Name: induction of an isoelectric brain state to investigate the impact of endogenous synaptic activity on neuronal excitability in vivo
Uploaded: 2016-03-31T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Induction of an Isoelectric Brain State to Investigate the Impact of Endogenous Synaptic Activity on Neuronal Excitability In Vivo at JoVE.com

Detta arbete har finansierats med bidrag från Fondation de France, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, Pierre &amp; Marie Curie University och programmet &quot;Investissements d&#39;avenir&quot; ANR-10-IAIHU-06.

Alla förfaranden genomfördes i enlighet med riktlinjerna från Europeiska unionen (direktiv 2010/63 / EU) och godkännas av Charles Darwin etisk nämnd djurförsöks. Vi beskriver här det förfarande som vi använder rutinmässigt i vårt laboratorium, men de flesta stegen kan anpassas för att matcha allas specifika behov. 1. Kirurgisk förberedelse Obs: Alla snitt och tryckpunkter bör upprepat infiltrerade med lokalbedövning (lidokain eller bupivakain). Det ...

Vi beskriver här en ny metod för att undertrycka in vivo spontan cerebral elektrisk aktivitet vid både nätverk och cellulära nivåer. Detta förfarande leder till en extrem hjärntillstånd, känd som isoelektrisk koma 41. Ur klinisk synvinkel är en sådan electrocerebral inaktivitet den allvarligaste abnormitet som kan ses på EEG. Det är främst förknippad med en irreversibel koma, med alla patienter antingen dör eller fortsätter i en ihållande vegetativt tillstånd 42, men ka...

