Method Article

Evaluatie van halfrond lateralisatie met bilaterale lokale veld potentiële opname in de secundaire motorische cortex van muizen

DOI:

10.3791/59310

⸱

July 31st, 2019

 ,  ,  , 
1School of Life Sciences, Guangzhou University, 2Institute for Brain Research and Rehabilitation, South China Normal University, 3School of Life Sciences, South China Normal University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

We presenteren in vivo elektrofysiologische opname van het lokale veld potentieel (LFP) in bilaterale secundaire motor cortex (m2) van muizen, die kan worden toegepast om de halfrond lateralisatie te evalueren. De studie onthulde veranderde niveaus van synchronisatie tussen de linker en rechter m2 in APP/PS1 muizen in vergelijking met WT besturingselementen.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit artikel toont volledige, gedetailleerde procedures voor zowel in vivo bilaterale registratie en analyse van lokaal veld potentieel (LFP) in de corticale gebieden van muizen, die nuttig zijn voor het evalueren van mogelijke lateraal heden, evenals voor beoordeling van de hersen connectiviteit en koppeling van neurale netwerkactiviteiten bij knaagdieren. De pathologische mechanismen aan de basis van de ziekte van Alzheimer (AD), een gemeenschappelijke neurodegeneratieve ziekte, blijven grotendeels onbekend. Veranderde hersenen lateraliteit is aangetoond bij veroudering van mensen, maar of abnormale lateralisatie is een van de vroege tekenen van AD is niet vastgesteld. Om dit te onderzoeken, hebben we bilaterale LFPs opgenomen in 3-5-maand-oude advertentie model muizen, APP/PS1, samen met littermate wild type (WT)-besturingselementen. De LFPs van de linker-en rechter secundaire motor cortex (m2), met name in de gamma-band, waren meer gesynchroniseerd in APP/PS1-muizen dan in WT-besturingselementen, wat duidt op een geweigerde hemisferische asymmetrie van bilaterale m2 in dit advertentie muismodel. Met name de opname-en data-analyseprocessen zijn flexibel en gemakkelijk uit te voeren, en kunnen ook worden toegepast op andere hersen trajecten bij het uitvoeren van experimenten die zich richten op neuronale circuits.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De ziekte van Alzheimer (AD) is de meest voorkomende vorm van dementie1,2. Extracellulair bèta amyloïde eiwit (β-amyloïde proteïne, Aβ) depositie en intracellulaire neurofibrillaire tangles (NFTS) zijn de belangrijkste pathologische kenmerken van AD3,4,5, maar de onderliggende mechanismen van AD pathogenese blijft grotendeels onduidelijk. Cerebrale cortex, een belangrijke structuur in cognitie en geheugen, is aangetast in AD6, en motorische tekorten zoals Slow walking, moeilijkheden bij het navigeren door de omgeving en gang stoornissen treden op bij de voortschrijdende leeftijd7. Aβ-depositie en neurofibrillaire tangles zijn ook waargenomen in de premotorische cortex (PMC) en het aanvullende motor gebied (SMA) bij AD-patiënten8 en cognitief beïnvloede oudere volwassenen9, met vermelding van de betrokkenheid van een verminderde motor systeem in AD-pathogenese.

De hersenen worden gevormd door twee verschillende hersenhelften die worden gedeeld door een longitudinale spleet. Een gezonde hersenen vertoont zowel structurele en functionele asymmetrieën10, die wordt genoemd "lateralisatie", waardoor de hersenen efficiënt omgaan met meerdere taken en activiteiten. Veroudering resulteert in een verslechtering van de cognitie en motoriek, samen met een afname van de hersenen lateraliteit11,12. De motorische capaciteiten van de linker hemisfeer zijn gemakkelijk zichtbaar in de gezonde hersenen13, maar in de AD-hersen afwijking optreedt als gevolg van het falen van de linker halfrond dominantie geassocieerd met links corticale atrofie14, 15,16. Daarom kan een goed begrip van een mogelijke wijziging van de hersens van de hersenen in AD-pathogenese en de onderliggende mechanismen nieuwe inzichten geven in AD-pathogenese en leiden tot identificatie van potentiële biomarkers voor behandeling.

