Zrozumienie przewodnictwa lub propagacji sygnałów neuronowych jest kluczowe dla określenia mechanizmu komunikacji neuronalnej zarówno w normalnym funkcjonowaniu, jak i w stanach patologicznych w mózgu 1-3. Hipokamp jest jedną z najszerzej badanych struktur w mózgu, ponieważ odgrywa fundamentalną rolę w kilku funkcjach mózgu, takich jak pamięć i śledzenie przestrzenne, a także bierze udział w kilku patologicznych zmianach, które dramatycznie wpływają również na zachowanie 1,6 . Chociaż hipokamp wykazuje złożoną organizację, różne elementy jego struktury można łatwo zidentyfikować i uzyskać do nich dostęp w przygotowaniu plastrów4-6. Wiadomo, że w kierunku poprzecznym hipokampa aktywność neuronalna rozprzestrzenia się przez szlak trisynaptyczny, który obejmuje zakręt zębaty (DG), CA3, CA1 i subiculum 4,5. Uważa się, że transmisja synaptyczna i przewodnictwo aksonalne odgrywają główną rolę w komunikacji w tym obwodzie poprzecznym 4,6. Jednak propagacja sygnału neuronalnego odbywa się zarówno w kierunku poprzecznym, jak i podłużnym 4,6. Oznacza to, że hipokamp nie może być w pełni zbadany za pomocą preparatów warstwowych, które ograniczają obserwację do określonego kierunku propagacji 4. Wycinek podłużny został opracowany w celu zbadania ścieżek aksonalnych wzdłuż osi podłużnej 5. Naukowcy zaobserwowali specyficzne dla zachowania oscylacje gamma i theta, głównie wzdłuż osi poprzecznej i podłużnej6. Zachowania te były badane oddzielnie, jednak jednoczesny dostęp do obu kierunków jest kluczowy dla zrozumienia tych zachowań. Nawet przy rozwoju nienaruszonego preparatu hipokampa trudno jest monitorować rozmnażanie się w całej tkance ze względu na pofałdowaną strukturę hipokampa 4. Rozłożysty hipokamp zapewnia dostęp do upakowanych neuronów w postaci płaskiej dwuwymiarowej warstwy komórkowej 7,8.
Rozwijając zakręt zębaty (DG) (Rysunek 1), hipokamp przyjmuje spłaszczony kształt z prostokątną konfiguracją, w której zarówno poprzeczne, jak i podłużne połączenia pozostają nienaruszone, a piramidalna warstwa komórkowa ułożona w dwuwymiarowy arkusz zawierający zarówno CA3, jak i CA1, pozostawiając płaski kawałek tkanki nerwowej, który może być użyty do zbadania propagacji neuronalnej (Rysunek 2) 8. Aktywność neuronalna może być następnie monitorowana za pomocą indywidualnych szklanych pipet, układów mikroelektrod, elektrod stymulujących, a także barwników wrażliwych na napięcie (VSD) 3,7,8. Ponadto genetycznie kodowany wskaźnik napięcia od myszy transgenicznych może być używany do śledzenia wzorca propagacji 9.
Płaska konfiguracja rozwiniętej sieci hipokampa dobrze nadaje się do zapisu metodą optyczną, ale także do układu mikroelektrod. Większość dostępnych na rynku macierzy jest wytwarzana z płaskich lub niskoprofilowych elektrod i może rejestrować aktywność neuronalną zarówno w wycinkach tkanki, jak i hodowanych neuronach 10-12. Jednak stosunek sygnału do szumu (SNR) zmniejsza się, gdy sygnały są uzyskiwane z nienaruszonej tkanki, ponieważ soma neuronów znajduje się głębiej w tkance. Do poprawy SNR wymagane są układy elektrod mikroelektrodowych o wysokim współczynniku kształtu.
W tym celu w naszym laboratorium opracowano penetrujący układ mikroelektrod (PMEA), który umożliwia bezpośrednie sondowanie tkanki poprzez wprowadzenie 64 kolców o średnicy 20 μm i wysokości 200 μm do rozłożonego hipokampa 7,13. Ten układ mikroelektrod ma wyższy stosunek sygnału do szumu w porównaniu z obrazowaniem barwnika wrażliwym na napięcie, a stosunek sygnału do szumu pozostaje stabilny podczas eksperymentu 7,13. Połączenie rozłożonego preparatu hipokampa i PMEA zapewnia nowy sposób badania propagacji neuronalnej w płaszczyźnie dwuwymiarowej. Eksperymenty z wykorzystaniem tej techniki przyniosły już znaczące wyniki dotyczące mechanizmów propagacji sygnałów nerwowych w hipokampie, dzięki którym aktywność neuronalna może rozprzestrzeniać się niezależnie od synaps lub synaps elektrycznych 7.