Wykorzystanie szybkoskanującej woltamperometrii cyklicznej do pomiaru elektrycznie wywołanej dynamiki dopaminy presynaptycznej w skrawkach mózgowych prążkowia.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Wykorzystanie szybkoskanującej woltamperometrii cyklicznej do pomiaru elektrycznie wywołanej dynamiki dopaminy presynaptycznej w skrawkach mózgowych prążkowia.
Szeroko zakrojone badania skupiły się na neuroprzekaźniku dopaminie ze względu na jej znaczenie w mechanizmie działania substancji psychoaktywnych (np. kokainy i amfetaminy), rolę, jaką odgrywa w chorobach psychiatrycznych (np. schizofrenii i zespole nadpobudliwości z deficytem uwagi), oraz jej zaangażowanie w zaburzenia degeneracyjne, takie jak choroba Parkinsona i choroba Huntingtona. W normalnych warunkach fizjologicznych dopamina reguluje aktywność lokomotoryczną, funkcje poznawcze, uczenie się, afekt emocjonalny oraz wydzielanie hormonów neuroendokrynnych. Jedno z największych zagęszczeń neuronów dopaminergicznych znajduje się w prążkowiu, który można podzielić na dwa odrębne regiony neuroanatomiczne znane jako jądro półleżące oraz jądro ogoniaste i skorupa. Celem jest przedstawienie ogólnego protokołu szybkiej skaningowej woltamperometrii cyklicznej (FSCV) w plastrach prążkowia myszy. FSCV jest dobrze zdefiniowaną techniką elektrochemiczną, która umożliwia pomiar uwalniania i wychwytu dopaminy w czasie rzeczywistym w konkretnych regionach mózgu. W FSCV do wykrywania utleniania dopaminy stosuje się węglowe mikroelektrody włókniste (średnica ~ 7 μm). Przewagą analityczną zastosowania FSCV do wykrywania dopaminy jest zwiększona rozdzielczość czasowa wynosząca 100 milisekund oraz rozdzielczość przestrzenna poniżej dziesięciu mikronów, co dostarcza informacji uzupełniających względem mikrodializy in vivo.
1. Podstawy eksperymentu
Wytwarzanie elektrod
Przygotowanie roztworów
Należy wcześniej przygotować trzy rodzaje roztworów sztucznego płynu mózgowo-rdzeniowego (aCSF), wszystkie w wodzie ultrapurej (18 MΩ cm).
Kalibracja elektrody
2. Przygotowanie skrawków
3. Pomiary woltamperometryczne z wycinków
Podczas inkubacji skrawków można przygotować komorę do rejestracji.
4. Analiza danych
Uzyskane z wycinka przebiegi prądu w funkcji czasu można dopasować za pomocą regresji nieliniowej do zestawu równań opartych na modelu Michaelisa-Menten, zgodnie z opisem Wightmana i współpracowników w oprogramowaniu napisanym w środowisku LabVIEW (National Instruments, Austin, TX) 4-6. W tym oprogramowaniu przebiegi prądu w funkcji czasu można dopasować poprzez zmianę dwóch parametrów: Vmax (nM/s; odpowiadającego szybkości wychwytu przez transporter dopaminy, co obrazuje faza opadająca przebiegu) oraz stężenia dopaminy na impuls (nM; odpowiadającego maksymalnej wysokości piku). Wartość Km, odzwierciedlająca powinowactwo dopaminy do transportera dopaminy, zostaje ustalona na 160 nM i nie jest zmieniana. Przed dopasowaniem wymagany jest współczynnik pokalibracyjny elektrody, wyznaczony po zakończeniu eksperymentu. Oprogramowanie LabView zawiera parametr współczynnika determinacji (R2) w celu oceny jakości dopasowania (stosuje się wartości R2 > 0,8).
