Affezione cerebrale acuta del topo per indagare sull'attività spontanea della rete ippocampale

La misurazione elettrofisiologia da fette ippocampali viventi in vitro è un potente approccio sperimentale con numerosi vantaggi. Lo sperimentatore può usare un microscopio, micromanipolatori e un sistema di registrazione per visualizzare e raccogliere direttamente le misurazioni dai singoli neuroni nel tessuto. Le fette di tessuto sono anche molto accessibili alla fotostimolazione o alla somministrazione di farmaci per esperimenti optogenetici, chemiogenetici o farmacologici.

La rete ippocampale genera un’attività demografica altamente sincrona in vivo,visibile come oscillazioni nel potenziale di campo locale extracellulare^1,2,3,4,5. I metodi delle fette cerebrali sono stati sfruttati per ottenere informazioni sui meccanismi cellulari e di circuito alla base di queste oscillazioni della rete neuronale. ha dimostrato che i complessi a catena d’onda affilati (SWR) possono emergere spontaneamente in fette dell’ippocampo ventrale^6,7. Studi successivi di più ricercatori hanno gradualmente chiarito molti aspetti degli SWR, tra cui il ruolo dei neuromodulatori nella regolazione dello stato di rete dell’ippocampo^8,9,10 e i meccanismi sinaptici che guidano la riattivazione in vitro di insiemi neuronali precedentemente attivi durante il comportamento in vivo¹¹. Gli esperimenti sulle fette cerebrali hanno anche fornito informazioni sull’oscillazione dell’intervallo gamma (30-100 Hz), un distinto stato della rete ippocampale che si ritiene supporti la codifica della^{memoria e richiami 12,13}. Infine, riconoscendo il ruolo centrale dell’ippocampo e delle strutture associate nella fisiopatologia dell’epilessia del lobo temporale^14,15, i ricercatori hanno utilizzato preparati a fette ippocampali per indagare la generazione e la propagazione dell’attività epileptiforme. carter et al. Successivamente, Karlócai et al.

Gli investigatori hanno sviluppato numerosi approcci a fette ippocampali che differiscono in modi chiave: (1) la regione dell’ippocampo contenuta nella fetta (dorsale, intermedia o ventrale); 2) la presenza o l’assenza di tessuti extraippocampali come la corteccia entorinale; (3) l’orientamento utilizzato per tagliare le fette (coronale, sagittale, orizzontale o obliquo); e (4) le condizioni in cui il tessuto viene mantenuto dopo l’affezione (immerso completamente in ACSF o tenuto all’interfaccia dell’ACSF e dell’aria umidificata ricca di carbogeni).

La scelta dell’approccio di affezione all’uso dovrebbe essere determinata dall’obiettivo sperimentale. Ad esempio, fette trasversali o coronali dell’ippocampo dorsale mantenute in condizioni sommerse sono state utilizzate in modo molto efficace per lo studio dei circuiti intraippocampali e della plasticità sinaptica^18,19,20. Tuttavia, tali preparati non generano spontaneamente oscillazioni di rete così prontamente come fette dall’ippocampo ventrale^21,22,23. Sebbene uno stato di attività persistente di CFA possa essere indotto dalla stimolazione tetanica in fette trasversali dall’ippocampo dorsale e ventrale²⁴, gli SWR spontanei sono più facilmente osservati nelle fette^{ventrali 7,25}.

Una distinzione fisiologica e anatomica intrinseca tra l’ippocampo dorsale e ventrale è supportata da studi eseguiti sia in vivo che in vitro²⁶. Le registrazioni nei ratti rivelarono ritmi di theta fortemente coerenti in tutto l’ippocampo dorsale e intermedio, ma scarsa coerenza tra la regione ventrale e il resto dell’ippocampo²⁷. Gli SWR in vivo si propagano prontamente tra l’ippocampo dorsale e intermedio, mentre gli SWR che hanno origine nell’ippocampo ventrale rimangono spesso^{locali 28}. Le proiezioni associativa provenienti dai neuroni piramidali CA3 che risiedono nell’ippocampo dorsale e intermedio proiettano lunghe distanze lungo l’asse longitudinale dell’ippocampo. Le proiezioni CA3 provenienti dalle regioni ventrali rimangono relativamente locali e quindi hanno meno probabilità di essere recise durante il processo di^{affezione 29,30}. Le fette ventrali possono quindi preservare meglio la rete ricorrente necessaria per generare sincronia della popolazione. La propensione delle fette ventrali a generare attività spontanee di rete in vitro può anche riflettere una maggiore eccitabilità intrinseca dei neuroni piramidali o un’inibizione GABAergica più debole nell’ippocampo ventrale rispetto alle regioni più dorsali³¹. Infatti, le fette ippocampali ventrali sono più suscettibili all’attività epileptiforme^32,33. Così, molti studi di spontanea^{fisiologica 8,9,11,24} o^{patologica 16,34,35,36} oscillazioni di rete hanno tradizionalmente utilizzato un approccio di affettare orizzontale, a volte con un leggero angolo nella direzione fronto-occipitale, che produce fette di tessuto parallele al piano trasversale dell’ippocampo ventrale.

