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방법 논문

Inducing Long-Term Plasticity of Intrinsic Neuronal Excitability in Neurons of the Dorsal Lateral Geniculate Nucleus

1K 조회수

⸱

DOI:

10.3791/65950

⸱

2024년 9월 20일

 ,  ,  ,  ,  , 
1Unité de Neurobiologie des canaux Ioniques et de la Synapse (UNIS), UMR1072, INSERM, Aix-Marseille University

이 논문에서

요약

여기에서는 생체 외 뇌 절편에서 유지되는 등쪽 외측 생식기 핵(dorsal lateral geniculate nucleus)에서 중계 뉴런(relay neuron)에서 뉴런 내재적 흥분성(neuronal intrinsic excitability)의 장기 가소성을 유도하기 위한 프로토콜을 설명합니다.

초록

dLGN(dorsal lateral geniculate nucleus)은 오랫동안 망막에서 피질 영역으로 이동하는 시각 정보의 기본 중계자 역할을 하는 것으로 여겨져 왔지만, 최근의 연구 결과는 dLGN 주세포의 기능적 가소성을 크게 과소평가한 것으로 나타났습니다. 그러나 이러한 변화를 지원하는 세포 메커니즘은 완전히 조사되지 않았습니다. 여기서, 우리는 어린 쥐의 급성 뇌 절편에서 배쪽 dLGN 릴레이 세포에서 내재적 신경 흥분성(LTP-IE)의 장기 강화를 유도하는 프로토콜을 보고합니다. 내재적 가소성은 일반적으로 시냅스 가소성과 병행하여 유도됩니다. 그러나 dLGN 뉴런에서 LTP-IE는 40Hz의 주파수에서 10분 동안 스파이크 활성에 의해 안정적으로 유도되며, dLGN 릴레이 뉴런의 LTP-IE는 유도 프로토콜 후 최대 40분까지 추적될 수 있으므로 오래 지속됩니다. 결론적으로, 본 연구의 결과는 dLGN 릴레이 세포에서 내재적 가소성의 유도에 대한 최초의 증거를 제공함으로써, 활동 의존적 시각 가소성에서 시상 뉴런의 역할을 더욱 시사한다.

서론

이 방법 논문의 전반적인 목표는 패치 클램프 기술의 표준 전류 클램프 모드를 사용하여 시험관 내 쥐의 시각적 시상 뉴런에서 신경 흥분성의 오래 지속되는 가소성을 유도하는 간단한 방법을 제공하는 것입니다1,2. 이 기술 개발의 근거는 단순성과 재현성입니다. 주어진 타이밍에 전달되는 시냅스후 활동 전위와 쌍을 이루거나 하지 않는 시냅스 입력의 자극과 같은 대체 기술에 대한 장점은 신뢰성입니다.

시각 시스템의 가소성은 전통적으로 피질 수준에서만 독점적으로 표현되는 것으로 생각되는 반면, 시상 수준에서 망막 입력의 주요 수용 구조인 dorsal lateral geniculate nucleus (dLGN)는 전통적으로 시각적 정보의 릴레이로 간주됩니다3. 그러나이 단순한 견해가 더 이상 유지되지 않는다는 것을 나타내는 최근의 연구4,5,6 . 예를 들어, 시각 반응의 기능적 결함은 LGN7 단계에서 약시 환자에서 이미 관찰되었습니다. 또한, 주어진 단안 영역에 있는 dLGN 릴레이 뉴런의 상당 부분이 각 눈으로부터 입력을 수신하며, 이는 dLGN 뉴런의 상당 부분에 대한 잠재적인 양안성을 나타냅니다8,9,10. 더욱이, 단안 결핍은 dLGN 뉴런의 안구 우성에 상당한 변화를 일으킵니다5,11,12.

안구 우성 이동에서 발생할 수 있는 기능적 가소성의 메커니즘 중 내재적 신경 흥분성의 가소성이 잠재적인 후보입니다. 실제로, 시각 영역을 포함한 많은 뇌 영역은 다양한 행동 과제에 따라 내재적 가소성을 표현합니다13,14. 구심성 글루타메이트 입력의 자극 후 중추 뉴런에서 장기적인 고유 가소성이 보고되었습니다15,16,17,18, 스파이크 활동19,20, 감각 자극21 또는 활동 또는 감각 박탈 다음20,22,23입니다. 여기에서는 40Hz의 주파수에서 스파이크 활동 후 dLGN 릴레이 뉴런에서 LTP-IE(Long-Term potentiation of Intrinsic Excitability)를 유도할 수 있는 프로토콜에 대해 설명합니다. 40Hz 발화 주파수는 시각적 자극 시 생체 내 대부분의 dLGN 뉴런에서 관찰되는 주파수에 해당합니다24,25.

