и обработки изображений подходов и может быть распространен на другие модели на животных.
Protocol
Representative Results
Discussion
Здесь мы опишем новый метод для подавления в естественных условиях спонтанной мозговой электрической активности в сети как и клеточном уровнях. Эта процедура приводит к экстремальное состояние мозга, известный как изоэлектрической коматозных 41. С клинической точки зрения,…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана грантами от Fondation де Франс, Национальным институтом де ла Санте Et де-ла-Recherche MEDICALE, Пьера и Мари Кюри университета и программы "Investissements d'Avenir 'ANR-10-IAIHU-06.
Materials
| Sodium Pentobarbital | Centravet | Pentobarbital | |
| Ketamine 500 | Merial | Imalgène 500 | |
| Fentanyl | Janssen-Cilag | Fentanyl | |
| Xylocaine | Centravet | Xylovet | |
| Gallamine triethiodide | Sigma | G8134 | |
| ECoG amplifier | A-M Systems | AC amplifier, Model 1700 | |
| Intracellular amplifier | Molecular Devices | Axoclamp 900A | |
| Data acquisition interface | Cambridge Electronic Design | CED power 1401-3 | |
| Data analysis software | Cambridge Electronic Design | Spike2 version 7 | |
| micromanipulator | Scientifica | IVM-3000 | |
| Capillary Puller | Narishige | PE-2 | |
| Borosilicate glass capillaries | Harvard Apparatus | GC150F-10 | |
| Silver wire 0.125mm (intracellular recording) | WPI | AGT0525 | |
| Ag-AgCl reference | Phymep | E242 | |
| Silver wire 0.25mm (ECoG recording) | WPI | AGT1025 | |
| Artificial respiration system | Minerve | Alpha Lab | |
| Physiological parameters monitoring | Digicare | LifeWindow Lite | |
| Heating Blanket | Harvard Apparatus | 507215 | |
| Stereomicroscope | Leica | M80 | |
| Scissors | FST | 15005-08 | |
| Forceps Dumont #5 | FST | 11295-10 | |
| Forceps Dumont #5SF | FST | 11252-00 | |
| IP Polyurethane catheter – 0.43×0.69mm | Instech | BTPU-027 | |
| Silicon elastomere | WPI | KWIK-CAST | |
| Dental drill | NSK | Y1001151 and P496 | |
| Surgical glue | 3M | vetbond |
References
- Fatt, P., Katz, B. Some observations on biological noise. Nature. 166 (4223), 597-598 (1950).
- Brock, L. G., Coombs, J. S., Eccles, J. C. The recording of potentials from motoneurones with an intracellular electrode. J. Physiol. 117 (4), 431-460 (1952).
- Destexhe, A., Rudolph, M., Fellous, J. M., Sejnowski, T. J. Fluctuating synaptic conductances recreate in vivo-like activity in neocortical neurons. 신경과학. 107 (1), 13-24 (2001).
- Silver, R. A. Neuronal arithmetic. Nat. Rev. Neurosci. 11 (7), 474-489 (2010).
- Azouz, R., Gray, C. M. Cellular mechanisms contributing to response variability of cortical neurons in vivo. J. Neurosci. 19 (6), 2209-2223 (1999).
- Sanchez-Vives, M. V., Nowak, L. G., McCormick, D. A. Membrane Mechanisms Underlying Contrast Adaptation in Cat Area 17 In Vivo. J. Neurosci. 222 (11), 4267-4285 (2000).
- Petersen, C. C. H., Hahn, T. T. G., Mehta, M., Grinvald, A., Sakmann, B. Interaction of sensory responses with spontaneous depolarization in layer 2/3 barrel cortex. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 100 (23), 13638-13643 (2003).
- Sachdev, R. N. S., Ebner, F. F., Wilson, C. J. Effect of Subthreshold Up and Down States on the Whisker-Evoked Response in Somatosensory Cortex. J. Neurophysiol. 92 (6), 3511-3521 (2004).
- Hasenstaub, A., Sachdev, R. N. S., McCormick, D. A. State Changes Rapidly Modulate Cortical Neuronal Responsiveness. J. Neurosci. 27 (36), 9607-9622 (2007).
