Überwachung der Hirnrinde mit einem Multi-Elektroden-Array als Reaktion auf anfallsauslösende Wirkstoffe
JoVE Encyclopedia of Experiments
Neurowissenschaften
0 Ansichten • 4:18 Min. • July 8th, 2025
Beginnen Sie mit einem Hirnschnitt, der den anterioren cingulären Kortex (ACC) und die Thalamusregionen enthält.
Befestigen Sie die Gehirnscheibe mit einem Anker an einem Mehrelektrodenarray oder einer MEA-Kammer, einem elektrischen Signalmessgerät, das mit sauerstoffhaltiger künstlicher Zerebrospinalflüssigkeit durchblutet ist.
Positionieren Sie die transkranielle Gleichstromstimulation oder tDCS-Elektrode, wobei eine in der Nähe des ACC und die andere distal zum ACC platziert wird, um den Hirnschnitt mit Gleichstrom zu versorgen.
Zeichnen Sie Basissignale auf und liefern Sie elektrischen Strom über tDCS an den Slice.
Passen Sie die Elektrodenlänge und den tDCS-Strom an, um qualitativ hochwertige Signale zu erhalten.
Geben Sie mit einer Stimulationselektrode Stromimpulse an den Thalamus ab, der durch Stimulation des ACC einen künstlichen Anfall auslöst.
Passen Sie den Strom an, um den Thalamus-Cingulus-Signalweg zu stimulieren, der den Thalamus mit dem ACC verbindet, um eine optimale ACC-Reaktion zu erhalten.
Nehmen Sie es über die MEA auf.
Infundieren Sie anfallsauslösende Medikamente in die MEA-Kammer
Geben Sie mit Stimulationselektroden elektrische Impulse an den Thalamus-Cingulat-Signalweg ab und zeichnen Sie die medikamenteninduzierte ACC-Reaktion auf.
Bestätigen Sie die Platzierung einer MEA-Sonde auf dem Mehrkanalsystem. Verwenden Sie einen Schlauch, um den ACSF in die MEA-Kammer zu führen, und den anderen Schlauch, um den ACSF aus der Kammer zu führen. Perfundieren Sie das Präparat kontinuierlich mit warmem, sauerstoffhaltigem ACSF bei 30 Grad Celsius. Übertragen Sie mit einem feuchten Wattestäbchen eine Gehirnscheibe in die MEA.
Bewegen Sie die Gehirnscheibe vorsichtig, um den ACC über den Elektroden auszurichten. Stabilisieren Sie dann die Hirnscheibe mit einem Schnittanker, um eine gute elektrische Verbindung zwischen der Schicht und den Elektroden zu gewährleisten. Platzieren Sie anschließend die Anodenelektrode proximal zum ACC und die Kathodenelektrode distal zum ACC. Erfassen Sie die Feldstärke anhand der beiden Feldorientierungen von MEA. Geben Sie dann die elektrischen Ströme mit einem Stimulator ab.
Stellen Sie den Abstand zwischen den beiden Silberchlorid-Elektroden auf etwa 1,5 bis 2 Zentimeter ein und stellen Sie die Stromstärke des Stimulators so ein, dass der DCS zwischen 0,5 und 2 Milliampere liegt. Platzieren Sie bei diesem Verfahren eine Wolframelektrode in MT und geben Sie Impulse vom Stimulator an den Thalamusbereich der Scheibe ab. Verwenden Sie als Nächstes verschiedene Stromintensitäten, um den Schwellenwert zu bestimmen, der eine ACC-Antwort auslöst.
Bewegen Sie die Wolframelektrode entlang des Thalamo-Cingulationswegs, um das optimale Reaktionsprofil zu erhalten. Nehmen Sie 10 bis 20 ACC-Reaktionen auf und verwenden Sie die Software, um automatisch alle ACC-Reaktionen zu mitteln, die durch leere Stimulation hervorgerufen werden.