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프로토콜

모든 실험은 유럽 및 기관 지침(Council Directive 86/609/EEC 및 French National Research Council, 지역 보건 당국(Veterinary Services, Préfecture des Bouches-du-Rhône, Marseille))의 승인)에 따라 수행되었습니다.

1. 동물

  1. 19-25일 된 남녀 모두의 Long Evans 쥐(체중 50-90g)를 사용하여 실험을 수행합니다.
  2. 동물들을 기존의 플라스틱 우리에 어미와 새끼와 함께 수용합니다. 12시간의 라이트/다크 주기로 온도를 일정하게 유지하고 물과 음식에 대한 자유로움
    3. 을 제공합니다.

2. 쥐 dLGN의 급성 조각

  1. 절단/회복 및 세포 외 기록 솔루션을 준비합니다.
    1. 절단/회수 용액을 준비하기 위해, 92 mM n-메틸-D-글루타민, 30 mM NaHCO3, 25 mM D-글루코스, 10 mM MgCl2, 2.5 mM KCl, 0.5 mM CaCl2, 1.2 mM NaH2PO4, 20 mM Hepes, 5 mM 아스코르브산 나트륨 및 3 mM 피루브산 나트륨을 혼합하고 95% O2-5% CO2 (pH 7.4)로 거품을 일으킨다. 슬라이싱 절차 중에는 절단 용액을 차갑게 유지하십시오.
    2. 125 mM NaCl, 26 mM NaHCO3, 2 mMCaCl2, 2.5 mM KCl, 2 mM MgCl2, 0.8 mMNaH2PO4 및 10 mM D-포도당을 혼합하여 기록액(인공뇌척수액, ACSF)을 제조하고 95% O2-5%CO2로 영구적으로 평형을 이룬다.
  2. 해부 도구와 두 개의 얼음 플랫폼을 준비합니다(그림 1A).
  3. 외부 탱크에 얼음을 넣고 비브라톰의 슬라이싱 챔버를 얼음처럼 차가운 절단 용액으로 채웁니다(그림 1B).
  4. 어린 Long Evans 쥐(연령: P19-P25)를 이소플루란(5%)으로 깊이 마취합니다. 동물이 깊은 마취 상태임을 확인한 후(반응 없이 발을 세게 꼬집음으로써) 수질 수준에서 가위 또는 단두대(동물의 나이/크기에 따라 다름)로 동물의 목을 베어 안락사시킵니다. 첫 번째 얼음 플랫폼에 머리를 놓고 산소가 공급된 얼음처럼 차가운 슬라이싱 용액으로 10초마다 분리된 조직에 물을 줍니다.
    참고: 마취 및 안락사 절차는 동물 시설의 별도 방에서 수행해야 합니다.
  5. 두피를 꼬리 방향으로 자르고 작은 가위를 사용하여 두개골을 양측으로 자릅니다. 뭉툭한 집게를 사용하여 두개골을 열고 주걱으로 두개골에서 뇌를 빠르게 추출하여 두 번째 얼음 플랫폼에 올려 놓습니다.
    참고: 참수부터 뇌 적출까지의 시간은 2분을 초과해서는 안 됩니다.
  6. 전체 뇌에 걸쳐 뇌의 전두엽 평면을 2 번 자르십시오. 첫 번째는 피질과 후각 전구의 앞쪽 부분을 제거하고 (그림 1C 참조) 두 번째는 피질과 소뇌의 뒤쪽 부분을 제거하기 위해 하구의 수준에서 제거합니다.
  7. 로스트랄 면이 위로 향하게 하여 비브라톰 플레이트에 브레인 블록을 붙입니다(그림 1D,E). 뇌가 비브라톰의 슬라이싱 챔버에 잠길 때까지 전체 절차 동안 뇌에 규칙적으로(10초마다) 물을 줍니다.
  8. 비브라톰으로 dLGN을 포함하는 350μm의 얇은 슬라이스를 만듭니다(그림 1G). 중뇌에서 피질과 해마를 연필로 부드럽게 잡아당겨 제거합니다.
  9. 유연한 고무 빨판에 연결된 깨진 파스퇴르 피펫으로 조각을 흡인합니다(그림 1H).
  10. 복구 솔루션에서 슬라이스를 20-30분 동안 복구합니다(그림 1I).

3. 전체 셀 패치 클램프 전기 생리학

참고: dLGN 릴레이 뉴런의 전체 셀 패치 클램프 녹음의 경우 특정 패치 클램프 증폭기를 사용하십시오.

  1. 리그의 펌프를 켜서 세포 외 기록 식염수(2.1단계의 구성 참조)가 기록 챔버에서 순환하도록 합니다.
  2. 120mM K-글루코네이트, 20mM KCl, 10mM Hepes, 0.5mM EGTA, 2mM MgCl2, 2mM Na2ATP 및 0.3mM NaGTP(pH 7.4)를 혼합하여 세포 내 용액을 준비합니다
    참고: 세포 내 용액은 미리 준비하고 -80°C에서 냉동 상태로 유지할 수 있습니다. 동결되지 않은 경우 용액은 4°C로 유지됩니다.
  3. GABAA 채널 차단제, 픽크로톡신(100μM 최종 농도) 및 이온성 글루타메이트 수용체 길항제인 키누레네이트(2mM, 최종 농도)를 세포외 식염수에 추가합니다.
  4. 슬라이스를 정립 현미경에 장착된 수중 챔버로 옮깁니다. 챔버는 30°C에서 온도가 제어되며 평형 aCSF로 지속적으로 관류됩니다.
  5. 슬라이스에 U자형 백금 와이어를 놓고 슬라이스를 배치하여 dLGN을 시각화합니다(그림 2A).
  6. 풀러로 당긴 붕규산 유리관에서 패치 피펫을 준비합니다. 패치 피펫이 세포 내 용액으로 채워질 때 5-10 MΩ의 저항을 갖는지 확인합니다.
  7. 고배율(40x 또는 60x)에서 dLGN을 시각화하고 미분 간섭 대비 적외선 비디오 현미경(그림 2B)을 사용하여 패치 클램프 기록을 위한 뉴런을 선택합니다. 건강한 모습(즉, 날카로운 막 윤곽으로 약간 부풀어 오른 뉴런)에 따라 뉴런을 선택합니다.
  8. micromanipulator를 사용하여 일정한 양압으로 선택한 뉴런에 패치 피펫을 배치합니다.
    1. VC 모드에서 증폭기를 설정하고 5mV 전압 단계를 주입합니다. 전압을 -65mV로 설정합니다. 그런 다음 양압을 해제하여 높은 저항의 밀봉을 얻습니다(전압 단계에 대한 응답으로 전류 감소에 해당). 피펫을 통해 약간 흡인하여 명확한 과도 현상을 얻습니다.
    2. 앰프를 CC 모드로 설정하고, 접근 저항을 보상하기 위해 브리지의 균형을 맞추고, 뉴런을 -65mV로 유지합니다.

4. 데이터 수집

  1. 20KHz에서 신호를 획득하여 빠른 활동 전위를 더 잘 감지할 수 있습니다. 전압 및 전류 신호에 대해 저역 통과 필터를 10kHz로 설정합니다.
  2. 0.1Hz의 주파수에서 제어 조건에서 3-5개의 활동 전위를 유도하기에 충분한 전류의 양의 펄스(일반적으로 500ms 동안 ~80-250pA)를 주입하여 약 10분의 제어 기간 동안 신경 흥분성을 모니터링합니다.
  3. 실험 전반에 걸쳐 짧은 음의 전류 펄스(일반적으로 100ms 동안 -20pA)로 뉴런의 입력 저항을 모니터링합니다. LTP-IE 유도 전후에 전류 펄스의 진폭을 일정하게 유지하십시오.

5. LTP-IE 유도

  1. 제어 기간이 끝나면 10분 동안 40Hz에서 전달되는 15개의 짧은 단계(2-5ms)의 탈분극 전류에 의해 유발되는 15개의 스파이크의 트레인을 유도하여 LTP-IE를 유도합니다.
  2. 매번 단일 활동 전위를 유도하기 위해 전류 펄스의 진폭을 선택합니다(즉, 열차당 15개의 활동 전위).
    참고: 15개의 스파이크로 구성된 각 트레인은 0.1Hz의 주파수(즉, 60개의 트레인 및 900개의 스파이크)로 유도됩니다.

6. 데이터 분석

참고: 분석 절차는 LTP-IE 유도 전(제어 조건)과 후에 동일합니다.

  1. 기록된 각 트레이스에 대해 전류의 테스트 단계(Rin = V단계/I단계) 전에 주입된 작은 음의 전류 펄스에 대한 전압 응답의 입력 저항(Rin)을 계산합니다. 제어 기간 동안 입력 저항의 런업 또는 런다운(10% 이상)이 있는 경우 실험을 폐기합니다.
  2. 전류 주입 전에 멤브레인 전위를 기반으로 기록된 트레이스를 선택합니다. -67에서 -63 mV까지의 휴지 멤브레인 전위가 있는 트레이스만 유지하십시오.
  3. 각 전류 펄스에 의해 유발된 AP 수를 측정하고 데이터 분석 소프트웨어에서 직접 만든 루틴을 사용하여 각 분을 평균화하여 10분, 포스트 인덕션 기간이 시작된 후 20분 동안 LTP-IE를 정량화합니다(Igor Pro 루틴의 경우 보충 파일 1 참조). 전압 신호가 0mV.
    를 넘을 때 스파이크 감지 참고: LTP-IE는 유도 프로토콜 후 전류 펄스 주입에 의해 유도된 활동 전위의 수(%)와 비교하여 표시됩니다. 분석은 기준선의 경우 -10-0분, 테스트의 경우 +20/+30분에 이루어졌습니다.

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결과

dLGN 뉴런을 whole-cell 구성으로 기록하였으며, 이온성 글루타메이트 및 GABA 수용체 길항제 존재 하에 40 Hz로 10분 동안 활동 전위를 발생시켜 LTP-IE를 유도하였다(그림 3A). 유도 후 20-30분 뒤에 활동 전위 수가 3배 증가하는 것이 관찰되었으며(그림 3B), 입력 저항 Rin에는 아무런 변화가 없었다(그림 3C). 이 프로토콜은 dLGN 뉴런에서 LTP-IE를 안정적으로 유도하였다(그림 3D)26. 이러한 결과는 본 연구에서 설명한 프로토콜이 in vitro dLGN 뉴런의 뉴런 흥분성에 대한 장기 가소성을 유도하는 데 효율적임을 보여준다.

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토론

우리는 여기에서 기록된 뉴런을 자극하여 10분 동안 40Hz의 주파수에서 활동 전위를 유발함으로써 급성 뇌 절편에서 살아 있는 dLGN 뉴런에서 LTP-IE의 유도를 보고합니다. 이 프로토콜은 최소한의 장비(슬라이서, 현미경, 증폭기 1개, 획득 보드 1개 및 컴퓨터)가 필요하므로 모든 신경생리학 실험실에서 구현하기 쉽습니다. 그러나 귀중한 데이터를 수집하려면 몇 가지 중요한 단계를 준수해야 합니다. 프로토콜 내의 첫 번째 중요한 단계는 뇌 조직의 질입니다. 건강한 시상 절편에는 절편 표면에서 중간(~150μm)까지 많은 뉴런이 포함되어 있습니다. 건강한 뉴런은 약간 부어오른 것처럼 보이는 반면 죽어가는 뉴런은 일반적으로 쪼그라들게 됩니다. 두 번째 중요한 단계는 기준선 동안 기록의 안정성입니다. 활동 전위의 수는 런업이나 런다운 없이 안정적이어야 합니다. 또한 짧은 과분극 전류 펄스로 테스트한 입력 저항은 10%보다 큰 변화를 나타내지 않아야 합니다. 마지막으로 유지 전류는 +/- 10pA 내에서 안정적이어야 합니다. 이러한 ...

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공개 사항

저자는 이해 상충이 없음을 선언합니다.

감사의 글

INSERM, CNRS(DD로), AMU(MR로), FRM(DVS20131228768에서 DD로, DEQ20180839583에서 DD로), NeuroSchool(A*Midex(Initiative d'Excellence d'Aix-Marseille Université, AMX-19-IET-004)을 통한 "France 2030" 프로그램) 및 ANR 자금 지원(ANR-17-EURE-0029에서 AW) 및 ANR(LoGiK, ANR-17-CE16-0022에서 DD로, Plastinex, ANR-21-CE16-013에서 DD). 훌륭한 동물 관리에 대해 A Venture & K Milton에게 감사드립니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
자동 진동 블레이드 마이크로 톰LeicaVT-1200S진동 / 슬라이서
붕규산 유리관PhymepB-15086-10
컨트롤러 Typ VLuigs & NeumannTyp V온도 컨트롤러
Igor 소프트웨어파형분석 소프트웨어
적외선 비디오 현미경 OlympusXM-10 카메라
KynurenateMerk/SigmaK3375AMPA/NMDA 수용체 차단제
저잡음 데이터 수집 시스템Axon - Molecular devices Digidata1440A아날로그/디지털 인터페이스
마이크로 매니퓰레이터Luigs& NeumannLN Mini25
Multiclamp 200BAxon - 분자 소자N/A패치 클램프 증폭기
Multiclamp 700BAxon - 분자 소자N/A패치 클램프 증폭기
PC-100 풀러NarishigePC-100마이크로피펫 풀러
PClamp10Axon - 분자 소자N/A패치 클램프 기록 소프트웨어
PicrotoxinAbCamab120315GABAA 수용체 차단제
슬라이스 미니 챔버 루이그스& NeumannLN Chambre Slice mini I-II수중 챔버
정립 현미경OlympusBX51 WI

참고문헌

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