离体脑片可用于研究挥发性麻醉剂对传入刺激诱发反应的影响。利用光遗传学技术可独立激活丘脑皮层和皮层间传入纤维,作用于非初级新皮层,并通过异氟烷调节突触和神经网络反应。
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离体脑片可用于研究挥发性麻醉剂对传入刺激诱发反应的影响。利用光遗传学技术可独立激活丘脑皮层和皮层间传入纤维,作用于非初级新皮层,并通过异氟烷调节突触和神经网络反应。
麻醉剂部分通过作用于丘脑皮层环路来影响意识。然而,挥发性麻醉剂对这些环路中不同细胞和网络组分的影响程度尚不明确。离体脑片为研究者提供了一种手段,可用于探究复杂网络中的特定组分,并解析挥发性麻醉剂对诱发电位影响的潜在机制。为了在脑片中分离出可能具有细胞类型和通路特异性的药物效应,研究者必须能够独立激活传入纤维通路,识别不重叠的细胞群体,并将挥发性麻醉剂以水溶液形式施加于组织。本实验方案描述了在离体脑片中测量新皮层两种独立传入通路光遗传学诱发电位的方法。通过记录细胞外反应来评估网络活动,并对表达生长抑素和小清蛋白的中间神经元进行靶向全细胞膜片钳记录。同时介绍了通过人工脑脊液递送生理相关浓度的异氟烷,以调控细胞和网络反应的方法。
挥发性麻醉药在一个多世纪以来的各种临床和学术环境中得到了广泛应用。不同类别的麻醉药具有独特且通常不重叠的分子靶点1,2,3,但几乎所有这些药物都能导致意识丧失。尽管其行为效应相当可预测,但麻醉药诱导意识丧失的具体机制在很大程度上仍不清楚。麻醉药可能通过作用于皮质-丘脑环路,干扰皮质层级中的信息整合,从而最终影响意识的水平和内容4,5,6,7,8,9。更广泛地说,皮质-丘脑环路的调节可能在实验性10或药理学诱导的意识状态改变中发挥作用11,也可能参与睡眠12以及意识的病理生理障碍13,14。
麻醉过程中意识丧失与恢复的机制难以捉摸,部分原因可能在于麻醉药物在细胞、网络和系统水平上具有非线性、协同的作用15。例如,异氟烷可抑制特定脑区内的活动16,17,18,损害远距离脑区之间的功能连接19,20,21,22,23,并以通路特异性方式减弱突触反应24,25。然而,从分子到系统水平,哪些麻醉效应是导致意识丧失所必需或充分的,目前仍不明确。除了采用无创技术开展大量关于意识的临床研究外19,20,26,实验人员还应致力于解析支持意识体验的不同细胞和神经网络相互作用。
通过简化完整大脑中存在的复杂相互作用,离体脑片使得研究大脑动态系统的孤立组分成为可能9。脑片制备方法在保留局部神经环路相对完整的解剖结构的同时,兼具体外操作的灵活性。然而,直到最近,方法学上的限制一直阻碍了对脑片中长程传入纤维的突触和环路特性的研究27,28;皮质丘脑纤维束走行迂曲,使得通过电刺激激活独立的传入通路几乎无法实现。
研究麻醉剂对脑片标本的影响面临额外的挑战。由于缺乏完整的呼吸和循环系统,麻醉剂必须通过灌流方式施加,且其浓度需仔细匹配至估计的效应部位浓度。对于许多静脉麻醉剂而言,其在组织中的平衡速度较慢,使得传统的药理学研究变得繁琐29,30。在离体标本中研究挥发性气体麻醉剂的影响相对可行,但也存在挑战,包括将吸入的分压剂量转换为水相浓度,以及需要通过人工脑脊液对药物向组织的递送系统进行改造31。
本文描述了研究人员可利用挥发性麻醉剂异氟烷(isoflurane)已被充分证实的理化特性,将其用于离体脑片的药物递送,以高时空分辨率激活皮层特定区域的通路特异性和层次特异性输入,并对特定神经元群体进行同步的层状记录和靶向膜片钳记录。综合这些方法,研究人员能够在从突触到局部神经网络的多个层面,检测挥发性麻醉剂引起的多种可观察电生理反应特性的变化。
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本方案中涉及动物的所有操作均经威斯康星大学麦迪逊分校医学院与公共卫生学院动物护理与使用委员会批准。
1. 繁殖在中间神经元亚群中表达荧光报告蛋白的小鼠
2. 进行单侧立体定位病毒载体注射
3. 急性脑切片的制备
4. 含溶解挥发性麻醉剂异氟烷的实验用人工脑脊液(eACSF)袋的制备




5. 多通道记录硬件和软件的准备
6. 光刺激方案的配置
7. 将多通道探针放置于离体脑组织切片中
8. 膜片钳技术靶向神经元并获得全细胞记录构型
9. 轴突末梢的层特异性光遗传学激活
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本方案中所述步骤的时间线见图1。来自高级皮层区域或非初级丘脑核团的皮层输入在非初级视觉皮层的第1层具有部分重叠的终末投射区24。为了分离独立的丘脑-皮层或皮层-皮层传入通路,将含有ChR2及eYFP荧光报告基因的病毒载体分别注射至Po或Cg区域。位于注射范围内的细胞摄取该病毒载体,并在2-4周后于胞体及投射轴突中表达非特异性阳离子通道ChR2和报告基因(图2A)。随后采集冠状切片。通过使用适当的滤光镜组,对表达病毒载体的轴突进行成像(图2B)。利用ChR2激活轴突终末,可在无需胞体连接的情况下实现对传入纤维的激活。
本研究所使用的动物为SOM-tdTomato或PV-tdTomato杂交小鼠,其分别在表达生长抑素(SOM+)或小清蛋白(PV+)的中间神经元中表达荧光报告蛋白tdTomato。在视觉引导下,通过启用相应的滤光镜组(第1C层),对第2/3层中的S...