Elektrofysiologische meting is een gevoelige en effectieve methode om veranderingen in de neuronale activiteiten van dieren te evalueren. De vermindering van de hemisferische asymmetrie in ouderlingen (HAROLD)17 is gedocumenteerd door elektrofysiologisch onderzoek met gesynchroniseerde interhemiferische overdrachtstijd, die de verzwakking of afwezigheid van hemisferische asymmetrie vertoont tot monauraal gepresenteerd spraak stimuli bij ouderen18. Met behulp van app/PS1, een van de meest gebruikte advertentie Muismodellen19,20,21,22, in combinatie met in vivo bilaterale extracellulaire opname van lfps in zowel linker-als rechter m2, we mogelijke lateraliteits tekorten in AD geëvalueerd. Bovendien, met eenvoudige parameterinstellingen, biedt de ingebouwde functie van data analysis software (Zie de tabel met materialen) een snellere en meer eenvoudige manier om de synchronisatie van elektrische signalen te analyseren dan wiskundig complexe programmeertaal, die is vriendelijk voor beginners met in vivo elektrofysiologie.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Alle dieren werden gekoppeld-gehuisvest onder standaardomstandigheden (12 uur licht/donker, constante temperatuur omgeving, vrije toegang tot voedsel en water) volgens het Chinese ministerie van wetenschap en technologie laboratoriumdieren richtsnoeren en experimenten werden goedgekeurd door het lokale ethische Comité van de Universiteit van Guangzhou. Dit is een niet-overlevings procedure.

Opmerking: voor gegevens die worden weergegeven in de representatieve resultaten, APP/PS1 (B6C3-TG (APPswe, PSEN1dE9) 85Dbo/J) dubbele transgene muizen en littermate wild-type (WT) besturingselementen op 3-5 maanden oud, werden gebruikt voor opnames (n = 10, per groep).

1. dieren anesthesie en chirurgie

  1. Weeg en anesthetiseer de muis door uw goedgekeurde anesthesie regime van uw lokale Dierenzorg Commissie.
  2. Voer een staart of teen knijpen met pincet om diepe verdoving te bevestigen voorafgaand aan de operatie.
  3. Plaats de muis in een stereotaxus apparaat en bevestig het hoofd.
  4. Breng oogzalf aan op beide ogen om vochtig te blijven. Volg uw lokale Dierenzorg richtlijnen met betrekking tot pre-en postoperatieve analgesie.
  5. Scheer het haar met behulp van chirurgische tondeuses. Maak een kleine incisie (12-15 mm) in het midden van het blootgestelde chirurgische gebied met een schaar. Met behulp van een tang, trek de hoofdhuid voorzichtig weg van de middenlijn.
  6. Scheid de huid zachtjes en verwijder het rest weefsel. Reinig de schedel met de met waterstof peroxide gecoate katoenen toppen.
  7. Boor twee kleine gaatjes van radii 1.0-1.5 mm aan beide linker-en rechterzijde van de schedel om de opname van de micro elektroden in de m2-gebieden onder een stereomicroscoop (Figuur 1a) toe te staan.
    Opmerking: stereotaxic locaties van bilaterale m2:1,94 mm voorste van de bregma, 1,0 mm lateraal aan de middenlijn, en 0,8-1,1 mm ventrale naar de Dura.
  8. Verwijder de dura mater voorzichtig met een wolfraam naald.
  9. Pull Glass borosilicaatmicropipetten (buitendiameter: 1,0 mm) als opname van micro elektroden met een weerstand van 1-2 MΩ.
  10. Plaats twee afzonderlijke opname-micro elektroden met 0,5 M NaCl in de gaten met behulp van mechanische micro manipulatoren (bij 60 °, Figuur 1B).

