Name: Externe Anregung von Neuronen mittels elektrische und magnetische Felder in One- und Zweidimensionale Kulturen (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-05-07T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 32 s
Description: Lernen Sie die elektrische und magnetische Stimulation von Neuronen in ein- und zweidimensionalen Kulturen. Diese Methode ermöglicht die Messung von Chronaxie und Rheobase zur Untersuchung neuronaler Erregungsparameter.

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Die Autoren danken Ofer Feinerman, Fred Wolf, Menahem Segal, Andreas Neef und Eitan Reuveny für sehr hilfreiche Diskussionen. Die Autoren danken Ilan Breskin und Jordi Soriano für frühe Versionen der Technologie zu entwickeln. Die Autoren danken Tsvi Tlusty und Jean-Pierre Eckmann für die Hilfe bei den theoretischen Konzepten. Diese Forschung wurde von der Minerva-Stiftung, das Ministerium für Wissenschaft und Technologie, Israel, und Israel Science Foundation Grant 1320-1309 und die Bi-National Science Foundation Grant 2.008.331 unterstützt.

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Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessen haben.

1D Musterung ist ein wichtiges Werkzeug, das für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden kann. Zum Beispiel haben wir 1D Musterung für die Erstellung von Logikgattern aus neuronalen Kulturen 29 und in jüngerer Zeit zu messen , die Chronaxie und die Rheobase von Ratten - Hippocampus - Neuronen 5, und die Verlangsamung der Signalausbreitungsgeschwindigkeit des Brennen Aktivität in Down - Syndrom - Hippocampus - Neuronen im Vergleich zu dem verwendeten Wildtyp (WT) Hi...

Die Wechselwirkung zwischen Neuronen und externen elektrischen Feldern hat sowohl grundlegende Implikationen als auch praktische. Während es seit den Zeiten von Volta bekannt ist, dass ein extern angelegtes elektrisches Feld Gewebe anregen kann, sind die Mechanismen, die für die Produktion eines resultierenden Aktionspotentials in Neuronen verantwortlich sind, erst vor kurzem aufgefangen 1 , 2 , 3 , 4 . Hierbei handelt es sich um Antworten auf Fragen, die den Mechanismus betreffen, der die Depolarisation des Membranpotentials, die Rolle der Membraneigenschaften und der Ionenkanäle und sogar die Region im Neuron, die auf das elektrische Feld 2 , 5 reagiert, verursacht. Therapeutische Neurostimulation 6 , 7 , 8 , 9 , <supclass = „xref“&gt; 10 Methoden sind besonders abhängig von diesen Informationen, die für die Ausrichtung der betroffenen Gebiete von entscheidenden Bedeutung sein kann und das Ergebnis der Therapie für das Verständnis. Ein solches Verständnis kann auch helfen, Behandlungsprotokolle und neue Ansätze zur Stimulation verschiedenen Bereiche im Gehirn zu entwickeln. Messen der Wechselwirkung innerhalb des in - vivo - Gehirns fügt eine wichtige Komponente dieses Verständnisses, sondern wird durch die Ungenauigkeit und niedrige Steuerbarkeit der Messungen innerhalb des Schädels behindert. Im Gegensatz dazu können die Messungen in den Kulturen mit hohen Präzision leicht, exzellenten Signal-Rausch-Leistung und einem hohen Grad an Reproduzierbarkeit und der Kontrolle in hohem Volumen durchgeführt werden. Mit Kulturen eine große Vielfalt von neuronalen Eigenschaften des kollektiven Verhalten des Netzwerks können 11 aufgeklärt werden, 12, 13, 14, </sup&gt; 15, 16. In ähnlicher Weise ist dies gut kontrolliert werden , um hocheffiziente System erwartet , dass der Mechanismus in Aufklären , durch die anderen Stimulationsverfahren arbeiten, wie zum Beispiel Kanalöffnung während der optischen Stimulation in optogenetically aktiven Neuronen 17, 18, 19 ist verantwortlich für die Erstellung von Aktionspotential. Hier liegt der Schwerpunkt auf der Beschreibung der Entwicklung und das Verständnis von Werkzeugen, die effizient das Neuron über ein externes elektrisches Feld anregen kann. In diesem Papier beschreiben wir die Herstellung von zweidimensionaler und eindimensionalen gemusterten hippocampalen Kulturen, Stimulation verschiedene Konfigurationen und Orientierung eines direkt angelegten elektrischen Feld von Badelektroden verwenden und schließlich Stimulation von zweidimensionalen und bemustert eindimensionalen Kulturen nach a zeitlich veränderliches Magnetfeld, das ein elektrisches Feld induziert,5, 20, 21.