- Chance, F. S., Abbott, L. F., Reyes, A. D. Gain modulation from background synaptic input. Neuron. 35 (4), 773-782 (2002).
- Shu, Y., Hasenstaub, A., Badoual, M., Bal, T., McCormick, D. A. Barrages of synaptic activity control the gain and sensitivity of cortical neurons. J. Neurosci. 23 (32), 10388-10401 (2003).
- Mitchell, S. J., Silver, R. A. Shunting inhibition modulates neuronal gain during synaptic excitation. Neuron. 38 (3), 433-445 (2003).
- Prescott, S. A., De Koninck, Y. Gain control of firing rate by shunting inhibition: roles of synaptic noise and dendritic saturation. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 100 (4), 2076-2081 (2003).
- Graham, L. J., Schramm, A. In Vivo Dynamic-Clamp Manipulation of Extrinsic and Intrinsic Conductances: Functional Roles of Shunting Inhibition and IBK in Rat and Cat Cortex. Dynamic-clamp: From principles to applications. , (2009).
- Fernandez, F. R., White, J. A. Gain control in CA1 pyramidal cells using changes in somatic conductance. J. Neurosci. 30 (1), 230-241 (2010).
- Polack, P. O., Friedman, J., Golshani, P. Cellular mechanisms of brain state-dependent gain modulation in visual cortex. Nat. Neurosci. 16 (9), 1331-1339 (2013).
- Zhou, M., Liang, F., et al. Scaling down of balanced excitation and inhibition by active behavioral states in auditory cortex. Nat. Neurosci. 17 (6), 841-850 (2014).
- Contreras, D., Destexhe, A., Sejnowski, T. J., Steriade, M. Spatiotemporal Patterns of Spindle Oscillations in Cortex and Thalamus. J. Neurosci. 17 (3), 1179-1196 (1997).
- Charpier, S., Mahon, S., Deniau, J. M. In vivo induction of striatal long-term potentiation by low-frequency stimulation of the cerebral cortex. 신경과학. 91 (4), 1209-1222 (1999).
- Constantinople, C. M., Bruno, R. M. Effects and Mechanisms of Wakefulness on Local Cortical Networks. Neuron. 69 (6), 1061-1068 (2011).
- Poulet, J. F. A., Fernandez, L. M. J., Crochet, S., Petersen, C. C. H. Thalamic control of cortical states. Nat. Neurosci. 15 (3), 370-372 (2012).
- Hille, B. . Ion Channels of Excitable Membranes, Third Edition. , (2001).
- Sakmann, B., Neher, E. . Single-Channel Recording. , (2009).
- Ferster, D., Chung, S., Wheat, H. Orientation selectivity of thalamic input to simple cells of cat visual cortex. Nature. 380 (6571), 249-252 (1996).
- Paré, D., Shink, E., Gaudreau, H., Destexhe, A., Lang, E. J. Impact of spontaneous synaptic activity on the resting properties of cat neocortical pyramidal neurons In vivo. J. Neurophysiol. 79 (3), 1450-1460 (1998).
- Destexhe, A., Paré, D. Impact of network activity on the integrative properties of neocortical pyramidal neurons in vivo. J. Neurophysiol. 81 (4), 1531-1547 (1999).
- Kara, P., Pezaris, J. S., Yurgenson, S., Reid, R. C. The spatial receptive field of thalamic inputs to single cortical simple cells revealed by the interaction of visual and electrical stimulation. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99 (25), 16261-16266 (2002).
- Lomber, S. G. The advantages and limitations of permanent or reversible deactivation techniques in the assessment of neural function. J. Neurosci. Meth. 86 (2), 109-117 (1999).
- Altwegg-Boussac, T., Chavez, M., Mahon, S., Charpier, S. Excitability and responsiveness of rat barrel cortex neurons in the presence and absence of spontaneous synaptic activity in vivo. J. Physiol. 592 (16), 3577-3595 (2014).
- Miner, N. A., Koehler, J., Greenaway, L. Intraperitoneal injection of mice. Appl. Microbiol. 17 (2), 250-251 (1969).
