急性マウス脳スライスによる、海馬ネットワーク活動の調査

生体外の生きた海馬スライスからの電気生理学的測定は、多くの利点を有する強力な実験的アプローチである。実験者は顕微鏡、マイクロマニピュレーター、および記録システムを使用して、組織内の個々のニューロンから測定値を直接可視化し、収集することができます。組織スライスは光遺伝学的、化学遺伝学的、または薬理学的実験のための光刺激または薬物送達にも非常にアクセス可能である。

海馬ネットワークは、生体内で高度に同期的な集団活動を生成し、細胞外局所的なフィールドポテンシャル^{1、2、3、4、5}の振動として見^える。脳スライス法は、これらの神経ネットワーク振動の根底にある細胞および回路メカニズムに関する洞察を得るために活用されてきた。Maierらの基礎的な研究は、鋭波波波紋成(SRS)が腹側海馬^6,7のスライスに自発的に出現できることを実証した。複数の研究者からのその後の研究は、海馬8、9、10のネットワーク状態を調節する神経調節因子の役割およびvivo¹¹での行動の間に以前に活動していた神経アンサンブルのインビトロ再活性化を促進するシナプス機構を含む^、SDRの多くの側面を徐々に解明してきた。脳スライス実験はまた、ガンマ範囲振動(30〜100Hz)、記憶符号化とリコール^12、13をサポートすると考えられている明確な海馬ネットワーク状態への洞察を提供している。最後に、側頭葉てんかん^14,15の病態生理学における海馬および関連する構造の中心的役割を認識^し、研究者は海馬スライス製剤を使用しててんかん活動の発生および伝播を調査した。Carterららは、慢性てんかん動物から調製された海馬-内皮質スライスを組み合わせることで、vitro¹⁶で自発的にてんかん放電を発生させることができることを実証した。その後、Karlócaiらは、改変されたイオン濃度^(Mg2+または上昇^K+)または薬物(4APまたはガバジン)17を有する改変された人工脳脊髄液(ACSF)を用いて海馬スライス中のてんかん分泌物の基礎となるメカニズムを探った。

研究者は、重要な方法で異なる多数の海馬スライスアプローチを開発しました:(1)スライスに含まれる海馬の領域(側線、中間体、または腹側);(2)内皮質などの海馬外組織の有無。(3)スライス(コロナ、矢状、水平、または斜め)をカットするために使用される方向。(4)スライス後に組織が維持される条件(ACSFに完全に沈水するか、ACSFのインターフェースで保持され、加湿された、カルボゲンが豊富な空気)。

どのスライスアプローチを使用するかを選択することは、実験目的によって決定されるべきである。例えば、水没条件下で維持された眼海馬の横方向またはコロナスライスは、海馬内回路およびシナプス可塑性^18、19、20の調査に非常に有効に使用されてきた。しかし、このような調製物は、腹側海馬^21、22、23からのスライスほど容易にネットワーク振動を発生させるものではない。持続的なSWR活性の状態は、背側および腹側海馬²⁴からの横切りスライスにおけるテタニック刺激によって誘発され得るが、腹側スライス^7,25において自発的なSWRがより容易に観察される。

側方海馬と腹側海馬の間に固有の生理学的および解剖学的な区別は、生体内およびインビトロ²⁶の両方で行われる研究によって支えられている。ラットにおける記録は、側腹および中間海馬全体にわたって強く一貫したシータリズムを明らかにしたが、腹側領域と海馬²⁷の残りの部分との間の一貫性が悪い。生体内のSRSは、裏側海馬と中間海馬の間で容易に伝播し、腹側海馬に由来するSDRはしばしば局所^的な28のままである。海馬の縦軸に沿って、裏側および中間海馬に存在するCA3錐体ニューロンに由来する関連投影法。腹側領域から発生するCA3投影は比較的局所的であり、したがって、スライスプロセス^29、30の間に切断される可能性が低い。したがって、腹側スライスは、人口同期を生成するために必要な繰り返しネットワークをよりよく保存する可能性があります。vitroで自発的なネットワーク活動を発生させる腹側スライスの傾向は、より多くの側側領域³¹と比較して、錐体ニューロンの高い固有興奮性または腹側海馬におけるGABAergic阻害の高い固有の興奮性を反映してもよい。確かに、腹側海馬のスライスは、てんかん活動^32、33に対してより敏感である。したがって、自発的な生理学的^{8、9、11、24}または病理学^{的16、34、35、36}ネットワーク振動の多くの研究は、伝統的に、時には腹側海馬の横面に平行な組織スライスを生み出す前頭後頭方向にわずかな角度で、水平スライスアプローチを使用してきました。

