Stochastic Noise-toepassing voor de beoordeling van mediale vestibulaire Nucleus neuron gevoeligheid in vitro
Summary
Galvanische vestibulaire stimulatie bij mensen vertoont verbeteringen in vestibulaire functie. Echter, het is onbekend hoe deze effecten optreden. Hier beschrijven we hoe sinusoïdale en stochastische elektrische ruis toe te passen en de juiste stimulus amplituden te evalueren in individuele mediale vestibulaire Nucleus neuronen in de C57BL/6-muis.
Abstract
Er is aangetoond dat galvanische vestibulaire stimulatie (GVS) de balans maatregelen verbetert bij personen met een evenwichts-of vestibulaire handicap. Dit wordt voorgesteld te wijten zijn aan de stochastische resonantie (SR) fenomeen, die wordt gedefinieerd als de toepassing van een laag niveau/subdrempelwaarde stimulans om een niet-lineaire systeem te verhogen detectie van zwakkere signalen. Echter, het is nog onbekend hoe SR vertoont zijn positieve effecten op menselijke evenwicht. Dit is een van de eerste demonstraties van de effecten van sinusoïdale en stochastische ruis op individuele neuronen. Met behulp van de hele cel patch klem elektrofysiologie, sinusoïdale en stochastische ruis kan direct worden toegepast op individuele neuronen in de mediale vestibulaire Nucleus (MVN) van C57BL/6 muizen. Hier laten we zien hoe de drempel van MVN neuronen te bepalen om ervoor te zorgen de sinusoïdale en stochastische stimuli zijn subthreshold en vanaf deze, bepalen van de effecten die elk type van lawaai heeft op MVN neuronale winst. We tonen aan dat subdrempelige sinusoïdale en stochastische ruis de gevoeligheid van individuele neuronen in de MVN kan moduleren zonder de basale afvuren te beïnvloeden.
Introduction
Het vestibulaire (of Balance) systeem regelt ons gevoel van evenwicht door het integreren van auditieve, Proprioceptive, somatosensorische en visuele informatie. Afbraak van het vestibulaire systeem is aangetoond dat het optreedt als een functie van leeftijd en kan resulteren in evenwichts tekorten1,2. Echter, therapieën gericht op de werking van het vestibulaire systeem zijn schaars.
Er is aangetoond dat galvanische vestibulaire stimulatie (GVS) de balans maatregelen, autonome werking en andere sensorische modaliteiten binnen de mens3,4,5,6verbetert. Deze verbeteringen zouden te wijten zijn aan de stochastische resonantie (SR) fenomeen, dat is de toename van de detectie van zwakkere signalen in niet-lineaire systemen via de toepassing van subthreshold lawaai7,8. Deze studies hebben aangetoond verbeteringen in statische9,10 en Dynamic11,12 balans, en vestibulaire output tests zoals oculaire teller Roll (OCR)13. Echter, veel van deze studies hebben gebruikt verschillende combinaties van stimulus parameters zoals witte ruis9, gekleurde ruis13, verschillende stimulus frequentiebereiken en drempelmethode technieken. Daarom blijven optimale stimulus-parameters onbekend en dit protocol kan helpen bij het bepalen van de meest effectieve parameters. Naast stimulus parameters, het type van stimulus is ook belangrijk in de therapeutische en experimentele werkzaamheid. Het bovenstaande werk bij de mens werd uitgevoerd met behulp van elektrische ruis stimuli, terwijl een groot deel van de in vivo dierlijk werk gebruikt mechanische14,15 of optogenetische16 ruis stimuli. Dit protocol zal elektrische ruis gebruiken om de effecten op vestibulaire kernen te onderzoeken.
