应用随机噪声评估内侧前庭核神经元体外敏感性

摘要

在人体中，经颅前庭电刺激可改善前庭功能。然而，这种效应的发生机制尚不清楚。本文介绍了如何在C57BL/6小鼠的内侧前庭核单个神经元中施加正弦波和随机电噪声刺激，并评估合适的刺激强度。

摘要

前庭galvanic刺激（GVS）已被证明可改善存在平衡或前庭功能障碍个体的平衡指标。这被认为归因于随机共振（SR）现象，即向非线性系统施加低水平/亚阈值刺激以增强对较弱信号的检测能力。然而，目前尚不清楚SR如何对人体平衡产生积极影响。本研究是首次展示正弦噪声和随机噪声对单个神经元作用的实验之一。通过全细胞膜片钳电生理技术，可将正弦信号和随机噪声直接施加于C57BL/6小鼠内侧前庭核（MVN）中的单个神经元。本文演示了如何确定MVN神经元的阈值，以确保所施加的正弦信号和随机噪声均处于亚阈值水平，并进一步分析这两类噪声对MVN神经元增益的影响。我们发现，亚阈值的正弦噪声和随机噪声可在不影响神经元基础放电频率的前提下，调节MVN中单个神经元的敏感性。

引言

前庭系统（或称平衡系统）通过整合听觉、本体感觉、躯体感觉和视觉信息来调控我们的平衡感。研究表明，前庭系统的功能会随年龄增长而退化，可能导致平衡功能障碍^1,2。然而，针对前庭系统功能的治疗方法目前仍十分有限。

已证明前庭电刺激（Galvanic Vestibular Stimulation, GVS）可改善人体的平衡功能、自主神经功能及其他感觉模态^3,4,5,6。这些改善被认为归因于随机共振（Stochastic Resonance, SR）现象，即通过施加阈下噪声可增强非线性系统对微弱信号的检测能力^7,8。这些研究已证实静态^9,10和动态^11,12平衡能力以及....

方案

所有描述的实验方案均经悉尼大学动物伦理委员会批准（批准协议编号：2018/1308）。

1. 动物

注意：小鼠购自澳大利亚啮齿类动物中心（ARC；澳大利亚珀斯），并饲养于悉尼大学医学基金会大楼动物实验设施中。

1. 将小鼠饲养在标准的12小时光照/12小时黑暗循环环境中，并提供环境丰富化措施。
2. 所有实验均使用雄性和雌性C57BL/6小鼠（3–5周龄）。

2. 溶液的配制

1. 配制1 L人工脑脊液（ACSF），其中包含29 mM NaHCO₃、11 mM葡萄糖、120 mM NaCl、3.3 mM KCl、1.4 mM NaH₂PO₄、2.2 mM MgCl₂、2.77 mM CaCl₂。
2. 配制200 mL蔗糖-人工脑脊液（sACSF），其中包含29 mM NaHCO₃、11 mM葡萄糖、241.5 mM蔗糖、3.3 mM KCl、1.4 mM NaH₂PO₄、2.2 mM MgCl₂、2.77 mM CaCl₂。在向ACSF和....

结果

初始记录可提供关于正弦噪声和随机噪声对单个前庭内侧核（MVN）神经元基础放电率的影响信息，以及这些刺激如何影响神经元增益的信息。图2显示，与对照组（无噪声）记录相比，正弦噪声和随机噪声均未改变MVN神经元的基础放电率。该信息对于确定单个神经元的阈值至关重要。在对人类施加经颅前庭电刺激时，需执行感觉阈值测定任务，以确保刺激处于阈下水平¹³。阈下刺激是随机共振（SR）现象的一个重要组成部分^7,8。在体外实验中，该阈值测定任务需采用不同方法进行，目前选择神经元的活动性或基础放电率作为评估指标。这可确保刺激尽可能接近阈下水平，从而与人类研究具有可比性。图2B表明，所选的噪声水平（6 pA）处于阈下状态，因为平均放电率从12 pA（实验阈值）开始才出现上升。该阈值通过客观方法确定，即根据高于（18 和 24 pA）和低于（3 和 6 pA）12 pA阈.......

讨论

经皮前庭电刺激（galvanic vestibular stimulation, GVS）对前庭系统的影响已在人体^3,13,23、豚鼠¹⁴、啮齿类动物¹⁸以及非人灵长类动物²⁴中通过活体实验得到证实。然而，这些研究均未评估电噪声对前庭系统单个神经元敏感性的直接作用。本文首次展示了在体外将随机噪声直接施加于内侧前庭神经核（medial vestibular nucleus, MVN）单个神经元的应用。

直接对单个前庭内侧核（MVN）神经元施加随机噪声的主要目的是确定该噪声是否直接影响神经元的敏感性，从而阐明随机共振（SR）如何影响人类的平衡功能。要观察到随机共振现象，刺激必须低于阈值，以确保单个神经元不会被明显激活⁷

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
CaCl	Scharlau	CA01951000	用于ACSF和sACSF
D-(+)-葡萄糖	Sigma	G8270	用于ACSF和sACSF
EGTA	Sigma	E0396-25G	用于钾基细胞内液
HEPES	Sigma	H3375-25G	用于钾基细胞内液
KCl	Chem-supply	PA054-500G	用于ACSF、sACSF和细胞内液
K-葡萄糖酸盐	Sigma	P1847-100G	用于钾基细胞内液
Mg-ATP	Sigma	A9187-500MG	用于钾基细胞内液
MgCl	Chem-supply	MA00360500	用于ACSF和sACSF
Na3-GTP	Sigma	G8877-100MG	用于钾基细胞内液
NaCl	Chem-supply	SO02270500	用于ACSF和细胞内液
NaH2PO4•2H2O	Ajax	AJA471-500G	用于ACSF和sACSF
NaHCO3	Sigma	S5761-1KG	用于ACSF和sACSF
蔗糖	Chem-supply	SA030-500G	用于sACSF
异氟烷	Henry Schein	1169567762	用于小鼠麻醉
设备
硼硅酸盐玻璃毛细管	Warner Instruments	GC150T-7.5	外径1.5 mm，内径1.16 mm，长度7.5 cm
数据采集软件	Axograph		用于电生理记录与分析
Friedman-Pearson 骨钳	World Precision Instruments	14089	用于解剖
微电极拉制仪	Narishige	PP-830	用于制备微电极
多钳制放大器	Axon Instruments	700B	用于电生理实验
pH计	Sper Scientific	860033	用于细胞内液配制
标准型剪刀	FST	14028-10	用于解剖
Sutter 微操纵器	Sutter	MP-225/M	用于电生理实验
直立显微镜	Olympus	BX51WI	用于电生理实验
振动切片机	Leica	VT1200	用于脑组织切片