Um eine anfallsähnliche Aktivität zu induzieren, fügen Sie der Perfusionslösung 250 Mikromolare für AP und 5 Mikromolare Bicuculline hinzu und perfundieren Sie die Scheibe für 2 bis 3 Stunden. Halten Sie die Pumpe auf einer relativ schnellen Perfusionsrate, was dazu beitragen kann, die Bildung eines pH-Gradienten zu verhindern. Platzieren Sie als Nächstes die Wolframelektrode in MT und führen Sie eine elektrische Stimulation durch, um ein ACC-Reaktionsprofil zu erhalten. Zeichnen Sie 10 bis 20 Sweeps auf und mitteln Sie die Antworten. Ersetzen Sie anschließend die Perfusionslösung durch frisches ACSF, um die Medikamente auszuwaschen.
Übersicht
In diesem Artikel wird eine Methode zur Untersuchung des anterioren cingulären Kortex (ACC) und des Thalamus unter Verwendung einer Gehirnschnittpräparation beschrieben. Das Protokoll beinhaltet die Anwendung einer transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS) sowie die Aufzeichnung von Antworten auf elektrische Stimulation und die Infusion von Wirkstoffen.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Neurowissenschaften
- Elektrophysiologie
- Neuropharmakologie
Hintergrund
- Der Gyrus cinguli anterior ist an verschiedenen kognitiven Funktionen beteiligt.
- Der Thalamus spielt eine entscheidende Rolle bei der Weiterleitung sensorischer Informationen.
- Das Verständnis ihrer Wechselwirkungen kann Einblicke in die Mechanismen von Anfällen liefern.
- Elektrische Stimulationsverfahren können helfen, diese Wechselwirkungen aufzuklären.
Zweck der Studie
- Untersuchung der elektrischen Antworten des ACC auf Stimulation.
- Untersuchung der Wirkung einer Medikamenteninfusion auf die ACC-Aktivität.
- Entwicklung einer zuverlässigen Methode zur Induktion und Ableitung anfallsähnlicher Aktivität.
Verwendete Methoden
- Herstellung von Gehirnschnitten, die den ACC und den Thalamus enthalten.
- Anwendung der tDCS zur Modulation der elektrischen Aktivität.
- Verwendung von Multielektroden-Arrays (MEAs) zur Signalaufzeichnung.
- Infusion von anfallsauslösenden Substanzen, um deren Wirkung auf ACC-Reaktionen zu untersuchen.
Hauptergebnisse
- Erfolgreiche Aufzeichnung von ACC-Antworten auf elektrische Stimulation.
- Nachweis des Einflusses einer Medikamenteninfusion auf anfallsähnliche Aktivität.
- Herleitung optimaler Parameter für tDCS und Stimulationsprotokolle.
- Gewonnene Erkenntnisse zur Rolle der thalamo-zingulären Verbindung bei der ACC-Aktivität.
Schlussfolgerungen
- Die Methode zeigt effektiv die Dynamik der Wechselwirkungen zwischen ACC und Thalamus auf.
- Die Medikamenteninfusion verändert die ACC-Antworten erheblich und weist auf potenzielle therapeutische Zielstrukturen hin.
- Dieser Ansatz kann für weitere Untersuchungen der Anfallsmechanismen genutzt werden.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Diese Methode ermöglicht die mechanistische Untersuchung anfallsauslösender Signalwege in einem kontrollierten Hirnschnittmodell und unterstützt die Zielvalidierung für neurotherapeutische Wirkstoffe. Durch die Quantifizierung der ACC-Antworten auf elektrische und pharmakologische Reize liefert sie früh im Entdeckungsprozess eine vorhersagbare Sicherheit bei der Risikominderung von Wirkstoffkandidaten für das zentrale Nervensystem. Der Ansatz entspricht Strategien des phänotypischen Screenings und der translationalen Biomarkerentwicklung bei Epilepsie und verwandten Erkrankungen.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Untersucht die Modulation der thalamo-zingulären Verbindung, um Anfallsmechanismen aufzuklären und den ACC als therapeutisches Ziel zu validieren.