Eerder werd de toepassing van GV’S voor het stimuleren van primaire vestibulaire afferenten uitgevoerd in vivo in Squirrel Monkeys17, chinchilla’s18, kippen embryo’s15 en cavia’s14. Echter, slechts twee van deze studies onderzocht het effect GVS heeft op de winst van primaire vestibulaire afferents14,15. Deze experimenten werden uitgevoerd in vivo, wat betekent dat de precieze patronen van stimulatie die worden opgelegd aan vestibulaire kernen niet kunnen worden bepaald. Voor onze kennis heeft slechts één andere studie stochastische ruis toegepast op individuele enzymatisch gedisiteerde neuronen in het centrale zenuwstelsel19. Er zijn echter geen experimenten uitgevoerd in de centrale vestibulaire kernen om geschikte stimulus parameters en drempel technieken te beoordelen, waardoor dit protocol preciezer is bij het bepalen van stimulerende effecten op individuele neuronen binnen de vestibulaire Kernen.
Hier beschrijven we hoe sinusoïdale en stochastische (elektrische) ruis rechtstreeks aan individuele neuronen in de mediale vestibulaire Nucleus (MVN) toe te passen, neuronale drempel te bepalen en veranderingen in Gain/gevoeligheid te meten.
Protocol
Representative Results
Discussion
De effecten van galvanische vestibulaire stimulatie (gv’s) op het vestibulaire systeem zijn in vivo gemarkeerd bij mensen3,13,23, cavia’s14, knaagdieren18 en niet-menselijke primaten24. Echter, geen van deze studies hebben de directe impact van elektrische ruis op de gevoeligheid van individuele neuronen in het vestibulaire systeem beoordeeld. Hier demonstre…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
SPS werd gesteund door de University of Sydney postgraduaat Research beurs.
Materials
| CaCl | Scharlau | CA01951000 | Used for ACSF and sACSF |
| D-(+)-Glucose | Sigma | G8270 | Used for ACSF and sACSF |
| EGTA | Sigma | E0396-25G | Used for K-based intracellular solution |
| HEPES | Sigma | H3375-25G | Used for K-based intracellular solution |
| KCl | Chem-supply | PA054-500G | Used for ACSF, sACSF and intracellular solution |
| K-gluconate | Sigma | P1847-100G | Used for K-based intracellular solution |
| Mg-ATP | Sigma | A9187-500MG | Used for K-based intracellular solution |
| MgCl | Chem-supply | MA00360500 | Used for ACSF and sACSF |
| Na3-GTP | Sigma | G8877-100MG | Used for K-based intracellular solution |
| NaCl | Chem-supply | SO02270500 | Use for ACSF and intracellular solution |
| NaH2PO4.2H2O | Ajax | AJA471-500G | Used for ACSF and sACSF |
| NaHCO3 | Sigma | S5761-1KG | Used for ACSF and sACSF |
| Sucrose | Chem-supply | SA030-500G | Used for sACSF |
| Isoflurane | Henry Schein | 1169567762 | Used for anaesthetising mice |
| EQUIPMENT | |||
| Borosilicate glass capillaries | Warner instruments | GC150T-7.5 | 1.5mm OD, 1.16mm ID, 7.5cm length |
| Data acquisition software | Axograph | Used for electrophysiology and analysis | |
| Friedmen-Pearson Rongeurs | World precision instruments | 14089 | Used for dissection |
| Micropipette puller | Narishige | PP-830 | Used for micropipette |
| Multiclamp amplifier | Axon instruments | 700B | Used for electrophysiology |
| pH meter | Sper scientific | 860033 | Used for internal solution |
| Standard pattern scissors | FST | 14028-10 | Used for dissection |
| Sutter micromanipulator | Sutter | MP-225/M | Used for electrophysiology |
| Upright microscope | Olympus | BX51WI | Used for electrophysiology |
| Vibratome | Leica | VT1200 | Used for slicing brain tissue |
References
- Amiridis, I. G., Hatzitaki, V., Arabatzi, F. Age-induced modifications of static postural control in humans. Neuroscience Letters. 350 (3), 137-140 (2003).
- Iwasaki, S., Yamasoba, T. Dizziness and imbalance in the elderly: age-related decline in the vestibular system. Aging and disease. 6 (1), (2015).
- Fujimoto, C., et al. Noisy galvanic vestibular stimulation induces a sustained improvement in body balance in elderly adults. Scientific Reports. 6, 37575 (2016).
- Breen, P. P., et al. Peripheral tactile sensory perception of older adults improved using subsensory electrical noise stimulation. Medical Engineering & Physics. 38 (8), 822-825 (2016).