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本文描述了一种在离体脑片中评估选择性激活传入通路所引发的细胞内和细胞外反应的实验方案。
利用光遗传学工具和并行记录方案,研究人员能够在同时记录特定中间神经元群体反应的同时,探究局部神经元群体对远端脑区传入输入的响应。光遗传学技术的应用使得即使胞体已不再连接,传入投射的轴突末梢仍能得以保存并被激活。这缓解了以往对离体(ex vivo)脑片所施加的几何学限制,因为长距离电连接的完整性不再至关重要。然而,在制备脑片时仍需注意选择适当的几何切面,以尽可能保留感兴趣的剩余连接。例如,锥体细胞沿皮层柱呈垂直方向排列,而本实验中多通道探针所记录的诱发性网络活动依赖于此类局部连接的完整性。因此,采用冠状面切片以维持局部连接的完整。
在选择光遗传学构建体及相关荧光报告蛋白时,必须考虑其激发/发射光谱特性以及显微镜的光学系统。持续的光照刺激可能导致多种视蛋白变体部分失活34,这一问题可通过选择激发光谱与视蛋白无重叠的报告蛋白来避免。此外,也可根据实验范式选择具有不同动力学特性或光敏...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢 Bryan Krause 在本项目中提供的技术支持与指导。
本工作由国际麻醉研究学会(IMRA 资助 AR)、美国国立卫生研究院(R01 GM109086 资助 MIB)以及美国威斯康星大学麦迪逊分校医学院和公共卫生学院麻醉学系资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2.5倍广视野物镜 | Olympus | MPLFLN2.5X | |
| 40倍水浸物镜 | 奥林巴斯 | LUMPLFLN40XW | |
| 95% O2/5% CO2 混合气体 | Airgas | Z02OX95R2003045 | |
| A16 探针 | NeuroNexus | A16x1-2mm-100-177-A16 | 16通道探针 |
| AAV2-hSyn-hChR2(H134R)-EYFP | Karl Deisseroth 实验室,UNC 病毒载体中心 | ||
| 麻醉气体监测仪(POET II) | Criticare | 602-3A | |
| ATP,镁盐 | Sigma Aldrich | A9187 | 细胞内液 |
| B6.Cg-Gt(ROSA)26Sortm14(CAG-tdTomato)Hze/J | 杰克逊实验室 | 007914 | Cre依赖性tdTomato小鼠 |
| B6;129P2-Pvalbtm1(cre)Arbr/J | 杰克逊实验室 | 008069 | PV-Cre 小鼠 |
| 摇摆舞者摇床 | 托马斯科学公司 | 1210H86-TS | 用于密封气体袋的平衡 |
| 聚维酮碘溶液 | 通用品牌 | ||
| 漂白剂 | 通用品牌 | 用于氯化银镀层膜片钳电极 | |
| 布比卡因 | |||
| 氯化钙(CaCl2) | 点科学 | DSC20010 | ACSF |
| 毛细玻璃管(膜片钳记录) | King Precision Glass, Inc. | KG-33 | 硼硅酸盐玻璃管,内径:1.1 mm,外径:1.7 mm,长度:90.0 mm |
| 毛细玻璃管(病毒注射) | Drummond Scientific Company | 3-000-203-G/X | 3.5" |
| 控制初级显微操作仪 | Luigs 和 Neumann | SM8 | 用于控制初级显微操作仪 |
| 机械臂控制与移位台操作 | Luigs and Neumann | SM7 | 用于多通道电极和移位台的控制 |
| Digidata 1440A + Clampex 10 | Molecular Devices | 1440A | 数位板和软件 |
| E-3603 管路 | Fisher Scientific | 14171208 | 用于向孵育室输送95% O2/5% CO2气体混合物 + 膜片钳实验中施加压力 |
| EGTA | 点科学 | DSE57060 | 细胞内液 |
| ERP-27 脑电图参考/连接面板 | Neuralynx | 已退休 | |
| 填充针 | World Precision Instruments | 50821912 | 用于填充膜片钳移液管 |
| 用于成像EYFP的滤光片组 | Olympus | U-MRFPHQ | |
| 滤纸 | Fisher Scientific | 09801E | 制备组织块时将切片模板覆盖于其上 |
| 弗拉明/布朗微量移液器拉制仪 | Sutter Instrument | P-1000 | 2.5x2.5 盒式灯丝 |
| 气体分散管 | Sigma Aldrich | CLS3953312C | |
| 玻璃注射器(100 mL) | Sigma Aldrich | Z314390 | 用于填充密封气体袋 |
