تحريض دولة ISOELECTRIC الدماغ المعنية بالتحقيق في أثر الذاتية متشابك آخر على العصبية استثارة<em> في فيفو</em
Summary
هذا الإجراء يؤدي طويلة الأمد في الجسم الحي تسجيلات داخل الخلايا من الخلايا العصبية واحدة خلال الدول الدماغية ذات الصلة من الناحية الفسيولوجية وبعد الإلغاء التام للأنشطة الكهربائية المستمرة، مما أدى إلى حالة الدماغ كهرساوي. تتم مراقبتها الثوابت الفسيولوجية للحيوان بعناية خلال الانتقال إلى حالة غيبوبة اصطناعية.
Abstract
تعتمد معالجة المعلومات بطريقة الخلايا العصبية على حد سواء على خصائص الغشاء الجوهرية وعلى ديناميات شبكة متشابك وارد. ولا سيما، نشاط الشبكة ولدت التطور الطبيعي، الذي يختلف بقوة بوصفها وظيفة من حالة اليقظة، ينظم بشكل كبير العصبية حساب. للتحقيق في مدى اختلاف تؤثر ديناميات الدماغية عفوية الخصائص التكاملية الخلايا العصبية واحدة "، وضعنا استراتيجية التجريبية الجديدة في الفئران التي تتكون في قمع المجراة عن النشاط الدماغي عن طريق الحقن النظامية من جرعة عالية من الصوديوم بنتوباربيتال. وتباطأ الأنشطة القشرية، المراقبة المستمرة من قبل مخطط كهربية قشر الدماغ جنبا إلى جنب (ECoG) والتسجيلات داخل الخلايا تدريجيا إلى أسفل، مما أدى إلى الملف الشخصي كهرساوي ثابت. هذه الدولة الدماغ المتطرفة، ووضع الفئران في غيبوبة عميقة، تم رصدها بعناية عن طريق قياس الثوابت الفسيولوجية للحيوان في جميع أنحاء التجارب. ص الخلايايسمح ecordings لنا لتوصيف ومقارنة خصائص متكاملة من نفس الخلايا العصبية جزءا لا يتجزأ في ديناميات القشرية ذات الصلة من الناحية الفسيولوجية، مثل تلك التي واجهتها في دورة النوم واليقظة، وعندما كان الدماغ صامت تماما.
Introduction
في غياب أي محفزات البيئية أو المهام السلوكية، و "يستريح" الدماغ يولد تيار مستمر من النشاط الكهربائي التي يمكن تسجيلها من فروة الرأس، كما الكهربي (EEG) الأمواج. يتميز المضاهاة بين الخلايا من هذا النشاط الدماغي الذاتية بتقلبات غشاء خلفية الجهد (المعروف أيضا باسم "الضوضاء متشابك")، التي تتكون من مزيج من إمكانات متشابك مثير والمثبطة التي تعكس النشاط المستمر للشبكات وارد 1،2. يختلف هذا النشاط العفوي في التردد والسعة مع دول مختلفة من اليقظة. توضيح تأثير نشاط الشبكة على استثارة واستجابة الخلايا العصبية واحدة هي واحدة من التحديات الرئيسية في العلوم العصبية 3،4.
واستكشفت العديد من الدراسات التجريبية والحسابية تأثير وظيفي من النشاط متشابك المستمر على ممتلكاتهم التكامليالصورة من الخلايا العصبية. ومع ذلك، فإن دور المعلمات العصبية المختلفة التي تأثرت الضوضاء الخلفية متشابك لا يزال بعيد المنال. على سبيل المثال، تم العثور على مستوى متوسط من الاستقطاب غشاء إيجابيا أو سلبيا 5،6 7-9 المترابطة مع القدرة المدخلات الحسية لتحريك إمكانات العمل. وعلاوة على ذلك، في حين تشير بعض التحقيقات التي تقلبات غشاء المحتملة الناتجة عن تيار متفاوتة بشكل مستمر من مدخلات متشابك وارد، تؤثر بقوة على استجابة الخلايا العصبية واحدة عن طريق تحوير كسب العلاقة بين المدخلات والمخرجات الخاصة 3،10-13، والبعض الآخر يشير إلى أن التغييرات في تصرف غشاء المدخلات بوساطة تحويلة تثبيط كافية لتعديل ربح العصبية بغض النظر عن حجم التقلبات غشاء 14،15. وأخيرا، أكدت دراسات حديثة أجريت على الحيوانات المستيقظة كيفية معالجة المعلومات الحسية في الخلايا العصبية واحدة يعتمد بشكل حاسم على حالة من اليقظة لالثانية السلوكي الحالي 16،17 الطلب.
