الإثارة الخارجية من الخلايا العصبية باستخدام المجالات الكهربائية والمغناطيسية في واحدة والثقافات ثنائي الأبعاد
Summary
الثقافات العصبية هي نموذج جيد لدراسة تقنيات تحفيز الدماغ الناشئة عن طريق تأثيرها على الخلايا العصبية واحدة أو عدد من الخلايا العصبية. تظهر هنا طرق مختلفة لتحفيز الثقافات العصبية منقوشة من حقل كهربائي تنتج مباشرة من أقطاب حمام أو التي يسببها المجال المغناطيسي متغير الوقت.
Abstract
وهناك الخلايا العصبية النار إمكانات العمل عندما تتجاوز إمكانات الغشاء عتبة معينة. في النشاط نموذجي من الدماغ، ويحدث هذا نتيجة المدخلات الكيميائية لنقاط الاشتباك العصبي في. ومع ذلك، الخلايا العصبية ويمكن أيضا أن ولع حقل كهربائي المفروضة. على وجه الخصوص، والتطبيقات السريرية الأخيرة تنشيط الخلايا العصبية عن طريق تهيئة المجال الكهربائي خارجيا. ولذلك من مصلحة لمعرفة كيف تستجيب الخلايا العصبية إلى الميدان الخارجي وما يتسبب في إمكانات العمل. لحسن الحظ، التطبيق الدقيق ورقابة من حقل كهربائي خارجي ممكن للخلايا العصبية الجنينية التي يتم رفعه، فصلها وتزرع في الثقافات. وهذا يسمح للتحقيق في هذه المسائل في نظام تكرار للغاية.
في هذه الورقة يتم مراجعة بعض التقنيات المستخدمة لتطبيق رقابة من الحقل الكهربائي الخارجي على الثقافات العصبية. يمكن للشبكات أن تكون إما واحدة الأبعاد، نمط أي في الخطأشكال ص أو سمحت أن ينمو على متن الطائرة كلها من الركيزة، وبالتالي ثنائية الأبعاد. وعلاوة على ذلك، فإن الإثارة يمكن أن تنشأ عن طريق التطبيق المباشر لحقل كهربائي عبر الأقطاب الكهربائية مغمورة في السائل (أقطاب حمام) أو عن طريق حفز الحقل الكهربائي باستخدام إنشاء البعيد من نبضات مغناطيسية.
Introduction
التفاعل بين الخلايا العصبية والمجالات الكهربائية الخارجية له آثار الأساسية فضلا عن تلك العملية. في حين أنه من المعروف منذ زمن فولتا أن الحقل الكهربائي تطبيقها خارجيا يمكن أن تثير الأنسجة، والآليات المسؤولة عن إنتاج إمكانات العمل الناتجة في الخلايا العصبية فقط تبدأ في الآونة الأخيرة إلى أن انحلت 1، 2، 3، 4. وهذا يشمل إيجاد أجوبة على أسئلة بخصوص الآلية التي تسبب الاستقطاب من غشاء المحتملة، ودور خصائص الغشاء ومن القنوات الأيونية، وحتى المنطقة في الخلايا العصبية التي تستجيب لمجال كهربائي 2 و 5. تحفيزا عصبيا 6، 7، 8، 9 العلاجية، <supالطبقة = "XREF"> 10 منهجيات تعتمد بشكل خاص على هذه المعلومات، التي يمكن أن تكون حاسمة لاستهداف المناطق المنكوبة ولفهم نتائج العلاج. ويمكن لهذا الفهم أن يساعد أيضا في تطوير بروتوكولات العلاج وأساليب جديدة لتحفيز مناطق مختلفة في الدماغ.
قياس التفاعل داخل الجسم الحي في الدماغ يضيف عنصرا هاما لهذا الفهم، ولكن يعوقها عدم الدقة والتحكم المنخفض للقياسات داخل الجمجمة. في المقابل، القياسات في الثقافات يمكن بسهولة أن يؤديها في ارتفاع حجم بدقة عالية، إشارة ممتازة لأداء الضوضاء ودرجة عالية من استنساخ والسيطرة. باستخدام الثقافات مجموعة كبيرة ومتنوعة من خصائص الخلايا العصبية من سلوك الشبكة الجماعي يمكن توضيحها 11، 12، 13، 14، </sup> 15 و 16. وبالمثل، يتوقع هذا النظام تسيطر عليها بشكل جيد للغاية أن تكون فعالة في توضيح الآلية التي تعمل وسائل التحفيز الأخرى، على سبيل المثال كيفية قناة الافتتاح خلال التحفيز البصري في الخلايا العصبية نشطة optogenetically 17 و 18 و 19 هو المسؤول عن خلق إمكانات العمل.