<table><tbody><tr><td>APV</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>A8054</td><td>Trennen Sie das Netzwerk. Erwähnt in Abschnitt 2.4.2</td></tr><tr><td>B27 Supp</td><td>Gibco</td><td>17504-044</td><td>Beschichtungsmedium. Erwähnt in Abschnitt 1.1.1</td></tr><tr><td>Bicuculline</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>14343</td><td>Trennen Sie das Netzwerk. Erwähnt in Abschnitt 2.4.2</td></tr><tr><td>Borax (Natriumtetraborat-Decahydrat)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S9640</td><td>Boratpuffer. Erwähnt in Abschnitt 1.1.2</td></tr><tr><td>Borsäure</td><td>Frutarom LTD</td><td>5550710</td><td>Boratpuffer. Erwähnt in Abschnitt 1.1.2</td></tr><tr><td>CaCl2 , 1 M</td><td>Fluka&nbsp;</td><td>21098</td><td>Extrazelluläre Aufzeichnungslösung. Erwähnt in Abschnitt 1.5.2</td></tr><tr><td>CNQX</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>C239</td><td>Trennen Sie das Netzwerk. Erwähnt in Abschnitt 2.4.2</td></tr><tr><td>COMSOL</td><td>COMSOL Inc</td><td>Multiphysics 3.5</td><td>Numerische Simulation. Erwähnt in Abschnitt 3.5.2</td></tr><tr><td>D-(+)-Glukose, 1 M</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>65146</td><td>Beschichtungsmedium, extrazelluläre Aufzeichnungslösung. Erwähnt in den Abschnitten 1.1.1 und 1.5.2</td></tr><tr><td>D-PBS</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>D8537</td><td>Zellkulturen. Erwähnt in den Abschnitten 1.2.4 und 1.2.6</td></tr><tr><td>FCS (FBS)</td><td>Gibco</td><td>12657-029</td><td>Beschichtungsmedium. Erwähnt in Abschnitt 1.1.1</td></tr><tr><td>Fibronektin</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>F1141</td><td>Biobeschichtung. Erwähnt in Abschnitt 1.2.6</td></tr><tr><td>Fluo4AM</td><td>Lebenstechnologien</td><td>F14201</td><td>Bildgebung von spontaner oder evozierter Aktivität. Erwähnt in den Abschnitten 1.5.1, 1.5.3 und 1.5.5</td></tr><tr><td>FUDR</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>F0503</td><td>Wechsel des Mediums. Erwähnt in Abschnitt 1.4.1</td></tr><tr><td>Gentamycin</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>G1272</td><td>Beschichtungsmedium, Wechselmedium, Endmedium. Erwähnt in Abschnitt 1.1.1</td></tr><tr><td>GlutaMAX 100x</td><td>Gibco</td><td>35050-038</td><td>Beschichtungsmedium, Wechselmedium, Endmedium. Erwähnt in Abschnitt 1.1.1</td></tr><tr><td>Hepes, 1 M</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>H0887</td><td>Extrazelluläre Aufzeichnungslösung. Erwähnt in Abschnitt 1.5.2</td></tr><tr><td>HI HS</td><td>BI</td><td>04-124-1A</td><td>Beschichtungsmedium, Wechselmedium, Endmedium. Erwähnt in den Abschnitten 1.1.1, 1.4.1 und 1.4.2</td></tr><tr><td>KCl&nbsp; 3 M</td><td>Merck</td><td>1049361000</td><td>Extrazelluläre Aufzeichnungslösung. Erwähnt in Abschnitt 1.5.2</td></tr><tr><td>Laminin&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>L2020</td><td>Bio-Beschichtung. Erwähnt in Abschnitt 1.2.6</td></tr><tr><td>MEM x 1</td><td>Gibco</td><td>21090-022</td><td>Beschichtungsmedium, Wechselmedium, Endmedium. Erwähnt in Abschnitt 1.4.1&nbsp; &nbsp; &nbsp; 1.4.2</td></tr><tr><td>MgCl2 , 1 M</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>M1028</td><td>Extrazelluläre Aufzeichnungslösung. Erwähnt in