Dieses Protokoll demonstriert die Kombination von Bildgebung und Elektrophysiologie, um sich ausbreitende Depolarisationen bei erwachsenen Mäusen nach einem leichten Schädel-Hirn-Trauma zuverlässig zu erkennen.
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Dieses Protokoll demonstriert die Kombination von Bildgebung und Elektrophysiologie, um sich ausbreitende Depolarisationen bei erwachsenen Mäusen nach einem leichten Schädel-Hirn-Trauma zuverlässig zu erkennen.
Spreading Depolarisations (SDs) sind massive Ereignisse im Gehirn, die aufgrund ihrer langsamen Ausbreitung durch die graue Substanz oft unentdeckt bleiben. Da die SD-Erkennung schwer fassbar sein kann, wird sie mit mehreren Methoden optimal bestätigt. Dieses Protokoll beschreibt Methoden zur Kombination von Bildgebung und Elektrophysiologie, um SDs auf eine Weise zu detektieren, die die meisten Laboratorien zuverlässig und einfach anwenden können. SDs treten nach traumatischen Hirnverletzungen, Schlaganfall, Subarachnoidalblutungen, Ischämie und Migräneaura auf. In der Vergangenheit wurden SDs mit Gleichstromverstärkern aufgezeichnet, die die langsame extrazelluläre Verschiebung und die Depression der hochfrequenten Aktivität auflösen können. Gleichstromverstärker sind jedoch für chronische In-vivo-Aufnahmen kaum zu verwenden. Dieses Protokoll verwendet einen gemeinsamen AC-Verstärker für In-vivo-Elektrophysiologie-Aufzeichnungen zur Bestätigung hochfrequenter Depressionen sowie eine nicht-invasive Bildgebung, die zum Nachweis der sich ausbreitenden Welle von SD erforderlich ist. Diese Methoden können zuverlässig für die meisten experimentellen Ansätze übernommen und/oder modifiziert werden, um das Vorhandensein oder Fehlen von SDs nach einer Hirnverletzung zu bestätigen.
Spreading Depolarisations (SDs) sind mit verschiedenen neurologischen Erkrankungen verbunden, darunter Schädel-Hirn-Trauma (TBI), Schlaganfall, Subarachnoidalblutungen, Ischämie und Migräneaura1. SDs wurden mit dem Fortschreiten der Gewebeschädigung bei Schlaganfällen und SHT in Verbindung gebracht2. Der genaue Mechanismus, der dem Fortschreiten des Gewebeverlusts zugrunde liegt, bleibt unklar3,4. SDs treten jedoch auf, wenn der metabolische Bedarf der Neuronen nicht mit ausreichend Sauerstoff und Glukose gedeckt wird, da die Funktion der ATP-abhängigen Natrium-Kalium-Pumpe nicht mehr ausreicht, um Ionengradienten aufrechtzuerhalten. Um die Rolle von SDs beim Gewebeverlust zu verstehen, sind präzise Techniken erforderlich, um sie zu messen und zu untersuchen, was für den Fortschritt der wissenschaftlichen Erkenntnisse von entscheidender Bedeutung ist. SDs sind signifikante neurologische Ereignisse, die aufgrund des experimentellen Designs und/oder der Einschränkungen der Instrumentierung oft unentdeckt bleiben können.
Die Rolle von sich ausbreitenden Depolarisationen (SDs) beim Fortschreiten von Verletzungen wird derzeit geklärt, aber ihre Rolle bei leichten traumatischen Hirnverletzungen (mTBIs) bleibt unklar. Neuere Studien mit den in diesem Manuskript beschriebenen Techniken haben gezeigt, dass SDs in geschlossenen Schädel-mTBI-Mausmodellen initiiert werden, auch wenn es keine offensichtlichen Gewebeschäden oder Blutungen gibt5, 6. Diese Studien deuten darauf hin, dass SDs zu akuten neurologischen Beeinträchtigungen und Neuroinflammation beitragen können. Darüber hinaus wurde das Vorhandensein von mTBI-induzierten SDs eng mit akuten Verhaltensdefiziten in Verbindung gebracht6,7. Daher ist es wahrscheinlich, dass SDs in allen SHT-Modellen initiiert werden, aber ihre Rolle bleibt ohne Bestätigung schwer zu bestimmen. Die Bestätigung des Vorhandenseins von SDs ist entscheidend für die genaue Beurteilung der Ergebnisse von mSHT.