هنا يتم التركيز على وصف تطوير وفهم من الأدوات التي يمكن أن تثير كفاءة الخلايا العصبية عن طريق المجال الكهربائي الخارجي. في هذه الورقة وصفنا إعداد ثنائي الأبعاد والثقافات الحصين المزخرفة ذات بعد واحد، والتحفيز باستخدام أشكال مختلفة واتجاه الحقل الكهربائي تطبيقها مباشرة من قبل أقطاب حمام، وأخيرا تحفيز ثنائية الأبعاد ونقوش الثقافات ذات بعد واحد من قبل الحقل المغناطيسي، والذي يدفع حقل كهربائي زمنية متفاوتة5 ، 20 ، 21 .
Protocol
Representative Results
Discussion
1D الزخرفة هو أداة هامة التي يمكن استخدامها لمجموعة متنوعة من التطبيقات. على سبيل المثال، استخدمنا 1D الزخرفة لخلق بوابات منطقية من الثقافات العصبية 29 ومؤخرا لقياس كروناكسي و ريوباس من الخلايا العصبية قرن آمون الفئران 5 ، وتباطؤ سرعة انتشار إ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
الكتاب أشكر أوفر فينرمان، فريد ولف، مناحيم سيغال، أندرياس نيف وإيتان ريوفيني لإجراء مناقشات مفيدة جدا. الكتاب أشكر إيلان بريسكين وجوردي سوريانو لتطوير الإصدارات القديمة من هذه التكنولوجيا. الكتاب أشكر تسفي تلوستي وجان بيير إيكمان للمساعدة في المفاهيم النظرية. وأيد هذا البحث من قبل مؤسسة منيرفا، وزارة العلوم والتكنولوجيا، وإسرائيل، ومنحة مؤسسة العلوم اسرائيل 1320-1309 ومنحة مؤسسة ثنائية القومية للعلوم 2008331.
Materials
| APV | Sigma-Aldrich | A8054 | Disconnect the network. Mentioned in Section 2.4.2 |
| B27 supp | Gibco | 17504-044 | Plating medium. Mentioned in Section 1.1.1 |
| bicuculline | Sigma-Aldrich | 14343 | Disconnect the network . Mentioned in Section 2.4.2 |
| Borax (sodium tetraborate decahydrate) | Sigma-Aldrich | S9640 | Borate buffer. Mentioned in Section 1.1.2 |
| Boric acid | Frutarom LTD | 5550710 | Borate buffer. Mentioned in Section 1.1.2 |
| CaCl2 , 1M | Fluka | 21098 | Extracellular recording solution . Mentioned in Section 1.5.2 |
| CNQX | Sigma-Aldrich | C239 | Disconnect the network . Mentioned in Section 2.4.2 |
| COMSOL | COMSOL Inc | Multiphysics 3.5 | Numerical simulation. Mentioned in Section 3.5.2 |
| D-(+)-Glucose, 1M | Sigma-Aldrich | 65146 | Plating medium, Extracellular recording solution . Mentioned in Section 1.1.1 1.5.2 |
| D-PBS | Sigma-Aldrich | D8537 | Cell Cultures. Mentioned in Section 1.2.4 1.2.6 |
| FCS(FBS) | Gibco | 12657-029 | Plating medium. Mentioned in Section 1.1.1 |
| Fibronectin | Sigma-Aldrich | F1141 | Bio Coating. Mentioned in Section 1.2.6 |
| Fluo4, AM | Life technologies | F14201 | Imaging of spontaneous or evoked activity . Mentioned in Section 1.5.1 1.5.3 1.5.5 |
| FUDR | Sigma-Aldrich | F0503 | Changing medium. Mentioned in Section 1.4.1 |
| Gentamycin | Sigma-Aldrich | G1272 | Plating medium, Changing medium, Final medium. Mentioned in Section 1.1.1 |
| GlutaMAX 100X | Gibco | 35050-038 | Plating medium, Changing medium, Final medium. Mentioned in Section 1.1.1 |
| Hepes, 1M | Sigma-Aldrich | H0887 | Extracellular recording solution . Mentioned in Section 1.5.2 |
| HI HS | BI | 04-124-1A | Plating medium, Changing medium, Final medium. Mentioned in Section 1.1.1 1.4.1 1.4.2 |
| KCl, 3M | Merck | 1049361000 | Extracellular recording solution. Mentioned in Section 1.5.2 |
| Laminin | Sigma-Aldrich | L2020 | Bio Coating. Mentioned in Section 1.2.6 |
| MEM x 1 | Gibco | 21090-022 | Plating medium, Changing medium, Final medium. Mentioned in Section 1.4.1 1.4.2 |
| MgCl2 , 1M | Sigma-Aldrich | M1028 | Extracellular recording solution. Mentioned in Section 1.5.2 |
| NaCl, 4M | Bio-Lab | 19030591 | Extracellular recording solution . Mentioned in Section 1.5.2 |
| Octadecanethiol | Sigma-Aldrich | 01858 | Cleaning Cr-Au coated coverslips (1D cultures). Mentioned in Section 1.2.3 |
