Akut<emIn vivo</em> Anestezi Uygulanan Sıçanlarda Hiperdirect Pathway'den Lokal Alan Potansiyellerinin Elektrofizyolojik Kayıtları ve Çoklu Ünite Aktivitesi
Summary
Bu çalışmada, üretan anestezi altında hiperdirect yolaktan çoklu saha in vivo elektrofizyolojik kayıtların nasıl gerçekleştirileceği üzerine metodoloji sunulmuştur.
Abstract
Yakın geçmişteki kanıtlar birçok nöropsikiyatrik hastalığın geniş ölçekli nöronal ağların bozuklukları olarak anlaşılması gerektiğini göstermektedir. Bu hastalıkların patofizyolojik temelini daha iyi anlamak için, hangi işleme yönteminin devrenin farklı nöronal kısımları arasında bozulduğunu kesin olarak belirtmek gerekir. Ekstraselüler in vivo elektrofizyolojik kayıtları kullanarak, bir nöronal ağ içindeki nöronal aktiviteyi doğru bir şekilde çizmek mümkündür. Bu yöntemin uygulanması, benzersiz bir zamansal ve mekansal çözünürlüğe izin verdiği ve genetiği değiştirilmiş organizmalara dayanmadığı için, fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme ve kalsiyum görüntüleme gibi alternatif teknikler üzerinde birçok avantaja sahiptir. Bununla birlikte, hücre dışı in vivo kayıtların kullanımı, evrensel olarak uygulanamayan invaziv bir teknik olduğu için sınırlıdır. Bu yazıda basit ve kullanımı kolay bir yöntem sunulmaktadır.Yerel alan potansiyelleri ve multi-unit aktivite gibi hücre dışı potansiyellerin bir ağın birden çok yerinde aynı anda kaydedilmesi mümkündür. Sterotaktik cerrahi ile çok üniteli kayıtların online analizinin bir kombinasyonu kullanılarak subkortikal çekirdeklerin kesin bir hedeflemesinin nasıl başarılabileceği detaylandırılmıştır. Böylece, hiperdirect kortiko-bazal ganglia döngüsü gibi eksiksiz bir ağın in vivo anestezi altındaki hayvanlarda nasıl çalışılacağı gösterilmektedir.
Introduction
Parkinson hastalığı (PD) ve şizofreni gibi farklı nöropsikiyatrik bozukluklarla ilgili yeni kümülatif bulgular, patofizyolojisinin, genellikle kortikal ve subkortikal yapıları içeren 1 , 2 , 3 nolu geniş nöronal devrelerin kritik bir işlev bozukluğuna dayandığını ileri sürmektedir. Bu teoriye göre, hastalıkların klinik bulguları, tek hücre veya belirli nöronal elemanlar yerine 1 , 2 , 3 nolu hücrelerin bilgi işlem kapasitesinin bozulmasının bir sonucu olarak ortaya çıkmaktadır. Nepropsikiyatrik hastalıkların bu karmaşık grubunun anlaşılmasını arttırmak ve yeni tedavi seçenekleri bulmak için, insan hastalarında ve hayvan modellerinde bu bozuk ağların nöronal dinamiklerini ayrıntılı bir şekilde karakterize etmek zorunludur. Mükemmel bir mükemmellikEntelektüel potansiyellerin çok bölgedeki elektrofizyolojik kayıtları 4'tür . Bu yöntemi kullanarak, esasen, presinaptik potansiyeller tarafından üretilen, uyarıcı ve inhibe edici postsinaptik akımların ve çok birim aktivitenin (MUA) geçici olarak toplamını temsil eden yerel alan potansiyellerini (LFP'ler) aynı anda değerlendirmek mümkündür. Hücre dışı potansiyellerin kaydı, ağları incelemek için alternatif yöntemlere kıyasla birkaç avantaja sahiptir, örneğin işlevsel manyetik rezonans görüntüleme ve kalsiyum görüntüleme, çünkü daha yüksek zamansal ve mekansal çözünürlük sağlar ve genetik olarak düzenlenmiş organizmalara bağımlı değildir 5 . Bununla birlikte, hücre dışı in vivo kayıtların kullanımı, evrensel olarak uygulanamayan invaziv bir teknik olduğu için sınırlıdır.
