Hipokampal Theta Bandında Tuning<em> In vitro</em>: İzole edilmiş Kemirgen Protokokal Circüse Kayıt için Metodolojiler
Summary
Burada, izole edilmiş bir tüm hipokampal preparattan ritmik nöronal ağ teta ve gama titreşimleri kaydetmek için bir protokol sunuyoruz. Hipokampusun çıkarılmasından teta ritminin optogenetik pacinginin yanı sıra alan, üniter ve tüm hücre yama klemp kayıtlarının ayrıntılarına kadar olan deneysel adımları açıklıyoruz.
Abstract
Bu protokol, teta salınımlarının incelenmesi için metodolojilerdeki ve uygulamalardaki son gelişmelerle birlikte, izole edilmiş bütün hipokampüs, WT ve transjenik farelerin hazırlanması ve kaydedilmesi için prosedürleri özetlemektedir. İzole edilmiş hipokampal preparatın basit bir karakterizasyonu sunulmuştur; burada iç hippokampal teta osilatörleri arasındaki ilişki, cornu ammonis-1 (CA1) ve subikülüm (SUB) bölgelerinin piramidal hücrelerin aktivitesi ve GABAergik internöronlarla birlikte incelenmiştir. Genel olarak, izole hipokampusun in vitro intrinsik teta salınımları üretebildiğini ve hipokampusta üretilen ritmozitenin, parvalbümin pozitif (PV) internöronların optogenetik uyarımıyla tam olarak manipüle edilebileceğini göstermektedir. İn vitro izole edilmiş hipokampal preparat, görsel olarak tanımlanmış nor'den eşzamanlı alan ve hücre içi yama tutma kayıtlarını kullanmak için benzersiz bir fırsat sunarTheta ritim üretiminin altında yatan mekanizmaları daha iyi anlamak için rons.
Introduction
Hipokampal teta salınımları (4 – 12 Hz), memeli beyinde ritmik aktivitenin en baskın formları arasındadır ve spatiotemporal bilginin işlenmesi ve episodik hatıraların oluşturulması gibi bilişsel işlevlerde anahtar rol oynadığı düşünülmektedir 1 , 2 , 3 . Theta modülasyonlu yer-hücrelerinin uzamsal seyrüsefer ve lezyon çalışmaları ile ilişkisini vurgulayan bazı in vivo çalışmalar ve klinik bulgular, hipokampal teta salınımlarının bellek oluşumu 4 , 5 , 6'da yer aldığı görüşünü desteklemekle birlikte, ilişkili mekanizmalar Hipokampal teta salınımlarının oluşumu hala tam olarak anlaşılamamıştır. İn vivo erken araştırmalar, teta aktivitesinin esas olarak dışsal salınımcılara, özellikle de ritmik girdiye dayandığını ileri sürdüSeptum ve entorinal korteks 7 , 8 , 9 , 10 gibi aferent beyin yapılarından. Hipokampal sinir ağlarının iç bağlantısının hipokampal nöronların özellikleri ile birlikte intrensek faktörlerin rolü aynı zamanda in vitro gözlemlere dayanılarak 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 varsayımıyla da ileri sürülmüştür. Bununla birlikte, 19 , 20 , 21 numaralı birkaç dönüm noktası çalışmasının yanı sıra, basit in vitro dilim hazırlamada fizyolojik olarak gerçekçi popülasyon aktivitelerini çoğaltabilen yaklaşım geliştirme zorluklarıUzun süredir hipokampüsün ve ilgili alanların kendi kendine teta salınımlarını üretme yeteneklerinin daha ayrıntılı olarak deneysel olarak incelenmesini geciktirdi.
Standart in vitro ince dilim deney ortamının önemli bir dezavantajı, beyin yapılarının 3D hücresel ve sinaptik organizasyonunun tehlikeye girmesidir. Bu, lokalize gruplardan (≤1 mm yarıçapı) bir veya daha fazla beyn alanına (> 1 mm) yayılmış nöron popülasyonlarına kadar uzanan uzaysal olarak dağıtılan hücre gruplarına dayanan uyumlu ağ faaliyetlerinin birçok formunun desteklenemediği anlamına gelir. Bu düşünceler göz önüne alındığında, otonom titreşimlerin hipokampusta nasıl ortaya çıktığı ve ilgili kortikal ve subkortikal çıkış yapılarına nasıl yayılacağı üzerinde farklı bir yaklaşım gerekiyordu.