2. LFP-opnames in bilaterale m2 muizen

  1. Verlaag de linker-en rechter glas elektroden langzaam in geschikte coördinaten van bilaterale m2 (Figuur 1C).
  2. Voor kwaliteitscontrole test u de weerstand van elke elektrode met behulp van de differentiële versterker voordat u LFPs vastlegt.
  3. Stel het opnameproces in op 0,1 Hz High-Pass en 1.000 Hz Low-Pass met 1, 000x versterking.
  4. Verzamel gedigitaliseerde RAW LFP-gegevens van ten minste 60 s spontane activiteiten in stabiele toestand, waarbij muizen gelijkmatig ademen met een ademhalingsfrequentie van 2 ademhalingen per seconde onder anesthesie.
  5. Na het opnemen, langzaam verhogen van de elektroden uit de hersenen, dan euthanaseren de muizen door snelle cervicale dislocatie.
  6. Sla de gegevens op en analyseer offline.

3. cross-correlatie-analyse

  1. Klik op analyse-golfvorm correlatie in de analyse software en importeer de gegevens.
  2. Parameter instellingen
    1. Definieer één golfvorm kanaal signaal als het eerste kanaal en de andere als referentie. Stel de breedte in op 2 en offset als 1 (Figuur 2A).
    2. Stel de duur van beide LFPs voor 100 s in door de begin-en eindtijd te selecteren. Druk op de proces knop om kruiscorrelatie analyse uit te voeren (Figuur 2B).
      Opmerking: gelijktijdige bilaterale signalen met dergelijke duur zouden lang genoeg zijn om neuronale spontane activiteiten te tonen, waardoor de basiseigenschappen van synchronisatie worden onthuld.
  3. Klik op bestand-exporteren alsen sla vervolgens de kruiscorrelatie resultaten op die overeenkomen met de resulterende pop-upgrafiek in. txt-indeling.
  4. Open het. txt-bestand (afbeelding 2C), verwijder de correlatie waarden bij tijdvertragingen die varieerden 0 ± 0,01 s (aangezien twee continue gamma golven ten minste 0,01 s interval hebben), dan gemiddelde de rest van de cross-correlatiegegevens in de negatieve tijdsvertraging deel of gemiddelde de rest van de cross-correlatie-gegevens in het positieve tijdvertraginggedeelte.

4. coherentie analyse

  1. Importeer en voer de gegevens uit in de analyse software.
  2. Wijs de twee LFP-signalen toe aan de eerste en tweede golfvorm kanalen afzonderlijk. Stel vervolgens de waarde blokgrootte in (Figuur 3A).
    Opmerking: blokgrootte betekent het aantal gegevenspunten dat wordt gebruikt in de FFT. Hoe groter de blokgrootte, hoe beter de frequentie resolutie. Hier raden we aan om het in te stellen als 4096.
  3. Verplaats de gestippelde lijnen handmatig om ervoor te zorgen dat de tijd nauwkeurigheid van signalen in beide kanalen wordt ingesteld als dezelfde periode (Figuur 3B). Druk op de knop gebied toevoegen om het gebied te laden en coherentie analyse uit te voeren.
  4. Klik op bestand -Opslaan als om de coherentie resultaten op te slaan die overeenkomen met de resulterende pop-upgrafiek in. txt-indeling (afbeelding 3B).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Om te zien of vroege advertentie pathologie de capaciteit van de halfrond lateralisatie schaadt, voerden we bilaterale extracellulaire LFP-opnames uit in de linker-en rechter m2 van APP/PS1-muizen en WT-besturingselementen (leeftijd 3-5 maanden) en analyseerden de kruiscorrelatie van deze links en rechter LFPs. In WT muizen, de resultaten toonden aan dat de gemiddelde correlatie tussen links en rechts LFPs op positieve tijdvertragingen significant verschalen van dat op negatieve tijdvertragingen, implicerend voor het bes...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

