Die Autoren danken C. Rodrigo für erfahrene technische Unterstützung danken. Wir danken S. Köhler (Center of Advanced Imaging, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf) um Hilfe bei der Videoproduktion. Forschung im Laboratorium des Verfassers wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert (DFG: Ro 2327 / 8-1 zur CRR), der Heinrich Heine Universität Düsseldorf (NH) und National Institutes of Health gewähren R01NS032123 (MC).

<ol>
	<li>Somjen, G. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ion+regulation+in+the+brain:+implications+for+pathophysiology.">Ion regulation in the brain: implications for pathophysiology.</a> Neuroscientist. 8, 254-267 (2002).</li><li>Dietzel, I., Heinemann, U., Hofmeier, G., Lux, H. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stimulus-induced+changes+in+extracellular+Na++and+Cl-+concentration+in+relation+to+changes+in+the+size+of+the+extracellular+space.">Stimulus-induced changes in extracellular Na+ and Cl- concentration in relation to changes in the size of the extracellular space.</a> Exp Brain Res. 46, 73-84 (1982).</li><li>Nicholson, C., ten Bruggencate, G., Stockle, H., Steinberg, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Calcium+and+potassium+changes+in+extracellular+microenvironment+of+cat+cerebellar+cortex.">Calcium and potassium changes in extracellular microenvironment of cat cerebellar cortex.</a> J Neurophysiol. 41, 1026-1039 (1978).</li><li>Rice, M. E., Nicholson, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Glutamate-+and+aspartate-induced+extracellular+potassium+and+calcium+shifts+and+their+relation+to+those+of+kainate,+quisqualate+and+N-methyl-D-aspartate+in+the+isolated+turtle+cerebellum.">Glutamate- and aspartate-induced extracellular potassium and calcium shifts and their relation to those of kainate, quisqualate and N-methyl-D-aspartate in the isolated turtle cerebellum.</a> Neuroscience. 38, 295-310 (1990).</li><li>Prince, D. A., Lux, H. D., Neher, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+extracellular+potassium+activity+in+cat+cortex.">Measurement of extracellular potassium activity in cat cortex.</a> Brain Res. 50, 489-495 (1973).</li><li>Deitmer, J. W., Rose, C. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=pH+regulation+and+proton+signalling+by+glial+cells.">pH regulation and proton signalling by glial cells.</a> Prog Neurobiol. 48, 73-103 (1996).</li><li>Chesler, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Regulation+and+modulation+of+pH+in+the+brain.">Regulation and modulation of pH in the brain.</a> Physiol Rev. 83, 1183-1221 (2003).</li><li>Kofuji, P., Newman, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Regulation of potassium by glial cells in the central nervous system. , (2009).</li><li>Nicholson, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ion-selective+microelectrodes+and+diffusion+measurements+as+tools+to+explore+the+brain+cell+microenvironment.">Ion-selective microelectrodes and diffusion measurements as tools to explore the brain cell microenvironment.</a> J Neurosci Methods. 48, 199-213 (1993).</li><li>Fedirko, N., Svichar, N., Chesler, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+and+use+of+high-speed,+concentric+h+-+and+Ca2+-selective+microelectrodes+suitable+for+in+vitro+extracellular+recording.">Fabrication and use of high-speed, concentric h+- and Ca2+-selective microelectrodes suitable for in vitro extracellular recording.</a> J Neurophysiol. 96, 919-924 (2006).</li><li>Stephan, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Kir4.1+channels+mediate+a+depolarization+of+hippocampal+astrocytes+under+hyperammonemic+conditions+in+situ.">Kir4.1 channels mediate a depolarization of hippocampal astrocytes under hyperammonemic conditions in situ.</a> Glia. 60, 965-978 (2012).</li><li>Haack, N., Rose, C. R., Lei, K. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preparation,+Calibration+and+Application+of+Potassium-Selective+Microelectrodes.">Preparation, Calibration and Application of Potassium-Selective Microelectrodes.</a> Microelectrodes. , 87-105 (2014).</li><li>Roos, A., Boron, W. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intracellular+pH.">Intracellular pH.</a> Physiol Rev. 61, 296-434 (1981).</li><li>Kleinhans, C., Kafitz, K. W., Rose, C. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multi-photon+Intracellular+Sodium+Imaging+Combined+with+UV-mediated+Focal+Uncaging+of+Glutamate+in+CA1+Pyramidal+Neurons.">Multi-photon Intracellular Sodium Imaging Combined with UV-mediated Focal Uncaging of Glutamate in CA1 Pyramidal Neurons.</a> Journal of visualized experiments : JoVE. , (2014).</li><li>Hertz, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Roles+of+astrocytic+Na+,K+-ATPase+and+glycogenolysis+for+K+homeostasis+in+mammalian+brain.">Roles of astrocytic Na ,K -ATPase and glycogenolysis for K homeostasis in mammalian brain.</a> J Neurosci Res. , (2014).</li><li>Pumain, R., Heinemann, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stimulus-+and+amino+acid-induced+calcium+and+potassium+changes+in+rat+neocortex.">Stimulus- and amino acid-induced calcium and potassium changes in rat neocortex.</a> J Neurophysiol. 53, 1-16 (1985).