Sich ausbreitende Depolarisationen (SDs) werden durch einen signifikanten Abfall des extrazellulären Potentials gekennzeichnet, der als "DC-Verschiebung" bekannt ist, und durch eine Verschlechterung der hochfrequenten Aktivität8. Die Auflösung der "DC-Verschiebung" dauert in der Regel Sekunden (~10 s)9. Um die "DC-Verschiebung" zu erfassen, werden ein DC-Verstärker und Silberdrahtelektroden benötigt. In vivo wird die Elektrophysiologie jedoch in der Regel mit AC-Verstärkern durchgeführt, die darauf ausgelegt sind, niederfrequente Ereignisse herauszufiltern und Bewegungsartefakte zu reduzieren. Leider beseitigt diese Tieftonfilterung auch die "DC-Verschiebung". Außerdem ist Silber giftig und für chronische Aufnahmen ungeeignet. Häufig verwendete AC-Verstärker können die Depression der hochfrequenten Aktivität erkennen, jedoch ohne die damit einhergehende "DC-Verschiebung", die das Vorhandensein einer SD-Karte bestätigt, ist eine Herausforderung.
Spreading Depolarisations (SDs) können auch mit verschiedenen bildgebenden Verfahren nachgewiesen werden. Am häufigsten werden SDs mit Laser-Speckle-Kontrastbildgebung abgebildet, die den zerebralen Blutfluss durch den intakten Schädel misst10. SDs beeinflussen die zerebralen Gefäße und den Blutfluss erheblich. Bei den meisten Spezies außer Mäusen induzieren SDs eine sich ausbreitende Welle der Hyperperfusion, die sich mit der Vorderkante der SD11 ausbreitet. SDs können auch mit Calcium- oder Glutamat-Fluoreszenzindikatoren abgebildet werden12, obwohl dies die Beladung des Gewebes mit Farbstoffen oder genetisch kodierten Fluoreszenzindikatoren erfordert12,13. Interessanterweise können SDs aufgrund von intrinsischen optischen Signalen (iOS), die mit dem SD14 verbunden sind, mit bloßem Auge beobachtet werden. iOS sind komplexe Signale, die aus autofluoreszierenden Molekülen wie NAD(P)H und FADH15,16, Gewebeschwellungen17 und möglichen Veränderungen des zerebralen Blutflusses bestehen. Trotz ihrer Komplexität sind iOS-Signale zuverlässig und können in Wildtyp-Mäusen erfasst werden18. Dieses Protokoll beschreibt die Methode zur Bildgebung von iOS, da diese Technik in jedem Labor implementiert werden kann, ohne dass spezialisierte Viren oder transgene Tiere erforderlich sind.
Das übergeordnete Ziel dieser Methode ist es, das Vorhandensein oder Fehlen einer sich ausbreitenden Depolarisation (SD) nach einem leichten Schädel-Hirn-Trauma (mTBI) experimentell mit gleichzeitiger Bildgebung und Elektrophysiologie zu bestätigen. Die In-vivo-Elektrophysiologie, die durch fortschrittliche Verstärker ermöglicht wird, ist eine häufig verwendete Technik. Diese Verstärker sind jedoch nicht in der Lage, die charakteristische "DC-Verschiebung" zu detektieren. Daher werden bildgebende Verfahren, wie sie in diesem Protokoll beschrieben werden, eingesetzt, um das Vorhandensein oder Fehlen von SDs sicher zu bestätigen. Der Vorteil der Kombination von Bildgebung und Elektrophysiologie besteht darin, dass die Bildgebung die Ausbreitung der SD erkennen kann, während die Elektrophysiologie die damit verbundene hochfrequente Depression identifizieren kann.
Insgesamt eignet sich diese Methode zur Untersuchung des Vorhandenseins von sich ausbreitenden Depolarisationen (SDs) nach einem Schädel-Hirn-Trauma (SHT). Seine Anwendung könnte das Verständnis der kortikalen Netzwerkfunktion nach SHT und SD verbessern. Dieses Protokoll kann von einem geschlossenen Schädelaufprallmodell auf andere Modelle übertragen werden, wie z. B. kontrollierte kortikale Auswirkungen, flüssige Perkussion oder Gewichtsabfall. Die Implementierung dieses Protokolls in mehreren Labors könnte die Rolle von SDs bei unterschiedlichen SHT-Schweregraden aufklären. Jedes etablierte TBI-Modell kann verwendet werden, gefolgt von den in diesem Protokoll beschriebenen iOS-Bildgebungs- und Elektrophysiologieverfahren.