Son yıllarda, çift yönlü intera incelemek için "komple septo-hipokampal" preparatın ilk gelişimiiki yapı 22 ve "izole edilmiş hipokampus" preparasyon ardından gelen evrimin seksiyonlar, içsel teta salınımlar dış ritmik girişi 23 eksik hipokamp spontan olarak meydana çıkarmıştır. Bu yaklaşımların değeri, in vitro 22'de bir teta ritm jeneratörü olarak işlev görmek için bu bölgelerin tüm fonksiyonel yapısının korunması gereken ilk anlayışa dayanmaktadır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Akut hipokampal dilimlerden gelen elektrofizyolojik kayıtlar standart bir in vitro teknik oluştururken, burada sunulan yöntemler klasik yaklaşımı önemli ölçüde farklılık göstermektedir. Belirli hücre katmanlarının yüzeyde görünür olduğu ve doğrudan incelenebilen ince dilim preparatlarının aksine, bozulmamış hipokampal müstahzarlar, elektrotlar, tek tek katmanlardan geçerken hedeflenen beyin bölgelerine indirildiği in vivo konfigürasyonlara daha yakındır. Hipokampusun b?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Kanada Sağlık Araştırma ve Doğa Bilimleri Enstitülerince desteklenmiştir.
Materials
| Reagents | |||
| Sodium Chloride | Sigma Aldrich | S9625 | |
| Sucrose | Sigma Aldrich | S9378 | |
| Sodium Bicarbonate | Sigma Aldrich | S5761 | |
| NaH2PO4 – sodium phosphate monobasic | Sigma Aldrich | S8282 | |
| Magnesium sulfate | Sigma Aldrich | M7506 | |
| Potassium Chloride | Sigma Aldrich | P3911 | |
| D-(+)-Glucose | Sigma Aldrich | G7528 | |
| Calcium chloride dihydrate | Sigma Aldrich | C5080 | |
| Sodium Ascorbate | Sigma Aldrich | A7631-25G | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment | |||
| Standard Dissecting Scissors | Fisher Scientific | 08-951-25 | brain extraction |
| Scalpel Handle #4, 14cm | WPI | 500237 | brain extraction |
| Filter forceps, flat jaws, straight (11cm) | WPI | 500456 | brain extraction |
| Paragon Stainless Steel Scalpel Blades #20 | Ultident | 02-90010-20 | brain extraction |
| Fine Point Curved Dissecting Scissors | Thermo Fisher Scientific | 711999 | brain extraction |
| Teflon (PTFE) -coated thin spatula | VWR | 82027-534 | hippocampal preparation |
| Hayman Style Microspatula | Fisher Scientific | 21-401-25A | hippocampal preparation |
| Lab spoon | Fisher Scientific | 14-375-20 | hippocampal preparation |
| Borosilicate Glass Pasteur Pipets | Fisher Scientific | 13-678-20A | hippocampal preparation |
| Droper | Fisher Scientific | hippocampal preparation | |
| Razor blades Single edged | VWR | 55411-055 | hippocampal preparation |
| Lens paper (4X6 inch) | VWR | 52846-001 | hippocampal preparation |
| Glass petri dishes (100 x 20 mm) | VWR | 25354-080 | hippocampal preparation |
| Plastic tray for ice; size 30 x 20 x 5 cm | n.a. | n.a. | hippocampal preparation |
| Single Inline Solution Heater | Warner Instruments | SH-27B | perfusion system |
| Aquarium air stones for bubbling | n.a. | n.a. | perfusion system |
| Tygon E-3603 tubing (ID 1/16 OD 1/8) | Fisherbrand | 14-171-129 | perfusion system |
| Electric Skillet | Black & Decker | n.a. | perfusion system |
| 95% O2/5% CO2 gas mixture (carbogen) | Vitalaire | SG466204A | perfusion system |
| Glass bottles/flasks (4 x 1 L) | n.a. | n.a. | perfusion system |
| Submerged recording Chamber | custom design (FM) | n.a. | Commercial alternative may be used |
| Glass pipettes (1.5 / 0.84 OD/ID (mm) ) | WPI | 1B150F-4 | electrophysiology |
| Hum Bug 50/60 Hz Noise Eliminator | Quest Scientific | Q-Humbug | electrophysiology |