</li><li>Vargova, L., Jendelova, P., Chvatal, A., Sykova, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Glutamate,+AMPA,+NMDA+Induced+Changes+in+Extracellular+Space+Volume+and+Tortuosity+in+the+Rat+Spinal+Cord.">Glutamate, AMPA, NMDA Induced Changes in Extracellular Space Volume and Tortuosity in the Rat Spinal Cord.</a> J Cereb Blood Flow Metab. 21, 1077-1089 (2001).</li><li>Fellin, T., Gomez-Gonzalo, M., Gobbo, S., Carmignoto, G., Haydon, P. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Astrocytic+glutamate+is+not+necessary+for+the+generation+of+epileptiform+neuronal+activity+in+hippocampal+slices.">Astrocytic glutamate is not necessary for the generation of epileptiform neuronal activity in hippocampal slices.</a> J Neurosci. 26, 9312-9322 (2006).</li><li>Rouach, N., Koulakoff, A., Abudara, V., Willecke, K., Giaume, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Astroglial+metabolic+networks+sustain+hippocampal+synaptic+transmission.">Astroglial metabolic networks sustain hippocampal synaptic transmission.</a> Science. 322, 1551-1555 (2008).</li><li>Lux, H. D., Heinemann, U., Dietzel, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ionic+changes+and+alterations+in+the+size+of+the+extracellular+space+during+epileptic+activity.">Ionic changes and alterations in the size of the extracellular space during epileptic activity.</a> Adv Neurol. 44, 619-639 (1986).</li><li>Zanotto, L., Heinemann, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aspartate+and+glutamate+induced+reductions+in+extracellular+free+calcium+and+sodium+concentration+in+area+CA1+of+'in+vitro'+hippocampal+slices+of+rats.">Aspartate and glutamate induced reductions in extracellular free calcium and sodium concentration in area CA1 of 'in vitro' hippocampal slices of rats.</a> Neurosci Lett. 35, 79-84 (1983).</li><li>Borrelli, M. J., Carlini, W. G., Dewey, W. C., Ransom, B. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+simple+method+for+making+ion-selective+microelectrodes+suitable+for+intracellular+recording+in+vertebrate+cells.">A simple method for making ion-selective microelectrodes suitable for intracellular recording in vertebrate cells.</a> J Neurosci Methods. 15, 141-154 (1985).</li><li>Ammann, D., Anker, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neutral+carrier+sodium+ion-selective+microelectrode+for+extracellular+studies.">Neutral carrier sodium ion-selective microelectrode for extracellular studies.</a> Neurosci Lett. 57, 267-271 (1985).</li><li>Deitmer, J. W., Schlue, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intracellular+Na++and+Ca2++in+leech+Retzius+neurones+during+inhibition+of+the+Na+-K++pump.">Intracellular Na+ and Ca2+ in leech Retzius neurones during inhibition of the Na+-K+ pump.</a> Pflugers Arch. 397, 195-201 (1983).</li><li>Schwiening, C. J., Thomas, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Relationship+between+intracellular+calcium+and+its+muffling+measured+by+calcium+iontophoresis+in+snail+neurones.">Relationship between intracellular calcium and its muffling measured by calcium iontophoresis in snail neurones.</a> J Physiol. 491 (Pt 3), 621-633 (1996).</li><li>Chesler, M., Kraig, R. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intracellular+pH+of+astrocytes+increases+rapidly+with+cortical+stimulation.">Intracellular pH of astrocytes increases rapidly with cortical stimulation.</a> Am J Physiol. 253, R666-R670 (1987).</li><li>Ammann, D., Chao, P. S., Simon, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Valinomycin-based+K++selective+microelectrodes+with+low+electrical+membrane+resistance.">Valinomycin-based K+ selective microelectrodes with low electrical membrane resistance.</a> Neurosci Lett. 74, 221-226 (1987).</li><li>Deitmer, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bicarbonate-dependent+changes+of+intracellular+sodium+and+pH+in+identified+leech+glial+cells.">Bicarbonate-dependent changes of intracellular sodium and pH in identified leech glial cells.</a> Pflugers Arch. 420, 584-589 (1992).</li><li>Lux, H. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fast+recording+ion+specific+microelectrodes:+their+use+in+pharmacological+studies+in+the+CNS.">Fast recording ion specific microelectrodes: their use in pharmacological studies in the CNS.</a> Neuropharmacology. 13, 509-517 (1974).</li><li>Nicholson, C., Phillips, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ion+diffusion+modified+by+tortuosity+and+volume+fraction+in+the+extracellular+microenvironment+of+the+rat+cerebellum.">Ion diffusion modified by tortuosity and volume fraction in the extracellular microenvironment of the rat cerebellum.</a> J Physiol. 321, 225-257 (1981).</li><li>Chesler, M., Chan, C. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stimulus-induced+extracellular+pH+transients+in+the+in+vitro+turtle+cerebellum.">Stimulus-induced extracellular pH transients in the in vitro turtle cerebellum.</a> Neuroscience. 27, 941-948 (1988).</li><li>Thomas, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intracellular+sodium+activity+and+the+sodium+pump+in+snail+neurones.">Intracellular sodium activity and the sodium pump in snail neurones.</a> J Physiol. 220, 55-71 (1972).</li></ol>

The authors declare no competing interests.