In vivo elektrofizyolojik kayıtAnestezi altındaki hayvanlarda olduğu kadar uyanık halde de yapılabilir 6 . Her iki yöntem de belirli artı ve eksileri beraberinde getirir. Uyanık hayvanlar üzerindeki çalışmalar, tanımlanmış davranışsal görevlerin gerçekleştirilmesi sırasında beyin sinyallerinin kaydedilmesine izin verir, ancak hareketle ilgili ve diğer eserlere 7 , 8 eğilimlidir. Anestezi uygulanmış hayvanlardaki kayıtlar, LFP'leri ve MUA'yı, yüksek tanımlı kortikal senkronizasyon durumlarında asgari düzeyde eser ile değerlendirme fırsatı sunar; ancak sonuçlar, bir dereceye kadar uyanık olan 9 , 10 ve 11'de bulunanlara göre de farklılık gösterir.
Son yıllarda, LFP örneklemesinin ağ etkinliğinin patolojik değişimlerini tanımlamak için özellikle yararlı olduğu gösterilmiştir. Bunun önemli bir örneği, insan hastada PD'nin patofizyolojisi üzerine bir araştırmadırS ve hayvan modellerinde, kortiko-bazal gangliyon halkasında gelişmiş beta salınımlarının parkinson motor belirtileri 12 , 13 ile bağlantılı olduğu gösterilebilir. Bu araştırmanın bir sonucu olarak, beta salınımlarının kapalı döngü derin beyin stimülasyonu için çevrimiçi geribildirim biomarkeri olarak kullanılabilmesi şu anda araştırılmaktadır 14,15.
Bu çalışmada, üretandan anestezi uygulanan sıçanlarda LFP'lerin ve MUA'nın in vivo elektrofizyolojik kayıtlarının akut çoklu bölgesinin ayrıntılı bir tarifi verilmiştir. Hiperdirect kortiko-bazal gangliyon yolu gibi komple bir ağın standart ve özelleştirilmiş elektrotları kullanarak elektrofizyolojik olarak karakterize edilebileceği ve bu elektrotların nasıl oluşturulabileceği gösterilmiştir. Özellikle, bazal gangliyon çekirdeğinin kesin bir şekilde hedeflenmesinin co tarafından nasıl başarılabileceği vurgulanmaktadır.Stereotaktik ameliyatı MUA'ların çevrimiçi kaydı ile birlikte birleştirdik.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mevcut çalışmada, yöntem, kemirgenlerde M1'i STN ve SNr'ye bağlayan hiperdirect kortiko-bazal gangliyon yolunun örneğini kullanarak, belirli bir ağın birden fazla bölgesinden eşzamanlı olarak hücre dışı elektrofizyolojik sinyallerin nasıl kaydedileceği gösterilmiştir.
STN gibi küçük subkortikal yapıların kayıt altına alınmasında kritik bir adım, kayıt elektrotlarının hedefe tam olarak rehberlik ettirilmesidir. Sunulan yöntemde, iki önemli adıma dik…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Çalışmamızı finanse etmek için Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), KFO 247'ye teşekkür ediyoruz.
