Electrophysiological Recordings of Brainstem-Spinal Cord Preparations from a Newborn Rodent
JoVE Encyclopedia of Experiments
Neurowetenschap
0 weergaven • 2:53 min • July 8th, 2025
Secure a brainstem-spinal cord preparation from a newborn rodent in a recording chamber with a flow of oxygenated aCSF. Remove the thin tissue covering the preparation.
The brainstem's neuronal network generates a rhythmic electrical activity, termed inspiratory burst, transmitted via motor neurons of the spinal cord's fourth ventral, or C4, nerve root to control breathing.
Position a recording pipette near the nerve root and use suction to draw the root inside, forming a seal.
Intrinsic properties of the brainstem neurons cause sodium influx, depolarizing the membrane and generating an action potential, followed by potassium outflow for repolarization.
Ensuing hyperpolarization prevents new action potentials until the sodium-potassium ATPase utilizes ATP to restore the membrane potential.
The action potentials propagate to the nerve root as rhythmic bursts.
Flow oxygen-deprived aCSF to disrupt ATP production and impair ATPase function, delaying action potentials and decreasing rhythmic bursts.
Switching back to oxygenated aCSF recovers the number of rhythmic bursts.
In this procedure, place the nervous tissue in the recording chamber with its ventral side facing up. Fix it with pins in the lowest part of the spinal cord, and the rostral-most part of the brain stem. After that, remove the arachnoid membrane, which is a thin tissue covering the surface of the nervous tissue. Be careful not to remove the pia mater and blood vessels of the nervous tissue. Next, fill the electrode with ACSF.
Using a micromanipulator, carefully place the electrode close to the fourth ventral root. Gently aspirate the nerve rootlet using the syringe. Then, place the electrode with the nerve rootlet against the spinal cord. Subsequently, record the electrophysiological activities generated by the nervous tissue under normoxic conditions for at least 20 minutes to determine the baseline parameters of the preparation.
Switch the perfusion solution from carbogen-bubbled ACSF to hypoxia stimulus ACSF, and record for 15 minutes. After that, switch the perfusion solution back to standard carbogen-bubbled ACSF, and record for at least another 15 minutes before ending the recording.
Overzicht
In dit artikel wordt een protocol gedemonstreerd voor het uitvoeren van elektrofysiologische registraties op geïsoleerde preparaten van de hersenstam en het ruggenmerg van pasgeboren knaagdieren. De methode stelt onderzoekers in staat om de output van het neurale ademhalingsnetwerk te monitoren door inspiratoire bursts te registreren vanuit de vierde ventrale zenuwwortel, zowel onder zuurstofrijke als onder zuurstofarme omstandigheden.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Elektrofysiologie
- Respiratoire fysiologie
Achtergrond
- De hersenstam bevat neurale netwerken die verantwoordelijk zijn voor het genereren van ritmische ademhalingsactiviteit.
- Inspiratoire bursts worden via motorneuronen in het ruggenmerg overgebracht om de ademhaling aan te sturen.
- Elektrofysiologische registraties van geïsoleerde preparaten maken een gedetailleerde studie van neurale ademhalingsmechanismen mogelijk.
- De beschikbaarheid van zuurstof is cruciaal voor het behoud van neuronale activiteit en ritmische output.
Doel van de studie
- Het registreren en analyseren van de ritmische inspiratoire bursts die worden gegenereerd door de hersenstam-ruggenmergpreparaat.
- Het beoordelen van de effecten van zuurstofgebrek en reoxygenatie op de output van het neurale respiratoire netwerk.
- Het bieden van een reproduceerbaar protocol voor het bestuderen van respiratoire neurale circuits in vitro.
Gebruikte methoden
- Isolatie van hersenstam-rugmergpreparaten van pasgeboren knaagdieren.
- Plaatsing van het preparaat in een registratiekamer met geoxygeneerde kunstmatige cerebrospinale vloeistof (aCSF).
- Verwijdering van het arachnoïdale membraan met behoud van de pia mater en de bloedvaten.
- Elektrofysiologische registratie van de vierde ventrale zenuwwortel met behulp van een zuigelektrode.
- Sequentiële perfusie met geoxygeneerde, vervolgens zuurstofarme en daarna opnieuw geoxygeneerde aCSF om veranderingen in de ritmische activiteit te beoordelen.
Belangrijkste resultaten
- Onder zuurstofrijke omstandigheden genereert de hersenstam regelmatige inspiratoire bursts die worden geregistreerd vanaf de zenuwwortel.
- Zuurstofgebrek verstoort de ATP-productie, verslechtert de functie van natrium-kalium-ATPase en vermindert de frequentie en regelmaat van de ritmische bursts.
- Herintroductie van zuurstofrijk aCSF herstelt het aantal en het patroon van de ritmische bursts.
- Het protocol biedt een betrouwbare methode om de impact van metabole veranderingen op respiratoire neurale circuits te bestuderen.
Conclusies
- Deze methode maakt een gedetailleerde analyse mogelijk van de output van het neurale respiratoire netwerk in geïsoleerde preparaten.
- De beschikbaarheid van zuurstof is essentieel voor het behoud van ritmische respiratoire activiteit in het preparaat van hersenstam en ruggenmerg.