Flüssigträgergestützter, ionenselektiven Elektroden sind seit Jahrzehnten erfolgreich und für viele Ionen eingesetzt werden, sind hochspezifische Sensoren erhältlich 22-26. Wenn sie in den extrazellulären Raum (ECS) des Wirbeltiergehirns Zubereitungen verwendet werden, muss man im Hinterkopf behalten jedoch, daß dies eine sehr invasive Technik: Während die Breite des ECS beträgt nur etwa 20-50 nm, der Durchmesser der ionenselektiven Mikroelektroden ist etwa 1 um (doppelläufige Elektroden) oder größer (konzentrischen Elektroden). Die Spitzen der ionenselektive Mikroelektroden wird das Gewebe während ihrer impalement des Gewebes also nicht nur zerstört, sondern vergrößern auch den ECS, wodurch ein Unterschätzung der Ionen Transienten. Trotz dieser Gefahren sind extrazelluläre Ionen Transienten in Reaktion auf die neuronale Aktivität bemerkenswert konsistent zwischen verschiedenen Labors 7,8, zur Bestätigung der Zuverlässigkeit dieses Verfahrens. Die Leistung und die Eignung von ionenselektiven Elektrodenist abhängig von der Empfindlichkeit und Selektivität, die mit dem Sensor-Cocktail (&quot;Flüssigmembran Ionophor &#39;) verwendet definiert ist. Sensor Cocktails enthalten eine spezielle Trägermolekül, zum Beispiel Valinomycin für K + -selektiven Mikroelektroden, die eine hohe Selektivität für Kalium 27 aufweist. Trotzdem können bei Kreuzreaktivität mit anderen Ionen sind und getestet werden müssen. Valinomycin eine signifikante Kreuzreaktivität für Ammonium, die bei der Interpretation Ergebnisse werden muss (zB 11,12). Da ferner die Spannungsantwort der Ionophoren folgt einer Nernst-Verhalten (siehe Gleichung 1), das Signal-zu-Rausch-Verhältnisses und des Schwellenwertes abhängig von der Konzentration des Ions zu messen. So, während kleine [K +] o Transienten wecken große Spannungsänderungen gegenüber dem niedrigen Ausgangswert [K +] o, klein [Na +] o Transienten sind sehr viel schwieriger, gegen die hallo erkennengh Basis [Na +] o (siehe Figur 5 und 6). Die Leistung von ionenselektiven Elektroden ist auch durch die zeitliche Auflösung, die im Wesentlichen durch seine elektrische Zeitkonstante geregelt bestimmt. Letzteres wird vor allem durch den axialen Widerstand des Sensors ermittelt und durch die verteilte Kapazität entlang der Länge der Pipette zwischen ihren internen Lösungen und des externen Fluids. In der doppelläufigen Konfiguration ist der Widerstand hoch ist, aufgrund der langen Spalte verfüllt Ionensensor. Für eine gegebene isolierendes Dielektrikum (in diesem Fall Borosilikatglas), wird die Kapazität durch die Dicke des Dielektrikums bestimmt. In doppelläufige Elektroden beträgt die dielektrische Breite an der Glaswand der Pipette. Das Glas dünner in der Nähe der Spitze, fällt die dielektrische Breite und die Kapazität ansteigt. Diese Faktoren kombinieren, um Elektroden mit Reaktionszeiten, die von einigen hundert Millisekunden bis zu mehreren nahrungsmittelSekunden, da diese Faktoren variiert. Ein Hauptvorteil des konzentrischen Konstruktion ist, daß sowohl der axiale Widerstand und die Kapazität an das Bad stark gesunken sind. Die konzentrischen Pipetten Shunts meisten der Widerstand des verfüllten Ionenaustauscher, so dass nur ein Rest in dem letzten Mikrometern vor der Spitze. Darüber hinaus wird die Füllung Lösung innerhalb des konzentrischen Pipetten physikalisch aus dem Bad entfernte, getrennt durch die Dicke von zwei Glaswänden, die Kapazität stark reduziert wird. Wie früher gezeigt 10, ist die kombinierte Wirkung der verringerten Widerstand und Kapazität eine Verbesserung der zeitlichen Auflösung von zwei Größenordnungen. Im Fall von konzentrischen Ca 2+ und pH-Mikroelektroden, waren so günstig wie 10-20 msec 10 90% Reaktionszeiten. Ein verwandter Vorteil der konzentrischen Design ist die geringeren Geräuschpegel (siehe Abbildung 8). Aufgrund der stark reduzierten Widerstand, Spannungsspitzen von jedem Ambient Rauschen minimiert. Außerdem ist die Wiederherstellung von solchen schnellen