- Yamamoto, Y., Struzik, Z. R., Soma, R., Ohashi, K., Kwak, S. Noisy vestibular stimulation improves autonomic and motor responsiveness in central neurodegenerative disorders. Annals of Neurology. 58 (2), 175-181 (2005).
- Soma, R., Nozaki, D., Kwak, S., Yamamoto, Y. 1/f noise outperforms white noise in sensitizing baroreflex function in the human brain. Physical Review Letters. 91 (7), 078101 (2003).
- Wiesenfeld, K., Moss, F. Stochastic resonance and the benefits of noise: from ice ages to crayfish and SQUIDs. Nature. 373 (6509), 33-36 (1995).
- Moss, F., Ward, L. M., Sannita, W. G. Stochastic resonance and sensory information processing: a tutorial and review of application. Clinical Neurophysiology. 115 (2), 267-281 (2004).
- Goel, R., et al. Using low levels of stochastic vestibular stimulation to improve balance function. PloS one. 10 (8), e0136335 (2015).
- Inukai, Y., et al. Effect of noisy galvanic vestibular stimulation on center of pressure sway of static standing posture. Brain Stimulation: Basic, Translational, and Clinical Research in Neuromodulation. 11 (1), 85-93 (2018).
- Mulavara, A. P., et al. Using low levels of stochastic vestibular stimulation to improve locomotor stability. Frontiers in Systems Neuroscience. 9, 117 (2015).
- Iwasaki, S., et al. Noisy vestibular stimulation increases gait speed in normals and in bilateral vestibulopathy. Brain stimulation. 11 (4), 709-715 (2018).
- Serrador, J. M., Deegan, B. M., Geraghty, M. C., Wood, S. J. Enhancing vestibular function in the elderly with imperceptible electrical stimulation. Scientific Reports. 8 (1), 336 (2018).
- Kim, J., Curthoys, I. S. Responses of primary vestibular neurons to galvanic vestibular stimulation (GVS) in the anaesthetised guinea pig. Brain Research Bulletin. 64 (3), 265-271 (2004).
- Flores, A., et al. Stochastic resonance in the synaptic transmission between hair cells and vestibular primary afferents in development. Neuroscience. 322, 416-429 (2016).
- Huidobro, N., et al. Brownian Optogenetic-Noise-Photostimulation on the Brain Amplifies Somatosensory-Evoked Field Potentials. Frontiers in Neuroscience. 11, 464-464 (2017).
- Goldberg, J., Ferna, C., Smith, C. Responses of vestibular-nerve afferents in the squirrel monkey to externally applied galvanic currents. Brain Research. 252 (1), 156-160 (1982).
- Baird, R., Desmadryl, G., Fernandez, C., Goldberg, J. The vestibular nerve of the chinchilla. II. Relation between afferent response properties and peripheral innervation patterns in the semicircular canals. Journal of Neurophysiology. 60 (1), 182-203 (1988).
- Remedios, L., et al. Effects of Short-Term Random Noise Electrical Stimulation on Dissociated Pyramidal Neurons from the Cerebral Cortex. Neuroscience. 404, 371-386 (2019).
- Paxinos, G., Franklin, K. B. . The mouse brain in stereotaxic coordinates. , (2004).
- Camp, A. J., Callister, R. J., Brichta, A. M. Inhibitory synaptic transmission differs in mouse type A and B medial vestibular nucleus neurons in vitro. Journal of Neurophysiology. 95 (5), 3208-3218 (2006).
- Camp, A., et al. Attenuated glycine receptor function reduces excitability of mouse medial vestibular nucleus neurons. Neuroscience. 170 (1), 348-360 (2010).
- Iwasaki, S., et al. Effect of Noisy Galvanic Vestibular Stimulation on Ocular Vestibular-Evoked Myogenic Potentials to Bone-Conducted Vibration. Front in Neurology. 8, 26 (2017).
- Goldberg, J., Smith, C. E., Fernandez, C. Relation between discharge regularity and responses to externally applied galvanic currents in vestibular nerve afferents of the squirrel monkey. Journal of Neurophysiology. 51 (6), 1236-1256 (1984).
