Ex vivo脳スライスは、求心性入力に対する誘発反応に対する揮発性麻酔薬の効果を研究するために使用できます。光遺伝学は、視床皮質および皮質皮質求心性神経を非原発性新皮質に独立して活性化するために使用され、シナプスおよびネットワーク応答はイソフルランで調節されます。
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Ex vivo脳スライスは、求心性入力に対する誘発反応に対する揮発性麻酔薬の効果を研究するために使用できます。光遺伝学は、視床皮質および皮質皮質求心性神経を非原発性新皮質に独立して活性化するために使用され、シナプスおよびネットワーク応答はイソフルランで調節されます。
麻酔薬は、視床皮質回路に対する作用を介して意識に部分的に影響を及ぼします。しかし、揮発性麻酔薬がこれらの回路の明確な細胞およびネットワークコンポーネントにどの程度影響を与えるかは不明のままです。生体外脳スライスは、研究者が複雑なネットワークの個別のコンポーネントを調査し、誘発された反応に対する揮発性麻酔薬の影響の根底にある潜在的なメカニズムを解きほぐす手段を提供します。脳スライス中の潜在的な細胞タイプおよび経路特異的薬物効果を分離するには、研究者は求心性線維経路を独立して活性化し、重複しない細胞集団を特定し、揮発性麻酔薬を水溶液中の組織に適用できなければなりません。このプロトコルでは、ex vivo脳スライスにおける新皮質への2つの独立した求心性経路に対する光遺伝学的に誘発された応答を測定する方法が記載されている。細胞外応答はアッセイネットワーク活性に対して記録され、標的全細胞パッチクランプ記録はソマトスタチンおよびパルブアルブミン陽性介在ニューロンで行われます。細胞およびネットワーク応答を調節するための人工脳脊髄液を介した生理学的に関連する濃度のイソフルランの送達が記載されている。
揮発性麻酔薬は、1世紀以上にわたってさまざまな臨床および学術環境で遍在的に使用されてきました。異なるクラスの麻酔薬は、独特の、しばしば重複しない分子標的1,2,3を持っていますが、それらのほとんどすべてが無意識を生み出します。それらの行動効果は非常に予測可能ですが、麻酔薬が意識喪失を誘発するメカニズムはほとんど知られていません。麻酔薬は、皮質視床回路上の作用を介して意識のレベルと内容の両方に最終的に影響を及ぼし、皮質階層全体の情報の統合を混乱させる可能性があります4,5,6,7,8,9。より広義には、コルチコ視床回路の調節は、実験的に10または薬理学的に11の変化した意識状態において役割を果たす可能性があり、睡眠12および意識の病態生理学的障害13,14にも関与し得る。
麻酔中の意識の喪失と回復の根底にあるメカニズムのとらえどころのないことは、細胞、ネットワーク、およびシステムレベルでの麻酔薬の非線形の相乗作用に部分的に起因する可能性があります15。イソフルランは、例えば、選択された脳領域16、17、18内の活動を抑制し、遠隔脳領域19、20、21、22、23間の接続性を損ない、経路特異的な様式でシナプス応答を減少させる24、25。.分子レベルからシステムレベルまで、麻酔薬のどの効果が意識喪失をもたらすために必要または十分であるかは不明である。非侵襲的技術を用いた意識の実質的な臨床調査19,20,26に加えて、実験家が意識的経験に従属する明確な細胞およびネットワークの相互作用を解きほぐそうとすることが重要です。