Transienten aufgrund der schnellen Zeitkonstante. Solche Artefakte sind daher klein und schnell und haben eine weniger störend auf physiologische Aufzeichnungen (siehe Abbildung 8). Gibt es auch Nachteile des konzentrischen Technik. Erstens ist ihre Montage komplizierter und zeitraubend. Ein zweiter Nachteil ist die Notwendigkeit, eine separate Referenzmikroelektrode mit seiner Spitze zu platzieren und beinhaltet die Verwendung entweder eines getrennten Mikromanipulators oder eines spezialisierten Dual-Manipulator. Schließlich kann doppelläufige Mikroelektroden zu einer dreirohrige Design erweitert werden, was die Detektion von zwei verschiedenen Ionenspezies gleichzeitig 28, die nicht für die konzentrischen Elektroden möglich. Die häufigsten Fallstricke Ineffiziente Silanisierung. Der wichtigste Schritt, und Haupthindernis bei der Herstellung einer flüssigkeits sensoder auf der Basis ionenselektive Mikroelektroden ist die Silanisierung Verfahren. Wenn die Elektroden nicht auf Änderungen der spezifischen Ionenkonzentration reagieren oder zu antworten, mit einer Unter Nernst-Reaktion (dh, auch weniger als 58 mV pro zehnfacher Konzentrationsunterschied) ist schlechte Wirksamkeit der Silanisierung in der Regel die Ursache. Nach unserer Erfahrung kann dies auftreten, wenn der Luftfeuchtigkeit zu hoch ist, oder zu niedrig ist, typisch für die Bedingungen in der Höhe des Sommers oder Winters auf. Wenn es möglich ist, eine gewisse Kontrolle über Raumfeuchte ausüben können diese Probleme überwunden werden. Elektrodenwiderstand ist zu hoch. Falls nötig, kann der Widerstand des ionensensitiven Trommel durch Abschrägung reduziert werden. Zu diesem Zweck aussetzen seiner Spitze mit einem starken Strahl eines Schleif in Wasser für ein paar Sekunden ausgesetzt. Dies führt dazu, seine oberste Spitze zu brechen und senken Sie den Widerstand auf den gewünschten Wert. Salzbrücken. SalzBrücken zwischen den Ionen und Referenz Barrel führen zu schlecht oder gar nicht reagierenden Elektroden und somit auch stark ihre Leistung bei der Kalibrierung zu verwechseln. Wie bereits erwähnt (siehe Punkt 1.6.), Ist dies vor allem ein Problem, wenn doppelläufige Theta Glas gewählt wird, ist jedoch ein seltenes Ereignis, wenn Sie das hier beschriebene Offset, verdreht Barrel-Technik. Mit Leichtigkeit der Herstellung vor Augen, kann die ursprüngliche doppelläufige Design Lux 29 oft gewinnbringend eingesetzt werden. Dieses Verfahren nutzt Vorbefüllung der Ionen und Referenz Fässer mit Salzlösungen, eine schnelle Einwirkung einer Silanlösung durch sein Ansaugen und Ausstoßen aus der Spitze, gefolgt von der Einarbeitung Ionenaustauscher, auch mittels der Spitze (siehe 30,31) . Diese Elektroden können in etwa 10 Minuten hergestellt werden, aber die Spitzengröße ist typischerweise 4 &amp; mgr; m oder mehr, und sie sind anfälliger für während eines Experiments scheitern. Im Gegensatz dazu Silanisierung Methoden beinhalten Exposition gegenüber Silan Dampf und Wärmeing können Elektroden mit kleineren Tipps, die Tage dauern, und manchmal Wochen zu produzieren. Zusammengenommen gibt es mehrere Protokolle und nähert sich, wie ionenselektive Mikroelektroden vorzubereiten. Hier haben wir zwei Hauptverfahren zur Herstellung von verdrillten Doppelnamen als auch konzentrische Mikroelektroden, die gut und zuverlässig in unseren Labors arbeiten beschrieben, mit einer Erfolgsquote von nahezu 100%. Wichtiger ist, dass diese Techniken zur Messung anderer Ionen Spezies, einschließlich pH oder Calcium übertragbar sein und wird auch auf andere Zubereitungen als das Gehirn, einschließlich flüssigkeitsgefüllten Hohlräumen oder Fluiden im Allgemeinen. Last, but not least, ionenselektiven Mikroelektroden ermöglichen die Bestimmung von Ionenkonzentrationen in den Zellen. Aufgrund ihrer relativ großen Düsengröße (~ 1 &amp; mgr; m), wird dies jedoch nur in Zellen mit einer großen Zellkörper, beispielsweise möglich, wie beispielsweise in wirbellosen Präparate 28,32 gefunden.

