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Method Article
概述了微电极阵列技术和4-氨基吡啶诱导的化学刺激相结合的使用,以研究脊髓背角的网络级伤害感受活性。
脊髓背角(DH)内特定类型神经元的作用和连接性正在快速描绘,以提供支撑脊柱疼痛处理的电路的越来越详细的视图。然而,这些连接对DH中更广泛的网络活动的影响仍然不太清楚,因为大多数研究集中在单个神经元和小微电路的活动上。或者,使用微电极阵列(MEAs)可以监测许多细胞的电活动,提供神经活动的高空间和时间分辨率。在这里,描述了使用具有小鼠脊髓切片的MEA来研究由化学刺激4-氨基吡啶(4-AP)的DH回路诱导的DH活性。由此产生的节律活性仅限于浅表DH,随时间稳定,被河豚毒素阻断,并且可以在不同的切片方向上进行研究。总之,该制剂提供了一个平台来研究来自幼稚动物,慢性疼痛动物模型和具有遗传改变的伤害感受功能的小鼠组织中的DH回路活性。此外,4-AP刺激脊髓切片中的MEA记录可用作快速筛选工具,以评估新型抗伤害感受化合物破坏脊髓DH活性的能力。
特定类型的抑制性和兴奋性中间神经元在脊髓 DH 中的作用正在以1,2,3,4 的速度被发现。中间神经元共同占DH中神经元的95%以上,并参与感觉处理,包括伤害感受。此外,这些中间神经元回路对于确定周围信号是否上升神经轴到达大脑并有助于疼痛感知5,6,7非常重要。迄今为止,大多数研究已经使用体外细胞内电生理学,神经解剖学标记和体内行为分析1,3,8,9,10,11,12,13,14的组合,研究了DH神经元在单细胞或全生物体水平上的作用。.这些方法显着推进了对特定神经元群体在疼痛处理中的作用的理解。然而,在理解特定细胞类型和小宏观回路如何在微电路水平上影响大量神经元以随后塑造DH的输出,行为反应和疼痛体验方面仍然存在差距。
可以研究宏电路或多细胞级功能的一种技术是微电极阵列(MEA)15,16。几十年来,MEAs一直用于研究神经系统功能17,18.在大脑中,它们促进了神经元发育,突触可塑性,药理筛选和毒性测试的研究17,18。它们可用于 体外 和 体内 应用,具体取决于MEA的类型。此外,多边环境协定的发展发展迅速,现在有不同的电极编号和配置19.MEAs的一个关键优点是它们能够通过多个电极同时评估许多神经元的电活动,具有很高的空间和时间精度15,16。这提供了神经元如何在控制条件下以及在局部应用的化合物存在下在电路和网络中相互作用的更广泛读数。
体外DH制剂的一个挑战是持续的活性水平通常较低。在这里,使用电压门控K +通道阻滞剂4-氨基吡啶(4-AP)在脊髓DH电路中解决了这一挑战,以化学刺激DH电路。该药物先前已用于在急性脊髓切片的DH中以及在急性体内条件下建立节律性同步电活动20,21,22,23,24。这些实验使用单细胞贴片和细胞外记录或钙成像来表征4-AP诱导的活性20,21,22,23,24,25。总之,这项工作已经证明了兴奋性和抑制性突触传递和电突触对于有节奏的4-AP诱导活性的需求。因此,4-AP反应被视为一种揭示具有生物学相关性的天然多突触DH回路的方法,而不是药物诱导的偶发现象。此外,4-AP诱导的活性表现出与神经性疼痛状况相似的镇痛和抗癫痫药物的反应谱,并已被用于提出新的基于脊柱的镇痛药物靶标,例如连接蛋白20,21,22。
这里描述了一种将MEA和脊柱DH的化学活化与4-AP相结合的制剂,以在宏观回路或网络水平分析中研究这种伤害性回路。这种方法为研究幼稚和神经性"疼痛样"条件下的伤害性回路提供了一个稳定且可重复的平台。该制剂也容易地应用于测试已知镇痛药的回路级作用,并在过度活跃的脊髓中筛选新型镇痛药。
