QNsim1.0を用いた電気刺激されたドーパミン神経伝達データからの高速スキャンサイクリックボルタンメトリーデータのモデリング

Summary

ファーストスキャンサイクリックボルタンメトリーは、薬剤、疾患、および他の実験的操作の文脈におけるインビボドーパミン神経伝達をモニターすることができる。この研究は、定量的な神経生物学的モデルに従って電気刺激されたドーパミン応答をモデリングしてドーパミン放出および再取り込み動態の推定を定量化するためのソフトウェアであるQNsim1.0の実施について記載している。

Abstract

中枢ドーパミン作動性（DAergic）経路は、注目、動機付け、および運動などの広範な機能において重要な役割を果たす。ドーパミン（DA）は、注意欠陥多動性障害、パーキンソン病および外傷性脳損傷を含む疾患および障害に関与している。したがって、DA神経伝達およびそれを研究する方法は、強い科学的興味の対象である。 インビボファストスキャンサイクリックボルタンメトリー（FSCV）は、細かい時間および空間分解能でDA濃度の変化を選択的にモニタリングする方法である。この技術は、ドーパミン神経伝達のインパルス流を制御するためにDAergic経路を上昇させる電気刺激と併せて一般に使用される。刺激されたDA神経伝達パラダイムは、明確な形態を有する堅牢なDA応答を生成することができるが、それらを運動分析に適したものにすることができるが、DA放出およびクリアランCEコンポーネント。この懸念に対処するために、刺激されたDA応答の過程にわたってDA放出および再取り込みの動態を現実的にモデル化するために、刺激されたDA神経伝達の定量的神経生物学（QN）枠組みが最近開発された。このモデルの基礎は、刺激されたDA神経伝達からの実験データ、および様々な研究から採択された神経伝達の原理に基づいている。 QNモデルは、DA応答をモデル化するために、刺激されたDA放出および再取り込み動態に関連する12のパラメータを実装する。この作業は、QNsim1.0を使用してDA反応をシミュレートする方法と、刺激されたドーパミン放出および再取り込み動態の変化を体系的に識別するために実施された詳細な原理を説明しています。

Introduction

ドーパミン（DA）神経伝達は、様々な認知機能および行動機能において必須の役割を果たし、その機能不全は、いくつかの一般的な疾患および障害に関与している。このように、疾患モデルおよび薬物薬理の状況においてDA神経伝達がどのように変化するかを評価するために、in vivoで DA神経伝達を定量的に研究する正確な方法を開発することが重要である。ファーストスキャンサイクリックボルタンメトリー（FSCV）は、細かい空間的および時間的分解能で生体内 DA神経伝達をモニターすることを可能にする。覚醒した動物において自由に行動する動物において生理学的DA神経伝達をモニタリングすることは可能であるが、麻酔動物において上昇するドーパミン作動性経路の電気刺激は、DA神経伝達の強化された動態分析に敏感な頑強なDA応答を生成し得る。

電気刺激されたDA応答は、DA放出および再取り込みの動的相互作用、ならびに解釈は、Michaelis-Menten（MM）モデル¹²と呼ばれる刺激されたDA神経伝達の単純なモデルを主に使用しています。 MMモデルは、式1によって記述されるように、一定のDA放出速度および一定の再取り込み効率（ すなわち、 DA再取り込み速度と細胞外DA濃度との間の関係）に関してDA応答を表す3つの変数からなる：

Protocol

1. QNsim1.0のインストール、データ準備、および起動

1. "QNsim1.0.zip"（補足として提供）をダウンロードし、それを目的のディレクトリに展開します。
2. 各カラムがμMDA濃度に変換された時間的DA応答を含むスプレッドシートを構成することにより、ソフトウェアプログラムによるモデリングのための刺激されたDA応答データを準備する。この（.xlsx）ファイルをプログラムファイルと同じディレクトリに保存します。
   注：スプレッドシートには、個々の実験で複数の回答を含めることも、固定数の回答を含む複数の調査を含めることもできます（例については、「Sample.xlsx」を参照）。
3. プログラミング環境ソフトウェアを開き、 "Current Folder"ウィンドウの "QNSim1.0"ディレクトリに移動し、 "Initialization.m"という項目を開きます。 [実行]をクリックして初期化画面を起動します（ 図1 ）。

図1 ：初期化画面この画面では、ユーザーは既存のプロジェ....

Results

このソフトウェアプログラムには、ラット背側線条（研究1）および側坐核（研究2）から得られたサンプルDA神経伝達データが「Sample.xlsx」にまとめられている。スプレッドシートは、60Hz、10秒および5秒の刺激に対するベースライン応答のDA濃度データ、およびDA輸送阻害剤メチルフェニデート（MPH）の投与の35分後の60Hz、5秒刺激に対する応答（10mg / kg、ip）。刺激されたDA応答データは、ソフトウェアプログラムを使用してモデル化されるデータを編成するためのテンプレートとして働く、 図3に示すように列に編成される。

図3： モデル化のための読み込み可能なフォーマットへのデータの.......

Discussion

インビボで刺激されたDA神経伝達を研究するためのFSCVの使用は、1980年代に始まり、依然として比類のない空間的および時間的分解能を有する生体内の神経伝達データの豊富な供給源であり続けている。刺激されたDA応答は、電気刺激それ自体によって変調されるDA放出および再取り込みの複雑なバランスを反映する。 QNモデルは、現代の神経伝達研究の原理を、生体内で刺激されたDA神経伝達データを動的放出および再取り込みの仮定の観点からモデル化する ² 。さらに、QNフレームワークは、FSCVによる分析の可能な領域を背側の線条体のような「凸型」応答を生成しない部位に拡張する。これらの進歩により、インビボでのDAergic薬力学^6の地域的特徴付けおよびCNS疾患モデルにおけるDA作動性変化が可能になる。地域特性背側および腹側の線条体は異なる機能的意味を有し、異なるニューロン集団から異なるDAergic神経支配を受け、パーキンソン病^31.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Mac用MATLAB R2016a	Mathworks
QNsim1.0	自社製ソフトウェアパッケージ		QNフレームワークを用いてFSCVデータをモデル化するソフトウェア