An author's middle initial was omitted from the publication, <a href="http://www.jove.com/video/53058/double-barreled-concentric-microelectrodes-for-measurement">Double-barreled and Concentric Microelectrodes for Measurement of Extracellular Ion Signals in Brain Tissue</a>. The author&#39;s name has been updated to:
Christine R. Rose
from:
Christine Rose

A correction was made to Double-barreled and Concentric Microelectrodes for Measurement of Extracellular Ion Signals in Brain Tissue.

Erratum: Double-barreled and Concentric Microelectrodes for Measurement of Extracellular Ion Signals in Brain Tissue

Electrical signaling in the brain is based on the flux of ions across plasma membranes. Major ion movements into and from the extracellular space are not only mediated by passage through voltage-gated ion channels, but also by postsynaptic ionotropic receptors as well as ion transporters. Neuronal activity is thus accompanied by complex changes in the extracellular concentration of all major ions 1. For example, influx of sodium into neurons during excitatory activity has been shown to result in a decrease in the extracellular sodium concentration ([Na+]o) 2. The same holds true for the extracellular calcium concentration because calcium ions rapidly enter both pre- and postsynaptic structures 3. At the same time, potassium moves the opposite way and this mediates an increase in the extracellular potassium concentration ([K+]o) in the low mM range 4,5. Synaptic activity also causes changes in extracellular pH that are partly mitigated by concomitant glial membrane fluxes that change intraglial pH 6,7. These activity-related changes in extracellular ion concentrations have significant functional consequences. For example, even small increases in [K+]o depolarize neurons as well as glial cells thereby altering neuronal excitability, and several mechanisms exist to remove excess potassium 8. Failure of these may result in epileptiform activity of neurons or phenomena like spreading depression 1. 
Because of their critical importance, quantitative determination of extracellular ion concentrations is often necessary and required to understand the function and dysfunction of neural networks under physiological and pathophysiological conditions. For decades, double-barreled ion-selective microelectrodes have proven to be excellent tools for such measurements in brain tissue 9. For many ions, highly specific sensors with low cross-reactivity for other ions are available. In addition to the classical double-barreled electrodes, so-called concentric electrodes were recently introduced. The latter provide a superior time resolution, but take a little more time and effort to construct 10. 
In the following, we will describe the preparation and calibration of these two types of ion-selective microelectrodes. We then show how these electrodes can be employed in brain slice preparations for measurement of changes in [K+]o or [Na+]o induced by excitatory activity following different stimulation paradigms including bath and pressure application of drugs.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Abrasive&#160;&#160;</td>
			<td>MicroPolish&#160;</td>
			<td>Buehler GmbH</td>
			<td>Dissolved in A.dest</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Borosilicate-glass capillaries</td>
			<td>1405059</td>
			<td>Hilgenberg</td>
			<td>Application pipette; 75 mm x 2 mm, wall thickness 0.3 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Borosilicate glass capillaries with filament</td>
			<td>GC 150 F-15&#160;</td>
			<td>Clark Electromedical Instruments, Harvard Apparatus</td>
			<td>For the sensor of double-barreled microelectrodes&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Borosilicate glass capillaries with filament</td>
			<td>GC100-F-15</td>
			<td>Clark Electromedical Instruments, Harvard Apparatus</td>
			<td>For the reference of double-barreled microelectrodes&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Borosilicate glass capillaries with filament</td>
			<td>GB-200TF-15&#160;</td>
			<td>Science Products</td>
			<td>Concentric, outer channel. o.d. 2.0 mm&#160;&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Borosilicate glass capillaries with filament</td>
			<td>GB-120TF-10</td>
			<td>Science Products</td>
			<td>Concentric, inner channel. o.d. 1.2 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digidata</td>
			<td>1322A</td>
			<td>Axon Instruments</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electrometer amplifier with headstage</td>
			<td></td>
			<td>Custom-made</td>
			<td>Rin = 10T&#937; and Ibias=50fA-1pA (commercially available&#160; alternatives: e. g. Dagan IX2-700, with headstage (10 Gig feedback resistor) or EPMS-07, NPI, Tamm, Germany)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Experimental chamber</td>
			<td></td>
			<td>Custom-made</td>
			<td>Commercially available from e.g.&#160; Warner Instruments,USA;&#160; Scientifica, UK</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Furnace</td>
			<td></td>
			<td>Heraeus</td>
			<td>Must stay constant at 200&#176;C</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hard sticky wax / dental wax&#160;</td>
			<td>Deiberit 502&#160;</td>
			<td>Siladent Dr. Boehme &#38; Schoeps GmbH</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hot plate</td>
			<td></td>
			<td>Custom-made</td>
			<td>Must stay constant at 40&#176;C</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microelectrodes holder made of plexiglas</td>
			<td></td>
			<td>Custom-made</td>
			<td>Double-barreled: o.d.&#160; capillaries 1.5 mm, concentric: o.d.&#160; capillaries 2 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micromanipulator</td>
			<td></td>
			<td>Leitz</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micromanipulator</td>
			<td>MD4R</td>
			<td>Leica</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stereo microscope</td>
			<td>M205C</td>
			<td>Leica</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Objective</td>
			<td>Plan 0.8xLWD</td>
			<td>Leica</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pipette puller</td>
			<td>Model PP-830</td>
			<td>Narishige</td>
			<td>Concentric microelectrodes&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pipette puller</td>
			<td>Model P-97</td>
			<td>Sutter Instruments&#160;</td>
			<td>Sensor of concentric microelectrodes&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pneumatic drug ejection system</td>
			<td>Picospritzter Type II</td>
			<td>General Valve TM Corporation</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Travel dovetail stage</td>
			<td>DT 25/M</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Two-component glue</td>
			<td>&#160;Araldite</td>
			<td>Huntsman advanced materials GmbH</td>
			<td>One may also use a small stripe of aluminum foil to stick the capillaries together&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silverwire</td>
			<td>99.9%&#160;</td>
			<td>Wieland Edelmetalle</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Slicer / Vibratome</td>
			<td>Microm HM 650 V</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Software</td>
			<td>AxoScope 8.1&#160;</td>
			<td>Axon Instruments</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vertical puller&#160;</td>
			<td>Type PE-2</td>
			<td>Narishige Scientific Instruments</td>
			<td>With a revolvable chuck for&#160; double-barreled microelectrodes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>x/y translational stage</td>
			<td></td>
			<td>Custom-made</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Name of Compound</td>
			<td>Company</td>
			<td>Catalog Number</td>
			<td>Comments/Description</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1(S),9(R)-(&#8722;)-Bicuculline methiodide</td>
			<td>Sigma aldrich</td>
			<td>14343</td>
			<td>Competitive antagonist of GABAA receptors (light-sensitive); CAUTION toxic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CNQX</td>
			<td>Sigma aldrich</td>
			<td>C-127</td>
			<td>AMPA/kainate receptor antagonist; CAUTION toxic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dimethyl sulfoxide (DMSO)</td>
			<td>Sigma aldrich</td>
			<td>D5879</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DL-AP5</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>J64210</td>
			<td>NMDA receptor antagonist; CAUTION toxic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hexamethyldisilazane (HMDS)</td>
			<td>Sigma aldrich</td>
			<td>440191</td>
			<td>CAUTION: Flammable, acute toxicity (oral, dermal, inhalation) and corrosive to metals and skin</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>L-Aspartic acid</td>
			<td>Sigma aldrich</td>
			<td>A9256</td>
			<td>Activates NMDA and non-NMDA and EAATs</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>L-Glutamic acid monosodium salt hydrate</td>
			<td>Sigma aldrich</td>
			<td>G1626</td>
			<td>Activates NMDA-R, AMPA-R, QA-R and KA-R),&#160; mGluRs and EAATs</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium ionophore I - cocktail B</td>
			<td>Fluka&#160;</td>
			<td>60403</td>
			<td>Based on valinomycin; CAUTION toxic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium ionophore II - cocktail A</td>
			<td>Fluka&#160;&#160;</td>
			<td>71178</td>
			<td>Based on ETH 157</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TTX</td>
			<td>Ascent Scientific</td>
			<td>Asc-055</td>
			<td>Inhibitor of voltage-dependent Na+ channels; CAUTION toxic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Water, ultra pure</td>
			<td>Sigma aldrich</td>
			<td>W3500&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

