Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

نقدم في الجسم الحي التسجيل الكهربائي الفسيولوجي للإمكانات الميدانية المحلية (LFP) في القشرة الحركية الثانوية الثنائية (M2) من الفئران، والتي يمكن تطبيقها لتقييم جانبي نصف الكرة الأرضية. وكشفت الدراسة عن تغيير مستويات التزامن بين اليسار واليمين M2 في الفئران APP /PS1 مقارنة مع ضوابط WT.

Abstract

يوضح هذا المقال إجراءات كاملة ومفصلة لكل من التسجيل الثنائي في الجسم الحي وتحليل الإمكانات الميدانية المحلية (LFP) في المناطق القشرية من الفئران، والتي هي مفيدة لتقييم العجز في اللاتاءات المحتملة، وكذلك ل تقييم اتصال الدماغ واقتران أنشطة الشبكة العصبية في القوارض. الآليات المرضية الكامنة وراء مرض الزهايمر (AD)، وهو مرض عصبي شائع، لا تزال غير معروفة إلى حد كبير. وقد ثبت تغير التبء الدماغ في الشيخوخة الناس، ولكن ما إذا كان أو لم يتم تحديد جانبية غير طبيعية واحدة من العلامات المبكرة لAD لم يتم تحديد. للتحقيق في هذا، سجلنا LFPs الثنائية في 3-5 أشهر من العمر الفئران نموذج AD، APP / PS1، جنبا إلى جنب مع الضوابط نوع البرية littermate (WT). كانت LFPs من القشرة الحركية الثانوية اليسرى واليمنى (M2)، وعلى وجه التحديد في نطاق غاما، أكثر تزامنا في الفئران APP/PS1 مما كانت عليه في ضوابط WT، مما يشير إلى انخفاض عدم التماثل في نصف الكرة الغربي من M2 الثنائية في هذا النموذج الماوس AD. وتجدر الإشارة إلى أن عمليات التسجيل وتحليل البيانات مرنة وسهلة التنفيذ، ويمكن أيضا تطبيقها على مسارات الدماغ الأخرى عند إجراء التجارب التي تركز على الدوائر العصبية.

Introduction

مرض الزهايمر (AD) هو الشكل الأكثر شيوعا من الخرف1،2. بروتين الأميلويد بيتا خارج الخلية (بروتين بيتا الأميلويد، Aβ) ترسب والتشابك العصبي داخل الخلايا (NFTs) هي السمات المرضية الرئيسية لAD3،4،5، ولكن الآليات الكامنة وراء AD مسببات الأمراض لا تزال غير واضحة إلى حد كبير. القشرة الدماغية، وهي بنية رئيسية في الإدراك والذاكرة، وتضعف في6م، والعجز الحركي مثل المشي البطيء، وصعوبة التنقل في البيئة واضطرابات مشية تحدث مع تقدم سن7. كما لوحظ ترسيب Aβ والتشابك العصبي في القشرة ما قبل المحرك (PMC) ومنطقة المحرك التكميلية (SMA) في المرضى AD8 وأثرت معرفيا كبار السن9،مما يدل على تورط محرك ضعف النظام في مسببات الأمراض AD.

يتكون الدماغ من قبل اثنين من نصفي الدماغ المتميزة التي تنقسم من قبل شق طولي. الدماغ السليم يعرض كل من التفاوتات الهيكلية والوظيفية10، والذي يسمى "الجانبي"، مما يسمح للدماغ للتعامل بكفاءة مع المهام والأنشطة المتعددة. الشيخوخة يؤدي إلى تدهور في الإدراك والحركة، جنبا إلى جنب مع انخفاض في التبذير الدماغ11،12. القدرات الحركية لنصف الكرة الأيسر واضحة بسهولة في الدماغ السليم13، ولكن في الدماغ AD الانحراف التلامع يحدث نتيجة لفشل هيمنة نصف الكرة الأيسر المرتبطة ضمور القشرية اليسرى14، 15و16 . ولذلك، فإن فهم التغيير المحتمل في إضفاء الطابع الجانبي على الدماغ في مسببات الأمراض AD والآليات الأساسية قد توفر رؤى جديدة في مسببات الأمراض AD ويؤدي إلى تحديد المؤشرات الحيوية المحتملة للعلاج.

