الفولتمترية الدورية سريعة المسح (FCV) هي تقنية كهروكيميائية تم تطويرها لمراقبة التقلبات السريعة في الناقلات العصبية النشطةكهربائيا 1. على عكس الفولتمترية الدوري التقليدية التي تستخدم معدلات مسح بطيئة1، يطبق FCV موجة جهد مثلث بمعدل مسح أسرع بكثير (عادة 400 فولت/ثانية) عبر قطب دقيق من ألياف الكربون بمقياس ميكرومتر، مما يتيح قياسات ثانية ثانية لتركيز الناقل العصبي2. تولد هذه المعدلات العالية تيارا شحنا خلفيا كبيرا لكنه مستقر يمكن طرحه رقميا لعزل التيارات الفارادية الناتجة عن تفاعلات الأكسدة والاختزال للناقلات العصبية 2,3.
يتيح FCV قياسا فوريا لتركيزات الناقلات العصبية خارج الخلية في مناطق دماغية محددة، مما يوفر دقة زمنية عالية وانتقائية كيميائية معتدلة4. تجعل هذه الميزات من FCV مناسبا جدا لدراسة الإشارات الكيميائية العصبية السريعة في كل من التحضيرات داخل الجسم الحي وخارج الجسم، بما في ذلك الحيوانات الحرة أو المخدرة وشرائح الدماغ الحادة 5,6,7. تقدم هذه التقنية عدة مزايا: (1) يمكن استخدام بروتوكولات التحفيز المسيطر عليها لتحفيز استجابات الدوبامين المحددة؛ (2) القطر الصغير لأقطاب الألياف الكربونية يقلل من تلف الأنسجة ويسمح بتسجيل مكاني دقيق؛ (3) يعد FCV متوافقا بشكل كبير مع التلاعبات الدوائية، مما يتيح تحقيقا فعالا لتحريك إطلاق الأحاديات الأمين والامتصاص؛ و(4) الجمع بين الانتقائية الكيميائية والدقة الزمنية العالية يوفر اكتشافا أفضل مقارنة بطرق كهروكيميائية أخرى مثل الأمبيرومترية، وطرق أخذ العينات مثل الغسيل الدقيق، التي غالبا ما تفتقر إلى السرعة اللازمة لالتقاط أحداث ناقلات عصبية سريعة وعابرة أو تواجه تحديات في تحديد وقياس جزيئات محددة5.
الدوبامين (DA) هو معدل عصبي رئيسي يشارك في المكافأة، والتحفيز، والتحكم الحركي، وجوانب متعددة من التعلم والذاكرة، ويتميز بديناميكيات الإطلاق السريع والعابر8. في FCV، يتم تطبيق موجة جهد مثلث، عادة ما تمتد من -0.4 فولت إلى +1.2 فولت، بشكل متكرر على قطب دقيق من ألياف الكربون. خلال المسح الأنودي (للأعلى)، يتم أكسدة DA بالقرب من سطح القطب عند حوالي +0.6 فولت، مما يطلق إلكترونين ويشكل دوبامين-أو-كينون. خلال المسح الكاثودي (للأسفل)، يتم تقليل هذا المركب مرة أخرى إلى DA عند حوالي -0.2 فولت، مما يستهلك إلكترونين9. يتيح توقيع التيار والجهد الناتج الكشف الدقيق والقياس لإطلاق وخلو التيار السريع مع دقة مكانية وزمنية عالية، مما يكشف عن تقلبات ثانية إلى ثانية في مستويات DA خارج الخلية. في تجاربنا، تم جمع تسجيلات FCV على تردد 10 هرتز لمدة 15-30 ثانية، وهو ما كان كافيا لالتقاط إطلاق DA الناتج عن التحفيز الكهربائي.
داخل المخطط، يتم تنظيم إطلاق DA بشكل محكم بواسطة الخلايا العصبية الكولينية المحلية (ChIs). على الرغم من أن ChI تشكل فقط ~1٪-2٪ من الخلايا العصبية المخططة، إلا أنها تنمو بشكل واسع ولديها سيطرة قوية على المحاور الدوبامينية من خلال التفاعلات المحاور المحورية10,11. من المرجح أن يلعب هذا التنظيم دورا حاسما في التعلم الخطي. أثناء التعلم، تظهر خلايا الدماغ العصبية الديناميكية الآلية إطلاق النار المرحلي استجابة للمكافآت أو الإشارات التنبؤية12، بينما تظهر الخلايا العصبية الدماغية نمط إطلاق متزامن متعدد المراحل متعدد المراحل في الإثارة والتوقف والارتداد13. يؤكد التزامن الزمني بين توقف ChI ونشاط DA المرحلي أهمية تنظيم إطلاق DA بواسطة ChI عبر مستقبلات الأستيل كولين النيكوتينية (nAChRs)14,15. بعيدا عن تنظيم إطلاق DA، ثبت أن هذا التوافق الزمني ضروري لتحفيز اللدونة المشبكية المرتبطة بالتعلم في المخطط16، مما يشير إلى أهمية توضيح التفاعلات بين إشارات ChIs وDA داخل هذه الدائرة.
تؤثر Chis على إطلاق DA من خلال آليتين مميزتين على الأليق. أولا، يمكن أن يؤدي التنشيط المتزامن ل ChIs إلى إطلاق DA سريع وقصير الكمون يحدث بشكل مستقل عن الإطلاق الجسدي الدوباميني عبر تنشيط nAChRs على محاور DA17، 18، 19. من المرجح أن يكون هذا الشكل من إطلاق DA المحوري متجها توليد جهود فعل خارج الرحم داخل محاور DA17. ثانيا، يمكن لتنشيط ChI أن يثبط بشكل كبير إطلاق DA اللاحق عن طريق منع إزالة الاستقطاب لمحاور DA20. ومن الجدير بالذكر أن هذا الكبت يحدث مع زمن استجابة قصير جدا ويمكن أن يكون ناتج عن مستويات منخفضة نسبيا من نشاط ChI لا تؤدي بدورها إلى إطلاق DA قابل للكشف، مما يشير إلى أن تنشيط nAChRs أكثر فعالية في كبح إطلاق DA المستمر من تحفيز إطلاق DA. لذلك، تشير هذه العوامل إلى أن الشفط الكيميائي قد يؤثر بشكل عام على إفراز DA في الظروف الفسيولوجية. ومع ذلك، على نطاق مكاني أدق، قد تسهل ChIX محليا إطلاق المحور المحوري لDA.
تسلط هذه النتائج مجتمعة الضوء على دور تنظيمي مضبوط بدقة ل Chis في التحكم في إشارات DA المخططة20. يوفر FCV نهجا قويا لتحليل هذه التفاعلات بين Chl-DA، حيث تتيح دقته العالية للزمن قياسا دقيقا لكل من التأثيرات الميسرة والقمعية لنشاط ChI على إطلاق DA.
توضح هذه المقالة الإجراءات الأساسية لتصنيع الأقطاب الدقيقة من ألياف الكربون وقياس تركيزات DA خارج الخلوي المستحثة باستخدام FCV في تحضيرات خارج الجسم .