Die Schnellscan-zyklische Voltammetrie (FCV) ist eine elektrochemische Technik, die entwickelt wurde, um schnelle Schwankungen elektroaktiver Neurotransmitter zu überwachen1. Im Gegensatz zur traditionellen zyklischen Voltammetrie, die langsame Scanraten1 verwendet, wendet FCV eine dreieckige Potentialwellenform mit einer deutlich schnelleren Scanrate (typischerweise 400 V/s) über eine mikrometergroße Kohlenstofffaser-Mikroelektrode an, was subsekundengenaue Messungen der Neurotransmitterkonzentration2 ermöglicht. Diese hohen Scanraten erzeugen einen großen, aber stabilen Hintergrundladestrom, der digital subtrahiert werden kann, um die faradaischen Ströme zu isolieren, die durch Oxidations- und Reduktionsreaktionen von Neurotransmittern erzeugt werden 2,3.
FCV ermöglicht die Echtzeitmessung der extrazellulären Neurotransmitterkonzentrationen in bestimmten Hirnregionen und ermöglicht eine hohe zeitliche Auflösung sowie moderate chemische Selektivität4. Diese Eigenschaften machen FCV gut geeignet für die Untersuchung der schnellen neurochemischen Signalübertragung sowohl in vivo als auch in ex-vivo-Präparaten, einschließlich frei beweglicher oder betäubter Tiere sowie akuter Gehirnschnitte 5,6,7. Diese Technik bietet mehrere Vorteile: (1) kontrollierte Stimulationsprotokolle können verwendet werden, um definierte dopaminerge Reaktionen hervorzurufen; (2) der kleine Durchmesser von Kohlenstofffaser-Mikroelektroden minimiert Gewebeschäden und ermöglicht präzise räumliche Aufzeichnungen; (3) FCV ist hochkompatibel mit pharmakologischen Manipulationen und ermöglicht eine effiziente Untersuchung der Monoaminominfreisetzungs- und -aufnahmekinetik; und (4) die Kombination aus chemischer Selektivität und hoher zeitlicher Auflösung ermöglicht eine verbesserte Detektion im Vergleich zu anderen elektrochemischen Methoden wie Amperometrie und Probenahmemethoden wie der Mikrodialyse, die oft nicht schnell genug sind, um schnelle, vorübergehende Neurotransmitter-Ereignisse zu erfassen oder Schwierigkeiten bei der Identifizierung und Quantifizierung spezifischer Moleküle haben5.
Dopamin (DA) ist ein zentraler Neuromodulator, der an Belohnung, Motivation, motorischer Kontrolle sowie mehreren Aspekten von Lernen und Gedächtnis beteiligt ist, und zeichnet sich durch schnelle und vorübergehende Freisetzungsdynamikenaus. Im FCV wird eine dreieckige Spannungswellenform, typischerweise von -0,4 V bis +1,2 V, wiederholt auf eine Kohlenstofffaser-Mikroelektrode angelegt. Während des anodischen (aufwärts) Sweeps wird DA nahe der Elektrodenoberfläche bei etwa +0,6 V oxidiert, wodurch zwei Elektronen freigesetzt werden und Dopamin-o-Chinon entsteht. Während des kathodischen (abwärts) Sweeps wird diese Verbindung bei etwa -0,2 V auf DA reduziert und nimmt zwei Elektronen9 ein. Die resultierende Strom-Spannungs-Signatur ermöglicht eine präzise Detektion und Quantifizierung der schnellen DA-Freisetzung und -Clearance mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung und zeigt Sekunden-zu-Sekunde-Schwankungen der extrazellulären DA-Werte. In unseren Experimenten wurden FCV-Aufzeichnungen bei 10 Hz für 15–30 Sekunden aufgenommen, was ausreichte, um die durch elektrische Stimulation ausgelöste DA-Freisetzung zu erfassen.
Im Striatum wird die Freisetzung von DA streng durch lokale cholinerge Interneuronen (ChIs) reguliert. Obwohl ChIs nur ~1 % bis 2 % der striatalen Neuronen ausmachen, arborisieren sie umfangreich und haben eine starke Kontrolle über dopaminerge Axone durch axo-axonale Interaktionen10,11. Diese Regulierung wird wahrscheinlich eine entscheidende Rolle beim striatalen Lernen spielen. Während des Lernens zeigen Mittelhirn-DA-Neuronen phasisches Feuer als Reaktion auf Belohnungs- oder belohnungsvorhersagende Hinweise12, während ChIs ein hochsynchronisiertes, multiphasisches Erregungs-Pause-Rebound-Muster13 zeigen. Die zeitliche Koinzidenz zwischen der ChiI-Pause und der phasischen DA-Aktivität unterstreicht zusätzlich die Bedeutung der ChiI-vermittelten Regulation der DA-Freisetzung über nikotinische Acetylcholinrezeptoren (nAChRs)14,15. Über die Regulierung der DA-Freisetzung hinaus hat sich gezeigt, dass diese zeitliche Koinzidenz notwendig für die Induktion der lernbezogenen synaptischen Plastizität im Striatum16 ist, was die Bedeutung der Klärung der Wechselwirkungen zwischen ChIs- und DA-Signalisierung innerhalb dieses Schaltkreises unterstreicht.
ChIs beeinflussen die DA-Freisetzung durch mindestens zwei unterschiedliche Mechanismen. Erstens kann die synchrone Aktivierung von ChIs eine schnelle, kurzverzögerte DA-Freisetzung hervorrufen, die unabhängig von dopaminergem somatischem Zünden durch Aktivierung von nAChRs auf DA-Axonen 17,18,19 erfolgt. Diese Form der axonalen DA-Freisetzung wird wahrscheinlich durch die Entstehung von ektopischen Aktionspotentialen innerhalb von DA-Axonen17 vermittelt. Zweitens kann die ChI-Aktivierung die nachfolgende DA-Freisetzung stark unterdrücken, indem sie die Depolarisation derDA-Axone 20 verhindert. Bemerkenswert ist, dass diese Unterdrückung mit sehr kurzer Latenz auftritt und durch relativ niedrige ChI-Aktivitätsniveaus induziert werden kann, die selbst keine nachweisbare DA-Freisetzung hervorrufen, was darauf hindeutet, dass die Aktivierung von nAChRs wirksamer ist, um die laufende DA-Freisetzung zu unterdrücken als die Auslösung der DA-Freisetzung. Daher deuten diese Faktoren darauf hin, dass ChIs unter physiologischen Bedingungen einen insgesamt unterdrückenden Einfluss auf die Freisetzung von DA haben kann. Allerdings können ChIs auf einer feineren räumlichen Ebene lokal die axonale Freisetzung von DA erleichtern.
Zusammen zeigen diese Ergebnisse eine fein abgestimmte regulatorische Rolle für ChIs bei der Kontrolle der striatalen DA-Signalisierung20. FCV bietet einen leistungsstarken Ansatz zur Analyse dieser Chl-DA-Interaktionen, da seine hohe zeitliche Auflösung eine präzise Messung sowohl der unterstützenden als auch der unterdrückenden Wirkung der ChiI-Aktivität auf die DA-Freisetzung ermöglicht.
Dieser Artikel beschreibt die wesentlichen Verfahren zur Herstellung von Kohlenstofffaser-Mikroelektroden und zur Messung der extrazellulären DA-Konzentrationen mittels FCV in ex-vivo-Präparaten .