Externe excitatie van neuronen Met behulp van elektrische en magnetische velden in een-en twee-dimensionale culturen
Summary
Neuronale kweken zijn een goed model voor het bestuderen van de opkomende hersenstimulatie technieken via hun effect op enkele neuronen of een populatie van neuronen. Hier voorgesteld zijn verschillende methoden voor het stimuleren van neuronale kweken patroon door een elektrisch veld rechtstreeks bad elektroden geproduceerd of geïnduceerd door een in de tijd variërend magnetisch veld.
Abstract
Een neuron een actiepotentiaal wordt geactiveerd wanneer de membraanpotentiaal bepaald maximum overschrijdt. In typische activiteit van de hersenen, dit gebeurt als gevolg van de chemische input zijn synapsen. Echter kunnen neuronen ook worden geëxciteerd door een aangebrachte elektrische veld. In het bijzonder de recente klinische toepassingen activeren neuronen door het creëren van een elektrisch veld extern. Het is daarom van belang om te onderzoeken hoe het neuron reageert op het externe veld en wat de oorzaak van de actiepotentiaal. Gelukkig, nauwkeurige en gecontroleerde toepassing van een extern elektrisch veld mogelijk embryonale neuronale cellen die zijn uitgesneden, gedissocieerd en gekweekt in kweken. Dit maakt het onderzoek van deze vragen in een zeer reproduceerbare systeem.
In dit artikel enkele technieken voor gecontroleerde toepassing van extern elektrisch veld op neuronale kweken worden beoordeeld. De netwerken kan zowel eendimensionale, dat wil zeggen een patroon in linear vormen of laat groeien over het gehele vlak van het substraat, en derhalve tweedimensionaal. Voorts kan de excitatie worden door de directe toepassing van elektrische velden via elektroden ondergedompeld in de vloeistof (bad elektroden) of door het induceren van het elektrische veld met de afstandsbediening ontstaan van magnetische pulsen.
Introduction
De interactie tussen neuronen en externe elektrische velden heeft fundamentele implicaties en praktische degenen. Terwijl bekend sinds de tijden van Volta dat een extern aangeboden elektrisch veld weefsel te exciteren, zijn de mechanismen die verantwoordelijk zijn voor de productie van een resulterende actiepotentiaal in neuronen pas onlangs beginnen ontrafeld 1, 2, 3, 4. Dit omvat het beantwoorden van vragen met betrekking tot het mechanisme dat depolarisatie van de membraanpotentiaal, de rol van membraan eigenschappen en ionenkanalen, en zelfs het gebied veroorzaakt bij de neuron dat reageert op het elektrische veld 2, 5. Therapeutische neurostimulatie 6, 7, 8, 9, <sup10 methodologieën zijn in het bijzonder afhankelijk van deze informatie, die van cruciaal belang zijn voor het richten van de getroffen gebieden en het begrijpen van de uitkomst van de therapie. Zo'n begrip kan ook helpen bij het ontwikkelen van behandelingsprotocollen en nieuwe benaderingen voor stimulering van verschillende gebieden in de hersenen.
Het meten van de interactie binnen de in vivo hersenen voegt hierbij een belangrijk onderdeel toe, maar wordt belemmerd door de onnauwkeurigheid en lage controleerbaarheid van metingen in de schedel. Daarentegen kunnen metingen in culturen eenvoudig worden uitgevoerd in hoog volume met hoge precisie, uitstekende signaal-ruisprestaties en een hoge mate van reproduceerbaarheid en controle. Met behulp van culturen kan een grote verscheidenheid aan neuronale eigenschappen van collectief netwerkgedrag worden toegelicht 11 , 12 , 13 , 14 , </sup> 15, 16. Evenzo is dit goed geregeld systeem verwacht zeer efficiënt bij het ophelderen van het mechanisme waarmee andere stimulatiemethoden werken, bijvoorbeeld hoe kanaalopening bij optische stimulatie optogenetically actieve neuronen 17, 18, 19 is verantwoordelijk voor het creëren actiepotentiaal.
Hier ligt de nadruk op het beschrijven van de ontwikkeling en het begrip van de instrumenten die efficiënt de neuron kan prikkelen via een extern elektrisch veld. In dit artikel beschrijven we de bereiding van tweedimensionale en eendimensionale patroon hippocampuskweken, stimulatie met verschillende configuraties en oriëntatie van een direkt elektrisch veld met bad elektroden, en ten slotte stimulering van tweedimensionale en gevormde eendimensionale kweken door een tijd variërend magnetisch veld, die een elektrisch veld induceert5 , 20 , 21 .
Protocol
Representative Results
Discussion
1D patroon is een belangrijk instrument dat kan worden gebruikt voor een verscheidenheid aan toepassingen. Zo hebben we 1D patroonvorming gebruikt voor het maken logische poorten van neuronale kweken 29 en recenter in Chronaxie en Rheobase rat hippocampale neuronen 5 gemeten en de vertraging van het signaal voortplantingssnelheid schietbanen activiteit Downsyndroom hippocampale neuronen vergeleken met de wildtype (WT) hippocampale neuronen 27. De vo…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs bedanken Ofer Feinerman, Fred Wolf, Menahem Segal, Andreas Neef en Eitan Reuveny voor zeer goede discussies. De auteurs bedanken Ilan Breskin en Jordi Soriano voor het ontwikkelen van vroege versies van de technologie. De auteurs bedanken Tsvi Tlusty en Jean-Pierre Eckmann voor hulp met de theoretische concepten. Dit onderzoek werd ondersteund door de Stichting Minerva, het Ministerie van Wetenschap en Technologie, Israël, en door de Israëlische Wetenschapsstichting 1320/09 en de Bi-National Science Foundation Grant 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).