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Alle Verfahren wurden in Übereinstimmung mit dem Animal Care and Use Committee (IACUC) des Instituts an der Universität von New Mexico durchgeführt. C57BL/6J-Mäuse wurden aus einer kommerziellen Quelle gewonnen. Es wurde die gleiche Anzahl von männlichen und weiblichen Mäusen im Alter von 8-14 Wochen verwendet. Alle Mäuse wogen ca. 20 g. Einzelheiten zu den Tieren, Reagenzien und Geräten, die in dieser Studie verwendet wurden, sind in der Materialtabelle aufgeführt. Die Zusatzdatei 1 enthält die Liste der Abkürzungen.
1. Vorbereitung des Schädels für Bildgebung und Elektrophysiologie
2. Detektion von sich ausbreitenden Depolarisationen mit intrinsischer optischer Signalbildgebung (iOS) und AC-Elektrophysiologie
3. Visualisierung und Quantifizierung von iOS-Bildern
4. Elektrophysiologische Analyse
HINWEIS: Es wird empfohlen, dass die Expertise des Buzsaki-Labors und ihr MATLAB-generierter Code stark für die Visualisierung und Analyse elektrophysiologischer Daten genutzt werden. Für die Analyse müssen Sie MATLAB mit einem institutionellen Aktivierungscode und die Zip-Datei "Buzcode" des Buzsaki-Labors über GitHub (https://github.com/buzsakilab/buzcode) herunterladen.
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Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung des experimentellen Aufbaus. Die Aufzeichnungsschrauben werden im primären visuellen Kortex positioniert, wobei eine Schraubenelektrode im Kleinhirnläppchen als Bezugselektrode platziert wird. Die Schädelschrauben und Goldstifte werden mit Cyanacrylat-Kleber und Zahnzement am Schädel befestigt. Es ist entscheidend, den Zahnzement auf den kaudalen Teil des Schädels zu beschränken, um Platz für den Aufprall und die Bildgebung freizuhalten. Die Au...
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Sich ausbreitende Depolarisationen sind bei verschiedenen Krankheitsmodellen von entscheidender Bedeutung, darunter Schädel-Hirn-Trauma (TBI), Schlaganfall und Migräne1. Die genaue Detektion von SDs ist essentiell für das Verständnis ihrer Rolle bei akuten Verhaltensdefiziten und/oder der Aktivierung des Neuroimmunsystems nach leichten traumatischen Hirnverletzungen (mTBIs)23,24. Um das Risiko zu verringern, dass SDs bei Verwendung einer e...
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Diese Arbeit wurde durch NIGMS P20GM109089 und PR200891 Zuschüsse des Verteidigungsministeriums unterstützt.
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| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| #00-90 x .118 Maschinenschraube | US Micro Screw | 00.90-118-M-SS-P, Amazon | |
| Bohrer mit 0,8 mm Durchmesser | PCB-Bohrer | WYTP21, Amazon | |
| 16-A Headstage | Intan | C3335 | |
| 2,1 mm Fräser Mikrobohrer | Fine Science Tools | 19007-21 | |
| AC-Verstärker | Intan | RHD Aufnahmesystem | |
| C57BL/6J Mäuse | Jackson Laboratorium | Jax#000664 | |
| CCD-Kamera | Mightex | TCE-1304-U | |
| Verlängerungsobjektiv | Zeikos | ZE-ETN | |
| Ethiqa XR (Slow Release Buprenorphin) | Midwest Veterinary Supply | Produktnummer 267.10000.3 | |
| Gold-Anschlussstift (weiblich) | A-M Systems | 520100 | |
| Gold-Steckerstift (männlich) | A-M Systems | 520200 | |
| ImageJ2/Fiji | Image J | NA | |
| Impactor One | Leica | 39463930 | |
| LED-Panel-Platine | Supon | L122t | |
| MATLAB | MathWorks | Institutioneller oder individueller Aktivierungscode | |
| Cyanacrylatkleber in medizinischer Qualität | MasterBond | MB287 | |
| Micro-Manager Kamera Software | Image J | NA | |
| Nagelbohrer/-polierer | Makartt Nagelbohrer Elektrische Nagelfeile | JD700 | |
| Omnetic Steckverbinder | Omnetics | A79014-001 | |
| RHX Datenerfassungssoftware | Intan | NA | |
| Edelstahl unbeschichteter Draht (0,005") | A-M Systems | 792800 | |
| Stereotaxic Frame Kopf | Intruments | 1923-B | |
| Teets 'kalthärtende' Zahnzement | A-M Systeme | 525000, 526000 | |
| XLR Kameraobjektiv | Nikon | NIKKOR 50 mm f/1.8-16 |
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