Name: simultaneous electroencephalography, real-time measurement of lactate concentration and optogenetic manipulation of neuronal activity in the rodent cerebral cortex
Uploaded: 2012-12-19T12:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Simultaneous Electroencephalography, Real-time Measurement of Lactate Concentration and Optogenetic Manipulation of Neuronal Activity in the Rodent Cerebral C

Forskning finansiert av Department of Defense (Defense Advanced Research Projects Agency, Young fakultet Award, Grant Number N66001-09-1-2117) og NINDS (R15NS070734).

1. Kirurgisk Utarbeidelse av Dyr 1. Eksperimentelle fag Bruk mus av B6.Cg-Tg (Thy1-COP4/eYFP) 18Gfng / J transgen linje 9; JAX belastningsmålere # 7612) eller andre mus uttrykker blå lysfølsomme kation kanal Channelrhodopsin-2, i cerebrale kortikale nevroner. Anvendelsen av blått lys til hjernebarken av B6.Cg-Tg (Thy1-COP4/eYFP) 18Gfng / J transgene linjen fører til pyramidale nevroner uttrykker Channelrhodopsin-2 til depolarize og gjennomgå aksjonspo...

<ol>
	<li>Magistretti, P., Zigmond, M. J., Bloom, F. E., Landis, S. C., Roberts, J. L., Squire, L. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brain+Energy+Metabolism.">Brain Energy Metabolism.</a> Fundamental Neuroscience. , 389-413 (1999).</li><li>Maquet, P., 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=Cerebral+glucose+utilization+during+sleep-wake+cycle+in+man+determined+by+positron+emission+tomography+and+[18F]2-fluoro-2-deoxy-D-glucose+method.">Cerebral glucose utilization during sleep-wake cycle in man determined by positron emission tomography and [18F]2-fluoro-2-deoxy-D-glucose method.</a> Brain Res. 513 (1), 136-143 (1990).</li><li>Buchsbaum, M. S., 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=Regional+cerebral+glucose+metabolic+rate+in+human+sleep+assessed+by+positron+emission+tomography.">Regional cerebral glucose metabolic rate in human sleep assessed by positron emission tomography.</a> Life Sci. 45 (15), 1349-1356 (1989).</li><li>Kennedy, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Local+cerebral+glucose+utilization+in+non-rapid+eye+movement+sleep.">Local cerebral glucose utilization in non-rapid eye movement sleep.</a> Nature. 297 (5864), 325-327 (1982).</li><li>Pappenheimer, J. R., Koski, G., Fencl, V., Karnovsky, M. L., Krueger, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Extraction+of+sleep-promoting+factor+S+from+cerebrospinal+fluid+and+from+brains+of+sleep-deprived+animals.">Extraction of sleep-promoting factor S from cerebrospinal fluid and from brains of sleep-deprived animals.</a> J. Neurophysiol. 38 (6), 1299-1311 (1975).</li><li>Borbely, A. A., Achermann, P., Kryger, M. H., Roth, T., Dement, W. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sleep+homeostasis+and+models+of+sleep+regulation.">Sleep homeostasis and models of sleep regulation.</a> Principles and Practice of Sleep Medicine. , 377-390 (2004).</li><li>Destexhe, A., Contreras, D., Steriade, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatiotemporal+analysis+of+local+field+potentials+and+unit+discharges+in+cat+cerebral+cortex+during+natural+wake+and+sleep+states.">Spatiotemporal analysis of local field potentials and unit discharges in cat cerebral cortex during natural wake and sleep states.</a> J. Neurosci. 19 (11), 4595-4608 (1999).</li><li>Astrup, J., Sorensen, P. M., Sorensen, H. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Oxygen+and+glucose+consumption+related+to+Na+-K++transport+in+canine+brain.">Oxygen and glucose consumption related to Na+-K+ transport in canine brain.</a> Stroke. 12 (6), 726-730 (1981).</li><li>Arenkiel, B. R., 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=In+vivo+light-induced+activation+of+neural+circuitry+in+transgenic+mice+expressing+channelrhodopsin-2.">In vivo light-induced activation of neural circuitry in transgenic mice expressing channelrhodopsin-2.</a> Neuron. 54 (2), 205-218 (2007).