5. Reprezentatywne wyniki
Do badania uwalniania i wychwytu dopaminy wywołanego pojedynczym impulsem elektrycznym w jądrze ogoniastym i skorupie (CPu), rdzeniu (core) jądra półleżącego (NAc) oraz otoczce (shell) NAc u myszy wykorzystano FSCV. Reprezentatywne wyniki przedstawione na rysunku 1A obrazują wykresy zależności natężenia prądu (lub stężenia) od czasu. Czerwona strzałka wskazuje moment zastosowania stymulacji elektrycznej do skrawka, po której następuje odpowiadający jej wzrost natężenia prądu wynikający ze zmian stężenia dopaminy przy mikroelektrodzie z włókna węglowego. Przeważającym procesem podczas stymulacji elektrycznej jest uwalnianie dopaminy, jednak inne procesy, takie jak wychwyt i dyfuzja, również przyczyniają się do całkowitej obserwowanej wysokości piku. Fazę opadającą piku przypisuje się głównie ponownemu wychwytowi neuroprzekaźnika przez jego transporter po zakończeniu stymulacji neuronalnej 7. Jednak spadek piku nie ogranicza się tylko do wychwytu, ponieważ dyfuzja i metabolizm również przyczyniają się do zmniejszenia natężenia prądu. Postulowano, że ze względu na skalę czasową pomiarów elektrochemicznych, która wynosi sekundy, FSCV jest zbyt szybką metodą, aby mierzyć udział metabolizmu 7. Na tych przebiegach natężenia prądu w czasie oś y została przeliczona na stężenie (μM) przy użyciu współczynnika kalibracji poeksperymentalnej. Wstawka do rysunku 1A przedstawia odpowiednie woltamperogramy cykliczne z odjętym tłem dla przebiegów natężenia prądu w czasie. Po naniesieniu zmierzonego natężenia prądu (oś y) względem potencjału przyłożonego do elektrody (oś x), dopamina zostaje zidentyfikowana chemicznie dzięki obserwowanemu piku utleniania przy +0.6 V, a odpowiadający mu pik redukcji dopaminy-orto-chinonu jest obserwowany przy -0.2 V względem elektrody odniesienia Ag/AgCl. Trzecia reprezentacja danych wykorzystuje trójwymiarowy wykres pseudokolorystyczny (rysunek 1B), który łączy informacje z przebiegów natężenia prądu w czasie oraz woltamperogramu cyklicznego w jeden wykres. Na reprezentatywnym wykresie pseudokolorystycznym czas w sekundach naniesiono na oś x, przyłożone napięcie do roboczej mikroelektrody z włókna węglowego na oś y, a natężenie prądu przedstawiono za pomocą kolorów sztucznych na osi z. Dzięki niewielkiemu rozmiarowi mikroelektrod z włókna węglowego (~ 7 μm średnicy), dynamikę dopaminy stymulowanej elektrycznie można wykryć w dyskretnych regionach anatomicznych prążkowia (CPu versus rdzeń NAc versus otoczka NAc; rysunek 2).
Zaletą zastosowania koronalnych przekrojów prążkowia jest wyeliminowanie wpływu ciał komórek dopaminergicznych, co umożliwia badanie presynaptycznej dynamiki dopaminy. Presynaptyczna kontrola uwalniania i wychwytu dopaminy nie ogranicza się wyłącznie do funkcji autoreceptorów lub transporterów dopaminy, co wykazali inni badacze 16, 17. Heteroreceptory innych układów neurotransmiterowych również modulują dynamikę dopaminy 18, 19. Reprezentatywne przebiegi prądu w funkcji czasu przedstawione na Ryc. 3A pokazują, że po traktowaniu przekrojów 1 μM quinpirole (agonistą receptora D2/D3) przez 30 minut obserwuje się spadek elektrycznie indukowanego uwalniania dopaminy. Z kolei w przypadku perfuzji przekroju substratem dla transportera dopaminy, takim jak metamfetamina, przez 30 minut nie obserwuje się różnic w uwalnianiu dopaminy (Ryc. 3B). Przesunięcie fazy zaniku piku w prawo jest zazwyczaj związane ze zmianami w kinetyce transportera dopaminy (Km) 3. Wreszcie, Ryc. 3C przedstawia reprezentatywny przebieg prądu w funkcji czasu po kąpieli przekroju w roztworze brain-derived neurotrophic factor (BDNF) o stężeniu 100 ng/mL, który według hipotez wpływa na dynamikę uwalniania dopaminy 20, 21. Z tego reprezentatywnego przebiegu wynika, że BDNF ma zdolność do zwiększania elektrycznie indukowanego uwalniania dopaminy. Podsumowując, powyższe zabiegi farmakologiczne podkreślają użyteczność FSCV w badaniu dynamiki dopaminy w obrębie prążkowia.
Głównym ograniczeniem wykorzystania skrawków mózgu do badania presynaptycznej dynamiki dopaminy za pomocą FSCV jest utrata sieci neuronowych z nienaruszonego mózgu. W przypadku FSCV na skrawkach nie jest możliwe badanie wpływu neurotransmiterów z innych obszarów mózgu, co utrudnia zrozumienie wkładu tych systemów w funkcjonalność badanego obszaru (np. prążkowia) lub ocenę poziomów dopaminy w warunkach braku stymulacji. Jednakże ostatnie postępy techniczne w FSCV umożliwiły pomiary przejściowe dopaminy (ze stymulacją elektryczną i bez niej) u swobodnie poruszających się szczurów w odpowiedzi na manipulacje farmakologiczne, samopodawanie lub nowość 22 - 24. Podsumowując, FSCV na skrawkach dostarcza cennych informacji na temat presynaptycznej dynamiki dopaminy, a połączenie wyników FSCV na skrawkach z komplementarnymi technikami neurochemicznymi, takimi jak mikrodializa, elektrofizjologia i/lub FSCV u swobodnie poruszających się zwierząt, oferuje bardziej kompleksowy wgląd w funkcjonowanie neurotransmiterów w mózgu.