القياس الكهربائي الفسيولوجي هو طريقة حساسة وفعالة لتقييم التغيرات في الأنشطة العصبية للالحيوانات. وقد تم توثيق الحد من عدم التماثل في نصف الكرة الغربي في كبار السن (هارولد)17 من خلال البحوث الكهرولوجية مع تزامن وقت النقل بين نصف الكرة الغربي، مما يدل على ضعف أو عدم تناسق نصف الكرة الغربي إلى المونارالي المقدمة المحفزات الكلامفي كبار السن18. الاستفادة من APP / PS1، واحدة من نماذج الماوس AD الأكثر استخداما19،20،21،22،في تركيبة مع في الجسم الحي تسجيل خارج الخلية الثنائية من LFPs في كل من اليسار واليمين M2، ونحن تقييم العجز في التأضة المحتملة في AD. بالإضافة إلى ذلك، مع إعدادات المعلمة البسيطة، توفر الوظيفة المضمنة في برنامج تحليل البيانات (انظر جدولالمواد) طريقة أسرع وأكثر مباشرة لتحليل تزامن الإشارات الكهربائية من الناحية الرياضية لغة البرمجة المعقدة، والتي هي ودية للمبتدئين مع في الفيزيولوجيا الكهربائية في الجسم الحي.

Protocol

تم إقران جميع الحيوانات في ظل ظروف قياسية (12 ساعة ضوء / الظلام، وبيئة درجة الحرارة الثابتة، وحرية الوصول إلى الغذاء والماء) وفقا للمبادئ التوجيهية لوزارة العلوم والتكنولوجيا الصينية مختبر الحيوانات وتمت الموافقة على التجارب من قبل اللجنة الأخلاقية المحلية لجامعة قوانغتشو. هذا إجراء عدم البقاء على قيد الحياة.

ملاحظة: بالنسبة للبيانات المبينة في النتائج التمثيلية، استُخدمت الضوابط المزدوجة الجينات من نوع الفئران والنفايات البرية في 3-5 أشهر من العمر في التسجيلات (ن = 10، لكل مجموعة) من الفئران ذات الجينات المزدوجة.

1. التخدير الحيواني والجراحة

  1. وزن وتخدير الماوس من خلال نظام التخدير المعتمد من لجنة رعاية الحيوانات المحلية الخاصة بك.
  2. إجراء قرصة ذيل أو اصبع القدم مع ملقط لتأكيد التخدير العميق قبل الجراحة.
  3. وضع الماوس في جهاز مجسموإصلاح وإصلاح رأسه.
  4. تطبيق مرهم العين على كلتا العينين للحفاظ على رطبة. اتبع إرشادات الرعاية الحيوانية المحلية الخاصة بك فيما يتعلق بالتخدير قبل وبعد الجراحة.
  5. حلاقة الشعر باستخدام كليبرز الجراحية. إجراء شق صغير (12-15 ملم) في منتصف المنطقة الجراحية المكشوفة مع مقص. باستخدام ملقط، سحب بلطف فروة الرأس بعيدا عن خط الوسط.
  6. افصل الجلد برفق وأزال الأنسجة المتبقية. تنظيف الجمجمة باستخدام براعم القطن المغلفة بيروكسيد الهيدروجين.
  7. حفر اثنين من الثقوب الصغيرة من رادي 1.0-1.5 ملم على كلا الجانبين الأيسر والأيمن من الجمجمة للسماح بإدخال الأقطاب الدقيقة تسجيل في المناطق M2 تحت مجهر ستيريو (الشكل1A).
    ملاحظة: مواقع مجسمة من M2 الثنائية: 1.94 مم أمامي إلى البريما، 1.0 مم الجانبي إلى خط الوسط، و 0.8-1.1 مم بطني إلى دورا.
  8. إزالة الأم دورا بعناية مع إبرة التنغستن.
  9. سحب البورسليكات الزجاجية micropipettes (القطر الخارجي: 1.0 مم) كما تسجيل الأقطاب الدقيقة مع مقاومة 1-2 MΩ.
  10. إدراج اثنين من الأقطاب الدقيقة تسجيل منفصلة مليئة 0.5 M NaCl في الثقوب باستخدام micromanipulators الميكانيكية (في 60 درجة، الشكل 1B).

