成虫マウスおよび老化マウスからの海馬スライスにおける低酸素症の最小化

哺乳動物急性脳スライス製剤の出現は、以前はAplysia¹のような無脊椎動物製剤でのみ可能であった細胞およびシナプスレベルでの実験を促進した。急性海馬スライスの開発は、ワーキングメモリとコンテキスト形成を担当する構造であり、容易な生理学的操作に適した特殊なトライシナプス回路を有するため、特に重要であった。しかし、急性脳スライスの大部分は、健康なニューロンおよび回路を維持する方が容易であり、スライスは^{22、3、43,4}の長い期間生存可能なままであるため、比較的若いマウスおよびラットからまだ調製される。ここでは、成体および老化マウスからの急性海馬スライスの生存率を高める標準的なスライスプロトコルの変更を紹介する。

哺乳類の脳実質の長期的なex vivo生存率への主要な障害は、切断後に脳への血流が止まると急速に起こる最初の低酸素損傷である。酸素の損失は、ホスホクレアチン(P-クレアチン)の損失が最も急速である脳内の主要なエネルギー資源の速い代謝消費をもたらし、次いでグルコース、アデノシン三リン酸(ATP)、およびグリコーゲン⁴が続く。ATPの保存は、脳スライスの長期的な健康にとって特に重要であり、NA-K ATPaseを介して膜電位を維持するためにATPが必要であり、その結果、神経活動^55、6。6成人げっ歯類脳のATPレベルは〜2.5mMであり、約1分の切断後^{4,4、7、8,8}で基底定常状態(約0.5mM)に達するために切断の20s以内に急激に低下する。若い動物では、ATPの同じ低下を観察するのに時間がかかります(〜2分)。フェノバルビタール麻酔では4分⁴までさらに遅くなる。これらの考慮事項は、ATPおよび他のエネルギー資源の損失を防ぐことは、脳への低酸素損傷を防ぎ、特に成虫動物においてより長い期間にわたって脳スライスの健康を維持するために必要な戦略であることを示している。

低温は代謝を遅くする。その結果、控えめな低体温は脳エネルギー埋蔵量を保護することが実証されている:若い動物では、体温を6度下げ、37°Cから31°Cに、制御された低酸素の4時間にわたって正常レベルの約80%にATPレベルを維持する^9。Pクレアチンレベルも同様に保存され、全体的なリン酸化電位^9.これは、切断前の体温を下げることは、スライス切断およびスライス回復期間を通じてATPのほぼ正常レベルを維持することができるので、神経保護であり得ることを示唆している。

切断時にATP低下を完全に防止できない程度に、Na-K ATPaseの部分的に障害のある機能が期待され、続いて受動ナトリウム流入による脱分極化が予想される。受動的なナトリウム流入が続いて細胞への水の侵入が続くにつれて、細胞毒性の浮腫と最終的にピクノーシスを引き起こす。成虫ラットでは、スライス切断液中でNa+イオンをスクロースに置き換えることは、細胞傷害性浮腫^10,11,11の負担を軽減する戦略として成功している。最近では、ナトリウムチャネル透過率^,12を減少させるメチル化有機カチオンは、特に成体マウスからのスライスにおいて、特に成人マウスからのスライスにおいて、N-メチル-D-グルカミン(NMDG)が13、14、15、16の異なる^13,14,15年齢および脳領域にわたって最も広く適用可能である、スクロースよりも効果的な保護を提供することが示されている。¹⁶

多くの脳スライスプロトコルは、スライス切断ステップ中にのみ冷たい温度を使用することを含み、時にはNa⁺イオン置換戦略^16、17,17と組み合わせて。若い動物では、頭蓋骨はまだ薄く^、取り除きが簡単なので、脳は切断後に迅速に抽出することができるので、これらのプロトコルは十分な神経保護を提供するように見える。しかし、この戦略は、成虫の動物から健康的なスライスを生成しません。時間が経つにつれて、成虫のげっ歯類を研究する多くの研究室は、動物の体温を低下させ、したがって切断前に脳に低酸素損傷を与えるために氷冷溶液で経心輸を導入してきた。この手順は、小脳スライス^18、中脳スライス^19、新皮質スライス^11、20、20海中¹¹皮質^21、ラット海馬^{10、22、23、22,23}嗅球^10球24、腹側線条体^25、視覚皮質²⁶を生成するために正常に適用された。

ラットおよびマウスのいくつかの脳領域でのスライスを調製する術後灌流および^Na+イオン置換によって提供される利点にもかかわらず、マウス海馬は低酸素^13、20,20から保護する最も困難な領域の1つである。現在までに、老化したマウスおよび神経変性のマウスモデルから海馬をスライスする最も一般的なアプローチの1つは、孤立した海馬²⁷の古典的な高速スライスを伴う。ここで説明するプロトコルでは、動物に氷冷^Na+-無料のNMDGベースの人工脳脊髄液(NMDG-aCSF)を経線的に浸透させることによって、切断前に低体温症を導入することにより、成人脳におけるATPの損失を最小限に抑える。スライスは、氷冷Na⁺-free NMDG-aCSFでカットされます。この強化されたプロトコルにより、スライス後最大10時間健康で、長期的なフィールドレコーディングやパッチクランプ研究に適した成体および老化マウスから急性海馬スライスを取得します。