La connettività di rete è inevitabilmente influenzata dalla procedura di affettare il numero di celle nella sezione che verrà recisa. L’angolo e lo spessore della fetta e del tessuto trattenuti nella preparazione devono essere considerati per ottimizzare la connettività nei circuiti di interesse. Molti studi hanno utilizzato fette orizzontali combinate di corteccia ippocampale-entorinale (HEC) per esplorare le interazioni tra le due strutture nel contesto di oscillazioni fisiologiche o patologiche della rete. ha eseguito due registrazioni dal sottocampo CA1 dell’ippocampo e dallo strato V della corteccia entorinale mediale per dimostrare la propagazione dell’attività SWR attraverso la fetta^{HEC 37}. Molti studi sull’attività epileptiforme hanno utilizzato la preparazione della fetta HEC per indagare come le scariche epileptiformi si propagano attraverso la rete corticoippocampale^16,35,36,38. È importante notare che la conservazione dell’anello corticoippocampale intatto non è un prerequisito per gli SWR spontanei, le scariche epileptiformi o le oscillazioni gamma; le oscillazioni di rete possono essere generate in fette trasversali dell’ippocampo dorsale o ventrale senza tessuti paraippocampali^{attaccati 21,22,23, 25,39,40,41.} Un fattore più importante per la generazione spontanea di oscillazioni di rete nelle fette ippocampali può essere lo spessore di ogni fetta, poiché una fetta più spessa (400-550 μm) conserverà una maggiore connettività nella rete ricorrente CA2/ CA3^21,22,25.

Sebbene siano state utilizzate fette orizzontali angolate di HEC (tagliate con un angolo di circa 12° nella direzione fronto-occipitale) per studiare la connettività funzionale dell’anello corticoippocampale^{11,16,34,35,42,}tali preparati angolati non sono necessari per l’attività spontanea della rete^43,44,45. Tuttavia, l’uso di un piano di affettare angolato consente allo sperimentatore di creare selettivamente fette che preservano al meglio le lamelle orientate trasversalmente dell’ippocampo ventrale o intermedio, a seconda che si applica un angolo verso il basso o verso l’alto (Figura 1). Questo approccio è concettualmente simile a quello usato da Papatheodoropoulos et al., 2002, che ha sezionato ogni ippocampo libero e poi ha usato un elicottero tissutale per creare fette trasversali lungo l’intero asse dorsale-ventrale²¹. Alla luce delle suddette distinzioni funzionali tra l’ippocampo ventrale e dorsale-intermedio, gli investigatori dovrebbero considerare l’origine anatomica delle fette quando progettano esperimenti o interpretano i risultati. L’uso di una rampa di agar durante la procedura di affettare è un modo semplice per produrre preferenzialmente fette dall’ippocampo intermedio o ventrale.

Le fette ippocampali possono essere mantenute in una camera sommersa (con il tessuto completamente immerso in ACSF), o in una camera in stile interfaccia (ad esempio, camera Oslo o Haas, con fette coperte solo da una sottile pellicola di mezzi fluenti). La manutenzione dell’interfaccia migliora l’ossigenazione del tessuto, che promuove la sopravvivenza neuronale e consente alti livelli sostenuti di attività internauronale. Tradizionalmente, le condizioni di registrazione sommerse utilizzano una portata ACSF più lenta che non fornisce un’adeguata ossigenazione dei tessuti per l’espressione stabile delle oscillazioni a livello di rete. Nelle fette ippocampali sommerse le oscillazioni gamma indotte da carbacholo si osservano transitoriamente^{solo 46,47}, mentre possono essere mantenute stabilmente nelle camere di registrazione^{dell’interfaccia 10,48,49}. Come tale, molti studi di attività spontanea complessa in vitro si sono affidati a camere di registrazione dell’interfaccia per indagarei complessi di increspature a onde acuti^{6,7,8,9,10,25,37}, oscillazioni gamma^10,13e attività epileptiforme^16,38,45,47.

In una camera di registrazione in stile sommerso, un obiettivo di microscopio ad immersione può essere utilizzato per visualizzare singole cellule e indirizzare selettivamente cellule dall’aspetto sano per le registrazioni. La preparazione sommersa consente anche un controllo fine sull’ambiente cellulare, poiché l’immersione facilita la rapida diffusione di farmaci o altri composti nel tessuto. Pertanto, una metodologia modificata in cui le oscillazioni di rete stabili vengono mantenute in condizioni sommerse rappresenta un potente approccio sperimentale. Questo approccio è esemplificato dal lavoro di Hájos et al., in cui le fette ippocampali si riprendono in una camera di tenuta semplificata in stile interfaccia per diverse ore prima del trasferimento in una camera di registrazione sommersa modificata con un’elevata portata di ACSF (~ 6 mL / min) per migliorare l’apporto^{di ossigeno al tessuto 12,48,49}. In queste condizioni, alti livelli di attività internauron e oscillazioni spontanee stabili della rete possono essere mantenuti in una camera di registrazione sommersa. Questo approccio modificato consente agli investigatori di eseguire registrazioni di patch clamp a celle intere guidate visivamente e caratterizzare il contributo dei tipi di cellule morfologicamente identificati alle oscillazioni gamma indotte da carbacholo¹². Gli SWR possono anche verificarsi spontaneamente in fette ippocampali sommerse con una portata veloce di ACSF^11,48,49. ha dimostrato che le fette ippocampali che si sono riprese in una camera di interfaccia prima del trasferimento in una camera di registrazione sommersa mostravano in modo affidabile SWR spontanei, mentre le fette che si riprendevano immerse in un becher prima del trasferimento in una camera di registrazione sommersa mostravano risposte di campo evocate più piccole, livelli inferiori di correnti sinaptiche spontanee e solo molto raramente mostravano SWR^{spontanei 43}. ha utilizzato questa metodologia migliorata per dimostrare il ruolo delle cellule del cesto che esprimono parvalbumina nella generazione di SWR spontanei⁴⁴.

Il seguente protocollo presenta un metodo di affettare attraverso il quale i neuroni spontaneamente attivi nelle fette ippocampali orizzontali possono essere recuperati in condizioni di interfaccia e successivamente mantenuti in una camera di registrazione sommersa adatta a manipolazioni farmacologiche o optogenetiche e registrazioni visivamente guidate.