2. LFP التسجيلات في M2 الثنائية من الفئران

  1. خفض الأقطاب الزجاجية اليسرى واليمنى ببطء في الإحداثيات المناسبة من M2 الثنائية (الشكل1C).
  2. لمراقبة الجودة، اختبار مقاومة كل قطب باستخدام مكبر للصوت التفاضلي ة قبل التقاط LFPs.
  3. تعيين عملية التسجيل في 0.1 هرتز عالية تمرير و 1000 هرتز تمريرمنخفض مع 1000x التضخيم.
  4. جمع البيانات الخام الرقمية LFP من ما لا يقل عن 60 ق الأنشطة العفوية في حالة مستقرة، مع الفئران التنفس بالتساوي بمعدل التنفس من 2 التنفس في الثانية تحت التخدير.
  5. بعد التسجيل، رفع ببطء الأقطاب الكهربائية من الدماغ، ثم قتل الفئران عن طريق خلع عنق الرحم بسرعة.
  6. حفظ البيانات وتحليل دون اتصال.

3- تحليل الترابط المتبادل

  1. انقر فوق تحليل - ارتباط الموجي في برنامج التحليل واستيراد البيانات.
  2. إعدادات المعلمة
    1. تعريف إشارة قناة موجية واحدة كالقناة الأولى والأخرى كمرجع. تعيين العرض كـ 2 وإزاحة كـ 1 (الشكل2A).
    2. تعيين مدة كل من LFPs لـ 100 s عن طريق تحديد وقت البدء ووقت الانتهاء. اضغط على زر العملية لإجراء تحليل الترابط المتبادل (الشكل2B).
      ملاحظة: الإشارات الثنائية المتزامنة مع مثل هذه المدد ستكون طويلة بما فيه الكفاية لإظهار الأنشطة العفوية العصبية، وبالتالي الكشف عن الخصائص الأساسية للتزامن.
  3. انقر فوق ملف - تصدير باسم، ثم احفظ نتائج الارتباط المتبادل المقابلة للمخطط المنبثق الناتج بتنسيق .txt.
  4. افتح الملف .txt (الشكل2C)، وقم بإزالة قيم الارتباط في فترات تأخير الوقت تراوحت 0 ± 0.01 s (بما أن موجتي غاما المستمرتين لها فاصل زمني 0.01 s على الأقل)، ثم متوسط بقية بيانات الارتباط المتبادل في جزء تأخر الوقت السالب أو المتوسط بقية بيانات الترابط المتبادل في جزء تأخر الوقت الإيجابي.

4 - تحليل الاتساق

  1. استيراد البيانات وتشغيلها في برنامج التحليل.
  2. تعيين إشارات LFP اثنين لتكون القنوات الموجي الأول والثاني بشكل منفصل. ثم قم بتعيين قيمة حجم الكتلة (الشكل3A).
    ملاحظة: حجم الكتلة يعني عدد نقاط البيانات المستخدمة في FFT. كلما كان حجم الكتلة أكبر، كلما كان دقة التردد أفضل. هنا نوصي بوضعه كـ 4096.
  3. نقل الخطوط المنقطة يدوياً لضمان دقة الوقت للإشارات في كلتا القناتين يتم تعيين نفس الفترة (الشكل3B). اضغط على الزر إضافة ناحية لتحميل المنطقة وإجراء تحليل التماسك.
  4. انقر فوق ملف - حفظ باسم لحفظ نتائج التماسك المقابلة للمخطط المنبثق الناتج بتنسيق .txt (الشكل3B).