استراتيجية واضحة لإلقاء الضوء على الدور الوظيفي للعملية معينة في نظام مترابط للغاية في تحديد كيف غيابها يغير وجه التحديد أداء النظام. وقد استخدمت هذه الطريقة على نطاق واسع في الأبحاث علم الأعصاب، على سبيل المثال باستخدام الآفات التجريبية أو تعطيل للمناطق الدماغ المختلفة 18-21، أو الحصار الدوائي من القنوات الأيونية محددة 22،23. والجدير بالذكر، وقد تم تطبيقه في الجسم الحي لكشف النقاب عن الكيفية التي تؤثر بها وظيفية الاتصال وشبكة ديناميكية خلية واحدة حساب 24-27. ومع ذلك، لتاريخ التلاعب المحلية تهدف إلى منع إطلاق الخلايا العصبية و / أو التشويش على الخصائص الفيزيائية الحيوية الأساسية يمكن أن تكون فعالة جزئيا وتقتصر على كميات الدماغ صغيرة نسبيا (28).
للتغلب على هذه القيود، وضعنا الجديد في المنهج التجريبي المجراة فيالفئران على مقارنة الخصائص الكهربية للخلايا العصبية واحدة سجلت في حالة دماغية معينة، أي جزءا لا يتجزأ من شبكة معينة ديناميكية، لتلك التي حصلت بعد القضاء الكامل علي كامل الدماغ النشاط متشابك 29. في الظروف السيطرة، يمكن أن تتولد اثنين ديناميات القشرية متميزة. استميلت أنماط مثل النوم electrocorticographic (ECoG) عن طريق الحقن جرعات معتدلة من بنتوباربيتال الصوديوم. بدلا من ذلك، موجات ECoG سريعة من السعة صغيرة مقارنة بالنشاط القشرية الكامنة وراء حالة اليقظة (مثل الاستيقاظ نمط) يمكن أن تنتج عن طريق الحقن من الفنتانيل. وفي وقت لاحق، مع الحفاظ على نفس ECoG وتسجيل داخل الخلايا، تم الحصول على إسكات كاملة من الذاتية نشاط الدماغ الكهربائي عن طريق الحقن النظامية من جرعة عالية من الصوديوم بنتوباربيتال، وتتميز ECoG كهرساوي والأنشطة داخل الخلايا. لأن تحريض مثل هذه غيبوبة المتطرفة يحتمل أن يكون consequen قاتلةالمجال الاقتصادي الموحد على الوظائف البيولوجية، وكان الرصد الدقيق والمستمر من المتغيرات الفسيولوجية الأساسية. لذلك، تابعنا بدقة وتيرة ضربات القلب، وCO 2 تركيز نهاية المد والجزر (اتكو 2)، تشبع O 2 (مكتب التخطيط الاستراتيجي 2) ودرجة الحرارة الأساسية من الفئران في جميع أنحاء التجارب.
نحن تقييم خصائص الخلايا العصبية واحدة خلال هذه الدول مختلفة باستخدام الميكروية حادة، والتي هي مناسبة بشكل خاص للتسجيلات طويلة ومستقرة في الجسم الحي. الإجراء الموضح هنا، يمكن الجمع بين النهج الكهربية والتصوير الأخرى، ويمكن أن تمتد إلى النماذج الحيوانية الأخرى.