| 葡糖酸钾(K-gluconate) | 点科学 | DSG37020 | 细胞内液 |
| 葡萄糖 | 点科学 | DSG32040 | ACSF |
| GTP,钠盐 | Sigma Aldrich | G8877 | 细胞内液 |
| 头级探针适配器 | NeuroNexus | A16-OM16 | 连接16通道探针与前置放大器输入端的适配器 |
| 止血钳 | VWR International | 76192-096 | |
| HEPES | Dot Scientific | DSH75030 | 人工脑脊液,细胞内液 |
| HS-16 头戴式装置 | Neuralynx | 已退休 | |
| 异氟烷 | Patterson Veterinary | 07-893-1389 | |
| 异丙醇(70%) | VWR International | 101223-746 | |
| 初级显微操作仪 | Luigs and Neumann | 210-100 000 0090-R | 用于膜片钳电极的操作 |
| LED光源控制模块 | Mightex | BLS-PL02_US | 光遗传学光源控制 |
| 利多卡因 | |||
| Lynx-8 放大器 | Neuralynx | 已退休 | |
| Lynx-8 电源供应器 | Neuralynx | 已退休 | |
| 硫酸镁(MgSO₄) | 点科学 | DSM24300 | ACSF |
| mCherry,德克萨斯红滤光片组 | 色度 | 49008 | 用于成像 tdTomato 荧光报告基因 |
| 美洛昔康 | |||
| 微量移液器架 | Fisher Scientific | NC9044962 | |
| 微量注射泵 | World Precision Instruments | UMP3-4 | |
| 矿物油 | 通用品牌 | ||
| MultiClamp 700A | Molecular Devices/Axon Instruments | 700A | 放大器 |
| 氮气(用于气浮台) | Airgas | NI200 | |
| 尼龙网 | Fisher Scientific | 501460083 | 用压扁的铂丝弯成马蹄形,将组织片置于其上进行记录 |
| 尼龙,取自连裤袜 | 通用品牌 | 用于在孵育室中制作切片平台的小块材料,以及用于制作铂金丝网的单根纤维 | |
| 眼用软膏 | Fisher Scientific | NC1697520 | |
| 移液器 | Dot Scientific | 307 | 用于将组织转移至实验装置 |
| 铂丝 | VWR International | BT124000 | 2 cm,压平,制成铂金梳状电极 |
| Polygon400 | Mightex | DSI-E-0470-0617-000 | 光遗传学光照递送系统,配备 PolyScan2 软件 |
| 氯化钾(KCl) | 点科学 | DSP41000 | ACSF |
| 磷酸二氢钾(KH2PO4) | 点科学 | DSP41200 | ACSF |
| 剃刀刀片 | Fisher Scientific | 12-640 | |
| 蓝宝石刀片(用于振动切片机) | VWR International | 100492-502 | |
| 手术刀片 | Santa Cruz Biotechnology, Inc. | sc-361445 | |
| 密封气体袋 | Fisher Scientific | 109236 | |
| 显微镜用移位台 | Luigs 和 Neumann | 380FMU | |
| 碳酸氢钠(HCO₃⁻) | Dot Scientific | DSS22060 | ACSF |
| 氯化钠(NaCl) | 点科学 | DSS23020 | 人工脑脊液,细胞内液 |
| Ssttm2.1(cre)Zjh/J(SOM-IRES-Cre) | 杰克逊实验室 | 013044 | SOM-Cre 小鼠 |
| 立体定位仪 | Kopf | Model 902 | 双通道小动物 |
| 超级胶水 | 订书钉 | 886833 | 在切片制备过程中将组织块固定于样本台 |
| 外科钻孔器 | RAM 产品公司 | 数字微扭矩 | Microtorque II |
| 带鲁尔锁头的注射器(1 mL) | Fisher Scientific | 309628 | 用于膜片钳实验中施加压力 |
| 带滑动接头的注射器(1 mL) | WW Grainger, Inc. | 19G384 | 用于填充膜片钳移液管 |
| 注射器滤器 | VWR International | 66064-414 | |
| 直立显微镜 | Olympus | BX51 | |
| 振动切片机 | 徕卡生物系统公司 | VT1000S | |
| Wypall 擦拭布 | Fisher Scientific | 19-042-427 |
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