double-barreled and concentric microelectrodes for measurement of extracellular ion signals in brain tissue

Electrical activity in the brain is accompanied by significant ion fluxes across membranes, resulting in complex changes in the extracellular concentration of all major ions. As these ion shifts bear significant functional consequences, their quantitative determination is often required to understand the function and dysfunction of neural networks under physiological and pathophysiological conditions. In the present study, we demonstrate the fabrication and calibration of double-barreled ion-selective microelectrodes, which have proven to be excellent tools for such measurements in brain tissue. Moreover, so-called &#8220;concentric&#8221; ion-selective microelectrodes are also described, which, based on their different design, offer a far better temporal resolution of fast ion changes. We then show how these electrodes can be employed in acute brain slice preparations of the mouse hippocampus. Using double-barreled, potassium-selective microelectrodes, changes in the extracellular potassium concentration ([K+]o) in response to exogenous application of glutamate receptor agonists or during epileptiform activity are demonstrated. Furthermore, we illustrate the response characteristics of sodium-sensitive, double-barreled and concentric electrodes and compare their detection of changes in the extracellular sodium concentration ([Na+]o) evoked by bath or pressure application of drugs. These measurements show that while response amplitudes are similar, the concentric sodium microelectrodes display a superior signal-to-noise ratio and response time as compared to the double-barreled design. Generally, the demonstrated procedures will be easily transferable to measurement of other ions species, including pH or calcium, and will also be applicable to other preparations.

