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 som finansieras av Department of Defense (Defense Advanced Research Projects Agency, ung fakulteten Award, licensnummer N66001-09-1-2117) och NINDS (R15NS070734).

1. Kirurgisk Förberedelse av djuren 1. Försökspersoner Använd möss av B6.Cg-Tg (Thy1-COP4/eYFP) 18Gfng / J transgen linje 9, JAX stam # 7612) eller andra möss som uttrycker den blå ljuskänsliga katjon kanal Channelrhodopsin-2, i cerebrala kortikala neuroner. Applicering av blått ljus till hjärnbarken av B6.Cg-Tg (Thy1-COP4/eYFP) 18Gfng / J transgena linje orsakar pyramidala nervceller som uttrycker Channelrhodopsin-2 att depolarisera och genomgå ...

<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>

Metoderna som presenteras här tillåter en att mäta förhållandet mellan sömn och förändringar i hjärnan koncentrationen av glykolytiska mellanliggande laktat på en tidsskala inte varit möjligt. Djur genomgår spontana övergångar mellan vakna, NREMS och REMS. Dessutom kan vi använda optogenetic stimuli medan djur genomgår dessa övergångar. Data som samlats in hittills visar att både spontan och inducerad vågor påverkar avläsning av en laktatoxidas-baserad biosensor. Man ka...

<table border="1"><tbody><tr><td> Komponent </td><td> Företag </td><td> Katalognummer </td><td> Kommentarer (tillval) </td></tr><tr><td> BASI Mus över kanyl </td><td> Pinnacle Teknik / 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> Chef Mount </td><td> Pinnacle Technology </td><td> 8402 </td><td></td></tr><tr><td> Sömn / Biosensor Inspelningssystem </td><td> Pinnacle Technology </td><td> 8400-K1-SL </td><td> 2 EEG kanaler, 1 EMG kanal, och 1 biosensor </td></tr><tr><td> Bundna mus in vitro kalibreringssats </td><td> Pinnacle Technology </td><td> 7000-K1-T </td><td></td></tr><tr><td> Fiberoptikledaren kanyl </td><td> Plast One </td><td> C312G </td><td> 21 Gauge Guide kanyl </td></tr><tr><td> Dummy kanyl </td><td> Plast One </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> Fiberkontaktdon Crimp Tool </td><td> Thorlabs </td><td> CT042 </td><td></td></tr><tr><td> Furkation 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> Furkation Tube Stripper </td><td> Thorlabs </td><td> FTS3 </td><td></td></tr><tr><td> Bare Hård Beklädnad multimodfiber </td><td> Thorlabs </td><td> BFL37-200 </td><td> 200 um kärna, 0,37 NA </td></tr><tr><td> Wire Snips / Kevlar Sax </td><td> Thorlabs </td><td> T865 </td><td></td></tr><tr><td> Fiber Optic Epoxi </td><td> Thorlabs </td><td> F112 </td><td></td></tr&gt; <tr><td> Fiber Stripper verktyg </td><td> Thorlabs </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Slipning av glas 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 lupp </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> Tryckluft </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 Inspektion omfattning </td><td> Thorlabs </td><td> CL-200 </td><td></td></tr><tr><td> Polering filmer </td><td> Thorlabs </td><td> LFG5P, LFG3P, LFG1P, LFG03P </td><td></td></tr><tr><td> FC / dator-kontakten slut </td><td> Thorlabs </td&gt; <td> 30126G2-240 </td><td> 240 nm Bore, SS hylsa </td></tr><tr><td> MC Stimulus Unit </td><td> Multi-Channel System </td><td> STG-4002 </td><td></td></tr><tr><td> MC Stimulus programvaran </td><td> Multi-Channel System </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 Strömförsörjning </td><td> CrystaLaser </td><td> CL2005 </td><td></td></tr><tr><td> Fiberoptisk roterskarv </td><td> Doric Lenses </td><td> FRJ-v4 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Tabell 2. Förnödenheter och utrustning. </td></tr></tbody></table>