- Operativer Wert: Ermöglicht die Dosis-Wirkungs-Profilierung anfallsauslösender Substanzen wie Bicucullin und AP, um Target-Engagement-Assays zu unterstützen.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Erzeugt quantitative elektrophysiologische Messwerte aus MEA-Aufzeichnungen, um die Wirkung von Substanzen auf anfallsähnliche Aktivität zu bewerten.
- Operationaler Wert: Standardisiert die Herstellung von Gehirnschnitten und Perfusionsbedingungen für eine reproduzierbare, inhaltsreiche Bildschirmanalyse neuroaktiver Moleküle.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Modelliert arzneimittelinduzierte Anfallsreaktionen in einem krankheitsrelevanten System, um in vitro gewonnene Erkenntnisse mit der in vivo Pathophysiologie zu verknüpfen.
- Operationaler Wert: Unterstützt die mechanistische Risikominimierung, indem ACC-spezifische Reaktionen auf Stimulation und Arzneimittelinjektion vor Tierversuchen isoliert werden.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode lässt sich in frühe Entdeckungsworkflows integrieren und ermöglicht die Hypothesenprüfung von ZNS-Zielen vor der Identifizierung von Leitstrukturen und den präklinischen Validierungsstufen.
- Entdeckungsbiologie: Unterstützt die Aufklärung von Signalwegen und die biologische Entrisikobewertung des thalamo-zingulären Schaltkreises hinsichtlich der Anfallsanfälligkeit.
- Screening: Liefert gebrauchsfertige, quantitative MEA-Auswertungen zur Beurteilung der Wirkstoffmodulation elektrisch hervorgerufener ACC-Antworten.
- Analytik: Bietet eine automatisierte Mittelwertbildung hervorgerufener Potenziale, um statistische Vergleiche über verschiedene Behandlungsbedingungen hinweg zu ermöglichen.
- Translationale Forschung: Verbindet elektrophysiologische Biomarker mit Anfallsmechanismen, um eine präklinische Kontinuität sicherzustellen.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Schafft eine wiederverwendbare Elektrophysiologie-Plattform zum Screening verschiedener zentralnervensystemwirksamer Wirkstoffe über mehrere Projekte hinweg.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht das Vertrauen in die Zielvalidierung durch direkte Messung der an Anfällen beteiligten neuronalen Aktivität in einem reduktionistischen System.
- Operationaler Wert: Stellt Reproduzierbarkeit sicher durch standardisierte Perfusion, Elektrodenpositionierung und Stimulationsparameter über verschiedene Experimente hinweg.
- Strategischer Wert: Unterstützt Go/No-Go-Entscheidungen, indem Unklarheiten bezüglich mechanistischer zentralnervöser Wirkungen früh im Entwicklungsprozess verringert werden.
- Portfolio-Wirkung: Ermöglicht die risikoadjustierte Priorisierung von Wirkstoffen basierend auf ihren Effekten auf anfallsauslösende Signalwege.
Durchführungsüberlegungen
- Erfordert Fachkenntnisse in Elektrophysiologie, Gehirnschnittpräparation und Signalableitung mittels MEA.
- Benötigt Multi-Elektroden-Array-Systeme, Stimulatoren und Perfusionspumpen zur stabilen Zufuhr von ACSF.
- Setzt eine standardisierte Vorgehensweise zwischen Teams bei Stimulationsprotokollen und der zeitlichen Abfolge von Medikamenteninfusionen für reproduzierbare Ergebnisse voraus.
- Beinhaltet Anpassungsüberlegungen bei der Übertragung von Ergebnissen aus Gehirnschnitten von Nagetieren auf für den Menschen relevante Modelle.
- Ist durch die akute Natur der Gehirnschnittpräparation begrenzt, was Langzeitstudien zu chronischen Effekten einschränkt.
Biopharma-Häufige Fragen
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Zuletzt aktualisiert: 29 August 2026