I avsaknad av miljö stimuli eller beteende uppgifter, genererar &quot;vilande&quot; hjärna en kontinuerlig ström av elektrisk aktivitet som kan spelas in från hårbotten, som elektroencefalografiska (EEG) vågor. Den intracellulära korrelat av detta endogena cerebral aktivitet karakteriseras av bakgrundsmembranspänningsvariationer (även känd som &quot;synaptiska brus&quot;), som består av en kombination av excitatoriska och hämmande synaptiska potentialer som återspeglar den pågående aktiviteten hos afferenta nätverk 1,2. Denna spontana aktivitet varierar i frekvens och amplitud med olika lägen vaksamhet. Belysa effekterna av nätverksaktivitet på retbarhet och lyhördhet enskilda neuroner är en av de största utmaningarna för neurovetenskap 3,4. Många experimentella och beräknings studier har undersökt den funktionella effekten av pågående synaptisk aktivitet på integrativ properties från neuroner. Dock kvarstår den roll som olika neuronala parametrar påverkas av bakgrunds synaptiska buller svårfångade. Till exempel har den genomsnittliga nivån på membrandepolarisering visat positivt 5,6 eller negativt 7-9 korrelerad med förmågan hos sensoriska ingångar för att utlösa aktionspotentialer. Dessutom, medan vissa undersökningar tyder på att variationer i membranpotentialen, till följd av en kontinuerligt varierande ström av afferenta synaptiska ingångar, starkt påverkar känsligheten hos enskilda nervceller genom att modulera förstärkningen av deras input-output relation 3,10-13, andra tyder på att ändringar i membraninmatnings konduktans medierade av shuntning inhibering är tillräckliga för att modulera neuronal förstärkning oavsett omfattningen av membranfluktuationer 14,15. Slutligen, nya studier utförda på vakna djur betonade hur behandlingen av sensorisk information i en enda neuron beror kritiskt på tillståndet av vaksamhet ennd nuvarande beteende efterfrågan 16,17. En enkel strategi för att belysa den funktionella rollen av en viss process i en mycket sammanlänkat system är att avgöra hur dess frånvaro förändrar specifikt systemets funktion. Denna metod har använts i stor utsträckning i neurovetenskaplig forskning, till exempel med hjälp av experimentella skador eller inaktivering av olika hjärnområden 18-21, eller farmakologisk blockad av specifika jonkanaler 22,23. Särskilt har det använts in vivo för att avslöja hur funktionella anslutnings och nätverksdynamik påverkar enda cell beräkning 24-27. Men hittills lokala manipulationer avsedd att blockera avfyrandet av neuroner och / eller störa deras grundläggande biofysikaliska egenskaper kan vara delvis effektiva och är begränsade till relativt små hjärnvolym 28. För att övervinna dessa begränsningar, har vi utvecklat en ny in vivo experimentella tillvägagångssättråttan att jämföra elektrofysiologiska egenskaperna hos enskilda nervceller som spelats in i en given hjärntillstånd, det vill säga, inbäddade i ett visst nätverk dynamisk, till dem som erhållits efter fullständig undertryckande av hela hjärnan synaptisk aktivitet 29. I kontrollförhållanden, skulle två skilda kortikala dynamik genereras. Sömnliknande electrocorticographic (ECOG) mönster inducerades genom injektion av måttliga doser av natrium pentobarbital. Alternativt kan snabba ECOG vågor av små amplitud kan jämföras med kortikala aktiviteten som ligger bakom vaket tillstånd (vakna liknande mönster) framställas genom injektion av fentanyl. Därefter, under bibehållande av samma ECOG och intracellulär inspelning, en komplett tystande av endogen hjärnans elektriska aktivitet erhölls genom systemisk injektion av en hög dos av natriumpentobarbital, kännetecknad genom isoelektrisk ECOG och intracellulära aktiviteter. Eftersom induktion av en sådan extrem koma skulle kunna ha dödlig consequences på biologiska funktioner, var nödvändigt med en noggrann och kontinuerlig övervakning av fysiologiska variabler. Därför följde vi noggrant hjärtslag frekvens, slut tidvatten CO 2 koncentration (EtCO 2), O 2 mättnad (SpO 2) och kärntemperatur på råtta under hela experimenten. Vi utvärderar enskilda neuroner egenskaper under dessa olika tillstånd med hjälp av vassa mikroelektroder, som är särskilt lämpade för långa och stabila inspelningar in vivo. Det förfarande som beskrivs här, kan kombineras med andra elektrofysiologiska och avbildningsmetoder och skulle kunna utvidgas till andra djurmodeller.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Sodium Pentobarbital</td>
			<td>Centravet</td>
			<td>Pentobarbital</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ketamine 500</td>
			<td>Merial</td>
			<td>Imalg&#232;ne 500</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fentanyl&#160;</td>
			<td>Janssen-Cilag</td>
			<td>Fentanyl</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Xylocaine</td>
			<td>Centravet</td>
			<td>Xylovet</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gallamine triethiodide</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>G8134</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ECoG amplifier</td>
			<td>A-M Systems</td>
			<td>AC amplifier, Model 1700</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Intracellular amplifier</td>
			<td>Molecular Devices</td>
			<td>Axoclamp 900A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data acquisition interface</td>
			<td>Cambridge Electronic Design</td>
			<td>CED power 1401-3&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data analysis software</td>
			<td>Cambridge Electronic Design</td>
			<td>Spike2 version 7</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>micromanipulator</td>
			<td>Scientifica</td>
			<td>IVM-3000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Capillary Puller</td>
			<td>Narishige</td>
			<td>PE-2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Borosilicate glass capillaries</td>
			<td>Harvard Apparatus</td>
			<td>GC150F-10</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silver wire 0.125mm (intracellular recording)</td>
			<td>WPI</td>
			<td>AGT0525</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ag-AgCl reference</td>
			<td>Phymep</td>
			<td>E242</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silver wire 0.25mm (ECoG recording)</td>
			<td>WPI</td>
			<td>AGT1025</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Artificial respiration system</td>
			<td>Minerve</td>
			<td>Alpha Lab</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Physiological parameters monitoring</td>
			<td>Digicare</td>
			<td>LifeWindow Lite</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heating Blanket</td>
			<td>Harvard Apparatus</td>
			<td>507215</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stereomicroscope</td>
			<td>Leica</td>
			<td>M80</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scissors</td>
			<td>FST</td>
			<td>15005-08</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Forceps Dumont #5</td>
			<td>FST</td>
			<td>11295-10</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Forceps Dumont #5SF</td>
			<td>FST</td>
			<td>11252-00</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>IP Polyurethane catheter - 0.43x0.69mm&#160;&#160;</td>
			<td>Instech</td>
			<td>BTPU-027</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicon elastomere</td>
			<td>WPI</td>
			<td>KWIK-CAST</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dental drill</td>
			<td>NSK</td>
			<td>Y1001151 and P496</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Surgical glue</td>
			<td>3M</td>
			<td>vetbond</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

induction of an isoelectric brain state to investigate the impact of endogenous synaptic activity on neuronal excitability in vivo

Vägen nervceller bearbeta information beror både på deras inneboende membranegenskaper och på dynamiken i den afferenta synaptiska nätverk. Framför allt endogent genererade nätverksaktivitet, som starkt varierar som en funktion av tillståndet av vaksamhet, modulerar neuronal beräkning avsevärt. För att undersöka hur olika spontana cerebral dynamik påverka enskilda nervceller &quot;integrativa egenskaper har vi utvecklat en ny experimentell strategi hos råtta som består i att undertrycka in vivo alla hjärnaktivitet med hjälp av en systemisk injektion av en hög dos av natrium pentobarbital. Kortikala aktiviteter, kontinuerligt övervakas genom kombinerad electrocorticogram (ECOG) och intracellulära inspelningar gradvis långsammare, vilket leder till en stadig isoelektrisk profil. Denna extrema hjärntillstånd, sätta råtta i en djup koma, var noga med att mäta fysiologiska konstanterna djuret under experimenten. intracellulär recordings tillät oss att karakterisera och jämföra integrerande egenskaperna hos samma neuron inbäddad i fysiologiskt relevanta kortikala dynamik, såsom de som förekommer i sömn-vakenhetscykeln, och när hjärnan var helt tyst.

