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.
액체 캐리어 기반이, 이온 선택성 전극이 성공적으로 수십 년 동안 많은 이온을 위해 사용되어왔다, 매우 구체적인 센서는 22 ~ 26 사용할 수 있습니다. ECS의 폭은 단지 약 20 내지 50 nm 인, 선택적 이온의 직경 인 동안 : 척추 뇌 제제의 세포 외 공간 (ECS)에서 사용되는 경우, 하나의 문제는 상당히 침습적 방법이 있다는 것이 유념해야 미소 전극은 약 1 ㎛ (더블 질주 전극) 이상 (동심 전극)입니다. 이온 선택성 미소 전극의 끝은 이렇게뿐만 아니라 조직의 자신의 꿰 뚫기 동안 조직을 손상시킬뿐만 아니라, 이온 과도의 과소 평가를 선호, ECS을 확대 할 것이다. 이 함정에도 불구하고, 신경 세포의 활동에 응답 세포 외 이온 과도은이 방법의 신뢰성을 입증 다른 실험실 7, 8, 사이 현저하게 일치한다.
이온 선택성 전극의 성능 및 적합성사용되는 센서 칵테일 ( '액체 막 이온 운반체')에 의해 정의되는 자신의 감도와 선택도에 따라 달라집니다. 센서 칵테일 칼륨 (27)에 대한 높은 선택성을 나타내는 K + -selective 미소 전극을 위해 발리 노마 이신 (Valinomycin) 예를 들어, 특별한 캐리어 분자가 포함되어 있습니다. 에도 불구하고, 다른 이온과 교차 반응이 발생할 수 있으며, 테스트해야합니다. 발리 노마 이신 (Valinomycin)는 결과를 해석 할 때 고려되어야 암모늄 대한 상당한 교차 반응 (예, 11, 12)를 나타낸다. 이오 노 포어의 전압 응답 Nernstian 동작 (참조, 수학 식 1)을 따르기 때문에 또한, 신호 대 잡음비와 검출 임계 값이 측정되는 이온의 농도에 의존한다. 따라서, 동안 작은 [K +] 오 과도 과도 훨씬 더 어려운 인사에 대해 감지 할 수있는 O를 낮은 기준 [K +] 오, 작은 [나 +]에 대한 큰 전압 변화를 보여주고GH 기준 [나 +] O (참조 그림 5, 6).
이온 선택성 전극의 성능은 대부분의 전기 시정이 적용됩니다 시간적 해상도에 의해 결정된다. 후자는 주로 센서의 축 방향의 저항에 의해 결정되고, 내부 용액 및 외부 사이의 유체 피펫의 길이를 따라 분산 커패시턴스에 의해된다. 이중 목적 구성에서, 저항은 백필 이온 센서의 컬럼 길이로 인해 높다. (이 경우 붕규산 유리) 지정된 절연 유전체의 경우, 용량은 유전체 두께의 적용을받습니다. 이중 목적의 전극에서, 유전체층의 폭은 피펫의 유리 벽에 달한다. 유리 선단 부근 얇아 같이, 유전체 폭이 떨어지는 및 용량이 증가한다. 이러한 요인은 수백 밀리 초에서 몇 범위 응답 시간 전극을 생성하기 위해 결합초, 이러한 요인은 다양하다.
동심 설계의 주요 장점은 축 및 저항 욕 용량 모두 크게 감소된다는 것이다. 팁 전에 마지막 몇 마이크로 미터 만 남은 떠나는 채워서 이온 교환기의 저항의 대부분 동심 피펫 션트. 또한, 동심 피펫 내의 도금액 물리적 용량을 크게 줄일 수 개의 유리 벽의 두께에 의해 분리 조로부터 이격된다. (10) 이전에 도시 된 바와 같이, 감소 된 저항 및 커패시턴스의 결합 된 효과는, 2 차의 크기의 시간적 해상도의 향상이다. 동심 칼슘하여 pH 미소 전극의 경우 90 %의 응답 시간은 낮은 밀리 10-20 : 10이었다. 동심 디자인 관련 장점은 낮은 노이즈 레벨 (참조 그림 8)입니다. 어떤 수면제에서 크게 감소 저항에 전압 과도 때문에T 소음은 최소화된다. 또한, 이러한 과도로부터 회복하기 때문에 빠른 시간 상수, 빠르다. 이러한 유물 따라서 작고 빠른, 그리고 생리 학적 기록 (참조 그림 8)에 덜 파괴적인 영향을 미친다.