We rapporteren hier de procedure voor in vivo bilaterale extracellulaire opname, samen met het analyseren van de synchronisatie van Dual-Region LFP-signalen, die zowel flexibel als gemakkelijk te voeren is voor het inschatten van de hersen halfrond lateralisatie, evenals de connectiviteit, directionaliteit of koppeling tussen neurale activiteiten van twee hersengebieden. Dit kan op grote schaal worden gebruikt om niet alleen groep-neuronale activiteiten onthullen, maar ook een aantal fundamentele eigenschappen v...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit werk werd gesteund door subsidies van de National Natural Science Foundation of China (31771219, 31871170), de Science and Technology Division van Guangdong (2013KJCX0054), en de Natural Science Foundation van de provincie Guangdong (2014A030313418, 2014A030313440).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
AC/DC Differentiële VersterkerA-M SystemsModel 3000
Analoge Digitale omzetterCambridge Electronic Design Ltd.Micro1401
Micropipetten van borosilicaatglasNanjing spring teaching experimental equipment company161230Buitendiameter: 1,0mm
Micro-elektrodetrekkerNarishigePC-10
NaClGuangzhou Chemical Reagent Factory7647-14-5
Pin micro-elektrodehouderWorld Precision Instruments, INC.MEH3SW10
Spike2 Cambridge Electronic Design Ltd.
StereomicroscoopZeiss435064-9020-000
Stereotactisch apparaat RWD Life Science68045
UrethaanSigma-Aldrich94300