無傷の脳に見られる複雑な相互作用を単純化することにより、ex vivo脳スライスは、脳の動的システムの孤立した構成要素の研究を可能にします9。縮小スライス調製は、局所神経回路の比較的無傷の解剖学的構造の利点とin vitro操作の多様性を兼ね備えています。しかし、最近まで、方法論的制約により、脳スライスにおける長距離入力のシナプスおよび回路特性の研究が妨げられていました27,28。コルチコ視床線維路の曲がりくねった経路は、電気刺激によって独立した求心性経路の活性化をほとんど不可能にしました。
脳スライス製剤に対する麻酔薬の効果を調査することは、さらなる課題を提示する。無傷の呼吸器系および循環器系がない場合、麻酔薬を入浴させ、濃度を推定効果部位の濃度に注意深く一致させる必要があります。.多くの静脈内麻酔薬にとって、組織内の平衡化速度が遅いため、従来の薬理学的調査は面倒です29,30。ex vivo製剤中の揮発性ガス麻酔薬の効果を調査することは、より扱いやすいですが、課題もあります。これらには、吸入分圧用量を水性濃度に変換すること、および人工脳脊髄液31を介した組織への薬物の修正送達システムの必要性が含まれる。
ここでは、研究者が揮発性麻酔薬イソフルランの十分に文書化された物理化学的特性を利用して、ex vivo脳スライスへの薬物送達を行い、高い時空間分解能で皮質領域への経路および層特異的入力を活性化し、同時に実施する方法について説明します 層流記録と標的パッチクランプ記録 ニューロンの選択された集団から。これらの手順を組み合わせることで、研究者は、シナプスレベルからローカルネットワークレベルまで、いくつかの観察可能な電気生理学的応答特性における揮発性麻酔薬誘発性の変化を測定できます。
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このプロトコルに記載されている動物を含むすべての手順は、ウィスコンシン大学マディソン医学部および公衆衛生動物管理および使用委員会によって承認されました。
1. 介在ニューロン亜集団で蛍光レポータータンパク質を発現させるマウスの繁殖
2. ウイルス構築物の片側定位固定装置注射の実施
3.急性脳スライスの調製
4.揮発性麻酔薬イソフルランを溶解した実験用人工脳脊髄液(eACSF)バッグの調製




5.マルチチャンネル録音用のハードウェアとソフトウェアの準備
6.光刺激プロトコルの構成
7.ex vivo脳組織スライスへのマルチチャンネルプローブの配置
8. 標的ニューロンのパッチクランプと全細胞構成の取得
9. 軸索終末の層特異的光遺伝学的活性化
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プロトコルで説明されている手順のタイムラインを 図 1 に示します。高次皮質領域または非一次視床核から到着する皮質入力は、非一次視覚野24の層1で部分的に重複する終末野を有する。独立した視床皮質または皮質皮質求心性経路を単離するために、ChR2およびeYFP蛍光レポーターを含むウイルスベクターをPoまたはCgのいずれかに注入した。注射半径内の細胞はウイルスベクターを取り込み、2〜4週間後、体細胞軸索と突出軸索の両方で非特異的陽イオンチャネルChR2とレポーターを発現します(図2A)。冠状スライスを採取した。適切なフィルターキューブを係合させて、ウイルス構築物を発現する軸索を画像化した(図2B)。ChR2を使用して軸索終末を活性化すると、付着した体細胞に前提条件がなくても求心性神経を活性化することができます。
ここで説明した実験で使用された動物は、SOM-td...