| Multiclamp 700B patch-clamp amplifier | Molecular devices | MULTICLAMP | electrophysiology |
| Multiclamp 700B Commander Program | Molecular devices | MULTICLAMP | electrophysiology |
| Digital/Analogue converter | Molecular devices | DDI440 | electrophysiology |
| PCLAMP10 | Molecular devices | PCLAMP10 | electrophysiology |
| Vibration isolation table | Newport | n.a. | electrophysiology |
| Micromanipulators (manually operated ) | Siskiyou | MX130 | electrophysiology (LFP) |
| Micromanipulators (automated) | Siskiyou | MC1000e | electrophysiology (patch) |
| Audio monitor | A-M Systems | Model 3300 | electrophysiology |
| Micropipette/Patch pipette puller | Sutter | P-97 | electrophysiology |
| Custom-built upright fluorescence microscope | Siskiyou | n.a. | Imaging |
| Analogue video camera | COHU | 4912-2000/0000 | Imaging |
| Digital frame grabber with imaging software | EPIX, Inc | PIXCI-SV7 | Imaging |
| Olympus 2.5x objective | Olympus | MPLFLN | Imaging |
| Olympus 40x water immersion objective | Olympus | UIS2 LUMPLFLN | Imaging |
| Custom-made light-emitting diode (LED) system | custom | n.a. | optogenetic stimulation (Amhilon et al., 2015) |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Animals | |||
| PV::Cre (KI) mice | Jackson Laboratory | stock number 008069 | Allow Cre-directed gene expression in PV interneurons |
| Constitutive-conditional Ai9 mice (R26-lox-stop-lox-tdTomato (KI)) | Jackson Laboratory | stock number 007905 | Express TdTomato following Cre-mediated recombination |
| Ai32 mice (R26-lox-stop-lox-ChR2(H134R)-EYFP | Jackson Laboratory | stock number 012569 |
Express the improved channelrhodopsin-2/EYFP fusion protein following exposure to Cre recombinase |
| PVChY mice | In house breeding | n.a. | Offspring obtained from cross-breeding the PV-Cre line with Ai32 mice (R26-lox-stop-lox-ChR2(H134R)-EYFP |
References
- Buzsaki, G. Theta rhythm of navigation: link between path integration and landmark navigation, episodic and semantic memory. Hippocampus. 15 (7), 827-840 (2005).
- Sanders, H., Renno-Costa, C., Idiart, M., Lisman, J. Grid Cells and Place Cells: An Integrated View of their Navigational and Memory Function. Trends Neurosci. 38 (12), 763-775 (2015).
- O’Keefe, J., Recce, M. L. Phase relationship between hippocampal place units and the EEG theta rhythm. Hippocampus. 3 (3), 317-330 (1993).
- Winson, J. Loss of hippocampal theta rhythm results in spatial memory deficit in the rat. Science. 201 (4351), 160-163 (1978).
- M’Harzi, M., Jarrard, L. E. Strategy selection in a task with spatial and nonspatial components: effects of fimbria-fornix lesions in rats. Behav Neural Biol. 58 (3), 171-179 (1992).
- Osipova, D., et al. Theta and gamma oscillations predict encoding and retrieval of declarative memory. J Neurosci. 26 (28), 7523-7531 (2006).
- Stumpf, C., Petsche, H., Gogolak, G. The significance of the rabbit’s septum as a relay station between the midbrain and the hippocampus. II. The differential influence of drugs upon both the septal cell firing pattern and the hippocampus theta activity. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 14, 212-219 (1962).
- Mitchell, S. J., Ranck, J. B. Generation of theta rhythm in medial entorhinal cortex of freely moving rats. Brain Res. 189 (1), 49-66 (1980).
- Alonso, A., Garcia-Austt, E. Neuronal sources of theta rhythm in the entorhinal cortex of the rat. I. Laminar distribution of theta field potentials. Exp Brain Res. 67 (3), 493-501 (1987).