对3-12个月的雄性和雌性c57Bl / 6小鼠进行了研究。所有实验程序均按照纽卡斯尔大学动物护理和伦理委员会(协议A-2013-312和A-2020-002)进行。
1. 体外 电生理学
化学的 | a综合寄宿家庭(平方米) | a多氯联苯 (克/100 毫升) | 蔗糖取代的有机碳化物 | 蔗糖取代的氯化碳(克/100毫升) | 高钾氯化钾 | 高钾的酸溶液 (克/100 毫升) |
氯化钠(氯化钠) | 118 | 0.690 | - | - | 118 | 0.690 |
碳酸氢钠 (钠高3) | 25 | 0.210 | 25 | 0.210 | 25 | 0.210 |
葡萄糖 | 10 | 0.180 | 10 | 0.180 | 10 | 0.180 |
氯化钾(KCl) | 2.5 | 0.019 | 2.5 | 0.019 | 4.5 | 0.034 |
磷酸二氢钠(NaH2PO4) | 1 | 0.012 | 1 | 0.012 | 1 | 0.012 |
氯化镁(氯化镁2) | 1 | 0.01 | 1 | 0.01 | 1 | 0.01 |
氯化钙(氯化钙2) | 2.5 | 0.028 | 2.5 | 0.028 | 2.5 | 0.028 |
蔗糖 | - | - | 250 | 8.558 | - | - |
表1:人工脑脊液组合物。 缩写:aCSF = 人工脑脊液。
图 1:脊髓切片方向、安装和切割方法。 (A)横向切片需要一个聚苯乙烯泡沫塑料切割块,并在其中切割一个支撑槽。脊髓靠在支撑槽中的块上,脊髓的背侧朝向远离块。将块和绳索用氰基丙烯酸酯粘合剂粘在切割台上。(B)通过在切割阶段放置一条细线的氰基丙烯酸酯粘合剂,然后将脊髓侧放在胶水上来制备矢状切片。(C)通过在切割阶段放置一条细线的氰基丙烯酸酯粘合剂,然后将脊髓腹侧向下定位在胶上来制备水平切片。 请点击此处查看此图的大图。
微电极阵列布局 | ||||
微电极阵列模型 | 60MEA 200/30iR-钛 | 60-3DMEA 100/12/40iR-钛 | 60-3DMEA 200/12/50iR-钛 | 60MEA 500/30iR-钛 |
平面或三维 (3D) | 平面的 | 三维 | 三维 | 平面的 |
电极栅 | 8 x 8 含泡沫塑料支架 | 8 x 8 含泡沫塑料支架 | 8 x 8 含泡沫塑料支架 | 6 x 10 含泡沫塑料支架 |
电极间距 | 200微米 | 100微米 | 200微米 | 500微米 |
电极直径 | 30微米 | 12微米 | 12微米 | 30微米 |
电极高度(3D) | 不适用 | 40微米 | 50微米 | 不适用 |
实验 | 横向切片 | 横向切片 | 矢状面 + 水平 | 矢状面 + 水平 |
表 2:微电极阵列布局。
图 2:微电极阵列上的组织定位 (A) 图像显示了一个开放的 MEA 头级,其中 MEA 已就位。(B)与 A 相同,MEA头台关闭以进行记录和组织灌注系统。(C) 图像显示制造商提供的 MEA。图中显示了与头台的金弹簧相连接的接触垫,以及容纳组织浴溶液和组织切片的MEA组织浴。中心红色方块突出显示的区域是电极阵列的位置。(D)原理图显示了本研究中使用的两种MEA电极配置,进一步的细节见 表2。参比电极用蓝色梯形表示。