</li><li>Mateo, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+Vivo+Optogenetic+Stimulation+of+Neocortical+Excitatory+Neurons+Drives+Brain-State-Dependent.">In Vivo Optogenetic Stimulation of Neocortical Excitatory Neurons Drives Brain-State-Dependent.</a> Curr. Biol. , (2011).</li><li>Wisor, J. P., Clegern, W. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantification+of+short-term+slow+wave+sleep+homeostasis+and+its+disruption+by+minocycline+in+the+laboratory+mouse.">Quantification of short-term slow wave sleep homeostasis and its disruption by minocycline in the laboratory mouse.</a> Neurosci. Lett. 490 (3), 165-169 (2011).</li><li>El Yacoubi, M., 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=Behavioral,+neurochemical,+and+electrophysiological+characterization+of+a+genetic+mouse+model+of+depression.">Behavioral, neurochemical, and electrophysiological characterization of a genetic mouse model of depression.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 100 (10), 6227-6232 (2003).</li><li>Tsunematsu, T., 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=Acute+optogenetic+silencing+of+orexin/hypocretin+neurons+induces+slow-wave+sleep+in+mice.">Acute optogenetic silencing of orexin/hypocretin neurons induces slow-wave sleep in mice.</a> J. Neurosci. 31 (29), 10529-10539 (2011).</li><li>Le, S., Gruner, J. A., Mathiasen, J. R., Marino, M. J., Schaffhauser, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Correlation+between+ex+vivo+receptor+occupancy+and+wake-promoting+activity+of+selective+H3+receptor+antagonists.">Correlation between ex vivo receptor occupancy and wake-promoting activity of selective H3 receptor antagonists.</a> J. Pharmacol. Exp. Ther. 325 (3), 902-909 (2008).</li><li>Burmeister, J. J., Palmer, M., Gerhardt, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=L-lactate+measures+in+brain+tissue+with+ceramic-based+multisite+microelectrodes.">L-lactate measures in brain tissue with ceramic-based multisite microelectrodes.</a> Biosens. Bioelectron. 20 (9), 1772-1779 (2005).</li><li>Cardin, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Targeted+optogenetic+stimulation+and+recording+of+neurons+in+vivo+using+cell-type-specific+expression+of+Channelrhodopsin-2.">Targeted optogenetic stimulation and recording of neurons in vivo using cell-type-specific expression of Channelrhodopsin-2.</a> Nat. Protoc. 5 (2), 247-254 (2010).</li><li>Destexhe, A., Contreras, D., Steriade, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cortically-induced+coherence+of+a+thalamic-generated+oscillation.">Cortically-induced coherence of a thalamic-generated oscillation.</a> Neuroscience. 92 (2), 427-443 (1999).</li><li>Liu, Z. W., Faraguna, U., Cirelli, C., Tononi, G., Gao, X. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+evidence+for+wake-related+increases+and+sleep-related+decreases+in+synaptic+strength+in+rodent+cortex.">Direct evidence for wake-related increases and sleep-related decreases in synaptic strength in rodent cortex.</a> J. Neurosci. 30 (25), 8671-8675 (2010).</li><li>Iwai, Y., Honda, S., Ozeki, H., Hashimoto, M., Hirase, H. <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+head-mountable+LED+device+for+chronic+stimulation+of+optogenetic+molecules+in+freely+moving+mice.">A simple head-mountable LED device for chronic stimulation of optogenetic molecules in freely moving mice.</a> Neurosci. Res. 70 (1), 124-127 (2011).</li></ol>

Metodene som presenteres her tillate en å måle forholdet mellom søvn og endringer i hjernen konsentrasjonen av glykolytisk mellomliggende laktat på en tidsskala ikke tidligere var mulig. Dyr gjennomgå spontane overganger mellom vekke, NREMS og REMS. Videre er vi i stand til å anvende optogenetic stimuli mens dyr gjennomgå disse overgangene. Data innsamlet hittil viser at både spontan og induserte bølger innvirkning på avlesning av en laktat oksydase-basert biosensor. Man kunne kons...