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Goedert, M., Spillantini, M. G. A century of Alzheimer's disease. Science. 314 (5800), 777-781 (2006).
  2. Perrin, R. J., Fagan, A. M., Holtzman, D. M. Multimodal techniques for diagnosis and prognosis of Alzheimer's disease. Nature. 461 (7266), 916-922 (2009).
  3. Cummings, B. J., Pike, C. J., Shankle, R., Cotman, C. W. Beta-amyloid deposition and other measures of neuropathology predict cognitive status in Alzheimer's disease. Neurobiology of aging. 17 (6), 921-933 (1996).
  4. Gordon, M. N., et al. Correlation between cognitive deficits and Abeta deposits in transgenic APP+PS1 mice. Neurobiology of aging. 22 (3), 377-385 (2001).
  5. Fitzpatrick, A. W. P., et al. Cryo-EM structures of tau filaments from Alzheimer's disease. Nature. 547 (7662), 185-190 (2017).
  6. Shankar, G. M., et al. Amyloid-beta protein dimers isolated directly from Alzheimer's brains impair synaptic plasticity and memory. Nature medicine. 14 (8), 837-842 (2008).
  7. Buchman, A. S., Bennett, D. A. Loss of motor function in preclinical Alzheimer's disease. Expert review of neurotherapeutics. 11 (5), 665-676 (2011).
  8. Arnold, S. E., Hyman, B. T., Flory, J., Damasio, A. R., Van Hoesen, G. W. The topographical and neuroanatomical distribution of neurofibrillary tangles and neuritic plaques in the cerebral cortex of patients with Alzheimer's disease. Cerebral cortex. 1 (1), New York, N.Y. 103-116 (1991).
  9. Giannakopoulos, P., Hof, P. R., Michel, J. P., Guimon, J., Bouras, C. Cerebral cortex pathology in aging and Alzheimer's disease: a quantitative survey of large hospital-based geriatric and psychiatric cohorts. Brain research. Brain research reviews. 25 (2), 217-245 (1997).
  10. Renteria, M. E. Cerebral asymmetry: a quantitative, multifactorial, and plastic brain phenotype. Twin research and human genetics : the official journal of the International Society for Twin Studies. 15 (3), 401-413 (2012).
  11. Derflinger, S., et al. Grey-matter atrophy in Alzheimer's disease is asymmetric but not lateralized. Journal of Alzheimer's disease : JAD. 25 (2), 347-357 (2011).
  12. Abdul Manan, H., Yusoff, A. N., Franz, E. A., Sarah Mukari, S. Z. Early and Late Shift of Brain Laterality in STG, HG, and Cerebellum with Normal Aging during a Short-Term Memory Task. ISRN neurology. 2013, 892072(2013).
  13. Kim, S. G., et al. Functional magnetic resonance imaging of motor cortex: hemispheric asymmetry and handedness. Science. 261 (5121), 615-617 (1993).
  14. Bartolomeo, P., D'Erme, P., Perri, R., Gainotti, G. Perception and action in hemispatial neglect. Neuropsychologia. 36 (3), 227-237 (1998).
  15. Bartolomeo, P., et al. Right-side neglect in Alzheimer's disease. Neurology. 51 (4), 1207-1209 (1998).
  16. Thompson, P. M., et al. Tracking Alzheimer's disease. Annals of the New York Academy of Sciences. 1097, 183-214 (2007).
  17. Cabeza, R., Anderson, N. D., Locantore, J. K., McIntosh, A. R. Aging gracefully: compensatory brain activity in high-performing older adults. NeuroImage. 17 (3), 1394-1402 (2002).
  18. Bellis, T. J., Nicol, T., Kraus, N. Aging affects hemispheric asymmetry in the neural representation of speech sounds. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 20 (2), 791-797 (2000).
  19. Jankowsky, J. L., et al. Co-expression of multiple transgenes in mouse CNS: a comparison of strategies. Biomolecular engineering. 17 (6), 157-165 (2001).
  20. Venegas, C., et al. Microglia-derived ASC specks cross-seed amyloid-beta in Alzheimer's disease. Nature. 552 (7685), 355-361 (2017).
  21. Busche, M. A., et al. Tau impairs neural circuits, dominating amyloid-beta effects, in Alzheimer models in vivo. Nat Neurosci. 22 (1), 57-64 (2019).
  22. Velazquez, R., et al. Maternal choline supplementation ameliorates Alzheimer's disease pathology by reducing brain homocysteine levels across multiple generations. Molecular Psychiatry. , (2019).
  23. Huo, Q., et al. Prefrontal Cortical GABAergic Dysfunction Contributes to Aberrant UP-State Duration in APP Knockout Mice. Cerebral Cortex. 27 (8), 4060-4072 (2017).
  24. Palop, J. J., et al. Aberrant excitatory neuronal activity and compensatory remodeling of inhibitory hippocampal circuits in mouse models of Alzheimer's disease. Neuron. 55 (5), 697-711 (2007).
  25. Ang, G., et al. Absent sleep EEG spindle activity in GluA1 (Gria1) knockout mice: relevance to neuropsychiatric disorders. Translational Psychiatry. 8 (1), 154(2018).