النتائج

لمعرفة ما إذا كان علم الأمراض AD في وقت مبكر يضعف قدرة جانبية نصف الكرة الأرضية، أجرينا تسجيلات LFP ثنائية خارج الخلية في اليسار واليمين M2 من الفئران APP / PS1 والضوابط WT (الذين تتراوح أعمارهم بين 3-5 أشهر)، وتحليل الترابط عبر هذه اليسار و الحق LFPs. في فئران WT، أظهرت النتائج أن متوسط الارتباط بين الـ...

Discussion

نبلغ هنا عن الإجراء في الصوت الحي التسجيل خارج الخلية الثنائية، جنبا إلى جنب مع تحليل تزامن إشارات LFP ثنائية المنطقة، والتي هي مرنة وسهلة لإجراء لتقدير جانبي نصف الكرة الدماغ، فضلا عن الاتصال، الاتجاه أو اقتران بين الأنشطة العصبية من منطقتين الدماغ. ويمكن استخدام هذا على نطاق واسع لل...

Disclosures

وليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.

Acknowledgements

وقد تم دعم هذا العمل بمنح من المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (31771219، 31871170)، وشعبة العلوم والتكنولوجيا في قوانغدونغ (2013KJCX0054)، ومؤسسة العلوم الطبيعية في مقاطعة قوانغدونغ (2014A030313418، 2014A030313440).

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
AC/DC Differential AmplifierA-M SystemsModel 3000
Analog Digital converterCambridge Electronic Design Ltd.Micro1401
Glass borosilicate micropipettesNanjing spring teaching experimental equipment company161230Outer diameter: 1.0mm
Microelectrode pullerNarishigePC-10
NaClGuangzhou Chemical Reagent Factory7647-14-5
Pin microelectrode holderWorld Precision Instruments, INC.MEH3SW10
Spike2 Cambridge Electronic Design Ltd.
StereomicroscopeZeiss435064-9020-000
Stereotaxic apparatus RWD Life Science68045
UrethaneSigma-Aldrich94300