| Pluracare F108 NF Prill | BASF Corparation | 50475278 | Bio-Rejection Coating, Bio Coating. Mentioned in Section 1.2.4 1.2.6 |
| Poly-L-lysine 0.01% solution | Sigma-Aldrich | P47075 | Promote cell division. Mentioned in Section 1.1.4 |
| Sucrose, 1M | Sigma-Aldrich | S1888 | Extracellular recording solution . Mentioned in Section 1.5.2 |
| Thiol | Sigma-Aldrich | 1858 | Bio-Rejection Coating. Mentioned in Section 1.2.3 |
| URIDINE | Sigma-Aldrich | U3750 | Changing medium. Mentioned in Section 1.4.1 |
| Sputtering machine | AJA International, Inc | ATC Orion-5Series | coating glass with thin layers of metal. Mentioned in Section 1.2.2 |
| Pen plotter | Hewlett Packard | HP 7475A | Etching of pattern to the coated coverslip. Mentioned in Section 1.2.5 |
| Electrodes wires | A-M Systems, Carlsborg WA | 767000 | Electric stimulation of neuronal cultures. Mentioned in Section 2.1 2.2 2.3 2.4.5 |
| Signal generator | BKPrecision | 4079 | Shaping of the electric signal. Mentioned in Section 2.3 |
| Amplifier | Homemade | Voltage amplification of the signal from the signal generator to the electrodes. Mentioned in Section 2.3 | |
| Power supply | Matrix | MPS-3005 LK-3 | Power supply to the sputtering machine. Mentioned in Section 1.2.2.3 |
| Transcranial magnetic stimulation | Magstim, Spring Gardens, UK | Rapid 2 | Magnetic stimulation of neuronal culture. Mentioned in Section 3.1 3.3 3.4 |
| Epoxy | Cognis | Versamid 140 | Casting of homemade coils. Mentioned in Section 3.4 |
| Epoxy | Shell | EPON 815 | Casting of homemade coils. Mentioned in Section 3.4 |
| Platinum wires 0.005'' thick; A-M Systems, | Carlsborg WA | 767000 | Electric stimulation of neuronal cultures. Mentioned in Section 2.1 |
| Circular magnetic coil | Homemade | Magnetic stimulation of neuronal culture. Mentioned in Section 3.3 | |
| WaveXpress SW | B&K Precision | Waveform editing software. Mentioned in Section 2.1.32 | |
| Xion Ultra 897 | Andor | Sensitive EMCCD camera. Mentioned in Section 2.4.4 |
References
- Nagarajan, S. S., Durand, D. M., Warman, E. N. Effects of induced electric fields on finite neuronal structures: a simulation study. IEEE Trans Biomed Eng. 40 (11), 1175-1188 (1993).
- Nowak, L. G., Bullier, J. Axons but not cell bodies, are activated by electrical stimulation in cortical gray matter. II. Evidence from selective inactivation of cell bodies and axon initial segments. Exp Brain Res. 118 (4), 489-500 (1998).
- Ranck, J. B. Which elements are excited in electrical stimulation of mammalian central nervous system: a review. Brain Res. 98 (3), 417-440 (1975).
- Rattay, F. The basic mechanism for the electrical stimulation of the nervous system. Neuroscience. 89 (2), 335-346 (1999).
- Stern, S., Agudelo-Toro, A., Rotem, A., Moses, E., Neef, A. Chronaxie Measurements in Patterned Neuronal Cultures from Rat Hippocampus. PLoS One. 10 (7), e0132577 (2015).
- Brunelin, J., et al. Examining transcranial direct-current stimulation (tDCS) as a treatment for hallucinations in schizophrenia. Am J Psychiatry. 169 (7), 719-724 (2012).
- Cruccu, G., et al. EFNS guidelines on neurostimulation therapy for neuropathic pain. Eur J Neurol. 14 (9), 952-970 (2007).
- Kennedy, S. H., et al. Canadian Network for Mood and Anxiety Treatments (CANMAT) Clinical guidelines for the management of major depressive disorder in adults. IV. Neurostimulation therapies. J Affect Disord. 117, S44-S53 (2009).
- Minzenberg, M. J., Carter, C. S. Developing treatments for impaired cognition in schizophrenia. Trends Cogn Sci. 16 (1), 35-42 (2012).