左侧的 MEA 电极布局显示了 60 电极方形配置,在所展示的工作型号 60MEA200/30iR-Ti 中使用,其中 30 μm 直径的电极间隔 200 μm,或间隔 200 μm 和 100 μm 间隔的三维 MEA(60MEA200/12/50iR-Ti 和 60MEA100/12/40iR-Ti),电极直径为 12 μm,高度为 50 μm 或 40 μm, 分别。左侧的 MEA 电极布局显示了 6 x 10 电极矩形布局-60MEA500/30iR-Ti。(E) 60MEA100/12/40iR-Ti 方形 MEA 的高放大倍率图像,其中放置了横向脊髓切片以进行记录。切片位于电极排3-8上。不接触任何组织的顶行电极用作参比电极。SDH 区域显示为半透明波段。在这种情况下,SDH 覆盖 MEA 的第 4、5 和 6 行以及列 2、3、4、5 和 7 中的电极。比例尺 = 200 μm。缩略语:MEA =微电极阵列;SDH = 浅表背角。 请点击此处查看此图的大图。
2. 数据处理和分析
注意:以下步骤详细介绍了如何使用分析软件对脊髓切片进行MEA实验。60个电极中的一个用作内部参考( 在图2 C,D中用梯形标记),而其余59个电极中的4到25个位于成年小鼠脊髓切片的SDH下方。随后的分析从该区域的原始信号中检测细胞外动作电位(EAP)和局部场电位(LFP)波形(例如参见 图3B )。
图 3:数据记录和分析工具布局以及显示细胞外动作电位和局部场电位波形的示例微电极阵列记录。通过连接 MEA2100 和记录(头级/放大器)工具,可以命名和保存数据。通过一个MEA通道收集原始数据的四个示例迹线(右,5分钟纪元),显示基线,4-AP应用后12分钟,建立4-AP活性后15分钟以及浴施用TTX(1μM)后的活性。请注意,添加 4-AP(第二条迹线)会导致背景噪声和 EAP/LFP 活动明显增加。重要的是,在建立4-AP诱导的活性后,活性保持相对稳定至少15分钟(第三条迹线)。添加TTX(1μM)可消除所有活性(底部迹线)。(B) 原理图(左)显示了用于数据分析的分析仪软件配置。原始数据浏览器工具用于导入录制软件收集的录制文件。然后,这些数据通过跨通道滤波器工具运行,该工具从其他电极中减去选定的参比电极信号,以消除背景噪声。数据通过EAP滤波器和LFP滤波器工具,以优化每个波形的信噪比关系。完成此步骤后,EAP 路径数据进入 EAP 检测器工具,其中设置了阈值。EAP 被检测到,然后发送到 EAP 分析器工具,其中记录了每个事件的延迟并导出为 txt。文件。使用相应的 LFP 工具包对 LFP 数据执行相同的工作流。右迹线显示来自包含各种细胞外波形的单个MEA通道的数据。EAP 和 LFP 信号的位置在上面的"计数栅格"中突出显示。下部迹线是来自上部记录(用红色条表示)的纪元,显示扩展时间尺度上的波形,包括各种LFP信号(注意各种外观)和单个细胞外EAP(红色圆圈)。请注意,LFP/EAP波形和极性随产生这些信号的神经元数量、它们与记录电极的距离以及它们相对于附近电极的位置而变化。缩略语:MEA =微电极阵列;EAP = 细胞外动作电位;LFP = 局部场电位;4-AP = 4-氨基吡啶;TTX = 河豚毒素。请点击此处查看此图的大图。
脊髓背角网络活动模型
4-AP的应用可靠地诱导脊髓DH中的同步节律活动。这些活动表现为EAP和LFPs增加。后面的信号是低频波形,这在之前的MEA记录30中已经描述过。药物应用后EAP和/或LFP活性的变化反映了神经活动的改变。EAP 和 LFP 的示例如图 3B 和图 4 所示。这里的重点是EAP / LFP数据的以下参数或特征:频率,总数,活动?...