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

Även hjärnan utgör mindre än 5% av kroppens vikt, utnyttjar det ungefär en fjärdedel av den glukos som används av kroppen i vila 1. Funktionen av icke rapid eye movement sleep (NREMS), den största delen av sömn efter tid, är osäkert. Emellertid, är en framträdande egenskap hos NREMS en betydande minskning i hastigheten av cerebral glukosanvändning relativt vakenhet 2-4. Detta och andra fynd har lett till den vitt spridda uppfattningen att sömnen tjänar en funktion relaterad till cerebral metabolism. Men de mekanismer som ligger bakom minskningen av cerebral glukosmetabolism under NREMS återstår att klarlägga. Ett fenomen i samband med NREMS som kan påverka cerebral ämnesomsättning är förekomsten av långsamma vågor, svängningar vid frekvenser mindre än 4 Hz i elektroencefalogram 5,6. Dessa långsamma vågor detekteras i nivå med skallen eller cerebrala kortikala ytan återspeglarsvängningar underliggande neuroner mellan en depolariserad / upp tillstånd och en hyperpolariserad / ned-läge 7. Under ned-läge, inte genomgår celler inte aktionspotentialer för intervaller på upp till flera hundra millisekunder. Restaurering av joniska koncentrationsgradienter efter det att aktionspotentialer innebär en betydande metabolisk belastning på cellen 8, avsaknad av aktionspotentialer vid ned associerade med NREMS kan bidra till minskad ämnesomsättning i förhållande till vakna. Två tekniska utmaningar måste lösas för att denna hypotetiska relation som ska testas. Först var det nödvändigt att mäta cerebral glykolytiska metabolismen med en tidsupplösning reflekterande av dynamiken i den cerebrala EEG (dvs över sekunder snarare än minuter). För att göra det, mätte vi koncentrationen av laktat, produkten av aerob glykolys, och därför en avläsning av graden av glukosmetabolismen i hjärnan hos möss. Laktat varmäts med en laktatoxidas baserad realtid sensor inbyggd i frontala cortex. Den avkännande mekanism består av en platina-iridium elektrod omgiven av ett skikt av laktatoxidas molekyler. Metabolism av laktat genom laktatoxidas producerar väteperoxid, som alstrar en ström i platina-iridium elektrod. Så en upprampning av cerebral glykolys ger en ökning i koncentrationen av substratet för laktatoxidas, som sedan återspeglas i ökad ström vid den avkännande elektroden. Det var dessutom nödvändigt att mäta dessa variabler samtidigt manipulera retbarhet av hjärnbarken, i syfte att isolera denna variabel från andra aspekter av NREMS. Vi utarbetat ett experimentellt system för samtidig mätning av neuronal aktivitet via elecetroencephalogram, mätning av glykolytiska flödet via en laktat biosensor, och manipulation av cerebral kortikal neuronal aktivitet genom optogenetic aktivering av pyraMIDAL nervceller. Vi har använt detta system för att dokumentera sambandet mellan sömn-relaterade elektroencefalografiska vågformer och ögonblicket till ögonblick dynamik laktat koncentration i hjärnbarken. Protokollet kan vara användbar för varje enskild person intresserad av att studera i fritt beter gnagare, förhållandet mellan neuronal aktivitet mätt vid elektroencefalografiska nivå och cellulära energier i hjärnan.

<html> Såsom visas i figur 2, en mus utrustad för optogenetic stimulering och laktat / EEG / EMG datainsamling genomgick spontana sömn / vakna tillståndsövergångar medan EEG, EMG och cerebral laktat koncentration övervakades kontinuerligt. Ström vid laktat sensorn ökas under perioder med låg amplitud EEG och minskade under perioder med hög amplitud EEG. Såsom visas i figur 3, båda kanalerna hos EEG reagerar på optogenetic stimuli levereras i frontala cort...

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

Ett förfarande beskrivs för att manipulera aktiviteten hos cerebrala kortikala pyramidala nervceller optogenetically medan elektroencefalogram, elektromyogram, och cerebral laktatkoncentrationen övervakas. Experimentella inspelningar utförs på kabel-bundna möss medan de genomgår spontana Sleep / Wake-cykler. Optogenetic utrustning monteras i vårt laboratorium, färdskrivare är kommersiellt tillgänglig.

Samtidig Elektroencefalografi, realtidsmätning av laktat koncentration och optogenetic Manipulering av neuronal aktivitet hos gnagare 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

Samtidig fMRI och elektrofysiologi hos gnagare 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 för studier av Neuronal Morfogenes:<em&gt; Ex vivo</em&gt; RNAi Elektroporation i embryonal Murine 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 och Genetic Manipulation av dendriter och ryggar i mus hjärnbarken och hippocampus med användning av<em&gt; I utero</em&gt; Elektroporering

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

Dubbla Elektrofysiologiska Inspelningar av synaptiskt-framkallade astrogliala och neuronala svar i akut hippocampus skivor

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

Genetic Manipulation av Cerebellar granulneuroner<em&gt; In Vitro</em&gt; Och<em&gt; In Vivo</em&gt; Att studera neuronal morfologi och migration

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

Induktion Plasticitet hos astrocytiska Receptorer genom manipulering av neuron 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 gnagare centrala nervsystemet

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 ångan av hippocampus Theta svängningar i beter sig möss

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

Kombinerade transkraniell magnetisk stimulering och elektroencefalografi av dorsolaterala prefrontala 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

Samtidiga kryosnitt av flera gnagare hjärnor

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