スライス処理によって、スライスの多くのセルが切断されることで、ネットワーク接続が不可避的に影響を受けます。目的の回路の接続性を最適化するために、準備中に保持されるスライスと組織の角度と厚さを考慮する必要があります。多くの研究は、生理学的または病理学的ネットワーク振動の文脈で2つの構造間の相互作用を探求するために水平結合海馬-内皮質スライス(HEC)を利用しています。Rothらは、海馬のCA1サブフィールドと内側の内皮質の層Vから二重記録を行い、HECスライス³⁷を通してSWR活性の伝播を実証した。てんかんの活動の多くの研究は、てんかんの排出がコルチコヒッポカンネットワーク^{16、35、36、38}を介して伝播する方法を調査するためにHECスライス調製^を使用しています。無傷のコルチコヒッポカンピカルループの保存は、自発的なSVR、てんかんの排出、またはガンマ振動の前提条件ではないことを注意することが重要です。ネットワーク振動は、付着した海馬組織^{21、22、23、25、39、40、41}を伴わない、側側または腹側海馬の横切れスライスで生成することができる。海馬スライスにおけるネットワーク振動の自発的発生のためのより重要な要因は、厚いスライス(400〜550 μm)がCA2/CA3の再発ネットワーク^21、22、25でより多くの接続を維持するので、各スライスの厚さである可能性があります。

角度付き水平HECスライス(前頭部後頭部方向に約12°の角度でカット)は、コルチコヒッポカンピカルループ11、16、34、35、42の機能的接続性を研究するために使用されてきたが、そのような斜めの準備は、自発的なネットワーク活動^43、44、45のために必要とされない。しかし、斜めのスライス平面を使用すると、下向きまたは上向きの角度が適用されるかに応じて、研究者が腹側または中間海馬の横方向の層板を最もよく保存するスライスを選択的に作成することができます(図1)。このアプローチは、パパテオドロプロスら、2002年に使用される方法と概念的に似ており、各海馬を自由に解剖し、組織チョッパーを使用して、側腹側全軸²¹に沿って横切りスライスを作成した。腹側と側側中海馬の機能的な区別に照らして、研究者は実験を設計したり結果を解釈したりする際に、スライスの解剖学的起源を考慮する必要があります。スライス手順中に寒天ランプを使用することは、中間海馬または腹側海馬のいずれかからスライスを優先的に生成する簡単な方法です。

海馬スライスは、水没したチャンバー(組織がACSFに完全に浸漬された)またはインターフェイススタイルのチャンバー(例えば、オスロまたはハースチャンバー、流れる媒体の薄膜のみで覆われたスライス)のいずれかで維持することができます。インターフェースの維持は、組織の酸素化を促進し、神経細胞の生存を促進し、ニューロン間活動の持続的な高レベルを可能にする。従来、沈められた記録条件は、ネットワークレベル振動の安定した発現のために十分な組織酸素化を提供しない、より遅いACSF流量を使用する。水没した海馬スライスでは、カルバコール誘発ガンマ振動は一過性^{に観察されるだけであるが、}それらは界面記録室^10、48、49で安定的に維持することができる。このように、vitroの複雑な自発的活動の多くの研究は、鋭波波波の複合体^{6、7、8、9、10、25、37、}ガンマ振動10、38、45、47を調査するためにインターフェース記録室に依存してきました。

水没式記録室では、浸漬顕微鏡の目的を使用して個々の細胞を可視化し、記録のために健康的な細胞を選択的にターゲットにすることができます。水没した製剤はまた、水没が組織への薬物または他の化合物の急速な拡散を促進するので、細胞ミリューを細かく制御することを可能にする。したがって、水没条件下で安定したネットワーク振動が維持される修正方法論は、強力な実験アプローチを表す。このアプローチは、組織^12、48、49への酸素供給を増強するためにACSF(〜6 mL/min)の高い流量を有する改変された水没記録室に移る前に、海馬スライスが簡略化されたインターフェーススタイルの保持室で数時間回復するハホスらの働きによって例示^される。これらの条件下では、高レベルのニューロン間活動と安定した自発的ネットワーク振動を、水中記録室に維持することができる。この変更アプローチにより、研究者は視覚的に誘導された全細胞パッチクランプ記録を行い、形態学的に同定された細胞タイプがカルバコール誘導ガンマ振動¹²に寄与することを特徴付けることを可能にする。SRS は、ACSF^11、48、49の速い流量を持つ水没した海馬スライスでも自然発生する可能性があります。Maierら et al. 水没した記録室に移る前にインターフェース室で回収された海馬スライスが確実に自発的なSWRを示したのに対し、水没した記録室に移る前にビーカーに沈んだスライスは、より小さな呼び起動場応答を示し、自発的なシナプス電流のレベルが低く、自発的なSWR⁴³を示すことはほとんどありませんでした。Schlingloffらは、この改良された方法論を用いて、自発的な^SRS44の生成におけるパルブアルブミン発現バスケット細胞の役割を実証した。

次のプロトコルは、水平海馬スライス中の自発的に活動するニューロンを界面条件下で回収し、その後、薬理学的または光遺伝学的操作および視覚的に導かれた記録に適した水没記録室で維持することができるスライス法を提示する。