תרבויות עצביים הם מודל טוב ללימוד טכניקות גירוי המוח החדש דרך השפעתם על נוירונים בודדים או אוכלוסייה של נוירונים. להלן שיטות שונות עבור גירוי של תרבויות עצביות בדוגמת על ידי שדה חשמלי המיוצר ישירות על ידי אלקטרודות אמבטיה או המושרה על ידי שדה מגנטי משתנה זמן.
תא עצב יפטר פוטנציאל פעולה כאשר פוטנציאל הממברנה שלה עולה על סף מסוים. בפעילות אופיינית של המוח, זה קורה כתוצאה תשומות הכימיקלים סינפסות שלה. עם זאת, הנוירונים יכול גם להתרגש שדה חשמלי שהוטל. בפרט, יישומים קליניים האחרונים להפעיל נוירונים ידי יצירת שדה חשמלי חיצונית. לכן עניין לחקור כיצד הנוירון מגיב לשדה החיצוני ומה גורם פוטנציאל הפעולה. למרבה המזל, יישום מדויק ומבוקר של שדה חשמלי חיצוני אפשרי עבור תאים עצביים עובריים אשר נכרתו, ניתקו גדלו בתרבויות. זה מאפשר חקירה של שאלות אלה במערכת מאוד לשחזור.
במאמר זה כמה מהטכניקות המשמשות יישום מבוקר של שדה חשמלי חיצוני על תרבויות עצביות נסקרים. הרשתות יכולות להיות חד ממדית, בדוגמת כלומר ב לינאהצורות r או מותרים לגדול על המטוס השלם של המצע, ובכך שני ממדי. יתר על כן, עירור יכול להיווצר על ידי יישום ישיר של שדה חשמלי באמצעות אלקטרודות שקוע בתוך נוזל (אלקטרודות אמבטיה) או על ידי גרימת השדה החשמלי באמצעות יצירה מרחוק של פולסים מגנטיים.
האינטראקציה בין נוירונים ושדות חשמליים חיצוניים יש שלכות יסוד וכן פרקטי. אמנם ידוע מאז ימי וולטה ששדה חשמלי לשימוש חיצוני יכול לרגש רקמה, המנגנונים האחראים לייצור של פוטנציאל פעולה נובע בנוירונים הם רק מתחילים לאחרונה להתפורר 1, 2, 3, 4. זה כולל מציאת תשובות לשאלות לגבי המנגנון שגורם לאובדן קיטוב של פוטנציאל הממברנה, תפקידיו של תכונות הממברנה של תעלות יונים, ואפילו באזור הנוירון מגיב השדה החשמלי 2, 5. טיפולים עצביים 6, 7, 8, 9, <supclass = "Xref"> 10 מתודולוגיות במיוחד תלויות במידע זה, אשר יכול להיות מכריע עבור מיקוד בתחום לקה להבנת תוצאות הטיפול. הבנה כזו יכולה גם לסייע בפיתוח פרוטוקולים לטיפול וגישות חדשות עבור גירוי של אזורים שונים במוח.
מדידת האינטראקציה בתוך המוח in vivo מוסיפה מרכיב חשוב להבנה זו, אבל הוא הכביד על ידי אי-הדיוק ויכולת הבקרה נמוכה של מדידות בתוך הגולגולת. לעומת זאת, מדידות בתרבויות יכולות להתבצע בקלות בנפח גבוה עם דיוק גבוה, אות מצוינת בביצועי רעש רמה גבוהה של שחזור של שליטה. שימוש בתרביות מגוון רחב של מאפיינים עצביים של התנהגות ברשת קולקטיבית ניתן הובהר 11, 12, 13, 14, </sup> 15, 16. בדומה לכך, המערכת היטב נשלטה הזה צפוי להיות יעיל מאוד הבהרת המנגנון שבאמצעותו שיטות גירוי אחרות לעבוד, למשל איך פתיחת הערוץ במהלך גירוי אופטי בנוירונים פעיל optogenetically 17, 18, 19 היא אחראית ליצירת פוטנציאל פעולה.
כאן הדגש הוא על המתאר את התפתחות והבנה של כלים שיכולים לרגש הנוירון ביעילות באמצעות שדה חשמלי חיצוני. במאמר זה אנו מתארים את ההכנה דו ממדים ותרבויות בהיפוקמפוס בדוגמת חד ממדיות, גירוי באמצעות תצורות וכיוון שונים של שדה חשמלי מיושם ישירות על ידי אלקטרודות אמבטיה, ולבסוף גירוי של דו ממדים בדוגמת תרבויות חדות ממדיות על ידי המשתנים עם זמן שדה מגנטי, אשר ומשרה שדה חשמלי5, 20, 21.
דפוסי 1D הוא כלי חשוב שיכול לשמש עבור מגוון רחב של יישומים. לדוגמא, השתמשנו דפוסי 1D ליצירת שערים לוגיים מתרבויות עצביות 29 ולאחרונה למדוד את Chronaxie ו Rheobase של נוירונים בהיפוקמפוס חולדה 5, ו להאטת מהירות התפשטות אותות של פעילות הירי ב נוירונים בהי?…
The authors have nothing to disclose.
המחברים מודים עופר פיינרמן, פרד וולף, מנחם סגל, אנדראס Neef ואיתן ראובני לדיונים מועילים מאוד. המחברים מודים אילן ברסקין ו ג'ורדי סוריאנו לפיתוח גרסאות מוקדמות של הטכנולוגיה. המחברים מודים צבי Tlusty וז'אן-פייר אקמן לעזרה עם מושגים תיאורטיים. מחקר זה מומן על ידי קרן מינרווה, משרד המדע והטכנולוגיה, ישראל, ועל ידי ישראל למדע מענק 1320-1309 וקרן Bi-לאומי למדע מענק 2,008,331.
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 |