Abschnitt 1.5.2</td></tr><tr><td>NaCl, 4 M</td><td>Bio-Lab</td><td>19030591</td><td>Extrazelluläre Aufzeichnungslösung. Erwähnt in Abschnitt 1.5.2</td></tr><tr><td>Octadecanthiol</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>01858</td><td>Reinigung von Cr-Au-beschichteten Deckgläsern (1D-Kulturen). Erwähnt in Abschnitt 1.2.3</td></tr><tr><td>Pluracare F108 NF Prill</td><td>BASF Vergleichung&nbsp;</td><td>50475278</td><td>Bio-Rejection-Beschichtung, Bio-Beschichtung. Erwähnt in den Abschnitten 1.2.4 und 1.2.6</td></tr><tr><td>Poly-L-Lysin 0,01% ige Lösung&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>&nbsp; P47075</td><td>Fördert die Zellteilung. Erwähnt in Abschnitt 1.1.4</td></tr><tr><td>Saccharose, 1 M</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S1888</td><td>Extrazelluläre Aufzeichnungslösung. Erwähnt in Abschnitt 1.5.2</td></tr><tr><td>Thiol&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>1858</td><td>Bio-Rejection-Beschichtung. Erwähnt in Abschnitt 1.2.3</td></tr><tr><td>URIDINE</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>U3750</td><td>Wechselndes Medium. Erwähnt in Abschnitt 1.4.1</td></tr><tr><td>Sputtermaschine</td><td>AJA International, Inc</td><td>ATC Orion-5Series&nbsp;</td><td>Beschichtung von Glas mit dünnen Metallschichten. Erwähnt in Abschnitt 1.2.2</td></tr><tr><td>Federplotter&nbsp;</td><td>Hewlett Packard&nbsp;</td><td>HP 7475A</td><td>Ätzen des Musters auf das beschichtete Deckglas. Erwähnt in Abschnitt 1.2.5</td></tr><tr><td>Elektroden, Drähte&nbsp;</td><td>A-M Systems, Carlsborg WA</td><td>767000</td><td>Elektrische Stimulation neuronaler Kulturen. Erwähnt in den Abschnitten 2.1, 2.2, 2.3 und 2.4.5</td></tr><tr><td>Signalgenerator</td><td>BKPrecision</td><td>4079</td><td>Formung des elektrischen Signals. Erwähnt in Abschnitt 2.3</td></tr><tr><td>Verstärker</td><td>Selbstgemacht</td><td></td><td>Spannungsverstärkung des Signals vom Signalgenerator zu den Elektroden. Erwähnt in Abschnitt 2.3</td></tr><tr>Matrix<td>der Stromversorgung</td><td>&nbsp;</td><td>MPS-3005 LK-3&nbsp;</td><td>Stromversorgung der Sputtermaschine. Erwähnt in Abschnitt 1.2.2.3</td></tr><tr><td>Transkranielle Magnetstimulation</td><td>Magstim, Spring Gardens, UK</td><td>Rapid 2</td><td>Magnetstimulation der neuronalen Kultur. Erwähnt in den Abschnitten 3.1, 3.3 und 3.4</td></tr><tr><td>Epoxy</td><td>Cognis</td><td>Versamid 140</td><td>Gießen von hausgemachten Spulen. Erwähnt in Abschnitt 3.4</td></tr><tr><td>Epoxidharzschale</td><td></td><td>EPON 815&nbsp;</td><td>Gießen von hausgemachten Spulen. Erwähnt in Abschnitt 3.4</td></tr><tr><td>Platindrähte mit einer Dicke von 0,005 Zoll; A-M Systeme&nbsp;</td><td>&nbsp; Carlsborg WA</td><td>&nbsp; 767000</td><td>Elektrische Stimulation neuronaler Kulturen. Erwähnt in Abschnitt 2.1</td></tr><tr><td>Zirkuläre Magnetspule</td><td>Hausgemachte</td><td></td><td>Magnetstimulation der neuronalen Kultur. Erwähnt in Abschnitt 3.3</td></tr><tr><td>WaveXpress SW</td><td>B& K Präzision&nbsp;</td><td></td><td>Software zur Bearbeitung von Wellenformen. Erwähnt in Abschnitt 2.1.32</td></tr><tr><td>Xion Ultra 897</td><td>Andor</td><td></td><td>Sensitive EMCCD-Kamera. Erwähnt in Abschnitt 2.4.4</td></tr></tbody></table>