- Vaidya, N. A., Mahableshwarkar, A. R., Shahid, R. Continuation and maintenance ECT in treatment-resistant bipolar disorder. J ECT. 19 (1), 10-16 (2003).
- Bartlett, W. P., Banker, G. A. An electron microscopic study of the development of axons and dendrites by hippocampal neurons in culture. II. Synaptic relationships. J Neurosci. 4 (8), 1954-1965 (1984).
- Bartlett, W. P., Banker, G. A. An electron microscopic study of the development of axons and dendrites by hippocampal neurons in culture. I. Cells which develop without intercellular contacts. J Neurosci. 4 (8), 1944-1953 (1984).
- Beggs, J. M., Plenz, D. Neuronal avalanches in neocortical circuits. J Neurosci. 23 (35), 11167-11177 (2003).
- Breskin, I., Soriano, J., Moses, E., Tlusty, T. Percolation in living neural networks. Phys Rev Lett. 97 (18), (2006).
- Feinerman, O., Moses, E. Transport of information along unidimensional layered networks of dissociated hippocampal neurons and implications for rate coding. J Neurosci. 26 (17), 4526-4534 (2006).
- Soriano, J., Rodriguez Martinez, ., Tlusty, M., T, E., Moses, Development of input connections in neural cultures. Proc Natl Acad Sci U S A. 105 (37), 13758-13763 (2008).
- Deisseroth, K. Optogenetics. Nat Methods. 8 (1), 26-29 (2011).
- Fenno, L., Yizhar, O., Deisseroth, K. The development and application of optogenetics. Annu Rev Neurosci. 34, 389-412 (2011).
- Williams, S. C., Deisseroth, K. Optogenetics. Proc Natl Acad Sci U S A. 110 (41), 16287 (2013).
- Rotem, A., Moses, E. Magnetic stimulation of curved nerves. IEEE Trans Biomed Eng. 53 (3), 414-420 (2006).
- Rotem, A., Moses, E. Magnetic stimulation of one-dimensional neuronal cultures. Biophys J. 94 (12), 5065-5078 (2008).
- Feinerman, O., Moses, E. A picoliter ‘fountain-pen’ using co-axial dual pipettes. J Neurosci Methods. 127 (1), 75-84 (2003).
- Feinerman, O., Segal, M., Moses, E. Signal propagation along unidimensional neuronal networks. J Neurophysiol. 94 (5), 3406-3416 (2005).
- Papa, M., Bundman, M. C., Greenberger, V., Segal, M. Morphological analysis of dendritic spine development in primary cultures of hippocampal neurons. J Neurosci. 15 (1 Pt 1), 1-11 (1995).
- Bikson, M., et al. Effects of uniform extracellular DC electric fields on excitability in rat hippocampal slices in vitro. J Physiol. 557 (1), 175-190 (2004).
- Rahman, A., et al. Cellular effects of acute direct current stimulation: somatic and synaptic terminal effects. J Physiol. 591 (10), 2563-2578 (2013).
- Stern, S., Segal, M., Moses, E. Involvement of Potassium and Cation Channels in Hippocampal Abnormalities of Embryonic Ts65Dn and Tc1 Trisomic Mice. EBioMedicine. 2 (9), 1048-1062 (2015).
- Rotem, A., et al. Solving the orientation specific constraints in transcranial magnetic stimulation by rotating fields. PLoS One. 9 (2), e86794 (2014).
- Feinerman, O., Rotem, A., Moses, E. Reliable neuronal logic devices from patterned hippocampal cultures. Nat Phys. 4 (12), 967-973 (2008).
- Kleinfeld, D., Kahler, K. H., Hockberger, P. E. Controlled outgrowth of dissociated neurons on patterned substrates. J Neurosci. 8 (11), 4098-4120 (1988).
- Bugnicourt, G., Brocard, J., Nicolas, A., Villard, C. Nanoscale surface topography reshapes neuronal growth in culture. Langmuir. 30 (15), 4441-4449 (2014).
- Roth, S., et al. Neuronal architectures with axo-dendritic polarity above silicon nanowires. Small. 8 (5), 671-675 (2012).
- Peyrin, J. M., et al. Axon diodes for the reconstruction of oriented neuronal networks in microfluidic chambers. Lab Chip. 11 (21), 3663-3673 (2011).
- Renault, R., et al. Combining microfluidics, optogenetics and calcium imaging to study neuronal communication in vitro. PLoS One. 10 (4), e0120680 (2015).
- Roth, B. J., Basser, P. J. A model of the stimulation of a nerve fiber by electromagnetic induction. IEEE Trans Biomed Eng. 37 (6), 588-597 (1990).