Induktion och upprätthålla en isoelektrisk hjärntillstånd är en känslig in vivo experimentella förfarande. Det har visat sig vara ett kraftfullt verktyg för att direkt undersöka effekterna av kortikala nätverk aktivitet på neuronala retbarhet och överföringsfunktionen 29. Figur 1 visar flera parametrar övervakning, inklusive ECOG och vitala konstanter, av djurets fysiologiska tillstånd före (Figur 1A ) och efter <stron...

Watch this Scientific Journal Video about Induction of an Isoelectric Brain State to Investigate the Impact of Endogenous Synaptic Activity on Neuronal Excitability In Vivo at JoVE.com

Induction of an Isoelectric Brain State to Investigate the Impact of Endogenous Synaptic Activity on Neuronal Excitability In Vivo

Denna procedur utför långvariga intracellulära inspelningar in vivo från enskilda nervceller under fysiologiskt relevanta cerebrala tillstånd och efter fullständigt avskaffande av pågående elektriska aktiviteter, vilket resulterar i en isoelektrisk hjärntillstånd. De fysiologiska konstanter av djuret övervakas noggrant under övergången till den konstgjorda koma tillstånd.

Induktion av en Isoelectric hjärntillstånd för att undersöka inverkan av endogen Synaptic aktivitet på neuronala retbarhet<em&gt; In Vivo</em

The way neurons process information depends both on their intrinsic membrane properties and on the dynamics of the afferent synaptic network. In ...

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Induction of an Isoelectric Brain State to Investigate the Impact of Endogenous Synaptic Activity on Neuronal Excitability In Vivo

Preparation of Oligomeric &beta;-amyloid1-42 and Induction of Synaptic Plasticity Impairment on Hippocampal Slices

Preparation of Oligomeric ÃƒÅ½Ã‚Â²-amyloid1-42 and Induction of Synaptic Plasticity Impairment on Hippocampal Slices

Beredning av Oligomer β-amyloid 1-42 Och induktion av synaptisk plasticitet Nedskrivning av hippocampus Slices

Impairment of synaptic connections is likely to underlie the subtle amnesic changes occurring at the early stages of Alzheimer s Disease (AD). ...

Vibrodissociation of Neurons from Rodent Brain Slices to Study Synaptic Transmission and Image Presynaptic Terminals

Vibrodissociation av nervceller från Slices Gnagare Brain att studera synaptisk transmission och bild Presynaptiska Terminaler

Mechanical dissociation of neurons from the central nervous system has the advantage that presynaptic boutons remain attached to the isolated neuron of ...

Multi-electrode Array Recordings of Neuronal Avalanches in Organotypic Cultures

Multi-elektrod Array Inspelningar av neuronala laviner i Organotypic kulturer

The cortex is spontaneously active, even in the absence of any particular input or motor output.  During development, this activity is important for the ...

In Vivo Two-photon Imaging Of Experience-dependent Molecular Changes In Cortical Neurons

In Vivo Two-photon Imaging Of Experience-dependent Molecular Changes In Cortical Neurons

In vivo Två-foton avbildning av erfarenhet beroende molekylära förändringar i kortikala neuron

The brain's ability to change in response to experience is essential for healthy brain function, and abnormalities in this process contribute to a variety ...

Fast Micro-iontophoresis of Glutamate and GABA: A Useful Tool to Investigate Synaptic Integration

Snabb Micro-iontophoresis av glutamat och GABA: Ett användbart verktyg för att undersöka Synaptic Integration

One of the fundamental interests in neuroscience is to understand the integration of excitatory and inhibitory inputs along the very complex structure of ...

A Procedure for Implanting Organized Arrays of Microwires for Single-unit Recordings in Awake, Behaving Animals

Ett förfarande för Implantation Organized arrayer av Microwires för Single-enhet Inspelningar i Awake, uppför djur

In vivo electrophysiological recordings in the awake, behaving animal provide a powerful method for understanding neural signaling at the single-cell ...

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 ...

In Utero Electroporation Approaches to Study the Excitability of Neuronal Subpopulations and Single-cell Connectivity

In Utero Electroporation Approaches to Study the Excitability of Neuronal Subpopulations and Single-cell Connectivity

I livmodern elektroporering Approaches att studera retbarhet av neuronala Subpopulationer och encelliga Connectivity

The nervous system is composed of an enormous range of distinct neuronal types. These neuronal subpopulations are characterized by, among other features, ...

Recording Synaptic Plasticity in Acute Hippocampal Slices Maintained in a Small-volume Recycling-, Perfusion-, and Submersion-type Chamber System

Inspelning synaptisk plasticitet i akut Hippocampus skivor underhålls i en små volymer återvinning - Perfusion- och nedsänkning-typ kammaresystem

Even though experiments on brain slices have been in use since 1951, problems remain that reduce the probability of achieving a stable and successful ...

Combining Optogenetics with Artificial microRNAs to Characterize the Effects of Gene Knockdown on Presynaptic Function within Intact Neuronal Circuits

Att kombinera optogenetik med konstgjorda mikroRNA att karakterisera de effekter av genen Knockdown på presynaptiska funktion inom intakt neuronala kretsar

The purpose of this protocol is to characterize the effect of gene knockdown on presynaptic function within intact neuronal circuits. We describe a ...