Rysunek 1. Elektronicznie wywołane uwalnianie dopaminy mierzone za pomocą FSCV po stymulacji pojedynczym impulsem w skrawkach grzbietowej części CPu myszy C57Bl/6J. (A) Przebieg stężenia w czasie, w którym uwalnianie dopaminy zostało wywołane pojedynczym impulsem (czerwona strzałka). Pojedyncza gwiazdka oznacza czynniki przyczyniające się do wzrostu stężenia, co wynika głównie z uwalniania dopaminy, choć wpływ mają również wychwyt i dyfuzja. Podwójna gwiazdka oznacza powrót sygnału szczytowego do linii bazowej, co wynika głównie z wychwytu, ale także z dyfuzji. Wstawka przedstawia odpowiadające im cykliczne woltamperogramy. (B) Reprezentatywne wykresy kolorystyczne z grzbietowej części CPu przedstawiają czas (oś x), potencjał przyłożony do mikroelektrody z włókna węglowego względem elektrody odniesienia Ag/AgCl (oś y) oraz prąd w pseudokolorach.

Rycina 2. Uwalnianie dopaminy wywołane pojedynczym impulsem stymulacji elektrycznej (oznaczonym czerwoną strzałką) w rdzeniu i otoczce NAc u myszy C57Bl/6J. (A i C) Krzywe zależności stężenia od czasu oraz odpowiadające im woltamperogramy cykliczne (wstawka) z rdzenia i otoczki NAc. (B i D) Zgodnie z wcześniejszym opisem, reprezentatywne wykresy kolorystyczne z rdzenia i otoczki NAc.

Rysunek 3. Reprezentatywne zapisy po potraktowaniu skrawka środkiem farmakologicznym przez 30 minut; we wszystkich przypadkach użyto pojedynczego impulsu w celu wywołania uwalniania dopaminy w CPu. (A) Zastosowanie agonisty receptora dopaminowego D2, kwinpirolu (zapis czerwony) w porównaniu z okresem przed traktowaniem (zapis czarny). (B) Perfuzja metamfetaminą (zapis fioletowy) w porównaniu z okresem przed traktowaniem (zapis czarny). (C) Zdolność czynnika neurotroficznego pochodzenia mózgowego do wpływania na dynamikę dopaminy (zapis niebieski) w porównaniu z okresem przed traktowaniem (zapis czarny).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedstawiony tutaj protokół demonstruje, jak przygotować i wykorzystać koronalne skrawki mózgu myszy do eksperymentów FSCV. Chociaż metoda ta jest specyficzna dla pozyskiwania i pomiaru dynamiki dopaminy, inne neuroprzekaźniki, takie jak adenozyna, nadtlenek wodoru, norepinefryna i serotonina, były monitorowane in vivo lub in vitro za pomocą FSCV 3, 8 - 11. FSCV można wykorzystać do monitorowania niektórych z tych innych neurochemikaliów poprzez proste modyfikacje kształtu fali przykładanej ...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Brak zadeklarowanych konfliktów interesów.
Finansowanie zapewnione przez National Institute on Alcohol Abuse and Alcoholism (NIAAA; AA-016967 oraz AA016967-01S1; TAM), fundusze startowe Wayne State University oraz program grantów badawczych Wayne State University Research Grant Program. Treść opracowania jest wyłączną odpowiedzialnością autorów i nie reprezentuje oficjalnych poglądów NIAAA ani National Institutes of Health.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Chlorek potasu | Fisher Scientific | 7447407 | |
| Chlorek sodu | EMD Milipory | 7647145 | |
| Chlorek magnezu | Fisher Scientific | 7791186 | |
| Chlorek wapnia | Fisher Scientific | 10035048 | |
| Wodorowęglan sodu | EMD Milipore | 144558 | |
| Fosforan sodu, Dwuzasadowy | EMD Milipore | 7558794 | |
| D-glukoza | Fisher Scientific | 50997 | |
| Kwas askorbinowy | Fisher Scientific | 50817 | |
| Sacharoza | Fisher Scientific | 57501 | |
| Włókno węglowe | Goodfellow | ||
| Kapilara szklana | A-M Systems | 602000 | |
| Srebrny drut | AM Systems | 787000 | |
| Wolframowa elektroda stymulująca | Tworzywa sztuczne Jeden | ||
| drut | |||
| Drut ołowiany | Squires Electronics, Cornelius, OR | ||
| Klej błyskawiczny Loctite 404 | Hankal Corp. | ||
| Żyletka | World Precision Instruments, Inc. | ||
| BD Igła do rdzenia kręgowego | BD Biosciences | REF 405234 | |
| Ostrze chirurgiczne | Feather Safety Razor Co, Ltd. | ||
| TH software | ESA Inc., Chelmsford, MA | ||
| Zanurzeniowa komora rejestracyjna | Custom Scientific | ||
| Neorolog stimulus isolator | Digitimer Sp. z o.o. | NL800A | |
| Automatyczny regulator temperatury | Warner Instruments | ||
| Microscope (SZX7) | Olympus Corporation | ||
| Mikroskop Fisher Scientific | |||
| System sekcyjny Vibratome 3000 | St. Louis , MO. | ||
| Pompa perfuzyjna | Watson-Marlow Pumps Group | H110708 | |
| Ściągacz do mikropipet | Narishige International | ||
| ChemClamp potencjostat | Dagan Corporations |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie
Digitimer Sp. z o.o.