- Vertes, R. P., Kocsis, B. Brainstem-diencephalo-septohippocampal systems controlling the theta rhythm of the hippocampus. Neuroscience. 81 (4), 893-926 (1997).
- Bland, B. H., Colom, L. V., Konopacki, J., Roth, S. H. Intracellular records of carbachol-induced theta rhythm in hippocampal slices. Brain Res. 447 (2), 364-368 (1988).
- Cobb, S. R., Buhl, E. H., Halasy, K., Paulsen, O., Somogyi, P. Synchronization of neuronal activity in hippocampus by individual GABAergic interneurons. Nature. 378 (6552), 75-78 (1995).
- Williams, J. H., Kauer, J. A. Properties of carbachol-induced oscillatory activity in rat hippocampus. J Neurophysiol. 78 (5), 2631-2640 (1997).
- Chapman, C. A., Lacaille, J. C. Cholinergic induction of theta-frequency oscillations in hippocampal inhibitory interneurons and pacing of pyramidal cell firing. J Neurosci. 19 (19), 8637-8645 (1999).
- Strata, F. Intrinsic oscillations in CA3 hippocampal pyramids: physiological relevance to theta rhythm generation. Hippocampus. 8 (6), 666-679 (1998).
- Kocsis, B., Bragin, A., Buzsaki, G. Interdependence of multiple theta generators in the hippocampus: a partial coherence analysis. J Neurosci. 19 (14), 6200-6212 (1999).
- Fellous, J. M., Sejnowski, T. J. Cholinergic induction of oscillations in the hippocampal slice in the slow (0.5-2 Hz), theta (5-12 Hz), and gamma (35-70 Hz) bands. Hippocampus. 10 (2), 187-197 (2000).
- Gillies, M. J., et al. A model of atropine-resistant theta oscillations in rat hippocampal area CA1. J Physiol. 543 (Pt 3), 779-793 (2002).
- Gloveli, T., et al. Orthogonal arrangement of rhythm-generating microcircuits in the hippocampus. Proc Natl Acad Sci U S A. 102 (37), 13295-13300 (2005).
- Konopacki, J., Eckersdorf, B., Kowalczyk, T., Golebiewski, H. Firing cell repertoire during carbachol-induced theta rhythm in rat hippocampal formation slices. Eur J Neurosci. 23 (7), 1811-1818 (2006).
- Hajos, N., et al. Maintaining network activity in submerged hippocampal slices: importance of oxygen supply. Eur J Neurosci. 29 (2), 319-327 (2009).
- Manseau, F., Goutagny, R., Danik, M., Williams, S. The hippocamposeptal pathway generates rhythmic firing of GABAergic neurons in the medial septum and diagonal bands: an investigation using a complete septohippocampal preparation in vitro. J Neurosci. 28 (15), 4096-4107 (2008).
- Goutagny, R., Jackson, J., Williams, S. Self-generated theta oscillations in the hippocampus. Nat Neurosci. 12 (12), 1491-1493 (2009).
- Jackson, J., Goutagny, R., Williams, S. Fast and slow gamma rhythms are intrinsically and independently generated in the subiculum. J Neurosci. 31 (34), 12104-12117 (2011).
- Amilhon, B., et al. Parvalbumin Interneurons of Hippocampus Tune Population Activity at Theta Frequency. Neuron. 86 (5), 1277-1289 (2015).
- Huh, C. Y., et al. Excitatory Inputs Determine Phase-Locking Strength and Spike-Timing of CA1 Stratum Oriens/Alveus Parvalbumin and Somatostatin Interneurons during Intrinsically Generated Hippocampal Theta Rhythm. J Neurosci. 36 (25), 6605-6622 (2016).
- Gu, N., et al. NMDA-dependent phase synchronization between septal and temporal CA3 hippocampal networks. J Neurosci. 33 (19), 8276-8287 (2013).
- Jackson, J., et al. Reversal of theta rhythm flow through intact hippocampal circuits. Nat Neurosci. 17 (10), 1362-1370 (2014).
- Gonzalez-Burgos, G., Lewis, D. A. GABA neurons and the mechanisms of network oscillations: implications for understanding cortical dysfunction in schizophrenia. Schizophr Bull. 34 (5), 944-961 (2008).