  26. Funk, C. M., Honjoh, S., Rodriguez, A. V., Cirelli, C., Tononi, G. Local Slow Waves in Superficial Layers of Primary Cortical Areas during REM Sleep. Current Biology. 26 (3), 396-403 (2016).
  27. Gregoriou, G. G., Gotts, S. J., Zhou, H., Desimone, R. High-frequency, long-range coupling between prefrontal and visual cortex during attention. Science. 324 (5931), 1207-1210 (2009).
  28. Zheng, C., Bieri, K. W., Hsiao, Y. T., Colgin, L. L. Spatial Sequence Coding Differs during Slow and Fast Gamma Rhythms in the Hippocampus. Neuron. 89 (2), 398-408 (2016).
  29. Freeman, W. J., Holmes, M. D., West, G. A., Vanhatalo, S. Fine spatiotemporal structure of phase in human intracranial EEG. Clinical neurophysiology : official journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 117 (6), 1228-1243 (2006).
  30. Fries, P. Rhythms for Cognition: Communication through Coherence. Neuron. 88 (1), 220-235 (2015).
  31. Cardin, J. A., et al. Driving fast-spiking cells induces gamma rhythm and controls sensory responses. Nature. 459 (7247), 663-667 (2009).
  32. Verret, L., et al. Inhibitory interneuron deficit links altered network activity and cognitive dysfunction in Alzheimer model. Cell. 149 (3), 708-721 (2012).
  33. Ahlbeck, J., Song, L., Chini, M., Bitzenhofer, S. H., Hanganu-Opatz, I. L. Glutamatergic drive along the septo-temporal axis of hippocampus boosts prelimbic oscillations in the neonatal mouse. Elife. 7, (2018).
  34. Spellman, T., et al. Hippocampal-prefrontal input supports spatial encoding in working memory. Nature. 522 (7556), 309-314 (2015).
  35. Vandecasteele, M., et al. Optogenetic activation of septal cholinergic neurons suppresses sharp wave ripples and enhances theta oscillations in the hippocampus. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (37), 13535-13540 (2014).
  36. Seidenbecher, T., Laxmi, T. R., Stork, O., Pape, H. C. Amygdalar and hippocampal theta rhythm synchronization during fear memory retrieval. Science. 301 (5634), 846-850 (2003).
  37. Zitnik, G. A., Curtis, A. L., Wood, S. K., Arner, J., Valentino, R. J. Adolescent Social Stress Produces an Enduring Activation of the Rat Locus Coeruleus and Alters its Coherence with the Prefrontal Cortex. Neuropsychopharmacology : official publication of the American College of Neuropsychopharmacology. 41 (5), 1376-1385 (2015).
  38. Rogers, L. J., Zucca, P., Vallortigara, G. Advantages of having a lateralized brain. Proceedings. Biological sciences / The Royal Society. 271, Suppl 6 420-422 (2004).
  39. Vallortigara, G. The evolutionary psychology of left and right: costs and benefits of lateralization. Developmental psychobiology. 48 (6), 418-427 (2006).
  40. MacNeilage, P. F., Rogers, L. J., Vallortigara, G. Origins of the left, right brain. Scientific American. 301 (1), 60-67 (2009).
  41. Habas, P. A., et al. Early folding patterns and asymmetries of the normal human brain detected from in utero MRI. Cerebral cortex. 22 (1), New York, N.Y. 13-25 (2012).
  42. Dennis, N. A., Kim, H., Cabeza, R. Effects of aging on true and false memory formation: an fMRI study. Neuropsychologia. 45 (14), 3157-3166 (2007).
  43. Cabeza, R., et al. Task-independent and task-specific age effects on brain activity during working memory, visual attention and episodic retrieval. Cerebral cortex. 14 (4), New York, N.Y. 364-375 (2004).
  44. Cherbuin, N., Reglade-Meslin, C., Kumar, R., Sachdev, P., Anstey, K. J. Mild Cognitive Disorders are Associated with Different Patterns of Brain asymmetry than Normal Aging: The PATH through Life Study. Frontiers in psychiatry / Frontiers Research Foundation. 1, 11(2010).
  45. Jankowsky, J. L., et al. Mutant presenilins specifically elevate the levels of the 42 residue beta-amyloid peptide in vivo: evidence for augmentation of a 42-specific gamma secretase. Human molecular genetics. 13 (2), 159-170 (2004).
  46. Radde, R., et al. Abeta42-driven cerebral amyloidosis in transgenic mice reveals early and robust pathology. EMBO reports. 7 (9), 940-946 (2006).
  47. Lacor, P. N., et al. Abeta oligomer-induced aberrations in synapse composition, shape, and density provide a molecular basis for loss of connectivity in Alzheimer's disease. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 27 (4), 796-807 (2007).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Hemisphere LateralizationBilateral Local Field PotentialSecondary Motor CortexAlzheimer s Disease ModelAPP PS1 MiceCross Correlation AnalysisGamma Band SynchronizationHemispheric AsymmetryStereotaxic ApparatusMicroelectrode Recording

Related Articles