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この原稿では、ex vivo脳スライスにおいて選択的に活性化された求心性経路に対する細胞内および細胞外の応答を評価するためのプロトコルが記載されている。
光遺伝学的ツールと並列記録スキームの使用により、研究者は、遠隔脳領域からの求心性入力に対する局所集団の応答を調査し、同時に介在ニューロンの標的集団から記録することができます。光遺伝学的技術の使用は、求心性突起の軸索終末が、それらの細胞体がもはや付着していないにもかかわらず、保存され活性化されることを可能にする。これにより、以前は ex vivo スライスに課されていた幾何学的制限が緩和され、長距離電気接続の保存が最優先事項ではなくなります。それでも、関心のある残りの接続を保持する幾何学的平面でスライスを準備するように注意する必要があります。例えば、錐体細胞は皮質柱に沿って垂直に配向しており、これらの実験でマルチチャネルプローブによって測定された誘発ネットワーク活性は、そのような局所的な接続を可能な限り維持することを必要とする。したがって、コロナスライスは、局所的な接続性を損なわないように準備された。
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著者は開示するものは何もありません。
著者は、このプロジェクトに関する技術サポートとガイダンスを提供してくれたBryan Krauseに感謝します。
この研究は、国際麻酔研究学会(IMRAからAR)、国立衛生研究所(R01 GM109086からMIB)、およびウィスコンシン大学マディソン校の医学部および公衆衛生学部麻酔科の支援を受けました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 2.5倍広視野対物レンズ | オリンパス | MPLFLN2.5倍 | |
| 水浸対物レンズ | オリンパス | LUMPLFLN40XW | |
| 95% O2/5% CO2 混合物 | エアガス | Z02OX95R2003045 | |
| A16 プローブ | NeuroNexus | A16x1-2mm-100-177-A16 | 16 チャネル プローブ |
| AAV2-hSyn-hChR2(H134R)-EYFP | カール・ダイセロス研究所、ノースカロライナ州ベクターコア | ||
| 麻酔ガスモニター(POET II) | Criticare | 602-3A | |
| ATP、マグネシウム塩 | シグマアルドリッチ | A9187 | 細胞内溶液 |
| B6。CG-GT(ROSA)26Sortm14(CAG-tdTomato)Hze/J | ジャクソン研究所 | 007914 | Cre依存性tdTomatoマウス |
| B6;129P2-Pvalbtm1(cre)Arbr / J | ジャクソン研究所 | 008069 | PV-Creマウス |
| ベリーダンサーシェーカー | トーマスサイエンティフィック | 1210H86-TS | 密封ガスバッグの平衡化のための |
| タジン溶液 | ジェネリックブランド | ||
| 漂白剤 | 塩素化パッチクランプ電極 | ||
| 塩化カルシウム(CaCl2) | Dot Scientific | DSC20010 | ACSF |
| キャピラリーガラス(パッチクランプ録音) | King Precision Glass, Inc. | KG-33 | ホウケイ酸、ID:1.1mm、外径:1.7mm、長さ:90.0mm |
| キャピラリーガラス(ウイルス注射) | ドラモンドサイエンティフィック | カンパニー3-000-203-G / X | 3.5" |
| ジュニアマイクロマニピュレーターLuigs | とNeumann | SM8 | マイクロマニピュレーターの制御 |
| ニピュレーターとシフトテーブルの制御 | LuigsとNeumann | SM7 | とシフトテーブル |
| Digidata 1440A + Clampex 10 | Molecular Devices | 1440A | デジタイザーとソフトウェア |
| E-3603 チューブ | フィッシャーサイエンティフィ | 14171208 | 95% O2/5% CO2 ガス混合物をインキュベーションチャンバーに送達 + パッチクランプ中の圧力の適用 |
| EGTA | ドットサイエンティフィ | DSE57060 | 細胞内溶液 |
| ERP-27 EEG リファレンス/パッチパネル | Neuralynx | 引退した | |
| 充填針 | ワールド精密機器 | パッチクランプピペットを充填するための | 50821912 |
| イメージング用フィルターキューブ EYFP | オリンパス | U-MRFPHQ | |
| 濾紙 | フィッシャーサイエンティフィック | 09801E | 組織ブロックの準備中にスライステンプレートを横切る |
| フレーミング/ブラウンマイクロピペットプーラー | サッター機器 | P-1000 | 2.5x2.5 ボックスフィラメント |
| ガス分散管 | Sigma Aldrich | CLS3953312C | |
| ガラスシリンジ (100 mL) | Sigma Aldrich | ガスシール袋充填 | 用Z314390 |
| グルコン酸、カリウム塩 (K-グルコン酸)、 | ドットサイエンティフィ | DSG37020 | 細胞内溶液 |
| グルコース | ドットサイエンティフィック | DSG32040 | ACSF |
| GTP、ナトリウム塩 | シグマ アルドリッチ | G8877 | 細胞内溶液 |
| ヘッドステージプローブアダプター | NeuroNexus | A16-OM16 | アダプター 16 チャンネルプローブをヘッドステージ入力に接続するための |
| 止血鉗子 | VWR インターナショナル | 76192-096 | |
| HEPES | ドット サイエンティフィック | DSH75030 | ACSF、細胞内ソリューション |
| HS-16 ヘッドステージ | ニューラリンクス | 引退した | |
| イソフルラン | パターソン獣医 | 07-893-1389 | |
| イソプロピルアルコール(70%) | VWRインターナショナル | 101223-746 | |
| ジュニアマイクロマニピュ | レーターLuigsとNeumann | 210-100 000 0090-R | パッチクランプ電極の操作用 |
| LED光源制御モジュール | MightexBLS-PL02_US | 光遺伝学的光源制御 | |
| リドカイン | |||
| Lynx-8 アンプ | ニューラリンクス | リタイア | |
| Lynx-8 電源 | ニューラリンクス | リタイア | |
| 硫酸マグネシウム (MgSO4) | ドット サイエンティフィック | DSM24300 | ACSF |
| mCherry, Texas レッド フィルター キューブ | Chroma | 49008 | イメージング用 tdTomato 蛍光レポーター |
| メロキシカム | |||
| マイクロピペットホルダー | フィッシャーサイエンティフィック | NC9044962 | |
| マイクロシリンジポンプ | ワールド・プレシジョン・インスツルメンツ | UMP3-4 | |
| 鉱物油 | ジェネリックブランド | ||
| マルチクランプ 700A | モレキュラーデバイス/アクソンインスツルメンツ | 700A | アンプ |
| 窒素(エアテーブル用) | エアガス | NI200 | |
| ナイロンメッシュ | フィッシャーサイエンティフィ | 501460083 | 平らにされたプラチナワイヤーの馬蹄形に伸び、録音中にこの上にスライスレスト |
| 、パンストからカット | イン | キュベーションチャンバーでスライスプラットフォームを作成するための | |
| 眼科軟膏 | ッシャーサイエンティフィ | NC1697520 | |
| ピペット | を作成するための単一繊維ドットサイエンティフィック | 307 | プラチナ |
| ワイヤーVWRインターナショナル | BT124000 | 2センチメートル、平らに、プラチナハープ | |
| Polygon400 | Mightex | DSI-E-0470-0617-000 | 光遺伝学的光送達システムを作るために、ポリスキャン2ソフトウェアが付属しています |
| 塩化カリウム(KCl) | ドットサイエンティフィック | DSP41000 | ACSF |
| リン酸カリウム(KH2PO4) | ドットサイエンティフィ | DSP41200 | ACSF |
| カミソリ刃 | フィッシャーサイエンティフィック | 12-640 | |
| サファイアブレード(ビブラトーム用) | VWRインターナショナル | 100492-502 | |
| メスブレード | サンタクルスバイオテクノロジー株式会社 | sc-361445 | |
| 密封されたガスバッグ | フィッシャーサイエンティフィ | 109236 | |
| LuigsおよびNeumann380FMU | |||
| 重炭酸ナトリウム(HCO3-) | ドットサイエンティフィック | DSS22060 | ACSF |
| 塩化ナトリウム(NaCl) | ドットサイエンティフィック | DSS23020 | ACSF、細胞内溶液 |
| Ssttm2.1(cre)Zjh / J(SOM-IRES-CRE) | ジャクソン研究所 | 013044 SOM-Cre マウス | |
| 脳定位固定装置 | Kopf | モデル 902 | デュアル小動物 |
| 用瞬間接着剤 | ステープル | 886833 | スライス準備中に組織ブロックを標本ステージに固定します |
| サージカルドリル | RAM Products Inc. | DIGITALMICROTORQUE | Microtorque II |
| シリンジ (1 mL) LuerLock チップ付き | パッチクランプ時の圧力適用用 | フィッシャーサイエンティフィック | 309628 |
| スリップチップ付きシリンジ (1 mL) | WW Grainger, Inc. | パッチクランプピペットを充填するための | 19G384 |
| シリンジフィルター | VWRインターナショナル | 66064-414 | |
| 直立顕微鏡 | オリンパス | BX51 | |
| 振動ミクロトーム | ライカバイオシステム | ズ VT1000S | |
| ワイポールタオル | フィッシャーサイエンティフィック | 19-042-427 |
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