Real-time Analysis of Gut-brain Neural Communication: Cortex wide Calcium Dynamics in Response to Intestinal Glucose Stimulation

Serika Yamada; Hiromu Monai

doi:10.3791/65902

장-뇌 신경 통신의 실시간 분석: 장 포도당 자극에 대한 반응의 피질 전체 칼슘 역학

JoVE Journal
Neuroscience

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Real-time Analysis of Gut-brain Neural Communication: Cortex wide Calcium Dynamics in Response to Intestinal Glucose Stimulation

장-뇌 신경 통신의 실시간 분석: 장 포도당 자극에 대한 반응의 피질 전체 칼슘 역학

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07:29 min

December 29, 2023

DOI: 10.3791/65902-v

Serika Yamada¹, Hiromu Monai¹

¹Department of Biology, Faculty of Science,Ochanomizu University

Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.

Overview

This study investigates gut-brain communication through the vagus nerve, focusing on the effects of intragastric glucose injection on cortical activity in mice. The research highlights a novel method of catheter attachment to the gut, minimizing surgical trauma, facilitating the examination of neural communication mechanisms between the gut and brain.

Key Study Components

Area of Science

Neuroscience
Gastroenterology
Experimental Medicine

Background

Gut-brain communication is essential for processing information related to food preferences.
Traditionally, the vagus nerve has been treated as a singular entity, yet recent findings suggest it exhibits selective properties.
Understanding the mechanisms of stress on gut-brain signaling is crucial for exploring this communication pathway.

Purpose of Study

To observe the effects of intragastric glucose injections on cortical activity.
To develop a less invasive method for attaching catheters to the gut.
To explore how physical and psychological stress can impact gut-brain neural communication.

Methods Used

Mouse model used for the experiments, focusing on surgical techniques for catheter attachment.
Modification of traditional surgical methods by replacing sutures with cyanoacrylate glue for catheter attachment.
Imaging techniques employed to observe changes in cortical calcium dynamics following glucose administration.
Temporal fluorescence intensity changes were recorded post-injection for data analysis.

Main Results

Glucose injection into the duodenum led to significant changes in calcium dynamics in the secondary motor cortex.
Spontaneous calcium oscillations were recorded, illustrating patterns of burst suppression.
Imaging results indicated no significant changes following water administration, underscoring the specific effects of glucose.

Conclusions

The study provides insights into the rapid modulation of cortical activity by gut-derived signals.
Findings have implications for understanding the mechanisms underlying gut-brain interactions and their impact on neuronal activity.

Frequently Asked Questions

What advantages does the new catheter attachment method offer?

The new method using cyanoacrylate glue reduces surgical trauma compared to traditional suturing techniques, making it less invasive and more cost-effective.

How is the glucose injection administered in the study?

Intragastric glucose is injected through a catheter that is securely attached to the stomach, allowing for precise delivery and observation of cortical activity changes.

What types of data are obtained from the imaging techniques?

Data on cortical calcium dynamics are obtained, including spontaneous calcium oscillations and fluorescence intensity changes following glucose administration.

Could this methodology be adapted for other interventions?

Yes, the technique may be applicable to various pharmacological or biological interventions involving gut-brain signaling pathways.

What limitations should be considered with the surgical method?

While the method reduces trauma, careful handling and precise techniques are necessary to maintain the integrity of the gastrointestinal tract and surrounding tissues.

What implications does the study have for understanding gut-brain communication?

The findings enhance our comprehension of how gut-derived signals influence brain activity and may further explore the relationship between stress and gut-brain neural communication.

How does gut-brain communication relate to food preference?

Gut-brain communication plays a critical role in regulating food preferences and behaviors, highlighting the influence of the gastrointestinal system on neural processing related to diet.

미주 신경에 의해 촉진되는 장과 뇌의 소통은 위장 내분비계와 뇌 사이의 소통에 매우 중요합니다. 그러나 위내 포도당 주입이 대뇌 피질 활동을 변화시킬 수 있는지는 아직 이해되지 않았습니다. 여기에서는 십이지장에 포도당을 주입한 후 대뇌 피질 활동의 변화를 관찰하기 위한 포괄적인 프로토콜을 제공합니다.

우리의 연구 범위는 장-뇌 신경 통신, 특히 음식 선호도에 미치는 역할을 밝혀냅니다. 미주 신경과 관련된 실험은 종종 단일 다발로 취급되었지만 최근 연구는 미주 신경이 특성과 장기 특이성을 선택한다는 것을 밝혔습니다. 그래서 저는 그 통계를 조사하는 것이 앞으로 주목을 끌 것이라고 생각합니다.

장에 카테터를 부착하는 이 방법은 이전에 제안된 방법보다 비용이 저렴하고 덜 침습적이며 쉽습니다. 전통적으로 장에 카테터를 부착하는 것은 봉합으로 이루어졌습니다. 여기서 우리는 봉합을 시아노아크릴레이트 접착제 부착으로 대체하여 마우스의 외과적 손상을 완화했습니다.