externe anregung von neuronen mittels elektrische und magnetische felder in one- und zweidimensionale kulturen

External Excitation of Neurons Using Electric and Magnetic Fields in One- and Two-dimensional Cultures

Ein Neuron wird ein Aktionspotential ausgelöst, wenn dessen Membranpotential einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. In typischer Aktivität des Gehirns, tritt dies als Ergebnis chemischer Eingänge seine Synapsen. Allerdings Neuronen können auch durch ein auferlegtes elektrisches Feld angeregt werden. Insbesondere aktivieren bisherige klinische Anwendungen Neuronen, die durch ein elektrisches Feld von außen zu schaffen. Es ist daher von Interesse, zu untersuchen, wie das Neuron zum äußeren Feld reagiert und was bewirkt, dass das Aktionspotential. Glücklicherweise ist eine präzise und kontrollierte Anwendung eines externen elektrischen Feldes möglich ist, für die embryonale neuronale Zellen, die herausgeschnitten werden, dissoziiert und in Kulturen gezüchtet. Dies ermöglicht die Untersuchung dieser Fragen in hochreproduzierbarer System. In diesem Papier einige der Techniken für die kontrollierte Anwendung von externem elektrischem Feld auf neuronalen Kulturen verwendet werden, überprüft. Die Netzwerke können entweder eindimensional sein, dh in linea gemustertr Formen oder auf der gesamten Ebene des Substrats wachsen gelassen, und somit zweidimensional. Darüber hinaus kann die Anregung durch das direkte Anlegen des elektrischen Feldes über die Elektroden in dem Fluid (Badelektroden) oder durch Induzieren des elektrischen Felds unter Verwendung der Fern Schaffung magnetischer Impulse erzeugt wird eingetaucht.

Das dargestellte Protokoll ermöglicht eine einfache Strukturierung von neuronalen Kulturen. Wenn es mit mehreren Methoden kombiniert wird, die wir für die Stimulation entwickelt haben, ermöglicht es, Messungen von einigen intrinsischen Neuroneigenschaften wie Chronaxie und Rheobase 5 durchzuführen, um die Eigenschaften von gesunden und kranken Neuronen zu vergleichen, um optimale Wege zu finden, um Kulturen als Funktion von zu stimulieren Ihre Struktur und viele n...

Neuronale Kulturen sind ein gutes Modell für die Untersuchung Schwellen Hirnstimulation Techniken über ihre Wirkung auf die einzelnen Neuronen oder einer Population von Neuronen. Dargestellt hier sind verschiedene Verfahren zur Stimulation von gemusterten neuronalen Kulturen durch ein elektrisches Feld erzeugt wird direkt durch Badelektroden oder induziert durch ein zeitlich veränderliches Magnetfeld.

Externe Anregung von Neuronen mittels elektrische und magnetische Felder in One- und Zweidimensionale Kulturen

A neuron will fire an action potential when its membrane potential exceeds a certain threshold. In typical activity of the brain, this occurs as a result ...

Das übergeordnete Ziel dieses Protokolls für die elektrische und magnetische Stimulation von eindimensionalen und zweidimensionalen Kulturen ist es, neuronale Kulturen effizient als reduziertes Modell für die Hirnstimulation zu nutzen, aus dem wir Erkenntnisse und wichtige Parameter extrahieren können. Die Verwendung unseres elektrischen Stimulationsprotokolls mit eindimensionalen Kulturen ermöglicht es uns, spezifische Parameter im Zusammenhang mit der neuronalen Erregung zu messen, z. B. Chronaxie und Rheobase in verschiedenen Kompartimenten des Neurons. Die Magnetstimulationstechnik ermöglicht es uns, die Wirkung von magnetischen und elektrischen Feldern auf neuronale Kulturen zu vergleichen.Dieses Modell ermöglicht es uns auch, Erkrankungen des Gehirns besser zu diagnostizieren und zu behandeln. Wir schlagen eine effektive und einfache Methode zur Kultivierung von neuronalen Musternetzen in jedem Designmuster vor, auch in eindimensionalen Netzwerken. Wir können dann elektrische und zeitlich veränderliche Magnetfelder in Bezug auf diese Netzwerke ausrichten, um die Beiträge verschiedener Kompartimente des Neurons zu trennen und zu beobachten.Der Hauptvorteil dieser Technik beste

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Research

Forschung

JoVE Journal

Neuroscience

Neurowissenschaften

Dieses Protokoll zeigt Methoden verwendet werden, um 2D-und 3D-Umgebungen in speziell angefertigten electrotactic Kammern einzurichten, die Zellen verfolgen...

Electric Field-gesteuerte gerichtete Wanderung von neuralen Vorläuferzellen in 2D-und 3D-Umgebungen

In diesem Protokoll zeigen wir, wie Sie benutzerdefinierte Kammern, die die Anwendung eines Gleichstrom elektrisches Feld an Zeitraffer-Aufnahmen von erwachsenen Gehirn abgeleitete neurale Vorläuferzellen Translokation während Galvanotaxis ermöglichen ermöglichen konstruieren.