Protocol
Representative Results
Discussion
نحن هنا وصف طريقة جديدة لقمع المجراة عفوية النشاط الكهربائي الدماغي في كل شبكة ومستويات الخلايا. هذا الإجراء يؤدي إلى حالة الدماغ المتطرفة، والمعروفة باسم غيبوبة كهرساوي 41. من جهة نظر سريرية، مثل هذا الخمول electrocerebral هو شذوذ الأكثر الشديد الذي يمكن أن ينظر …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل من المنح المقدمة من مؤسسة فرنسا، والمعهد الوطني للسانتيه إت للبحوث ميديكال، وجامعة بيير وماري كوري وبرنامج "INVESTISSEMENTS دي AVENIR" وكالة الاستخبارات الوطنية-10-IAIHU-06.
Materials
| Sodium Pentobarbital | Centravet | Pentobarbital | |
| Ketamine 500 | Merial | Imalgène 500 | |
| Fentanyl | Janssen-Cilag | Fentanyl | |
| Xylocaine | Centravet | Xylovet | |
| Gallamine triethiodide | Sigma | G8134 | |
| ECoG amplifier | A-M Systems | AC amplifier, Model 1700 | |
| Intracellular amplifier | Molecular Devices | Axoclamp 900A | |
| Data acquisition interface | Cambridge Electronic Design | CED power 1401-3 | |
| Data analysis software | Cambridge Electronic Design | Spike2 version 7 | |
| micromanipulator | Scientifica | IVM-3000 | |
| Capillary Puller | Narishige | PE-2 | |
| Borosilicate glass capillaries | Harvard Apparatus | GC150F-10 | |
| Silver wire 0.125mm (intracellular recording) | WPI | AGT0525 | |
| Ag-AgCl reference | Phymep | E242 | |
| Silver wire 0.25mm (ECoG recording) | WPI | AGT1025 | |
| Artificial respiration system | Minerve | Alpha Lab | |
| Physiological parameters monitoring | Digicare | LifeWindow Lite | |
| Heating Blanket | Harvard Apparatus | 507215 | |
| Stereomicroscope | Leica | M80 | |
| Scissors | FST | 15005-08 | |
| Forceps Dumont #5 | FST | 11295-10 | |
| Forceps Dumont #5SF | FST | 11252-00 | |
| IP Polyurethane catheter – 0.43×0.69mm | Instech | BTPU-027 | |
| Silicon elastomere | WPI | KWIK-CAST | |
| Dental drill | NSK | Y1001151 and P496 | |
| Surgical glue | 3M | vetbond |
References
- Fatt, P., Katz, B. Some observations on biological noise. Nature. 166 (4223), 597-598 (1950).
- Brock, L. G., Coombs, J. S., Eccles, J. C. The recording of potentials from motoneurones with an intracellular electrode. J. Physiol. 117 (4), 431-460 (1952).
- Destexhe, A., Rudolph, M., Fellous, J. M., Sejnowski, T. J. Fluctuating synaptic conductances recreate in vivo-like activity in neocortical neurons. Neuroscience. 107 (1), 13-24 (2001).
- Silver, R. A. Neuronal arithmetic. Nat. Rev. Neurosci. 11 (7), 474-489 (2010).
- Azouz, R., Gray, C. M. Cellular mechanisms contributing to response variability of cortical neurons in vivo. J. Neurosci. 19 (6), 2209-2223 (1999).
- Sanchez-Vives, M. V., Nowak, L. G., McCormick, D. A. Membrane Mechanisms Underlying Contrast Adaptation in Cat Area 17 In Vivo. J. Neurosci. 222 (11), 4267-4285 (2000).
- Petersen, C. C. H., Hahn, T. T. G., Mehta, M., Grinvald, A., Sakmann, B. Interaction of sensory responses with spontaneous depolarization in layer 2/3 barrel cortex. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 100 (23), 13638-13643 (2003).
- Sachdev, R. N. S., Ebner, F. F., Wilson, C. J. Effect of Subthreshold Up and Down States on the Whisker-Evoked Response in Somatosensory Cortex. J. Neurophysiol. 92 (6), 3511-3521 (2004).
- Hasenstaub, A., Sachdev, R. N. S., McCormick, D. A. State Changes Rapidly Modulate Cortical Neuronal Responsiveness. J. Neurosci. 27 (36), 9607-9622 (2007).