- Het protocol is waardevol voor het onderzoeken van de fysiologische en metabole mechanismen die ten grondslag liggen aan de ademhalingscontrole.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de Industrie
Elektrofysiologische registraties van geïsoleerde preparaten van de hersenstam en het ruggenmerg maken een nauwkeurige analyse van de functie van het neurale respiratoire netwerk onder gecontroleerde metabole omstandigheden mogelijk. Deze benadering ondersteunt mechanische risicoreductie en voorspellend vertrouwen bij de validatie van targets in de vroege fase van de neurowetenschappen, in het bijzonder voor pathways die gevoelig zijn voor metabole stress. De methode biedt een reproduceerbaar platform voor het evalueren van de veerkracht en het herstel van neurale circuits, wat bijdraagt aan besluitvorming over portfolio's in de neurofarmacologie en respiratoire therapeutica.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Maakt directe meting van de output van neurale circuits mogelijk als reactie op metabole perturbatie.
- Ondersteunt functionele validatie van targets voor ademhalingscontrole onder normoxische en hypoxische omstandigheden.
- Faciliteert mechanistische risicoreductie door intrinsieke neuronale eigenschappen en netwerkresponsen te isoleren.
- Levert kwantitatieve gegevens voor voorspellende betrouwbaarheid bij de selectie van targets.
Screening & Assay-ontwikkeling
- Stelt een gevalideerd ex vivo systeem vast voor reproduceerbare elektrofysiologische assays.
- Levert gestandaardiseerde, kwantitatieve resultaten van de frequentie en het patroon van inspiratoire bursts.
- Maakt beoordeling mogelijk van de effecten van verbindingen op de stabiliteit en het herstel van het neurale netwerk.
- Ondersteunt de schaalbaarheid van assays voor vergelijkende evaluatie van verbindingen in respiratoir onderzoek.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Komt overeen met ziekterelateerde modellen van respiratoire dysfunctie en metabole stress.
- Biedt continuïteit van mechanistische ontdekking tot preklinische validatie van neurale targets.
- Maakt een risico-gecorrigeerde voortgang mogelijk van kandidaten die de veerkracht van neurale circuits beïnvloeden.
- Ondersteunt de translationele ontwikkeling van biomarkers voor de integriteit van het respiratoire netwerk.
Integratie van Pipeline & Workflow
Dit elektrofysiologische platform is geïntegreerd in het ontdekkingscontinuüm, van vroege targetvalidatie tot de ontwikkeling van preklinische modellen voor respiratoire en neurofarmacologische programma's.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetesten over de functie van neurale circuits en metabole gevoeligheid.
- Screening: Levert reproduceerbare, kwantitatieve resultaten voor de vergelijking van verbindingen en condities.
- Analytics: Maakt statistische analyse mogelijk van burstfrequentie, amplitude en herstelmetrieken.
- Translationeel Onderzoek: Slaat een brug tussen mechanistische bevindingen en preklinische modellen van ademhalingscontrole.
- Enterprise Hergebruik: Biedt een herbruikbaar assayplatform voor diverse neurale en metabole onderzoekspijplijnen.
Operationele en bedrijfsmatige impact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellend vertrouwen en vermindert mechanistische ambiguïteit bij de validatie van neurale targets.
- Operationele waarde: Levert gestandaardiseerde, reproduceerbare en schaalbare elektrofysiologische assays.
- Strategische waarde: Informeert go/no-go-beslissingen en verhoogt de kapitaalefficiëntie in neurofarmacologische portfolio's.
- Impact op portfolio: Ondersteunt risico-gecorrigeerde prioritering en de verdere ontwikkeling van modulatoren voor respiratoire en neurale circuits.
Overwegingen bij de implementatie
- Vereist expertise in elektrofysiologie en de hantering van neuraal weefsel.
- Vereist gespecialiseerde registratiekamers, micromanipulatoren en analytische software.
- Maakt standaardisatie van preparatie- en registratieprotocollen tussen teams noodzakelijk.
- Aanpassingen kunnen nodig zijn voor verschillende knaagdiermodellen of ontwikkelingsstadia.
- Praktische beperkingen omvatten weefsellevensvatbaarheid en doorvoecapaciteit die inherent zijn aan ex vivo systemen.
Veelgestelde vragen over biofarmaceutica
Beoordeling van de effecten van hormoonontregelende stoffen op de ontwikkeling van de gewervelde neuraal netwerkfunctie met behulp van meerdere elektrode Arrays
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Voorbereiding van ritmisch-actief In Vitro neonatale knaagdier hersenstam-ruggenmerg en dun plakje
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Evaluatie van Synaptic multipliciteit met behulp van geheel-cel Patch-clamp electrofysiologie
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Spinal Cord Elektrofysiologie
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Spinal Cord Elektrofysiologie II: Extracellulaire Suction Elektrode Fabrication
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Recording Auditory Brainstem Responses in a Rat Pup
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Een methode om een Craniotomie aan de ventrale Schedel van pasgeboren knaagdieren maken
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Elektrofysiologie op Geïsoleerde hersenstam ruggenmerg voorbereidingen van pasgeboren knaagdieren Hiermee Neural Network Respiratory Output Opname
Gerelateerde video's
0 Bekeken
De Voorbereiding van de Oblique Spinal Cord Slices voor Ventral Root Stimulation
Gerelateerde video's
0 Bekeken
EEG opnemen bij vrij bewegende neonatale ratten met behulp van een nieuwe methode
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Laatst bijgewerkt: 29 augustus 2026