Electrofisiología en aislados Preparativos Cord-tronco cerebral espinal de roedores recién nacidos permite la grabación de salida de red neuronal Respiratorio

Resumen

The central respiratory drive is located in the brainstem. Spontaneous respiratory motor output from an isolated brainstem-spinal cord is recorded by placing an electrode on the fourth ventral root. This experimental approach is valuable for pharmacological investigations or the assessment of respiratory challenges and genetic manipulations on rhythmic motor behavior.

Resumen

While it is well known that the central respiratory drive is located in the brainstem, several aspects of its basic function, development, and response to stimuli remain to be fully understood. To overcome the difficulty of accessing the brainstem in the whole animal, isolation of the brainstem and part of the spinal cord is performed. This preparation is maintained in artificial cerebro-spinal fluid where gases, concentrations, and temperature are controlled and monitored. The output signal from the respiratory network is recorded by a suction electrode placed on the fourth ventral root. In this manner, stimuli can be directly applied onto the brainstem, and the effect can be recorded directly. The signal recorded is linked to the inspiratory signal sent to the diaphragm via the phrenic nerve, and can be described as bursts (around 8 bursts per minute). Analysis of these bursts (frequency, amplitude, length, and area under the curve) allows precise characterization of the stimulus effect on the respiratory network. The main limitation of this method is the viability of the preparation beyond the early post-natal stages. Thus, this method greatly focuses on the study of the whole network without the peripheral inputs in the newborn rat.

Introducción

La respiración es una actividad compleja y vital controlada por el cerebro, lo que permite dioxígeno (O ₂₎ la captación y dióxido de carbono (CO ₂₎ la eliminación. El impulso respiratorio central se genera por una compleja red situada en el tronco cerebral en ambos mamíferos ^{1, 2} anfibios, reptiles, aves ^{3 4 5} y peces. Incluso si el estudio de la respiración se puede procesar in vivo, las investigaciones mecanicistas precisas requieren el acceso directo a la red de control respiratorio. Con este fin, Adrian y Buytendijk desarrollaron una preparación goldfish reducida, en el que los electrodos colocados en el registro de la superficie del tronco cerebral el ritmo generado asociado con gill ventilación ^5. Este enfoque fue posteriormente adaptada por Suzue en 1984 ⁶ para su uso en roedores recién nacidos. La llegada de esta preparación ha dado lugar a importantes avances en neurobiología respiratorio. Dado que es relativamente simple, la técnica presentada hERE es susceptible de una amplia gama de investigaciones básicas de comportamientos motores rítmicos y sus orígenes en roedores recién nacidos.

El objetivo general de este método consiste en registrar el correlato neural de la actividad inspiratoria, un ritmo respiratorio similar llamado respiración ficticio, producida por la cadena respiratoria. Este método se puede emplear en una amplia gama de objetivos de la investigación, la orientación respuestas inspiratorios a variaciones respiratorias o farmacología en ambos de tipo salvaje y transgénicos ^{7 8 animales.} Dado que los experimentos se llevan a cabo a baja temperatura, sin aferentes sensoriales, y en condiciones en las concentraciones de glucosa y _de O 2 en el LCRa son altos, se han planteado interrogantes sobre la relevancia fisiológica de la señal grabada. Si bien existen diferencias claras entre in vivo e in vitro condiciones (por ejemplo., La frecuencia de ráfagas de inspiración) el hecho es que la presencia delos elementos centrales de la red respiratoria ⁶ hacen posible el estudio de un ritmo robusto asociado a una función homeostática vitales ^9,10.

La razón fundamental detrás del desarrollo y el uso de esta técnica es facilitar el acceso directo a los elementos del tronco cerebral de la red respiratoria, que son difícilmente accesibles in vivo, especialmente en los recién nacidos. El tronco encefálico se coloca en condiciones estrictamente controladas: el ritmo grabado no es modulada por impulsos aferentes periféricas de los pulmones o los cuerpos carótidas, lo que permite el estudio se centre en la unidad central de la respiración en sí ^11. Por lo tanto, se utiliza este acceso para aplicar estímulos y registrar la señal de salida. En contraste con pletismografía de grabaciones, el ritmo respiratorio es modulada por todos sus componentes en todo el cuerpo (por ejemplo., Distensión de pulmón, sensores químicos periféricos), por lo que es difícil de aplicar estímulos precisos.