<table border="1"><tbody><tr><td> Komponent </td><td> Selskapet </td><td> Katalognummer </td><td> Kommentarer (valgfritt) </td></tr><tr><td> Basi Mouse over Kanyle </td><td> Pinnacle Teknologi / Basi Inc </td><td> 7032 </td><td></td></tr><tr><td> Laktat Biosensor </td><td> Pinnacle Technology </td><td> 7004 </td><td></td></tr><tr><td> Hodet Mount </td><td> Pinnacle Technology </td><td> 8402 </td><td></td></tr><tr><td> Søvn / Biosensor Innspillingssystem </td><td> Pinnacle Technology </td><td> 8400-K1-SL </td><td> 2 EEG-kanaler, en EMG kanal, og en biosensor </td></tr><tr><td> Tethered Mouse in-vitro Calibration kit </td><td> Pinnacle Technology </td><td> 7000-K1-T </td><td></td></tr><tr><td> Fiberoptisk over Kanyle </td><td> Plast En </td><td> C312G </td><td> 21 Gauge Guide Kanyle </td></tr><tr><td> Dummy kanyle </td><td> Plast En </td><td> C312DC </td><td> 21 Gauge Dummy </td></tr><tr><td> Diamond Fiber Scribe </td><td> Thorlabs </td><td> S90W </td><td></td></tr><tr><td> Fiber Connector Crimp Tool </td><td> Thorlabs </td><td> CT042 </td><td></td></tr><tr><td> Furcation Tubing </td><td> Thorlabs </td><td> FT030 </td><td> 03,0 mm </td></tr><tr><td></td><td> Thorlabs </td><td> T10S13 </td><td> Max Dia. 0.012 </td></tr><tr><td> Furcation Tube Stripper </td><td> Thorlabs </td><td> FTS3 </td><td></td></tr><tr><td> Bare Hard Kledning Multimode Fiber </td><td> Thorlabs </td><td> BFL37-200 </td><td> 200 mikrometer Core, 0,37 NA </td></tr><tr><td> Wire Snips / Kevlar Shears </td><td> Thorlabs </td><td> T865 </td><td></td></tr><tr><td> Fiberoptisk Epoxy </td><td> Thorlabs </td><td> F112 </td><td></td></tr&gt; <tr><td> Fiber Stripper Tool </td><td> Thorlabs </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Glass Polering Plate </td><td> Thorlabs </td><td> CTG913 </td><td></td></tr><tr><td> Gummi Polering Pad </td><td> Thorlabs </td><td> NRS913 </td><td></td></tr><tr><td> Eye Loupe </td><td> Thorlabs </td><td> JEL10 </td><td></td></tr><tr><td> Kim Wipes </td><td> Thorlabs </td><td> KW32 </td><td></td></tr><tr><td> Trykkluft </td><td> Thorlabs </td><td> CA3 </td><td></td></tr><tr><td> Polering Puck </td><td> Thorlabs </td><td> D50-xx </td><td></td></tr><tr><td> Fiber Inspection omfang </td><td> Thorlabs </td><td> CL-200 </td><td></td></tr><tr><td> Polering Films </td><td> Thorlabs </td><td> LFG5P, LFG3P, LFG1P, LFG03P </td><td></td></tr><tr><td> FC / PC-kontakt end </td><td> Thorlabs </td&gt; <td> 30126G2-240 </td><td> 240 mikrometer Bore, SS ferrule </td></tr><tr><td> MC Stimulus Unit </td><td> Multi-Channel Systems </td><td> STG-4002 </td><td></td></tr><tr><td> MC Stimulus Software </td><td> Multi-Channel Systems </td><td> MC-Stimulus V 2.1.5 </td><td></td></tr><tr><td> Blå Laser </td><td> CrystaLaser </td><td> CL473-050-0 </td><td></td></tr><tr><td> Laser Strømforsyning </td><td> CrystaLaser </td><td> CL2005 </td><td></td></tr><tr><td> Fiberoptisk Rotary Joint </td><td> Doriske Objektiver </td><td> FRJ-v4 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Tabell 2. Rekvisita og utstyr. </td></tr></tbody></table>

simultaneous electroencephalography, real-time measurement of lactate concentration and optogenetic manipulation of neuronal activity in the rodent cerebral cortex