<html> Zur Überwachung von [K +] o und Veränderungen darin im Ansprechen auf exzitatorische Aktivität, eine doppelläufige kaliumselektive Mikroelektroden wurden in das Stratum radiatum von CA1-Bereich eingefügt. Wenige Minuten nach impalement, die ionenselektive Lauf der Elektrode erreicht eine stabile Basislinie (7A), entsprechend einer [K +] o von etwa 2,8 mm, einen Wert nahe dem [K +] des ACSF verwendet ( 2,5 mm). Badanwendung von 0,5 mM Glutamat für 10 sec induzierte eine reversible Zunahme von [K +] o von etwa 4 mm, gefolgt von einer Unterschreitung unter den Ausgangswert in Höhe von ~ 0,7 mM (Abbildung 7A). Absenken der Glutamatkonzentration auf 0,4, 0,3 und 0,2 mM verursacht eine entsprechende Verringerung der Amplitude von sowohl dem vorübergehenden Anstieg und dem Unter in [K +] o (7A). oad / 53.058 / 53058fig7.jpg &quot;/&gt; Figur 7. Die extrazelluläre Kalium Transienten in Reaktion auf exzitatorische Aktivität. (A) [K +] o Transienten, bestehend aus einem Anstieg, gefolgt von einer Unterschreitung unter den Ausgangswert von Badanwendung verschiedener Konzentrationen von Glutamat für 10 sec induziert, wie angegeben. (B) Einfluss einer Perfusion mit Glutamat-Rezeptor-Blocker (CNQX, 100 &amp; mgr; M; APV, 100 &amp; mgr; M) und Tetrodotoxin (TTX; 0,5 &amp; mgr; M) auf [K +] o Transienten von Bad Applikation von 0,5 mM Glutamat für 10 Sekunden ausgelöst. (C) Spontane [K +] o Transienten in Gegenwart von 0 mg 2+ / BIC. Experimente in der AC gezeigt, wurden unter Verwendung von doppelläufigen Elektroden. Zur Veranschaulichung wurden die Spuren mit einem Sawitzky-Golay-Filter (SW 20) geglättet. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53058/53058fig7large.jpg" target="_blank">Bitte cl</a>ick hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Frühere Experimente haben gezeigt, dass solche Glutamat induzierte [K +] o-Signale werden nicht signifikant während der Anwendung der TTX verändert und sind damit weitestgehend unabhängig von der Öffnung der spannungsgesteuerten Natriumkanäle und neuronalen Aktionspotential Generation 15,16. Die Mechanismen, die die beobachteten [K +] o Veränderungen als Reaktion auf Glutamat zu untersuchen, verwendeten wir Glutamatrezeptor-Blocker, nämlich CNQX (100 uM; Blocker der AMPA-Rezeptoren) und APV (100 uM; Blocker des NMDA-Rezeptoren) in der Gegenwart von TTX (0,5 uM). Nach Badperfusion mit diesen Blocker, Glutamat induzierte [K +] o Veränderungen waren praktisch abgeschafft, was bestätigt, ihre Abhängigkeit von der Eröffnung des ionotropen Glutamat-Rezeptor-Kanäle wie zuvor berichtet (zB 17; 7B). Um weiter zu zeigen ter Relevanz der glutamatergen Anregung für die Erzeugung von extrazellulären [K +] Signale wurden die Schnitte mit nominal Mg 2+ -freien Salzlösung, die 10 &amp; mgr; M Bicucullin Methiodid (0 mg 2+ / BIC) perfundiert. Dies entlastet spannungsabhängigen Mg 2+ -block von NMDA-Rezeptoren und dämpft die Hemmung durch GABA A -Rezeptoren blockiert, was spontan rezidivierende epileptiforme Aktivität in dem Netzwerk (zB 18,19). Wie erwartet 20, spontan, wiederkehrend [K +] o Transienten, in Höhe von etwa 1,5 mm wurden in 0mg 2+ / BIC Kochsalzlösung (7C) nachgewiesen. Zwischen diesen Antworten kleinere [K +] o Transienten mit einer mittleren Amplitude von etwa 0,2 mm eingetreten ist (7C). In einem zweiten Satz von Experimenten wurden [Na +] -empfindliche Mikroelektroden [Na +] o Änderungen durch die Anwendung der evozierten bestimmenGlutamat Agonisten. Hier haben wir auch im Vergleich das Ansprechverhalten doppelläufige und konzentrische Mikroelektroden, die zwei unterschiedliche Anwendungsparadigmen. [Na +] -empfindliche Mikroelektroden wurden in das Stratum radiatum in einer Tiefe von etwa 50 um angeordnet. Nachdem eine stabile Basislinie erreicht war, wurde die Glutamat-Agonisten L-Aspartat pro Badperfusion (10 mM, 120 sec, Badperfusion bei 2,5 ml / min) aufgetragen. Wie zuvor 21 beobachtet, die Anwendung von Aspartat verursacht eine langsame Abnahme der [Na +] o von etwa 15 mm, was etwa 5 Minuten dauert, und dann gestartet, um wieder auf die Grundlinie zurückzugewinnen (8A). Bemerkenswert ist, während die Spitzenamplituden und Kinetik der [Na +] O-Signale von beiden Elektroden bestimmt waren unter diesen Bedingungen praktisch identisch zeigte konzentrischen Elektroden eine stabilere Basislinie und einen geringeren Geräuschpegel (8A). Um das zu testen r<html> esponse Merkmale der verschiedenen Elektroden unter einer schnelleren Anwendungs ​​Paradigma wir druckbeaufschlagten Glutamat durch einen feinen Glaspipette im Stratum radiatum positioniert in einem Abstand von 20-40 &amp; mgr; m von der Spitze des ionenselektive Mikroelektroden. Wie erwartet 21. Applikation von Glutamat (10 mM) für 200 ms verursacht einen Abfall in der [Na +] o (8B). Die Spitzenamplituden der [Na +] o Rückgang waren im gleichen Bereich für beide Arten von Elektroden (doppelläufige: 4,5-13,5 mM, n = 14; konzentrische: 2,0-19,1 mM, n = 15). Doch