- Chance, F. S., Abbott, L. F., Reyes, A. D. Gain modulation from background synaptic input. Neuron. 35 (4), 773-782 (2002).
- Shu, Y., Hasenstaub, A., Badoual, M., Bal, T., McCormick, D. A. Barrages of synaptic activity control the gain and sensitivity of cortical neurons. J. Neurosci. 23 (32), 10388-10401 (2003).
- Mitchell, S. J., Silver, R. A. Shunting inhibition modulates neuronal gain during synaptic excitation. Neuron. 38 (3), 433-445 (2003).
- Prescott, S. A., De Koninck, Y. Gain control of firing rate by shunting inhibition: roles of synaptic noise and dendritic saturation. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 100 (4), 2076-2081 (2003).
- Graham, L. J., Schramm, A. In Vivo Dynamic-Clamp Manipulation of Extrinsic and Intrinsic Conductances: Functional Roles of Shunting Inhibition and IBK in Rat and Cat Cortex. Dynamic-clamp: From principles to applications. , (2009).
- Fernandez, F. R., White, J. A. Gain control in CA1 pyramidal cells using changes in somatic conductance. J. Neurosci. 30 (1), 230-241 (2010).
- Polack, P. O., Friedman, J., Golshani, P. Cellular mechanisms of brain state-dependent gain modulation in visual cortex. Nat. Neurosci. 16 (9), 1331-1339 (2013).
- Zhou, M., Liang, F., et al. Scaling down of balanced excitation and inhibition by active behavioral states in auditory cortex. Nat. Neurosci. 17 (6), 841-850 (2014).
- Contreras, D., Destexhe, A., Sejnowski, T. J., Steriade, M. Spatiotemporal Patterns of Spindle Oscillations in Cortex and Thalamus. J. Neurosci. 17 (3), 1179-1196 (1997).
- Charpier, S., Mahon, S., Deniau, J. M. In vivo induction of striatal long-term potentiation by low-frequency stimulation of the cerebral cortex. Neuroscience. 91 (4), 1209-1222 (1999).
- Constantinople, C. M., Bruno, R. M. Effects and Mechanisms of Wakefulness on Local Cortical Networks. Neuron. 69 (6), 1061-1068 (2011).
- Poulet, J. F. A., Fernandez, L. M. J., Crochet, S., Petersen, C. C. H. Thalamic control of cortical states. Nat. Neurosci. 15 (3), 370-372 (2012).
- Hille, B. . Ion Channels of Excitable Membranes, Third Edition. , (2001).
- Sakmann, B., Neher, E. . Single-Channel Recording. , (2009).
- Ferster, D., Chung, S., Wheat, H. Orientation selectivity of thalamic input to simple cells of cat visual cortex. Nature. 380 (6571), 249-252 (1996).
- Paré, D., Shink, E., Gaudreau, H., Destexhe, A., Lang, E. J. Impact of spontaneous synaptic activity on the resting properties of cat neocortical pyramidal neurons In vivo. J. Neurophysiol. 79 (3), 1450-1460 (1998).
- Destexhe, A., Paré, D. Impact of network activity on the integrative properties of neocortical pyramidal neurons in vivo. J. Neurophysiol. 81 (4), 1531-1547 (1999).
- Kara, P., Pezaris, J. S., Yurgenson, S., Reid, R. C. The spatial receptive field of thalamic inputs to single cortical simple cells revealed by the interaction of visual and electrical stimulation. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99 (25), 16261-16266 (2002).
- Lomber, S. G. The advantages and limitations of permanent or reversible deactivation techniques in the assessment of neural function. J. Neurosci. Meth. 86 (2), 109-117 (1999).
- Altwegg-Boussac, T., Chavez, M., Mahon, S., Charpier, S. Excitability and responsiveness of rat barrel cortex neurons in the presence and absence of spontaneous synaptic activity in vivo. J. Physiol. 592 (16), 3577-3595 (2014).
- Miner, N. A., Koehler, J., Greenaway, L. Intraperitoneal injection of mice. Appl. Microbiol. 17 (2), 250-251 (1969).