Selv om hjernen representerer mindre enn 5% av kroppen ved massen, benytter den omtrent en fjerdedel av den glukose som brukes av kroppen ved hvile 1. Funksjonen av ikke rapid eye movement søvn (NREMS), den største delen av søvn etter tid, er usikkert. Imidlertid er en særtrekk NREMS en betydelig reduksjon i hyppigheten av cerebral glukose utnyttelse i forhold til våkenhet 2-4. Dette og andre funn har ført til utbredt oppfatning at søvn serverer en funksjon i forhold til cerebral metabolisme. Likevel, mekanismene bak reduksjon i cerebral glukose metabolisme under NREMS gjenstår å bli belyst. Et fenomen knyttet til NREMS som kan påvirke cerebral metabolic rate er forekomsten av langsomme bølger, svingninger på frekvenser mindre enn 4 Hz, i elektroencefalogram 5,6. Disse langsomme bølger detektert ved nivået av skallen eller cerebral kortikale overflate reflekterersvingninger av underliggende nevroner mellom en depolarized / opp staten og en hyperpolarized / ned tilstand 7. Under ned staten, ikke celler gjennomgå aksjonspotensialer i intervaller på opptil flere hundre millisekunder. Restaurering av ioniske konsentrasjon gradienter i etterkant aksjonspotensialer representerer en betydelig metabolsk belastning på cellen 8; fravær av aksjonspotensialer under ned stater forbundet med NREMS kan bidra til redusert metabolisme i forhold til å våkne. To tekniske utfordringer måtte rettes for at denne hypotetiske forholdet som skal testes. Først var det nødvendig å måle cerebral glykolytisk metabolisering med tidsoppløsning reflekterende av dynamikken av cerebral EEG (som er, over sekunder snarere enn minutter). For å gjøre dette, har vi målt konsentrasjonen av laktat, produktet av aerobe glykolysen, og derfor en avlesning av frekvensen av glukosemetabolismen i hjernen til mus. Laktat varmålt ved hjelp av en laktat oxidase basert sanntid sensor innebygd i frontal cortex. Sensing mekanismen består av en platina-iridium elektrode omgitt av et lag av laktat oksidase molekyler. Metabolismen av laktat ved laktat oxidase produserer hydrogen peroxide, som produserer en strøm i platina-iridium elektroden. Så en gradvis oppbygging av cerebral glykolysen gir en økning i konsentrasjonen av substrat for laktat oksydase, som deretter er reflektert i økte gjeldende ved sensing elektroden. Det var i tillegg nødvendig å måle disse variablene samtidig manipulere excitability av hjernebarken, for å isolere denne variabelen fra andre fasetter av NREMS. Vi utviklet et eksperimentelt system for samtidig måling av neuronal aktivitet via elecetroencephalogram, måling av glycolytic flux via en laktat biosensor, og manipulering av cerebral kortikale neuronal aktivitet via optogenetic aktivering av Pyramidal nerveceller. Vi har benyttet dette systemet for å dokumentere sammenhengen mellom søvn-relatert elektroencefalografiske kurver og øyeblikk til øyeblikk dynamikken i laktatkonsentrasjon i hjernebarken. Protokollen kan være nyttig for en hvilken som helst individuell interessert i å studere, i fritt oppfører gnagere, forholdet mellom neuronal aktivitet målt på elektroencefalografiske nivå og cellulære energetikk i hjernen.

<html> Som vist i figur 2, en mus utstyrt for optogenetic stimulering og laktat / EEG / EMG datainnsamling gjennomgikk spontane søvn / våkne tilstandsoverganger mens EEG, EMG og cerebral laktatkonsentrasjon ble overvåket kontinuerlig. Gjeldende ved laktat sensoren økt i perioder med lav amplitude EEG og redusert i perioder med høy amplitude EEG. Som vist i figur 3, og begge kanaler i EEG er responsive til optogenetic stimuli levert i frontal cortex. <p class="...

Watch this Scientific Journal Video about Simultaneous Electroencephalography, Real-time Measurement of Lactate Concentration and Optogenetic Manipulation of Neuronal Activity in the Rodent Cerebral C

Simultaneous Electroencephalography, Real-time Measurement of Lactate Concentration and Optogenetic Manipulation of Neuronal Activity in the Rodent Cerebral Cortex

En prosedyre er beskrevet for å manipulere aktiviteten av cerebrale kortikale pyramidale neuroner optogenetically mens electroencephalogram, elektromyogram og cerebral laktatkonsentrasjon overvåkes. Eksperimentelle opptak er utført på kabel-tethered mus mens de gjennomgår spontane søvn / våkne sykluser. Optogenetic utstyr er montert i vårt laboratorium, opptaksutstyr er kommersielt tilgjengelig.