im Gegensatz zu den mit langsamen Badperfusion (siehe oben), nicht nur das Signal-zu-Rausch-Verhältnis, sondern auch der zeitliche Verlauf der [Na +] O-Signale von den beiden Arten von Elektroden erfasst erhaltenen Ergebnisse unterschieden sich signifikant. Die durchschnittliche Zeit bis zum Peak betrug 3,5 sec für die doppelläufige und nur 1,3 Sekunden für den konzentrischen Mikroelektroden. ve_content &quot;&gt; Somit zeigen diese Ergebnisse zu bestätigen und die schnellere Reaktion Kinetik konzentrischen vs. doppelläufige Na + -selektiven Mikroelektroden (vgl 6C und 8B), als auch für Ca 2+ und pH merkt selektive Gegen 10 . Im Gegensatz zu der früheren Studie, in der Kurz platzen synaptischen Stimulation durchgeführt, um schnell synaptisch induzierte Ionen Transienten hervorzurufen, gab es nur eine Tendenz, aber keinen signifikanten Unterschied in der mittleren Spitzenamplituden zwischen konzentrischen und doppelläufige Elektroden mit unseren Anwendungs Paradigma. Dies war wahrscheinlich auf die Tatsache, dass der Abstand des Angriffs Pipette von der Spitze der ionenselektiven Mikroelektrode um einen Faktor von zwei (20-40 &amp; mgr; m) variiert wird, und folglich, dass die maximale Glutamatkonzentration im Zielbereich war nicht die gleiche in verschiedenen Experimenten, behindern eine vorhandene Differenz der Spitzenamplituden. (A) Top Spuren: Wechsel im voltage der Referenz Barrel (V ref) einer doppelläufigen Elektrode (schwarze gestrichelte Linie) und einer konzentrischen Elektrode (graue Kurve) als Reaktion auf Änderungen in dem Bad Na + Konzentration ([Na +] b), wie angegeben. Beachten, dass die Spannungsantworten beider Elektroden sind nahezu identisch. Bottom Spuren: Änderungen in der Spannung der Na + -Potential (V Na +) einer doppelläufigen Elektrode (schwarze Kurve) und einer konzentrischen Elektrode (graue Kurve) als Reaktion auf Änderungen in [Na +] b. (B) Half-logarithmischen Graphen der [Na +] b gegenüber dem V Na + beider Elektroden. Linearen Plots der Daten zeigen eine Neigung von etwa 48 mV für beide Elektroden. (C) Reaktion des V Na + aus einer doppelläufigen (schwarze Kurve) und einer konzentrischen Elektrode (graue Kurve) zu einer schnellen Änderung der [Na +] b von 152 mm bis 70 mm. Man beachte, dass die Reaktionszeit des konzentrischen Elektrode bedeutend faster. Zur Veranschaulichung wurden die Spuren mit einem Sawitzky-Golay-Filter geglättet (Breite 20). <img alt="Figur 8" src="/files/ftp_upload/53058/53058fig8.jpg" /> Abbildung 8: Die extrazelluläre Natrium-Transienten, wie durch Doppelnamen und konzentrischen Elektroden erfasst. (A) Vorübergehende Änderungen im V ref und [Na +] o nach Bad Perfusion mit 10 mM Aspartat 120 Sekunden, wie durch den Balken angezeigt induziert. Die oberen Spuren zeigen eine Aufnahme mit einer doppelläufigen Elektrode durchgeführt, wurden die unteren Spuren unter Verwendung einer konzentrischen Elektrode erfasst. (B) Vorübergehende Änderungen im V ref und [Na +] o durch lokale Druckanwendung mit 10 mM Glutamat für 0,2 s induziert, wie durch den Pfeil angedeutet. Die oberen Spuren zeigen eine Aufnahme mit einer doppelläufigen Elektrode durchgeführt, wurden die unteren Spuren unter Verwendung einer konzentrischen Elektrode erfasst.Gepunktete rote Linien stellen linearen Anpassungen der Zeitraum zwischen dem Beginn des Signals auf seine maximale. Man beachte, dass die Reaktionszeit des konzentrischen Elektrode bedeutend schneller unter dieser Bedingung. Zur Veranschaulichung wurden die Spuren mit einem Sawitzky-Golay-Filter (Breite 20) geglättet. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53058/53058fig8large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a>

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Double-barreled and Concentric Microelectrodes for Measurement of Extracellular Ion Signals in Brain Tissue

We demonstrate the fabrication, calibration and properties of two types of ion-selective microelectrodes (double-barreled and concentric) for measurement of ion concentrations in brain tissue. These are then used in the mouse hippocampal slice preparation to show that excitatory activity changes both extracellular potassium and sodium concentrations.

Doppelläufige und Concentric Mikroelektroden zur Messung der extrazellulären Ionensignale im Hirngewebe

Electrical activity in the brain is accompanied by significant ion fluxes across membranes, resulting in complex changes in the extracellular ...

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Research

JoVE Journal

Neuroscience

13.3K Aufrufe.  Heinrich Heine University Düsseldorf. We demonstrate the fabrication, calibration and properties of two types of ion-selective microelectrodes (double-barreled and concentric) for measurement of ion concentrations in brain tissue. These are then used in the mouse hippocampal slice preparation to show that excitatory activity changes both extracellular potassium and sodium concentrations. 