우리 연구실에서는 신체적, 심리적 스트레스가 생쥐의 장-뇌 신경 통신에 어떤 영향을 미치는지에 대한 메커니즘을 연구하고 있습니다. 시작하려면 가위를 사용하여 실리콘 튜브를 7cm의 정확한 길이로 자릅니다. 시아노아크릴레이트 접착제를 사용하여 실리콘 튜브 끝에서 약 3mm 떨어진 곳에 작은 플라스틱 구슬을 고정합니다.

23게이지 바늘의 정점을 절제하고 바늘 끝에서 1.5cm 떨어진 곳을 자릅니다. 비드의 반대쪽에 있는 바늘의 절단 부분을 실리콘 튜브에 삽입합니다. 펜치를 사용하여 바늘 끝에서 1cm를 절제합니다.

수정된 23게이지 주사 바늘을 2.5밀리리터 주사기에 부착합니다. 15게이지 주사 바늘 위에 23cm 실리콘 튜브를 넣습니다. 주입 바늘을 첨단에서 1.5cm 잘라 실리콘 튜브에 장착합니다.

시작하려면 마취된 쥐를 수술 테이블에 누운 상태로 놓고 입을 흡입 장치에 가깝게 정렬합니다. 접착 테이프를 사용하여 쥐의 구강, 앞다리, 뒷다리를 수술대에 고정합니다. 제모 크림을 바르고 왼쪽 윗복부의 털을 제거합니다.

복부 오른쪽에 1.5cm의 피부를 절개하고 xiphoid 돌기 아래 5mm를 절개합니다. 그런 다음 초기 피부 절개와 동일한 위치에서 복벽에 1.5cm 절개를 만듭니다. 뭉툭한 집게로 왼쪽 간엽을 옆으로 부드럽게 움직여 위를 노출시킵니다.

이제 배를 들어 올려 절개 부위를 통해 부드럽게 제거합니다. 가위를 사용하여 유문 antrum에 작은 천공을 만듭니다. 구슬이 있는 카테터의 끝을 천공에 삽입합니다.

카테터가 위에 단단히 부착된 것을 확인한 후 위를 원래 위치로 조심스럽게 재배치합니다. 복벽을 봉합하여 카테터가 외부로 빠져나갈 수 있도록 합니다. 그런 다음 복부 폐쇄와 유사한 방식으로 피부 절개 부위를 봉합합니다.

클로르헥시딘 글루코네이트 용액으로 수술 부위를 청소하고 마우스를 소독된 케이지에 넣습니다. 시작하려면 맥동과 호흡의 영향을 완화하기 위해 보조 이어 바를 사용하여 마취된 마우스를 입체 플랫폼에 고정합니다. 전기 면도기나 제모 크림을 사용하여 두피의 모발을 조심스럽게 제거합니다.

0.1-0.5%클로르헥시딘 글루코네이트 용액으로 두피 표면을 소독합니다. 국소 마취 젤을 두피에 바르고 5-10분 동안 기다립니다. 다음으로 가위를 사용하여 머리 뒤쪽에서 이마까지 직선으로 자릅니다.

클립을 사용하여 두개골을 노출시키는 여분의 피부를 잡아당깁니다. 면봉으로 골막의 결합 조직을 제거합니다. 즉시 아크릴 시멘트를 두개골에 바르고 시멘트가 마를 때까지 5분 동안 기다립니다.

형광 실체 현미경 아래로 마우스를 움직입니다. 이미징의 경우 수은 광원과 함께 광대역 청색 형광 필터 세트를 사용하십시오. 그런 다음 카테터 끝에서 카테터 바늘을 제거합니다.

약 0.03ml의 식염수를 사용하여 마우스 측 카테터 내의 잔류 내용물을 퍼지합니다. 그런 다음 마우스에서 카테터를 제거합니다. 적정량의 10% 포도당 용액을 주사기에 흡입하고 카테터에 부착합니다.

이미징 소프트웨어에서 카메라 인식을 확인하고 프레임 속도를 10Hz로 설정합니다. 해상도를 512 x 512 픽셀로 설정하고 깊이를 16비트로 설정합니다. 녹음 프로세스 버튼을 클릭하고 50초 동안 자발적인 데이터를 획득합니다.

마지막으로, 포도당 용액을 점진적으로 주입하여 쥐의 생리적 상태 데이터를 기록합니다. 자발적인 신경 활동은 피질 전체에 걸쳐 무작위적인 칼슘 진동을 드러냈다. 시간적 형광 강도 변화는 파열 억제 패턴에 따른 칼슘 진동을 보여주었습니다.

포도당 주입은 포도당 투여 완료 후 4-8초 이내에 대뇌 피질 칼슘 역학에 상당한 변화를 보였으며 2차 운동 피질에서 즉각적인 활성화를 보였습니다. 그러나 수자원 관리 후 변화는 관찰되지 않았습니다. 물 투여와 비교하여, 포도당 주입 후 2차 운동 피질 영역에서 형광 강도 비율의 상당한 변화가 관찰되었습니다.

주입 후 다른 피질 영역의 활성화 수준은 2차 운동 피질 영역에서만 상당한 차이를 보였습니다.