- Paxinos, G., Watson, C. . The rat brain in stereotaxic coordinates (2nd edn). , (1986).
- Wolfensohn, S. . Handbook of Laboratory Animal Management and Welfare. , (2013).
- Bester, H., Chapman, V., Besson, J. M., Bernard, J. F. Physiological Properties of the Lamina I Spinoparabrachial Neurons in the Rat. J. Neurophysiol. 83 (4), 2239-2259 (2000).
- Greene, S. A. . Veterinary Anesthesia and Pain Management Secrets. , (2002).
- Morgan, B. J., Adrian, R., Bates, M. L., Dopp, J. M., Dempsey, J. A. Quantifying hypoxia-induced chemoreceptor sensitivity in the awake rodent. J. Appl. Physiol. 117 (7), 816-824 (2014).
- Mahon, S., Deniau, J. M., Charpier, S. Relationship between EEG potentials and intracellular activity of striatal and cortico-striatal neurons: an in vivo study under different anesthetics. Cereb. Cortex. 11 (4), 360-373 (2001).
- Ganes, T., Lundar, T. The effect of thiopentone on somatosensory evoked responses and EEGs in comatose patients. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 46 (6), 509-514 (1983).
- Schmid-Elsaesser, R., Schröder, M., Zausinger, S., Hungerhuber, E., Baethmann, A., Reulen, H. J. EEG burst suppression is not necessary for maximum barbiturate protection in transient focal cerebral ischemia in the rat. J. Neurol. Sci. 162 (1), 14-19 (1999).
- Cummins, T. R., Jiang, C., Haddad, G. G. Human neocortical excitability is decreased during anoxia via sodium channel modulation. J Clin Invest. 91 (2), 608-615 (1993).
- Gu, X. Q., Kanaan, A., Yao, H., Haddad, G. G. Chronic High-Inspired CO2 Decreases Excitability of Mouse Hippocampal Neurons. J. Neurophysiol. 97 (2), 1833-1838 (2007).
- Lehembre, R., Gosseries, O., et al. Electrophysiological investigations of brain function in coma, vegetative and minimally conscious patients. Arch Ital Biol. 150 (2/3), 122-139 (2012).
- Husain, A. M. Electroencephalographic assessment of coma. J Clin Neurophysiol. 23 (3), 208-220 (2006).
- Fink, E. L., Alexander, H., et al. An Experimental Model of Pediatric Asphyxial Cardiopulmonary Arrest in Rats. Pediatr Crit Care Med. 5 (2), 139-144 (2004).
- Lukatch, H. S., McIver, M. B. Synaptic mechanisms of thiopental-induced alterations insynchronized cortical activity. Anesthesiology. 84, 1425-1434 (1996).
- Kroeger, D., Amzica, F. Hypersensitivity of the anesthesia-induced comatose brain. J Neurosci. 27, 10597-10607 (2007).
- Kroeger, D., Florea, B., Amzica, F. Human brain activity patterns beyond the isoelectric line of extreme deep coma. PLoS ONE. 8 (9), e75257 (2013).
- Margrie, T. W., Brecht, M., Sakmann, B. In vivo, low-resistance, whole-cell recordings from neurons in the anaesthetized and awake mammalian brain. Pflugers Arch. 444 (4), 491-498 (2002).
- DeWeese, M. Whole-Cell Recording In Vivo. Current Protocols in Neuroscience. , (2007).
- Schramm, A. E., Marinazzo, D., Gener, T., Graham, L. J. The Touch and Zap Method for In Vivo Whole-Cell Patch Recording of Intrinsic and Visual Responses of Cortical Neurons and Glial Cells. PLoS ONE. 9 (5), e97310 (2014).
- Mahon, S., Charpier, S. Bidirectional Plasticity of Intrinsic Excitability Controls Sensory Inputs Efficiency in Layer 5 Barrel Cortex Neurons in Vivo. J. Neurosci. 32 (33), 11377-11389 (2012).
- Destexhe, A., Rudolph, M., Paré, D. The high-conductance state of neocortical neurons in vivo. Nat. Rev. Neurosci. 4 (9), 739-751 (2003).