En unaewborn rata, el protocolo consiste en registrar la cuarta señal ventral raíz en un tronco cerebral aislada y una médula espinal truncado, mantenido en el fluido cerebro-espinal artificial (ACSF). El ritmo generado por los preparativos de la médula espinal, tronco cerebral se compone de ráfagas lentas individuales que están vinculados a la señal inspiratoria ^9. Preparaciones de cordón-tronco cerebral médula aislados se pueden grabar fácilmente en ratas desde el primer día postnatal 0-4 (P0 - P4) ^7. Este enfoque se utiliza comúnmente para evaluar la respuesta hipóxica de la red respiratoria, y también la respuesta a la hipercapnia, acidosis o drogas. Un protocolo de hipoxia aguda se presenta aquí. Esta estimulación se obtiene por la captación de O ₂ en el LCRa; este enfoque se utiliza comúnmente para evaluar la tolerancia y la capacidad de respuesta a insultos hipóxicas. El protocolo induce una depresión ritmo desde el primer minuto hasta el final de la exposición a la hipoxia (Figura 1) ^12. Esta depresión se inviertedurante el post-hipóxica ¹² de recuperación. Respecto al diseño experimental, es importante darse cuenta de que el puente de Varolio, situados en la parte rostral del tronco cerebral, tiene una acción inhibidora sobre el generador de ritmo ^8. Por lo tanto, los preparativos de la plena tronco cerebral y médula espinal rostral muestran un menor ritmo. La inclusión de la protuberancia en la muestra aislada de la grabación se determina de acuerdo con el objetivo del experimento ^13; el estudio de la influencia pontina en la red bulbo raquídeo requeriría grabaciones con y sin el puente de Varolio para comparar los resultados ^14. Por otra parte, una de las ventajas de esta técnica es la posibilidad de ampliar la parte rostral de la preparación para incluir mesencefálico y / o regiones diencefálicas ^15,16, por lo que es posible evaluar el efecto de estas regiones en la red respiratoria-ponto medular.

Protocolo

Este método requiere el uso de sujetos animales, se admiten por el Comité de Ética Animal de la Universidad Laval (protocolo # 2012-170).

1. Instalación y Preparación

1. Soluciones
   1. Preparar soluciones madre aCSF de acuerdo con las siguientes recetas ^7,17. Otras recetas con variaciones de concentración están disponibles en la literatura. Soluciones tienda de valores a 4 ° C durante hasta un mes.
      1. Solución de sal: añadir 75,39 g de NaCl (129 mM final); 2,5 g de KCl (3,35 mM final); 0,81 g de NaH2PO4 (0,58 mM final); 2,33 g de MgCl2 (1,15 mM final); 1,85 g de CaCl2 (1,26 mM). Disolver en 800 ml de agua destilada luego llenar a 1 l con agua destilada.
      2. Solución de bicarbonato: añadir 17,65 g de NaHCO ₃ (21 mM final). Disolver en 900 ml de agua destilada y luego llenar hasta 1 L con agua destilada. Las variaciones de la concentración de bicarbonato resultarán en variaciones de pH.
      3. Solución de glucosa: añadir 54,06g de glucosa (30 mM final). Disolver en 400 ml de agua destilada y luego llenar hasta 500 ml con agua destilada.
   2. Preparar LCRa por dilución de 100 ml de solución de sal, 100 ml de solución de bicarbonato, y 50 ml de solución de glucosa en 1 L de agua destilada. Almacenar a 4 ° C hasta su uso.
   3. Preparar un electrodo de vidrio calentando y estirando un tubo de vidrio hasta que se rompe. Lijar la punta antes de su uso. El electrodo se puede reutilizar tantas veces como el tiempo que se mantiene limpio.
2. Configuración experimental
   Nota: Los datos de configuración se presentan en la Figura 2.
   1. Encienda el amplificador, promediador, sistema de adquisición de datos, control de temperatura y de la bomba en movimiento. Compruebe la amplificación de la señal (ganancia = 10.000), la filtración (de bajo umbral, 10 Hz; umbral alto, 5 kHz), y la tasa de muestreo de la conversión de analógico a digital de la señal en bruto (2,5 kHz).
   2. Llene una botella con LCRa y la burbuja con carbógeno (95% O ₂ , 5% de CO _2). Inducir un bubbled- y se calentó-LCRa flujo en la cámara de grabación (volumen de 5 ml) a 4 ml / min. Mantener la temperatura en la cámara de registro a 26 (± 1) ° C. pH debe ser 7,4 en estas condiciones estándar.
   3. Mantenga 50 ml de RT y carbógeno-burbujear LCRa en una jeringa de 50 ml, cerca de la cámara de disección.
   4. Encienda el ordenador e inicie el software de grabación.