References

  1. Goedert, M., Spillantini, M. G. A century of Alzheimer's disease. Science. 314 (5800), 777-781 (2006).
  2. Perrin, R. J., Fagan, A. M., Holtzman, D. M. Multimodal techniques for diagnosis and prognosis of Alzheimer's disease. Nature. 461 (7266), 916-922 (2009).
  3. Cummings, B. J., Pike, C. J., Shankle, R., Cotman, C. W. Beta-amyloid deposition and other measures of neuropathology predict cognitive status in Alzheimer's disease. Neurobiology of aging. 17 (6), 921-933 (1996).
  4. Gordon, M. N., et al. Correlation between cognitive deficits and Abeta deposits in transgenic APP+PS1 mice. Neurobiology of aging. 22 (3), 377-385 (2001).
  5. Fitzpatrick, A. W. P., et al. Cryo-EM structures of tau filaments from Alzheimer's disease. Nature. 547 (7662), 185-190 (2017).
  6. Shankar, G. M., et al. Amyloid-beta protein dimers isolated directly from Alzheimer's brains impair synaptic plasticity and memory. Nature medicine. 14 (8), 837-842 (2008).
  7. Buchman, A. S., Bennett, D. A. Loss of motor function in preclinical Alzheimer's disease. Expert review of neurotherapeutics. 11 (5), 665-676 (2011).
  8. Arnold, S. E., Hyman, B. T., Flory, J., Damasio, A. R., Van Hoesen, G. W. The topographical and neuroanatomical distribution of neurofibrillary tangles and neuritic plaques in the cerebral cortex of patients with Alzheimer's disease. Cerebral cortex. 1 (1), 103-116 (1991).
  9. Giannakopoulos, P., Hof, P. R., Michel, J. P., Guimon, J., Bouras, C. Cerebral cortex pathology in aging and Alzheimer's disease: a quantitative survey of large hospital-based geriatric and psychiatric cohorts. Brain research. Brain research reviews. 25 (2), 217-245 (1997).
  10. Renteria, M. E. Cerebral asymmetry: a quantitative, multifactorial, and plastic brain phenotype. Twin research and human genetics : the official journal of the International Society for Twin Studies. 15 (3), 401-413 (2012).
  11. Derflinger, S., et al. Grey-matter atrophy in Alzheimer's disease is asymmetric but not lateralized. Journal of Alzheimer's disease : JAD. 25 (2), 347-357 (2011).
  12. Abdul Manan, H., Yusoff, A. N., Franz, E. A., Sarah Mukari, S. Z. Early and Late Shift of Brain Laterality in STG, HG, and Cerebellum with Normal Aging during a Short-Term Memory Task. ISRN neurology. 2013, 892072 (2013).
  13. Kim, S. G., et al. Functional magnetic resonance imaging of motor cortex: hemispheric asymmetry and handedness. Science. 261 (5121), 615-617 (1993).
  14. Bartolomeo, P., D'Erme, P., Perri, R., Gainotti, G. Perception and action in hemispatial neglect. Neuropsychologia. 36 (3), 227-237 (1998).
  15. Bartolomeo, P., et al. Right-side neglect in Alzheimer's disease. Neurology. 51 (4), 1207-1209 (1998).
  16. Thompson, P. M., et al. Tracking Alzheimer's disease. Annals of the New York Academy of Sciences. 1097, 183-214 (2007).
  17. Cabeza, R., Anderson, N. D., Locantore, J. K., McIntosh, A. R. Aging gracefully: compensatory brain activity in high-performing older adults. NeuroImage. 17 (3), 1394-1402 (2002).
  18. Bellis, T. J., Nicol, T., Kraus, N. Aging affects hemispheric asymmetry in the neural representation of speech sounds. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 20 (2), 791-797 (2000).
  19. Jankowsky, J. L., et al. Co-expression of multiple transgenes in mouse CNS: a comparison of strategies. Biomolecular engineering. 17 (6), 157-165 (2001).
  20. Venegas, C., et al. Microglia-derived ASC specks cross-seed amyloid-beta in Alzheimer's disease. Nature. 552 (7685), 355-361 (2017).
  21. Busche, M. A., et al. Tau impairs neural circuits, dominating amyloid-beta effects, in Alzheimer models in vivo. Nat Neurosci. 22 (1), 57-64 (2019).
  22. Velazquez, R., et al. Maternal choline supplementation ameliorates Alzheimer's disease pathology by reducing brain homocysteine levels across multiple generations. Molecular Psychiatry. , (2019).
  23. Huo, Q., et al. Prefrontal Cortical GABAergic Dysfunction Contributes to Aberrant UP-State Duration in APP Knockout Mice. Cerebral Cortex. 27 (8), 4060-4072 (2017).
  24. Palop, J. J., et al. Aberrant excitatory neuronal activity and compensatory remodeling of inhibitory hippocampal circuits in mouse models of Alzheimer's disease. Neuron. 55 (5), 697-711 (2007).
  25. Ang, G., et al. Absent sleep EEG spindle activity in GluA1 (Gria1) knockout mice: relevance to neuropsychiatric disorders. Translational Psychiatry. 8 (1), 154 (2018).