A Galvanotaxis Assay für die Analyse von neuralen Vorläuferzellen Cell Migration Kinetics in einem von außen angelegten Direct Current Electric Field

Dieses Video zeigt die Entwicklung einer 3D-Neuronenkultur, die mit einem planaren Mikroelektrodenarray mit Hippocampus-Neuronen gekoppelt ist. Die isolierten Neuronen bilden ein 2D-Netzwerk auf der aktiven Fläche des Mikroelektrodenarrays und haften an Glasmikrokügelchen in einer Multi-Well-Platte mit einem Membraneinsatz. Nach der Übertragung dieser mit Neuronen beschichteten Mikrokügelchen auf die Elektrode organisieren sie sich zu einem miteinander verbundenen neuronalen 3D-Netzwerk.

Aufbau dreidimensionaler neuronaler Netzwerke, die an Mikroelektrodenarrays gekoppelt sind

Dieses Video demonstriert eine Technik zur Stimulation von liniengemusterten neuronalen Kulturen mit einem gleichmäßigen, unidirektionalen elektrischen Feld.

Externe Erregung von eindimensional gemusterten neuronalen Kulturen

Dieses Video demonstriert eine Methode zur Stimulation neuronaler Kulturen, die in einem gemusterten kreisförmigen Ring auf einem Deckglas gezüchtet wurden, unter Verwendung eines zeitlich veränderlichen Magnetfeldes.

Stimulation von gemusterten neuronalen Kulturen durch ein Magnetfeld

Das Video demonstriert elektrophysiologische Aufzeichnungen zur Beurteilung neuronaler Verbindungen zwischen iPSC-abgeleiteten und kortikalen Neuronen der Ratte, zur Bestätigung synaptischer Kontakte in der Co-Kultur durch Aktivierung lichtempfindlicher Ionenkanäle und Detektion postsynaptischer Ströme.

Beurteilung der Bildung neuronaler Verbindungen in einer Co-Kultur mit elektrophysiologischen Aufzeichnungen

Wir präsentieren ein Protokoll zur Kultivierung primärer Maus-Spiralganglien-Neuronenexplantate auf Multi-Elektroden-Arrays, um neuronale Reaktionsprofile zu untersuchen und Stimulationsparameter zu optimieren. Solche Studien zielen darauf ab, die Neuron-Elektroden-Grenzfläche von Cochlea-Implantaten zu verbessern, um das Gehör der Patienten sowie den Energieverbrauch des Geräts zu verbessern.

Spiralganglion Neuron Explantation Kultur und Elektrophysiologie auf Multi-Elektroden-Arrays

Maus-neuronale Zellen, die auf Multi-Elektroden-Arrays kultiviert werden, zeigen eine Erhöhung der Reaktion nach elektrischer Stimulation. Dieses Protokoll demonstriert, wie man Neuronen kultiviert, wie man Aktivität aufnimmt und wie man ein Protokoll aufbaut, um die Netze zu trainieren, um auf Stimulationsmuster zu reagieren.

Zeitabhängige Erhöhung der Netzwerkreaktion auf die Stimulation von neuronalen Zellkulturen auf Mikroelektroden-Arrays

Dieses Protokoll beschreibt die Verwendung von Silizium-Nanodrähten für die intrazelluläre optische Biomodulation von Zellen in einer einfachen und einfach durchzuführenden Methode. Die Technik ist sehr anpassungsfähig an verschiedene Zelltypen und kann sowohl für In-vitro- als auch für In-vivo-Anwendungen eingesetzt werden.

Silizium-Nanodrähte und optische Stimulation für Untersuchungen der intra- und interzellulären elektrischen Kopplung

In dieser Studie stellen wir ein Protokoll zur Differenzierung von neuronalen Stamm- und Vorläuferzellen (NPCs) vor, das ausschließlich durch Gleichstrom-Pulsstimulation (DC) in einem mikrofluidischen System induziert wird.

Elektrisch-Feld-induzierte neuronale Vorläuferzelldifferenzierung in mikrofluidischen Geräten

Dieses Protokoll beschreibt den schrittweisen Prozess zum Bau von elektrischen und magnetischen Stimulatoren, die zur Stimulierung biologischer Gewebe verwendet werden. Das Protokoll enthält eine Richtlinie zur Simulation von rechengestützten elektrischen und magnetischen Feldern und zur Herstellung von Stimulatoren.

Elektrische und magnetische Feldgeräte zur Stimulation biologischer Gewebe

Lernen Sie die elektrische und magnetische Stimulation von Neuronen in ein- und zweidimensionalen Kulturen. Diese Methode ermöglicht die Messung von Chronaxie und Rheobase zur Untersuchung neuronaler Erregungsparameter.

Externe Anregung von Neuronen mittels elektrische und magnetische Felder in One- und Zweidimensionale Kulturen

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