2. Disección

1. Pesar y determinar visualmente el sexo del animal (los machos tienen un ano-genital distancia más larga, mientras que las hembras tienen una distancia ano-genital corta; machos genitales son a menudo oscuro, mientras que los genitales femeninos son de color rosa).
2. Anestesiar al roedores recién nacidos por una de las siguientes opciones: crioanestesia (sumergir completamente el animal en hielo durante 4 - 5 min ^18), inyección (equitensine a 4 ml / kg) ¹⁹ o la inhalación de anestésicos volátiles (isoflurano ²⁰ o éter ^21). Confirm un plano adecuado de anestesia por la ausencia de un reflejo retirada de la pata.
3. Colocar el animal en el banco, la cara ventral hacia abajo. Sección la parte rostral de la cabeza coronalmente con un bisturí en el nivel de bregma (visible a través de la piel y el cráneo). Realice este paso inmediatamente después se anestesia el animal.
4. Sección coronal del cuerpo con un bisturí en virtud de los miembros anteriores.
5. Quite la piel, los músculos, los tejidos grasos y víscera con tijeras y alicates quirúrgicos y delgadas. Desde los huesos son suaves a esta edad, tenga cuidado de no dañar el sistema nervioso. Realice este paso en el banquillo.
6. Colocar la preparación en la cámara de disección. Utilice la LCRa almacenado en la jeringa para oxigenar la preparación. A partir de este punto hasta el final de la grabación, usar un microscopio.
7. En la cara dorsal de la preparación, corte el cráneo y las vértebras de la rostral a la parte caudal lo largo del eje medio con tijeras y pinzas quirúrgicas y delgadas. Abra el cráneo cortey vértebras para exponer el tejido nervioso. Utilice la LCRa strored en la jeringa para oxigenar la preparación.
8. Con los alicates, quite la membrana aracnoide, un tejido delgado que cubre la superficie del tejido nervioso. Conserve la piamadre y los vasos sanguíneos contra el tejido nervioso. Utilice la LCRa almacenado en la jeringa para oxigenar la preparación.
9. Colocar la preparación con el dorsal boca abajo, y cuidadosamente hacer caer el tronco del encéfalo y la médula espinal mediante la reducción de los nervios y el tejido conectivo con las tijeras mientras mantiene la preparación en su lugar. Un enfoque dorsal también es posible. Mantener las raíces y los nervios el mayor tiempo posible. Retire los huesos para aislar el tronco del encéfalo y la médula espinal. Utilice la LCRa almacenado en la jeringa para oxigenar la preparación.
10. Retire el cerebelo y el restante estructuras rostrales seccionando con el bisturí. Utilice la LCRa almacenada en la aguja para oxigenar la preparación.
11. Opcionalmente dependiendo de experimendiseño tal, retire el puente con el bisturí por una sección anterior de la corona a la arteria cerebelosa inferior ^22. Tenga en cuenta que el mantenimiento de todo el puente se ralentizará el ritmo en ratas y totalmente inhibirla en ratones. Las preparaciones que incluyen sólo la parte caudal de la protuberancia muestran una actividad respiratoria como con una frecuencia estable a la raíz C4.

3. Grabación

1. Colocar la preparación en la cámara de grabación, ventral hacia arriba. Fijar la preparación con alfileres en la parte más baja de la médula espinal y el rostral-la mayor parte del tronco cerebral.
2. Usando una jeringa vinculado al electrodo por su aguja, inducen una depresión en el electrodo (diámetro de la punta de vidrio: 150-225 micras) tirando de la jeringa de pistón, con el fin de llenar parcialmente el electrodo con LCRa.
3. El uso de un micromanipulador, colocar cuidadosamente el electrodo cerca de una de las cuartas raíces ventrales. Otras raíces ventrales también podrían presentar una actividad respiratoria como (e.g., nervio craneal XII, C1 raíz ventral).
4. Inducir una depresión en el depósito de electrodo a través de la jeringa tirando del émbolo con el fin de aspirar suavemente el rootlet nervio. A continuación, mueva con cuidado el electrodo para aplicar contra la médula espinal.
   Nota: Lo ideal sería que el tamaño de la rootlet coincide con el tamaño de la abertura del electrodo y por lo tanto crea un sello entre los compartimentos internos y externos del electrodo. Desde amplificadores diferenciales se utilizan comúnmente para tales grabaciones, cualquier abertura entre el interior del electrodo y la cámara de grabación reduce la calidad de la señal y hace que sea difícil eliminar el ruido de fondo.
5. Inicie la grabación.
6. Graba el ritmo producido por la preparación en condiciones de normoxia (es decir, LCRa burbujeó con carbógeno: 95% O ₂ y 5% de CO ₂₎ durante al menos 20 min para determinar los parámetros basales de la preparación.
7. Cambie la perfusión de LCRa carbógeno-burbujear aLCRa estímulo (es decir, burbujeado con 95% N ₂ y 5% de CO ₂ para el estímulo hipoxia) durante 15 min. Alterar duración de la exposición dependiendo del protocolo experimental. Anote la duración de la exposición en la grabación y animal hoja de datos. Utilice tubos de acero inoxidable entre la botella LCRa y la cámara siempre que sea posible para evitar la difusión del gas al exterior del tubo.
8. Cambie la perfusión de nuevo a norma LCRa carbógeno-burbujear durante al menos 15 minutos para una grabación de recuperación. Anota esto en la grabación y animal hoja de datos.
9. Finalice la grabación.

4. Análisis estadístico

1. A partir de la señal integrado, calcular la frecuencia como el número de ráfagas por minuto (expresado en ráfagas / min), la amplitud como la diferencia entre la línea de base y el pico de la ráfaga (expresado en mV), la duración de la ráfaga como la duración desde el principio hasta el final de la ráfaga (expresado en s), el área de ráfaga como el área bajo la curve de la ráfaga de la señal integrada (expresado en mV · s) (Figura 3).
2. Calcular la frecuencia, amplitud, duración de la ráfaga y la zona de la explosión bajo normóxico (línea de base), hipóxica (estímulo) y post-hipóxico condiciones (post-estímulo) de recuperación como el promedio de los últimos 5 minutos de las grabaciones para cada condición. No analizar la primera porción de cada condición porque hay un retraso entre la conmutación de la perfusión y LCRa homogeneización en la cámara de grabación.
3. Expresar entonces estímulo (es decir, la hipoxia) y post-estímulo (es decir, post-hipóxicas) los valores de recuperación en porcentaje de los valores de línea de base para la grabación correspondiente. Exprese los resultados como medias ± SD

Resultados

Como se ha mencionado en la introducción, una de las ventajas más importantes de esta técnica es el acceso directo al tronco encefálico para aplicar diversos estímulos. Como ejemplo, la hipoxia se aplicó aquí. Figura 1. AB muestra una grabación protocolo completo, con ambas condiciones de normoxia e hipóxicas. 1.CE Figura muestra el ritmo en condiciones de normoxia registrado (es decir, LCRa burbujeó con 95% O ₂ y 5% CO ₂ a 26 ° C). Como se ha d...

Discusión

La cuantificación precisa de la actividad respiratoria puede ser un reto. De hecho, la respiración es una función que puede ser tanto automática y voluntaria, y que se modula en función del entorno, las necesidades del cuerpo, el estado emocional y el comportamiento. La ventaja de esta técnica es el aislamiento de los elementos neurales responsables de producir el comando respiratorio. Por lo tanto, los registros electrofisiológicos de preparaciones de médula espinal y del tronco cerebral-pletismografía son té...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Sylgard	Sigma Aldrich	761036-5EA	Use under hood
NaCl	Bioshop	SOD002
KCl	Bioshop	POC888
CaCl2	Bioshop	CCL444
MgCl2	Bioshop	MAG510
NaHCO3	Bioshop	SOB999
NaH2PO4	Bioshop	SPM306
D-glucose	Bioshop	GLU501
Carbogen	Linde	343-02-0006
Temperature Controller	Warner Instruments, Hamden, CT, USA	TC-324B
Suction electrode	A-M Systems, Everett, WA, USA	model 573000
Differential AC amplifier	A-M Systems, Everett, WA, USA	model 1700
Moving averager	CWE, Ardmore, PA, USA	model MA-821
Data acquisition system	Dataq Instruments, Akron, OH, USA	model DI-720
LabChart software	ADInstruments, Colorado Springs, CO, USA
Prism sofware	Graphpad, La Jolla, CA, USA
Dissection chamber	Plastic box (e.g. petri box) will do
Recording chamber	Home made
Base	Kanetec, Bensenville, IL, USA	MB
Micromanipulator	World Precision Instrument Inc, Sarasota, FL, USA	KITE-R
Base	Kanetec, Bensenville, IL, USA	MB
Peristaltic pump	Gilson, Middleton, WI, USA	MINIPULS 3
Faraday Cage	Home made
Computer