Gelijktijdig Elektro, Real-time meting van lactaatconcentratie en Optogenetic Manipulatie van neuronale activiteit in de Rodent Cerebral Cortex

Hoewel de hersenen minder dan 5% van het lichaam massa, gebruikt het ongeveer een kwart van de glucose door het lichaam in rust ^1. De functie van niet rapid eye movement slaap (NREMS), het grootste deel van de slaap door de tijd, is onzeker. Echter een opvallend kenmerk van NREMS een significant verlaagd van cerebrale glucosegebruik opzichte van waakzaamheid ^2-4. Deze en andere bevindingen hebben geleid tot de wijdverbreide opvatting dat de slaap een functie met betrekking tot cerebrale metabolisme dient. Toch is de mechanismen die ten grondslag liggen aan de vermindering van de cerebrale glucosemetabolisme tijdens NREMS nog worden opgehelderd.

Een fenomeen dat geassocieerd met NREMS cerebrale metabolisme kan beïnvloeden is de aanwezigheid van trage golven, trillingen bij frequenties lager dan 4 Hz, in het elektro ^5,6. Deze trage golven waargenomen op het niveau van de schedel of cerebrale corticale oppervlak weerspiegelen deoscillaties van de onderliggende neuronen tussen een gedepolariseerde / omhoog staat en een gehyperpolariseerde / down toestand ^7. Tijdens de beneden staat, moet cellen ondergaan actiepotentialen voor intervallen van maximaal enkele honderden milliseconden. Herstel van ionische concentratie gradiënten na actiepotentialen is een belangrijke metabole belasting van de cel ^8; afwezigheid van actiepotentialen tijdens beneden die geassocieerd worden met NREMS kunnen bijdragen tot een vermindering van de stofwisseling ten opzichte van wakker.

Twee technische uitdagingen moest worden aangepakt om voor deze hypothetische relatie te testen. Eerste moest cerebrale glycolytisch metabolisme meten met een tijdsresolutie afspiegeling is van de dynamiek van de cerebrale EEG (dat wil zeggen over seconden in plaats van minuten). Hiertoe maten we de concentratie van lactaat, het product van aerobe glycolyse en derhalve een indicatie van de snelheid van glucosemetabolisme in de hersenen van muizen. Lactaat isgemeten met een lactaatoxidase gebaseerde real time sensor ingebed in de frontale cortex. De detectie mechanisme bestaat uit een platina-iridium elektrode omgeven door een laag van lactaatoxidase moleculen. Metabolisme van lactaat door lactaatoxidase produceert waterstofperoxide, die een stroom produceert in de platina-iridium elektrode. Dus een intensifiëring van cerebrale glycolyse wordt een toename in de concentratie van substraat voor lactaatoxidase, die vervolgens in verhoogde stroom gereflecteerd onder meetelektrode. Het was bovendien noodzakelijk om deze variabelen te meten tijdens het manipuleren van de prikkelbaarheid van de cerebrale cortex, om deze variabele isoleren van andere facetten van NREMS.

We bedachten een experimenteel systeem voor gelijktijdige meting van neuronale activiteit via de elecetroencephalogram, meting van de glycolytische flux via een lactaat biosensor, en manipulatie van cerebrale corticale neuronale activiteit via optogenetic activering van PyraMIDAL neuronen. We hebben dit systeem gebruikt om de relatie tussen slaapgerelateerde elektro golfvormen en het moment tot moment dynamiek van lactaatconcentratie in de cerebrale cortex documenteren. Het protocol kan nuttig zijn voor elk individu geïnteresseerd in het bestuderen in vrij gedragen knaagdieren, de relatie tussen neuronale activiteit gemeten op de elektro-niveau en cellulaire energetica in de hersenen.