- Paxinos, G., Watson, C. . The rat brain in stereotaxic coordinates (2nd edn). , (1986).
- Wolfensohn, S. . Handbook of Laboratory Animal Management and Welfare. , (2013).
- Bester, H., Chapman, V., Besson, J. M., Bernard, J. F. Physiological Properties of the Lamina I Spinoparabrachial Neurons in the Rat. J. Neurophysiol. 83 (4), 2239-2259 (2000).
- Greene, S. A. . Veterinary Anesthesia and Pain Management Secrets. , (2002).
- Morgan, B. J., Adrian, R., Bates, M. L., Dopp, J. M., Dempsey, J. A. Quantifying hypoxia-induced chemoreceptor sensitivity in the awake rodent. J. Appl. Physiol. 117 (7), 816-824 (2014).
- Mahon, S., Deniau, J. M., Charpier, S. Relationship between EEG potentials and intracellular activity of striatal and cortico-striatal neurons: an in vivo study under different anesthetics. Cereb. Cortex. 11 (4), 360-373 (2001).
- Ganes, T., Lundar, T. The effect of thiopentone on somatosensory evoked responses and EEGs in comatose patients. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 46 (6), 509-514 (1983).
- Schmid-Elsaesser, R., Schröder, M., Zausinger, S., Hungerhuber, E., Baethmann, A., Reulen, H. J. EEG burst suppression is not necessary for maximum barbiturate protection in transient focal cerebral ischemia in the rat. J. Neurol. Sci. 162 (1), 14-19 (1999).
- Cummins, T. R., Jiang, C., Haddad, G. G. Human neocortical excitability is decreased during anoxia via sodium channel modulation. J Clin Invest. 91 (2), 608-615 (1993).
- Gu, X. Q., Kanaan, A., Yao, H., Haddad, G. G. Chronic High-Inspired CO2 Decreases Excitability of Mouse Hippocampal Neurons. J. Neurophysiol. 97 (2), 1833-1838 (2007).
- Lehembre, R., Gosseries, O., et al. Electrophysiological investigations of brain function in coma, vegetative and minimally conscious patients. Arch Ital Biol. 150 (2/3), 122-139 (2012).
- Husain, A. M. Electroencephalographic assessment of coma. J Clin Neurophysiol. 23 (3), 208-220 (2006).
- Fink, E. L., Alexander, H., et al. An Experimental Model of Pediatric Asphyxial Cardiopulmonary Arrest in Rats. Pediatr Crit Care Med. 5 (2), 139-144 (2004).
- Lukatch, H. S., McIver, M. B. Synaptic mechanisms of thiopental-induced alterations insynchronized cortical activity. Anesthesiology. 84, 1425-1434 (1996).
- Kroeger, D., Amzica, F. Hypersensitivity of the anesthesia-induced comatose brain. J Neurosci. 27, 10597-10607 (2007).
- Kroeger, D., Florea, B., Amzica, F. Human brain activity patterns beyond the isoelectric line of extreme deep coma. PLoS ONE. 8 (9), e75257 (2013).
- Margrie, T. W., Brecht, M., Sakmann, B. In vivo, low-resistance, whole-cell recordings from neurons in the anaesthetized and awake mammalian brain. Pflugers Arch. 444 (4), 491-498 (2002).
- DeWeese, M. Whole-Cell Recording In Vivo. Current Protocols in Neuroscience. , (2007).
- Schramm, A. E., Marinazzo, D., Gener, T., Graham, L. J. The Touch and Zap Method for In Vivo Whole-Cell Patch Recording of Intrinsic and Visual Responses of Cortical Neurons and Glial Cells. PLoS ONE. 9 (5), e97310 (2014).
- Mahon, S., Charpier, S. Bidirectional Plasticity of Intrinsic Excitability Controls Sensory Inputs Efficiency in Layer 5 Barrel Cortex Neurons in Vivo. J. Neurosci. 32 (33), 11377-11389 (2012).
- Destexhe, A., Rudolph, M., Paré, D. The high-conductance state of neocortical neurons in vivo. Nat. Rev. Neurosci. 4 (9), 739-751 (2003).