동심 기술의 단점도 있습니다. 우선, 이들 어셈블리는 더 복잡하고, 시간 소모적이다. 두 번째 단점은 별도의 micromanipulator 또는 특수한 이중 매니퓰레이터 하나의 사용을 수반하는 그 팁 별도 기준 미세 전극을 배치 할 필요가있다. 마지막으로, 이중 목적 미소 전극 동심 전극 용 불가능 동시에 28에서 두 개의 서로 다른 이온 종의 검출을 가능하게 트리플 질주 설계로 확장 될 수있다.
가장 일반적인 함정
비효율적 인 실란 화.
모든 액체 SENS의 제조에있어서 가장 중요한 공정 및 주요 장애물또는 기반 이온 선택적 미세 전극은 실란 화의 절차입니다. 전극이 특정 이온 농도의 변화에 반응, 또는 서브 Nernstian 응답 (10 배 농도의 차이에 따라, 즉, 58도 미만 MV)에 대응하지 않을 때, 실란 화의 불량한 효능은 일반적 원인이다. 대기 습도가 여름 또는 겨울의 높이에서 조건의 전형적인, 너무 높거나 너무 낮은 경우 우리의 경험에 의하면,이 각각 발생할 수 있습니다. 그것은 실내 습도 일부 제어 발휘 가능한 경우, 이러한 문제는 극복 할 수있다.
전극 저항이 너무 높다.
필요한 경우, 이온 성 배럴의 저항은 베벨함으로써 감소 될 수있다. 이를 위해 몇 초 동안 물에 현탁 연마제 강한 제트 선단을 노출. 이것은 그것의 최상의 팁 깨고 원하는 저항 값을 저하시킬 것이다.
소금 다리.
소금이온 및 참조 배럴 사이의 다리는 잘못 또는 없음 – 응답 전극을 초래할 따라서도 크게 교정에서의 성능을 혼동 할 수 있습니다. (포인트 1.6 참조.) 상술 한 바와 같이, 이는 이중 목적 세타 유리가 선택 문제는 주로하지만 여기에 설명 오프셋 꼬인 배럴 기법을 사용할 때 드문하다.
염두에두고 제작의 용이성과 함께, 럭스 (29)의 원래 더블 질주 디자인은 종종 유익하게 사용할 수 있습니다. 이 방법은 또한 팁을 통해, 이온 교환기의 도입에 의해 다음, 소금 솔루션, 끝에서의 흡입 및 퇴학으로 실란 솔루션을 빠르고 노출 이온 및 참조 배럴의 사전 충전을 활용 (30, 31 참조) . 이 전극은 약 10 분으로 제작하지만, 자신의 팁 크기는 일반적으로 4 ㎛ 이상을 그리고 그들은 실험 기간 동안 실패 할 경향이있다 할 수있다. 대조적으로, 그 방법은 실란 화 실란 증기 및 열에 대한 노출을 포함ING는 작은 일 마지막 팁, 때로는 주와 전극을 생성 할 수 있습니다.
함께 찍은 여러 프로토콜이있다 이온 선택성 미소 전극을 준비하는 방법에 접근한다. 여기, 우리는 가까운 100 %의 성공률로, 우리의 실험실에서 잘 안정적으로 작동 트위스트 질주 더블뿐만 아니라 동심 미소 전극의 제조를 위해 두 가지 방법을 설명했다. 중요한 것은, 이들 기술은 산도 또는 칼슘 이온을 포함하는 다른 종의 측정에 양도 할 것이며, 또한 일반적으로 유체로 채워진 캐비티 또는 체액을 포함한 뇌 이외의 제제에 적용 할 수있을 것이다. 마지막으로,하지만 적어도, 이온 선택성 미소 전극은 세포 내부의 이온 농도의 결정을 할 수 있습니다. 상대적으로 큰 팁 크기 (~ 1 ㎛)의 때문에,이 뜻은, 그러나, 무척추 준비 28, 32에서 발견 된 같은 단지 예를 들어 큰 세포체와 세포에서 가능하다.
The authors have nothing to disclose.
저자는 전문 기술 지원을 다 Roderigo을 감사드립니다. 우리는 비디오 제작에 도움을 S. 쾰러 (고급 이미징 센터, 하인리히 하이네 대학 뒤셀도르프를) 감사합니다. (MC에) R01NS032123를 부여합니다 (롬 2327 / 8-1 CRR에 DFG), (NH까지) 하인리히 하이네 대학 뒤셀도르프와 건강의 국립 연구소에 의해 저자의 실험실에서 연구는 독일 연구 협회에 의해 투자되고있다.
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 |