尽管脊髓DH在伤害性信号传导,处理以及由此产生的表征疼痛的行为和情绪反应中的重要性,但该区域内的回路仍然知之甚少。研究这个问题的一个关键挑战是构成这些电路的神经元群体的多样性6,31,32。以光遗传学和化学遗传学为首的转基因技术的最新进展开始解开这些重要的联系,并定义了处理感官信息的微电路
作者没有利益冲突需要声明。
这项工作由澳大利亚国家卫生和医学研究委员会(NHMRC)资助(拨款631000,1043933,1144638,1184974给B.A.G.和R.J.C.)和亨特医学研究所(拨款给B.A.G.和R.J.C.)。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
4-aminopyridine | Sigma-Aldrich | 275875-5G | |
100% ethanol | Thermo Fisher | AJA214-2.5LPL | |
CaCl2 1M | Banksia Scientific | 0430/1L | |
Carbonox (Carbogen - 95% O2, 5% CO2) | Coregas | 219122 | |
Curved long handle spring scissors | Fine Science Tools | 15015-11 | |
Custom made air interface incubation chamber | |||
Foetal bovine serum | Thermo Fisher | 10091130 | |
Forceps Dumont #5 | Fine Science Tools | 11251-30 | |
Glucose | Thermo Fisher | AJA783-500G | |
Horse serum | Thermo Fisher | 16050130 | |
Inverted microscope | Zeiss | Axiovert10 | |
KCl | Thermo Fisher | AJA383-500G | |
Ketamine | Ceva | KETALAB04 | |
Large surgical scissors | Fine Science Tools | 14007-14 | |
Loctite 454 Instant Adhesive | Bolts and Industrial Supplies | L4543G | |
MATLAB | MathWorks | R2018b | |
MEAs, 3-Dimensional | Multichannel Systems | 60-3DMEA100/12/40iR-Ti, 60-3DMEA200/12/50iR-Ti | 60 titanium nitride (TiN) electrodes with 1 internal reference electrode, organised in an 8x8 square grid. Electrodes are 12 µm in diameter, 40 µm (100/12/40) or 50 µm (200/12/50) high and equidistantly spaced 100 µm (100/12/40) or 200 µm (200/12/50) apart. |
MEA headstage | Multichannel Systems | MEA2100-HS60 | |
MEA interface board | Multichannel Systems | MCS-IFB 3.0 Multiboot | |
MEA net | Multichannel Systems | ALA HSG-MEA-5BD | |
MEA perfusion system | Multichannel Systems | PPS2 | |
MEAs, Planar | Multichannel Systems | 60MEA200/30iR-Ti, 60MEA500/30iR-Ti | 60 titanium nitride (TiN) electrodes with 1 internal reference electrode, organised in either a 8x8 square grid (200/30) or a 6x10 rectangular grid (500/30). Electrodes are 30 µm in diameter and equidistantly spaced 200 µm (200/30) or 500 µm (500/30) apart. |
MgCl2 | Thermo Fisher | AJA296-500G | |
Microscope camera | Motic | Moticam X Wi-Fi | |
Multi Channel Analyser software | Multichannel Systems | V 2.17.4 | |
Multi Channel Experimenter software | Multichannel Systems | V 2.17.4 | |
NaCl | Thermo Fisher | AJA465-500G | |
NaHCO3 | Thermo Fisher | AJA475-500G | |
NaH2PO4 | Thermo Fisher | ACR207805000 | |
Rongeurs | Fine Science Tools | 16021-14 | |
Small spring scissors | Fine Science Tools | 91500-09 | |
Small surgical scissors | Fine Science Tools | 14060-09 | |
Sucrose | Thermo Fisher | AJA530-500G | |
Superglue | cyanoacrylate adhesive | ||
Tetrodotoxin | Abcam | AB120055 | |
Vibration isolation table | Newport | VH3048W-OPT | |
Vibrating microtome | Leica | VT1200 S |
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