Samtidig Electroencephalography, Real-time Måling av laktat Konsentrasjon og Optogenetic Manipulering av neuronal aktivitet i Rodent Cerebral Cortex

Although the brain represents less than 5% of the body  by mass, it utilizes approximately one quarter of the glucose used by the body  at rest1. The ...

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Simultaneous fMRI and Electrophysiology in the Rodent Brain

To examine the neural basis of the blood oxygenation level dependent (BOLD) magnetic resonance imaging (MRI) signal, we have developed a rodent model in ...

Methods for Study of Neuronal Morphogenesis: Ex vivo RNAi Electroporation in Embryonic Murine Cerebral Cortex

Methods for Study of Neuronal Morphogenesis: Ex vivo RNAi Electroporation in Embryonic Murine Cerebral Cortex

Metoder for å studere nevrale morphogenesis:<em&gt; Ex vivo</em&gt; RNAi electroporation i Embryonic murin Cerebral Cortex

The cerebral cortex directs higher cognitive functions. This six layered structure is generated in an inside-first, outside-last manner, in which the ...

Visualization and Genetic Manipulation of Dendrites and Spines in the Mouse Cerebral Cortex and Hippocampus using In utero Electroporation

Visualization and Genetic Manipulation of Dendrites and Spines in the Mouse Cerebral Cortex and Hippocampus using In utero Electroporation

Visualisering og genetisk manipulering av dendritter og pigger i Mus hjernebarken og hippocampus hjelp<em&gt; I fosterlivet</em&gt; Electroporation

In utero electroporation (IUE) has become a powerful technique to study the development of different regions of the embryonic nervous system 1-5. To date ...

Dual Electrophysiological Recordings of Synaptically-evoked Astroglial and Neuronal Responses in Acute Hippocampal Slices

Dual Elektrofysiologiske Opptak av Synaptically-fremkalt Astroglial og Neuronal Responses i akutt hippocampus Slices

Astrocytes form together with neurons tripartite synapses, where they integrate and modulate neuronal activity. Indeed, astrocytes sense neuronal inputs ...

Genetic Manipulation of Cerebellar Granule Neurons In Vitro and In Vivo to Study Neuronal Morphology and Migration

Genetic Manipulation of Cerebellar Granule Neurons In Vitro and In Vivo to Study Neuronal Morphology and Migration

Genetisk manipulering av Lillehjernen Granule Neuroner<em&gt; In Vitro</em&gt; Og<em&gt; I Vivo</em&gt; Å studere nevrale morfologi og migrasjon

Developmental events in the brain including neuronal morphogenesis and migration are highly orchestrated processes. In vitro and in vivo analyses allow ...

Inducing Plasticity of Astrocytic Receptors by Manipulation of Neuronal Firing Rates

Inducing Plasticity av astrocytic Reseptorer av Manipulering av nevronal utløsning priser

Close to two decades of research has established that astrocytes in situ and in vivo express numerous G protein-coupled receptors (GPCRs) that can be ...

In vivo Optogenetic Stimulation of the Rodent Central Nervous System

In vivo Optogenetic Stimulation of the Rodent Central Nervous System

In vivo optogenetic Stimulering av gnagere sentralnervesystemet

The ability to probe defined neural circuits in awake, freely-moving animals with cell-type specificity, spatial precision, and high temporal resolution ...

Optogenetic Entrainment of Hippocampal Theta Oscillations in Behaving Mice

Optogenetic Entrainment av hippocampus Theta svingninger i oppfører seg mus

Extensive data on relationships of neural network oscillations to behavior and organization of neuronal discharge across brain regions call for new tools ...

Combined Transcranial Magnetic Stimulation and Electroencephalography of the Dorsolateral Prefrontal Cortex

Kombinert Transkraniell magnetisk stimulering og Elektroencefalogram på Dorsolateral Prefrontal cortex

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a non-invasive method that produces neural excitation in the cortex by means of brief, time-varying magnetic ...

Simultaneous Cryosectioning of Multiple Rodent Brains

Samtidig og kryosnitt flere gnager hjerner

Histology and immunohistochemistry are routine methods of analysis to visualize microscopic anatomy and localize proteins within biological tissue. In ...