Materials
| Ag/AgCl custom epidural electrodes | Goodfellow GmbH D-61213 Bad Nauheim, Germany info@goodfellow.com |
Product-ID AG005127 for 99.99% silver wire | Ag/AgCl electrodes will allow for better signal quality, but may only be used in acute experiments. Possible replacement: Stainless steel electrodes |
| Stereotaxic holder with acrylic block | David Kopf Instruments, 7324 Elmo Street, Tujunga, CA 91042, USA |
Product ID Model 1770 Standard Electrode Holder | Make sure the acrylic block has recesses which suit the electrode setup for the desired target. Acrylic blocks can easily be modified with a file to obtain the desired configuration. Possible replacement: Self-constructed electrode holders |
| Tungsten microwire electrodes 1.5 MΩ impedance | Microprobes.com 18247-D Flower Hill Way Gaithersburg, Maryland, 20879 USA |
Product-ID WE3ST31.5A5-250um | The 1.5 MΩ is necessary to record MUA and LFP at the same time. Possible replacement: Microelectrodes of different materials can be used. The electrodes have to be straight, robust and as thin as possible. |
| Rat alignment tool | David Kopf Instruments, 7324 Elmo Street, Tujunga, CA 91042, USA |
Product ID Model 944 Rat Alignment Tool | Allows the exact orientation of the brain to match stereotaxic atlases. Possible replacement: Stereotaxic holder with a cannula |
| Two-component dental acrylic | Associated Dental Products Ltd. Kemdent Works, Purton, Swindon Wiltshire, SN5 4HT, United Kingdom |
Simplex Rapid Powder Clear 225g, Product code: ACR803; Simplex Rapid Liquid 150ml, Product code: ACR920 | Depending in the electrodes used, superglue might be an easy alternative, if the electrodes are small and lightweight. Possible replacement: Superglue (Cyanacrylate-based) |
| Faraday cage | Self-construction | A proper Faraday cage will be the best protection from electromagnetic artifacts, but everything which can be formed into a box shape or applied to a frame and is made of conductive material may help. Possible replacement: Aluminum foil or copper mesh | |
| Electrophysiological setup with recording software and online spike-sorting capabilities | OmniPlex® Neural Data Acquisition System Plexon Inc 6500 Greenville Avenue, Suite 700 Dallas, Texas 75206 USA |
Offline sorting software is a potential alternative, multiple scripts and softwares can be found for free in the open source community. |
References
- Lozano, A. M., Lipsman, N. Probing and regulating dysfunctional circuits using deep brain stimulation. Neuron. 77 (3), 406-424 (2013).
- Mathalon, D. H., Sohal, V. S. Neural Oscillations and Synchrony in Brain Dysfunction and Neuropsychiatric Disorders: It’s About Time. JAMA Psychiatry. 72 (8), 840-844 (2015).
- Uhlhaas, P. J., Singer, W. Neuronal dynamics and neuropsychiatric disorders: toward a translational paradigm for dysfunctional large-scale networks. Neuron. 75 (6), 963-980 (2012).
- Buzsaki, G. Large-scale recording of neuronal ensembles. Nat Neurosci. 7 (5), 446-451 (2004).
- Buzsaki, G., Anastassiou, C. A., Koch, C. The origin of extracellular fields and currents–EEG, ECoG, LFP and spikes. Nat Rev Neurosci. 13 (6), 407-420 (2012).
- Brazhnik, E., Novikov, N., McCoy, A. J., Cruz, A. V., Walters, J. R. Functional correlates of exaggerated oscillatory activity in basal ganglia output in hemiparkinsonian rats. Exp Neurol. 261, 563-577 (2014).
- Avila, I., et al. Beta frequency synchronization in basal ganglia output during rest and walk in a hemiparkinsonian rat. Exp Neurol. 221 (2), 307-319 (2010).
- Javor-Duray, B. N., et al. Early-onset cortico-cortical synchronization in the hemiparkinsonian rat model. J Neurophysiol. 113 (3), 925-936 (2015).
- Beck, M. H., et al. Short- and long-term dopamine depletion causes enhanced beta oscillations in the cortico-basal ganglia loop of parkinsonian rats. Exp Neurol. 286, 124-136 (2016).
- Magill, P. J., Bolam, J. P., Bevan, M. D. Relationship of activity in the subthalamic nucleus-globus pallidus network to cortical electroencephalogram. J Neurosci. 20 (2), 820-833 (2000).
- Magill, P. J., et al. Changes in functional connectivity within the rat striatopallidal axis during global brain activation in vivo. J Neurosci. 26 (23), 6318-6329 (2006).
- Brown, P. Abnormal oscillatory synchronisation in the motor system leads to impaired movement. Curr Opin Neurobiol. 17 (6), 656-664 (2007).
- Stein, E., Bar-Gad, I. beta oscillations in the cortico-basal ganglia loop during parkinsonism. Exp Neurol. 245, 52-59 (2013).
- Little, S., Brown, P. What brain signals are suitable for feedback control of deep brain stimulation in Parkinson’s disease?. Ann N Y Acad Sci. 1265, 9-24 (2012).
- Priori, A., Foffani, G., Rossi, L., Marceglia, S. Adaptive deep brain stimulation (aDBS) controlled by local field potential oscillations. Exp Neurol. , 77-86 (2013).
- Brozoski, T. J., Caspary, D. M., Bauer, C. A. Marking multi-channel silicon-substrate electrode recording sites using radiofrequency lesions. J Neurosci Methods. 150 (2), 185-191 (2006).
- Schjetnan, A. G., Luczak, A. Recording large-scale neuronal ensembles with silicon probes in the anesthetized rat. J Vis Exp. (56), (2011).
- Mallet, N., et al. Disrupted dopamine transmission and the emergence of exaggerated beta oscillations in subthalamic nucleus and cerebral cortex. J Neurosci. 28 (18), 4795-4806 (2008).
- Steriade, M. Corticothalamic resonance, states of vigilance and mentation. Neuroscience. 101 (2), 243-276 (2000).
- Maesawa, S., et al. Long-term stimulation of the subthalamic nucleus in hemiparkinsonian rats: neuroprotection of dopaminergic neurons. J Neurosurg. 100 (4), 679-687 (2004).
- Paxinos, G., Watson, C. . The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. , (1998).
- Oliveira, L. M. O., Dimitrov, D., Nicolelis, M. A. L. . Methods for Neural Ensemble Recordings Frontiers in Neuroscience. , (2008).
- Torres, E. M., et al. Increased efficacy of the 6-hydroxydopamine lesion of the median forebrain bundle in small rats, by modification of the stereotaxic coordinates. J Neurosci Methods. 200 (1), 29-35 (2011).
- Hadar, R., et al. Rats overexpressing the dopamine transporter display behavioral and neurobiological abnormalities with relevance to repetitive disorders. Sci Rep. 6, 39145 (2016).
- Parr-Brownlie, L. C., Poloskey, S. L., Bergstrom, D. A., Walters, J. R. Parafascicular thalamic nucleus activity in a rat model of Parkinson’s disease. Exp Neurol. 217 (2), 269-281 (2009).
- Steriade, M., Nunez, A., Amzica, F. A novel slow (< 1 Hz) oscillation of neocortical neurons in vivo: depolarizing and hyperpolarizing components. J Neurosci. 13 (8), 3252-3265 (1993).
- Maggi, C. A., Meli, A. Suitability of urethane anesthesia for physiopharmacological investigations in various systems. Part 1: General considerations. Experientia. 42 (2), 109-114 (1986).
- Goldberg, J. A., Kats, S. S., Jaeger, D. Globus pallidus discharge is coincident with striatal activity during global slow wave activity in the rat. J Neurosci. 23 (31), 10058-10063 (2003).
- Karain, B., Xu, D., Bellone, J. A., Hartman, R. E., Shi, W. X. Rat globus pallidus neurons: functional classification and effects of dopamine depletion. Synapse. 69 (1), 41-51 (2015).
- Paasonen, J., et al. Comparison of seven different anesthesia protocols for nicotine pharmacologic magnetic resonance imaging in rat. Eur Neuropsychopharmacol. 26 (3), 518-531 (2016).
- Mahmud, M., Vassanelli, S. Processing and Analysis of Multichannel Extracellular Neuronal Signals: State-of-the-Art and Challenges. Front Neurosci. 10, 248 (2016).
- Hadar, R., et al. Altered neural oscillations and elevated dopamine levels in the reward pathway during alcohol relapse. Behav Brain Res. 316, 131-135 (2017).
- Voget, M., et al. Altered local field potential activity and serotonergic neurotransmission are further characteristics of the Flinders sensitive line rat model of depression. Behav Brain Res. 291, 299-305 (2015).