  26. Funk, C. M., Honjoh, S., Rodriguez, A. V., Cirelli, C., Tononi, G. Local Slow Waves in Superficial Layers of Primary Cortical Areas during REM Sleep. Current Biology. 26 (3), 396-403 (2016).
  27. Gregoriou, G. G., Gotts, S. J., Zhou, H., Desimone, R. High-frequency, long-range coupling between prefrontal and visual cortex during attention. Science. 324 (5931), 1207-1210 (2009).
  28. Zheng, C., Bieri, K. W., Hsiao, Y. T., Colgin, L. L. Spatial Sequence Coding Differs during Slow and Fast Gamma Rhythms in the Hippocampus. Neuron. 89 (2), 398-408 (2016).
  29. Freeman, W. J., Holmes, M. D., West, G. A., Vanhatalo, S. Fine spatiotemporal structure of phase in human intracranial EEG. Clinical neurophysiology : official journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 117 (6), 1228-1243 (2006).
  30. Fries, P. Rhythms for Cognition: Communication through Coherence. Neuron. 88 (1), 220-235 (2015).
  31. Cardin, J. A., et al. Driving fast-spiking cells induces gamma rhythm and controls sensory responses. Nature. 459 (7247), 663-667 (2009).
  32. Verret, L., et al. Inhibitory interneuron deficit links altered network activity and cognitive dysfunction in Alzheimer model. Cell. 149 (3), 708-721 (2012).
  33. Ahlbeck, J., Song, L., Chini, M., Bitzenhofer, S. H., Hanganu-Opatz, I. L. Glutamatergic drive along the septo-temporal axis of hippocampus boosts prelimbic oscillations in the neonatal mouse. Elife. 7, (2018).
  34. Spellman, T., et al. Hippocampal-prefrontal input supports spatial encoding in working memory. Nature. 522 (7556), 309-314 (2015).
  35. Vandecasteele, M., et al. Optogenetic activation of septal cholinergic neurons suppresses sharp wave ripples and enhances theta oscillations in the hippocampus. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (37), 13535-13540 (2014).
  36. Seidenbecher, T., Laxmi, T. R., Stork, O., Pape, H. C. Amygdalar and hippocampal theta rhythm synchronization during fear memory retrieval. Science. 301 (5634), 846-850 (2003).
  37. Zitnik, G. A., Curtis, A. L., Wood, S. K., Arner, J., Valentino, R. J. Adolescent Social Stress Produces an Enduring Activation of the Rat Locus Coeruleus and Alters its Coherence with the Prefrontal Cortex. Neuropsychopharmacology : official publication of the American College of Neuropsychopharmacology. 41 (5), 1376-1385 (2015).
  38. Rogers, L. J., Zucca, P., Vallortigara, G. Advantages of having a lateralized brain. Proceedings. Biological sciences / The Royal Society. 271, 420-422 (2004).
  39. Vallortigara, G. The evolutionary psychology of left and right: costs and benefits of lateralization. Developmental psychobiology. 48 (6), 418-427 (2006).
  40. MacNeilage, P. F., Rogers, L. J., Vallortigara, G. Origins of the left, right brain. Scientific American. 301 (1), 60-67 (2009).
  41. Habas, P. A., et al. Early folding patterns and asymmetries of the normal human brain detected from in utero MRI. Cerebral cortex. 22 (1), 13-25 (2012).
  42. Dennis, N. A., Kim, H., Cabeza, R. Effects of aging on true and false memory formation: an fMRI study. Neuropsychologia. 45 (14), 3157-3166 (2007).
  43. Cabeza, R., et al. Task-independent and task-specific age effects on brain activity during working memory, visual attention and episodic retrieval. Cerebral cortex. 14 (4), 364-375 (2004).
  44. Cherbuin, N., Reglade-Meslin, C., Kumar, R., Sachdev, P., Anstey, K. J. Mild Cognitive Disorders are Associated with Different Patterns of Brain asymmetry than Normal Aging: The PATH through Life Study. Frontiers in psychiatry / Frontiers Research Foundation. 1, 11 (2010).
  45. Jankowsky, J. L., et al. Mutant presenilins specifically elevate the levels of the 42 residue beta-amyloid peptide in vivo: evidence for augmentation of a 42-specific gamma secretase. Human molecular genetics. 13 (2), 159-170 (2004).
  46. Radde, R., et al. Abeta42-driven cerebral amyloidosis in transgenic mice reveals early and robust pathology. EMBO reports. 7 (9), 940-946 (2006).
  47. Lacor, P. N., et al. Abeta oligomer-induced aberrations in synapse composition, shape, and density provide a molecular basis for loss of connectivity in Alzheimer's disease. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 27 (4), 796-807 (2007).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

149

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved