A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
מתואר השימוש המשולב בטכנולוגיית מערך מיקרו-אלקטרודים ובגירוי כימי המושרה על-ידי 4-אמינו-פירידין לחקר פעילות נוציצפטיבית ברמת הרשת בקרן הגבית של חוט השדרה.
התפקידים והקישוריות של סוגים ספציפיים של נוירונים בתוך הקרן הגבית של חוט השדרה (DH) מתוחמים בקצב מהיר כדי לספק תצוגה מפורטת יותר ויותר של המעגלים העומדים בבסיס עיבוד הכאב בעמוד השדרה. עם זאת, ההשפעות של קשרים אלה על פעילות רשת רחבה יותר ב-DH נותרות פחות מובנות מכיוון שרוב המחקרים מתמקדים בפעילות של נוירונים בודדים ומיקרו-מעגלים קטנים. לחלופין, השימוש במערכי מיקרו-אלקטרוניקה (MEAs), שיכולים לנטר את הפעילות החשמלית על פני תאים רבים, מספק רזולוציה מרחבית וטמפורלית גבוהה של פעילות עצבית. כאן מתואר השימוש ב-MEAs עם פרוסות חוט השדרה של העכבר כדי לחקור את פעילות ה-DH המושרה על-ידי מעגלי DH מגרים כימית עם 4-אמינופירידין (4-AP). הפעילות הקצבית המתקבלת מוגבלת ל-DH השטחי, יציב לאורך זמן, נחסם על ידי טטרודוטוקסין, וניתן לחקור אותה בכיווני פרוסות שונים. יחד, הכנה זו מספקת פלטפורמה לחקור את פעילות מעגלי ה-DH ברקמות מבעלי חיים תמימים, מודלים של בעלי חיים של כאב כרוני ועכברים עם תפקוד נוסיספטיבי שהשתנה גנטית. יתר על כן, הקלטות MEA בפרוסות חוט שדרה מגורות 4-AP יכולות לשמש ככלי סינון מהיר להערכת היכולת של תרכובות אנטי-נוציפטיביות חדשניות לשבש את הפעילות בחוט השדרה DH.
התפקידים של סוגים ספציפיים של אינטרנורונים מעכבים ומעוררים בתוך חוט השדרה DH נחשפים בקצב מהיר 1,2,3,4. יחד, אינטרנורונים מהווים יותר מ-95% מהנוירונים ב-DH ומעורבים בעיבוד חושי, כולל nociception. יתר על כן, מעגלי אינטרנורון אלה חשובים כדי לקבוע אם אותות היקפיים עולים על הנוירואקסיס כדי להגיע למוח ולתרום לתפיסת הכאב 5,6,7. עד כה, רוב המחקרים חקרו את תפקידם של נוירוני DH ברמת הניתוח של תא יחיד או שלם באמצעות שילובים של אלקטרופיזיולוגיה תוך-תאית במבחנה, תיוג נוירואנטומי וניתוח התנהגותי in vivo 1,3,8,9,10,11,12,13,14 . גישות אלה קידמו באופן משמעותי את ההבנה של תפקידן של אוכלוסיות נוירונים ספציפיות בעיבוד כאב. עם זאת, נותר פער בהבנת האופן שבו סוגי תאים ספציפיים ומעגלי מאקרו קטנים משפיעים על אוכלוסיות גדולות של תאי עצב ברמת מיקרו-מעגל כדי לעצב לאחר מכן את התפוקה של ה-DH, את התגובות ההתנהגותיות ואת חוויית הכאב.
טכנולוגיה אחת שיכולה לחקור תפקוד מאקרו-מעגלי או רב-תאי ברמה התאית היא מערך המיקרו-אלקטרוניקה (MEA)15,16. MEAs שימשו לחקר תפקוד מערכת העצבים במשך כמה עשורים17,18. במוח, הם סייעו בחקר ההתפתחות העצבית, הפלסטיות הסינפטית, הסינון הפרמקולוגי ובדיקת הרעילות17,18. הם יכולים לשמש הן ליישומי in vitro והן ליישומי in vivo, בהתאם לסוג ה- MEA. יתר על כן, הפיתוח של MEAs התפתח במהירות, עם מספרי אלקטרודות ותצורות שונות הזמינים כעת19. יתרון מרכזי של MEAs הוא היכולת שלהם להעריך בו זמנית את הפעילות החשמלית בתאי עצב רבים עם דיוק מרחבי וטמפורלי גבוה באמצעות אלקטרודות מרובות15,16. זה מספק קריאה רחבה יותר של האופן שבו נוירונים מתקשרים במעגלים וברשתות, בתנאי בקרה ובנוכחות של תרכובות המיושמות באופן מקומי.
אחד האתגרים של ההכנות ל-DH במבחנה הוא שרמות הפעילות השוטפות בדרך כלל נמוכות. כאן, אתגר זה מטופל במעגלי DH של חוט השדרה באמצעות חוסם תעלות K+ המגודר במתח, 4-aminopryidine (4-AP), כדי לעורר כימית מעגלי DH. תרופה זו שימשה בעבר לביסוס פעילות חשמלית סינכרונית קצבית ב- DH של פרוסות חוט שדרה חריפות ובתנאים in vivo חריפים 20,21,22,23,24. ניסויים אלה השתמשו במדבקה חד-תאית ובהקלטה חוץ-תאית או בהדמיית סידן כדי לאפיין פעילות המושרה על-ידי 4-AP 20,21,22,23,24,25. יחד, עבודה זו הדגימה את הדרישה של העברה סינפטית מעוררת ומעכבת וסינפסות חשמליות לפעילות קצבית המושרה על ידי 4-AP. לפיכך, תגובת 4-AP נתפסה כגישה החושפת מעגלי DH פוליסינפטיים מקומיים בעלי רלוונטיות ביולוגית ולא כאפיפנומנון המושרה על ידי תרופה. יתר על כן, פעילות המושרה על ידי 4-AP מציגה פרופיל תגובה דומה לתרופות משככי כאבים ואנטי-אפילפטיות כמצבי כאב נוירופתיים ומשמשת להצעת מטרות חדשות של תרופות משככי כאבים המבוססות על עמוד השדרה כגון קונקסינים 20,21,22.
כאן מתוארת הכנה המשלבת MEAs והפעלה כימית של DH עמוד השדרה עם 4-AP כדי לחקור את המעגלים הנוסיקפטיים האלה במקרו-מעגל, או ברמת האנליזה של הרשת. גישה זו מספקת פלטפורמה יציבה וניתנת לשחזור לחקר מעגלים נוסיקפטיים במצבים 'דמויי כאב' נאיביים ונוירופתיים. הכנה זו ישימה בקלות גם לבדיקת הפעולה ברמת המעגל של משככי כאבים ידועים ולסינון משככי כאבים חדשניים בחוט השדרה ההיפראקטיבי.
מחקרים נערכו על עכברי c57Bl/6 זכרים ונקבות בגילאי 3-12 חודשים. כל ההליכים הניסוייים בוצעו בהתאם לוועדת הטיפול והאתיקה בבעלי חיים של אוניברסיטת ניוקאסל (פרוטוקולים A-2013-312, ו- A-2020-002).
1. אלקטרופיזיולוגיה במבחנה
כימי | aCSF (mM) | aCSF (g/100 מ"ל) | ACSF בתחליף סוכרוז (mM) | ACSF בתחליף סוכרוז (g/100 מ"ל) | ACSF עתיר אשלגן (mM) | ACSF עתיר אשלגן (g/100 מ"ל) |
נתרן כלורי (NaCl) | 118 | 0.690 | - | - | 118 | 0.690 |
נתרן מימן פחמתי (NaHCO3) | 25 | 0.210 | 25 | 0.210 | 25 | 0.210 |
גלוקוז | 10 | 0.180 | 10 | 0.180 | 10 | 0.180 |
פוטסיום כלוריד (KCl) | 2.5 | 0.019 | 2.5 | 0.019 | 4.5 | 0.034 |
נתרן דיהידרוגן פוספט (NaH2PO4) | 1 | 0.012 | 1 | 0.012 | 1 | 0.012 |
מגנזיום קלורייד (MgCl2) | 1 | 0.01 | 1 | 0.01 | 1 | 0.01 |
סידן כלוריד (CaCl2) | 2.5 | 0.028 | 2.5 | 0.028 | 2.5 | 0.028 |
סוכרוז | - | - | 250 | 8.558 | - | - |
טבלה 1: הרכבי נוזל מוחי מלאכותי. קיצור: aCSF = נוזל מוחי מלאכותי.
איור 1: כיווני פרוסות של חוט השדרה, שיטות הרכבה וחיתוך. (A) פרוסות רוחביות דורשות גוש חיתוך קלקר עם חריץ תומך שנחתך לתוכו. חוט השדרה מונח על הבלוק בחריץ התמיכה, הצד הגבי של החוט פונה הרחק מהגוש. הבלוק והחוט מודבקים על במת חיתוך עם דבק ציאנואקרילט. (B) פרוסות Sagittal מוכנות על ידי הנחת קו דק של דבק ציאנואקרילט על שלב החיתוך ולאחר מכן מיקום חוט השדרה על צדו על גבי הדבק. (C) פרוסות אופקיות מוכנות על ידי הנחת קו דק של דבק ציאנואקרילט על שלב החיתוך ולאחר מכן מיקום הצד הגחוני של חוט השדרה על גבי הדבק. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
פריסות מערך מיקרואלקטרודה | ||||
מודל מערך מיקרואלקטרודה | 60MEA 200/30iR-Ti | 60-3DMEA 100/12/40iR-Ti | 60-3DMEA 200/12/50iR-Ti | 60MEA 500/30iR-Ti |
מישורי או תלת-ממדי (תלת-ממדי) | מישורי | 3D | 3D | מישורי |
רשת אלקטרודות | 8 x 8 | 8 x 8 | 8 x 8 | 6 x 10 |
מרווח אלקטרודות | 200 מיקרומטר | 100 מיקרומטר | 200 מיקרומטר | 500 מיקרומטר |
קוטר אלקטרודה | 30 מיקרומטר | 12 מיקרומטר | 12 מיקרומטר | 30 מיקרומטר |
גובה אלקטרודה (3D) | N/A | 40 מיקרומטר | 50 מיקרומטר | N/A |
ניסויים | פרוסה רוחבית | פרוסה רוחבית | סגיטל + אופקי | סגיטל + אופקי |
טבלה 2: פריסות מערך מיקרו-אלקטרוניקה.
איור 2: מיקום רקמות על מערך המיקרו-אלקטרוניקה. (A) התמונה מציגה ראש MEA פתוח עם MEA הממוקם במקומו. (B) זהה ל-A עם ראש MEA סגור לצורך הקלטות ומערכת זלוף רקמות במקום. (C) התמונה מציגה MEA כפי שסופק על-ידי היצרן. מוצגות רפידות מגע, המתממשקות עם קפיצי הזהב של הבמה הראשית, ואמבט הרקמות MEA המחזיק את תמיסת הרחצה ברקמות ואת פרוסת הרקמות. השטח המודגש על ידי הריבוע האדום במרכז הוא המיקום של מערך האלקטרודות. (D) סכמות מציגות את שתי תצורות האלקטרודות של MEA ששימשו במחקר זה, עם פרטים נוספים המוצגים בטבלה 2. אלקטרודת הייחוס מסומנת על ידי הטרפז הכחול. פריסת האלקטרודות השמאלית של MEA מציגה תצורה מרובעת של 60 אלקטרודות, המשמשת בעיקר במודלי העבודה המוצגים 60MEA200/30iR-Ti עם אלקטרודות בקוטר 30 מיקרומטר במרווחים של 200 מיקרומטר זה מזה, או 200 μm מרווחים ו- 100 μm מרווחים 3-ממדיים MEAs (60MEA200/12/50iR-Ti ו- 60MEA100/12/40iR-Ti) עם אלקטרודות בקוטר 12 מיקרומטר ו-50 מיקרומטר או 40 מיקרומטר גובה, בהתאמה. פריסת אלקטרודות MEA השמאלית מציגה פריסה מלבנית של 6 x 10 אלקטרודות-60MEA500/30iR-Ti. (E) תמונה בהגדלה גבוהה של MEA מרובע 60MEA100/12/40iR-Ti עם פרוסת חוט שדרה רוחבית הממוקמת להקלטה. הפרוסה יושבת על שורות אלקטרודות 3-8. השורה העליונה של האלקטרודות, שאינן נוגעות בשום רקמה, משמשות כאלקטרודות ייחוס. אזור ה-SDH מופיע כלהקה חצי-שקופה. במקרה זה, ה-SDH מכסה את האלקטרודות בשורות 4, 5 ו-6 ואת העמודות 2, 3, 4, 5 ו-7 של ה-MEA. סרגל קנה מידה = 200 מיקרומטר. קיצורים: MEA = מערך מיקרואלקטרודה; SDH = קרן גב שטחית. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
2. עיבוד וניתוח נתונים
הערה: השלבים הבאים מפרטים כיצד להשתמש בתוכנת הניתוח עבור ניסויי MEA על פרוסות חוט השדרה. אחת מ-60 האלקטרודות משמשת כיחוס פנימי (מסומן על ידי טרפז באיור 2 C,D), בעוד שבין ארבע ל-25 מתוך 59 הנותרות ממוקמות מתחת ל-SDH בפרוסת חוט השדרה של עכבר בוגר. ניתוח מאוחר יותר מזהה צורות גל של פוטנציאל פעולה חוץ-תאי (EAP) ופוטנציאל שדה מקומי (LFP) (ראו איור 3B לדוגמה) מהאות הגולמי באזור זה.
איור 3: פריסות כלי הקלטה וניתוח נתונים ורישומי מערך מיקרו-אלקטרוניקה לדוגמה המציגים פוטנציאל פעולה חוץ-תאי וצורות גל פוטנציאליות של שדה מקומי. קישור ה-MEA2100 וכלי ההקלטה (headstage/amplifier) מאפשר לתת לנתונים שם ולשמור אותם. ארבע עקבות לדוגמה של נתונים גולמיים (מימין, תקופות של 5 דקות) נאספו על ידי ערוץ MEA אחד המציג פעילות בנקודת ההתחלה, 12 דקות לאחר יישום 4-AP, 15 דקות נוספות לאחר פעילות 4-AP מבוססת, ובעקבות יישום אמבטיה של TTX (1 μM). שים לב, התוספת של 4-AP (עקבות שניים) מייצרת עלייה ברורה ברעשי הרקע ובפעילות EAP/LFP. חשוב לציין שהפעילות נשארת יציבה יחסית במשך 15 דקות לפחות לאחר שנקבעה פעילות המושרה על ידי 4-AP (עקבות שלישיים). תוספת של TTX (1 μM) מבטלת את כל הפעילות (עקבות תחתונים). (B) סכמטי (משמאל) מציג תצורת תוכנת מנתח לניתוח נתונים. כלי סייר הנתונים הגולמי משמש לייבוא הקלטות שנאספו על ידי תוכנת הקלטה. נתונים אלה מריצים לאחר מכן באמצעות כלי סינון חוצה ערוצים שמחסיר את אותות האלקטרודות הייחוס שנבחרו מאלקטרודות אחרות כדי להסיר רעשי רקע. הנתונים עוברים דרך מסנן EAP וכלי הסינון של LFP כדי למטב את יחסי האות לרעש עבור כל צורת גל. לאחר שלב זה, נתוני נתיב ה- EAP נכנסים לכלי גלאי EAP, שבו מוגדרים ערכי סף. EAPs מזוהים ולאחר מכן נשלחים לכלי ניתוח EAP שבו העיכובים של כל אירוע נרשמים ומיוצאים כ- txt. קובץ. זרימת עבודה זהה מתרחשת עבור נתוני LFP באמצעות ערכת כלים תואמת של LFP. עקבות ימניים מראים נתונים מערוץ MEA יחיד המכיל צורות גל חוץ-תאיות שונות. המיקום של אותות EAP ו-LFP מודגשים ב'ספירת רסטרים' לעיל. עקבות תחתונים הם תקופות מהקלטה עליונה (המסומנות בפסים אדומים) המציגות צורות גל על ציר זמן מורחב, כולל אותות LFP שונים (שימו לב למגוון ההופעות) ו-EAPs חוץ-תאיים בודדים (עיגולים אדומים). שימו לב, צורת הגל והקוטביות של LFP/EAP משתנות ביחס למספר הנוירונים שמייצרים את האותות האלה, לקרבתם לאלקטרודת ההקלטה ולמיקומה ביחס לאלקטרודות הסמוכות. קיצורים: MEA = מערך מיקרואלקטרודה; EAP = פוטנציאל פעולה חוץ-תאי; LFP = פוטנציאל שדה מקומי; 4-AP = 4-אמינופירידין; TTX = טטרודוטוקסין. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
מודל פעילות הרשת בקרן הגב של חוט השדרה
יישום של 4-AP משרה באופן אמין פעילות קצבית סינכרונית בחוט השדרה DH. פעילות כזו מציגה כ-EAPs ו-LFPs מוגברים. האות המאוחר יותר הוא צורת גל בתדר נמוך, אשר תוארה בעבר בהקלטות MEA30. שינויים בפעילות ה-EAP ו/או ה-LFP בעקבות יישום התרופה משקפים שינוי...
למרות החשיבות של DH עמוד השדרה באיתות, עיבוד, והתגובות ההתנהגותיות והרגשיות הנובעות מכך המאפיינות כאב, המעגלים בתוך אזור זה נותרים לא מובנים היטב. אתגר מרכזי בחקירת סוגיה זו היה מגוון אוכלוסיות הנוירונים המרכיבות את המעגלים האלה 6,31,32. ההת?...
למחברים אין ניגודי עניינים להצהיר עליהם.
עבודה זו מומנה על ידי המועצה הלאומית לבריאות ומחקר רפואי (NHMRC) של אוסטרליה (מענקים 631000, 1043933, 1144638 1184974 ו- B.A.G. ו- R.J.C.) ומכון המחקר הרפואי האנטר (מענק ל- B.A.G. ו- 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 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved