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.
방법 논문
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.
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.
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.
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
2. 쥐 dLGN의 급성 조각
3. 전체 셀 패치 클램프 전기 생리학
참고: dLGN 릴레이 뉴런의 전체 셀 패치 클램프 녹음의 경우 특정 패치 클램프 증폭기를 사용하십시오.
4. 데이터 수집
5. LTP-IE 유도
6. 데이터 분석
참고: 분석 절차는 LTP-IE 유도 전(제어 조건)과 후에 동일합니다.
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.

그림 1dLGN을 포함하는 뇌 절편 제작 방법. (A) 뇌 적출에 필요한 도구. (B) 슬라이서(Slicer). (C) 뇌의 관상면 절단. (D) 플레이트에 접착제를 바릅니다. (E) 플레이트 위 뇌의 배치. (F) 플레이트에 고정된 뇌. (G) 절단. (H) 슬라이스 채취. (J) 회복 용액 내의 절편들. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: dLGN을 포함하는 슬라이스의 모습 및 현미경 하의 뉴런 시각화. (A) 나일론 실을 이용해 기록 챔버 내에 고정된 dLGN과 vLGN을 포함하는 슬라이스의 4x 대물렌즈 전경. (B) 패널 A의 점선 사각형으로 표시된 dLGN의 반대측 영역 내 dLGN 뉴런의 40x 대물렌즈 뷰. 여기를 클릭하여 이 그림의 더 큰 버전을 확인하십시오.

그림 3dLGN 뉴런에서의 LTP-IE 유도. (A) 기록 설정 및 유도 자극. LTP-IE 유도를 위해 사용된 자극은 각 탈분극 전류 펄스에 의해 활동 전위가 유발되도록 약 1 nA의 펄스 15회로 구성되었다. (B) LTP-IE의 시간 경과. 상단은 LTP-IE 유도 전(검은색)과 후(빨간색)의 대표적인 트레이스이다. 하단은 탈분극 펄스당 정규화된 활동 전위 수의 시간에 따른 시간 경과이다. 시간이 지나도 감소하지 않고 증가한 스파이크 수에 주목하라. >40분 (C) 입력 저항의 안정성. LTP-IE 유도 전(검은색)과 후(빨간색)에 전류의 음성 단계(negative step)에 의해 유도된 전위의 편향. 입력 저항은 고정된 대기 시간(별표 *로 표시)에서 측정됨. (D) 왼쪽, LTP-IE의 재현성을 보여주는 8개의 dLGN 뉴런에 대한 그룹 데이터. 오른쪽, R의 부재를 보여주는 8개의 dLGN 뉴런에 대한 그룹 데이터.내부로 변경. 패널 B는 Duménieu 등의 허가를 받아 재사용되었습니다.26. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭하십시오.
보충 파일 1: Igor LTP-IE 분석. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
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 유도 프로토콜은 시각 피질 뉴런에서 LTP-IE를 유도하는 데 처음 사용되었습니다19,20. 우리는 여기에서 이 프로토콜이 시각 시스템의 시상 중계 뉴런에서 내재적 강화를 유도할 수 있음을 보여줍니다26. 직류 주입을 통한 스파이크의 유도는 단일 망막 섬유의 자극이 일반적으로 dLGN 뉴런에서 활동 전위를 유발할 수 있는 흥분성 시냅스 후 전위(EPSP)를 유발하기 때문에 일반적으로 dLGN 뉴런을 구동하는 망막 입력 자극을 모방해야 합니다27,28. dLGN 뉴런에서 LTP-IE의 발현 메커니즘은 원래 간행물26에서 조사되었으며 LTP-IE 유도 후 Kv1 채널이 하향 조절되는 것으로 밝혀졌습니다. 따라서, Kv1 채널의 하향 조절은 빠르게 스파이크하는 피질 중간 뉴런16 및 dLGN 뉴런26의 LTP-IE 및 CA3 영역29,30의 항상성 가소성을 모두 담당합니다. 그러나 단백질 키나아제 A(PKA)가 dLGN 뉴런에 관여하기 때문에 신호 전달 경로가 다른 반면, mTOR의 주요 역할은 빠르게 스파이크하는 중간 뉴런에서 제안되었습니다.
본 프로토콜은 여기에 사용된 실험 조건에서 재현 가능한 결과를 제공합니다: 3 mM Ca2+, 2 mM Mg2+, 피크로톡신 및 키누레네이트, 19-25일 25일 쥐에서 40 Hz에서 10분 자극. 실제로 평균적으로 이 프로토콜은 흥분성을 2배 증가시킬 수 있습니다. 향상된 흥분성의 크기는 자극 지속 시간, 자극 빈도 또는 동물의 나이에 따라 감소합니다26. 눈을 뜨기 전에는 LTP-IE를 관찰할 수 없습니다. 내재적 뉴런 흥분성의 오래 지속되는 가소성을 유도하는 데 사용되는 주파수는 감각 지각(31 )을 위한 결합 주파수로 알려진 뇌 진동의 감마 대역에 해당하며 시각 시스템(32)에서 가소성을 촉진합니다.
그러나 더 낮은 칼슘 농도(즉, 1.5mM Ca2+)를 사용한 경우 이전에 시냅스 가소성에 대해 나타난 것처럼 프로토콜을 수정해야 할 것입니다33. 이 경우 자극 주파수를 60-80Hz로 높여야 할 것입니다. LTP-IE의 유도에 대한 본 프로토콜에서 사용된 GABA 수용체 차단제(가바진의 피크로톡신)의 발생률은 직류 주입에 의해 스파이크가 유발되기 때문에 제한되는 것으로 생각됩니다. 그럼에도 불구하고, 망막 자극에 의해 dLGN 뉴런에서 활동 전위가 유발되는 생체 내 상황에서, 모집된 GABAergic 입력(34 )은 아마도 스파이크 역치를 높일 것이다. 따라서 dLGN 뉴런에서 LTP-IE를 유발하려면 더 강한 망막 입력이 필요할 것입니다. 그러나 오렉신과 같이 각성 중에 활성화되는 신경 조절제 시스템은 역치를 감소시킬 수 있습니다35.
dLGN 릴레이 뉴런에서 오래 지속되는 내재적 가소성의 유도는 시각 박탈, 활동 전위를 유발하기 위한 망막 입력의 자극을 통해 또는 기록된 뉴런에 전류 주입을 통해 활동 전위를 직접 유도함으로써 달성될 수 있습니다26. 이 마지막 프로토콜은 구현이 빠르고 시냅스 시뮬레이션 절차(26)와 동등한 결과를 제공하기 때문에 단연코 가장 간단한 방법입니다.
이 프로토콜은 시각 피질 피라미드 뉴런19 및 시상 중계 뉴런26 모두에서 LTP-IE를 유도하는 것으로 나타났습니다. 또한 복부 LGN(vLGN) 또는 상구(SC)를 포함한 다른 피질하 시각핵에서 신경 흥분성의 오래 지속되는 가소성을 유도하는 데 사용될 수도 있습니다.
저자는 이해 상충이 없음을 선언합니다.
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.
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 자동 진동 블레이드 마이크로 톰 | Leica | VT-1200S | 진동 / 슬라이서 |
| 붕규산 유리관 | Phymep | B-15086-10 | |
| 컨트롤러 Typ V | Luigs & Neumann | Typ V | 온도 컨트롤러 |
| Igor 소프트웨어 | 파형 | 분석 소프트웨어 | |
| 적외선 비디오 현미경 Olympus | XM-10 카메라 | ||
| Kynurenate | Merk/Sigma | K3375 | AMPA/NMDA 수용체 차단제 |
| 저잡음 데이터 수집 시스템 | Axon - Molecular devices Digidata | 1440A | 아날로그/디지털 인터페이스 |
| 마이크로 매니퓰레이터 | Luigs& Neumann | LN Mini25 | |
| Multiclamp 200B | Axon - 분자 소자 | N/A | 패치 클램프 증폭기 |
| Multiclamp 700B | Axon - 분자 소자 | N/A | 패치 클램프 증폭기 |
| PC-100 풀러 | Narishige | PC-100 | 마이크로피펫 풀러 |
| PClamp10 | Axon - 분자 소자 | N/A | 패치 클램프 기록 소프트웨어 |
| Picrotoxin | AbCam | ab120315 | GABAA 수용체 차단제 |
| 슬라이스 미니 챔버 | 루이그스& Neumann | LN Chambre Slice mini I-II | 수중 챔버 |
| 정립 현미경 | Olympus | BX51 WI |