Method Article

Оценка латерализации полушария с двусторонней локальной полевой потенциальной записью во вторичном моторном кортексе мышей

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

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

Мы представляем в vivo электрофизиологическую запись локального полевого потенциала (LFP) в двусторонней вторичной моторной коре (М2) мышей, которые могут быть применены для оценки боковой части полушария. Исследование выявило измененные уровни синхронизации между левым и правым M2 у мышей APP/PS1 по сравнению с управлением WT.

Abstract

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

Данная статья демонстрирует полную, детальную процедуру как для двусторонней регистрации и анализа локального полевого потенциала (LFP) в корковых областях мышей, которые полезны для оценки возможного дефицита боковости, а также для оценка связности мозга и связи деятельности нейронных сетей у грызунов. Патологические механизмы, лежащие в основе болезни Альцгеймера (Ад), распространенного нейродегенеративного заболевания, остаются в значительной степени неизвестными. Измененная латеральность мозга была продемонстрирована у стареющих людей, но является ли аномальная латерализация одним из ранних признаков АД, не определено. Чтобы исследовать это, мы записали двусторонние LFPs в 3-5-месячный модель aD мышей, APP / PS1, вместе с littermate дикого типа (WT) контроля. LFPs левой и правой вторичной моторной коры (M2), в частности, в гамма-диапазоне, были более синхронизированы в аппликации АПП/ПС1 мышей, чем в управления WT, что свидетельствует о снижение асимметрии полушария двусторонней M2 в этой модели мыши AD. Примечательно, что процессы записи и анализа данных являются гибкими и простыми в проведении, а также могут быть применены к другим путям мозга при проведении экспериментов, которые сосредоточены на нейронных цепей.

Introduction

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

Болезнь Альцгеймера (Ад) является наиболее распространенной формой деменции1,2. Внеклеточный бета-амилоидный белок (амилоидный белок, АЗ) осаждение и внутриклеточные нейрофибриллярные клубки (NFT) являются основными патологическими особенностями AD3,4,5, но механизмы, лежащие в основе АД патогенеза остаются в значительной степени неясными. Кора головного мозга, ключевая структура в познании и памяти, нарушается в6г. н.эр., и двигательные дефициты, такие как медленная ходьба, трудности навигации окружающей среды и походки нарушения происходят с возрастом7. Осаждение АЗ и нейрофибрилларные связки также наблюдались в премоторной коре (PMC) и дополнительной двигательной области (SMA) у пациентов AD8 и когнитивно влияет на пожилых людей9, что свидетельствует о причастности нарушения двигателя системы в ад патогенеза.

Мозг формируется двумя различными полушариями головного мозга, которые разделены продольной трещиной. Здоровый мозг проявляет как структурные, так и функциональные асимметрии10, которая называется "латерализация", что позволяет мозгу эффективно решать несколько задач и мероприятий. Старение приводит к ухудшению познания и передвижения, а также снижение боковости мозга11,12. Моторные способности левого полушария легко проявляются в здоровом мозге13, но в aD мозг аномальной боковости происходит как следствие отказа левого полушария доминирование, связанное с левой корковой атрофии14, 15,16. Таким образом, понимание возможного изменения боковой системы мозга в патогенеза АД и основных механизмов может дать новое представление о патогенезаАДЫ ад и привести к выявлению потенциальных биомаркеров для лечения.

Электрофизиологическое измерение является чувствительным и эффективным методом оценки изменений в нейрональной деятельности животных. Снижение асимметрии полушария у старейшин (HAROLD)17 было задокументировано электрофизиологическими исследованиями с синхронизированным межгемисферным временем передачи, которое показывает ослабление или отсутствие асимметрии полушария к нонауальному представлению речевые стимулы у пожилыхлюдей 18. Использование APP/PS1, одна из наиболее часто используемых моделей aD-мышей19,20,21,22, в сочетании с in vivo двусторонней внеклеточной записью LFPs как в левом, так и вправом M2, мы оценивалвозможный дефицит боковости в АД. Кроме того, с простыми параметрами, встроенная функция программного обеспечения для анализа данных (см. Таблица материалов) обеспечивает более быстрый и простой способ анализа синхронизации электрических сигналов, чем математически сложный язык программирования, который является дружественным для начинающих с in vivo электрофизиологии.

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

Protocol

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

Все животные были в паре-дом в стандартных условиях (12 ч свет / темный, постоянная температура окружающей среды, свободный доступ к пище и воде) в соответствии с китайским Министерством науки и техники Лаборатория животных Руководящие принципы и эксперименты были утверждены местным комитетом по этике Университета Гуанчжоу. Это процедура невыживания.

ПРИМЕЧАНИЕ: Для данных, показанных в репрезентативных результатах, для записи (B6C3-Tg (APPswe, PSEN1dE9) 85Dbo/J) были использованы двойные трансгенные мыши и управления дикого типа (WT) в возрасте 3-5 месяцев, для записи (п. 10, на группу).

1. Анестезия и хирургия животных

  1. Взвешивание и анестезии мыши по утвержденному режиму анестезии от вашего местного комитета по уходу за животными.
  2. Выполните хвост или нос щепотку с щипками, чтобы подтвердить глубокую анестезию до операции.
  3. Расположите мышь в стереотаксическом аппарате и зафиксите ее голову.
  4. Нанесите мазь на оба глаза, чтобы сохранить влажную. Следуйте вашим местным рекомендациям по уходу за животными в отношении предоперационной и послеоперационной обезболивающее.
  5. Бритье волос с помощью хирургических клиперов. Сделайте небольшой разрез (12-15 мм) в середине открытой хирургической области ножницами. Используя щипчьи, осторожно вытяните кожу головы от средней линии.
  6. Разделите кожу мягко и удалите остаточную ткань. Очистите череп с помощью ватных палоков с перекисью водорода.
  7. Просверлите два небольших отверстия радиуса 1,0-1,5 мм на левой и правой сторонах черепа, чтобы позволить вставлять микроэлектроды записи в области M2 под стереомикроскопом(рисунок 1А).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Стереотаксические места двустороннего M2: 1,94 мм передбре к брегме, 1,0 мм боковой к средней линии, и 0,8-1,1 мм брюшной к дюре.
  8. Удалите dura mater тщательно с вольфрамовой иглой.
  9. Вытяните стеклянные боросиликатные микропипеты (внешний диаметр: 1,0 мм) в качестве записывающих микроэлектродов с сопротивлением 1-2 МЗ.
  10. Вставьте два отдельных микроэлектрода записи заполнены 0,5 М NaCl в отверстия с помощью механических микроманипуляторов (на 60 ", Рисунок 1B).

2. LFP записи в двусторонних M2 мышей

  1. Нижняя левая и правая электроды стекла медленно в соответствующие координаты двусторонних M2(Рисунок 1C).
  2. Для контроля качества, проверить сопротивление каждого электрода с помощью дифференциального усилителя перед захватом LFPs.
  3. Установите процесс записи на 0,1 Гц высокого прохода и 1000 Гц низким проходом с 1000x усилением.
  4. Соберите оцифрованные необработанные данные LFP по крайней мере 60 с спонтанной деятельности в стабильном состоянии, с мышами дыхание равномерно на дыхательной скорости 2 вдоха в секунду под наркозом.
  5. После записи, медленно поднять электроды из мозга, а затем эвтаназии мышей быстрошей дислокации шейки матки.
  6. Сохранить данные и проанализировать в автономном режиме.

3. Перекрестный корреляционный анализ

  1. Нажмите Анализ - Волновая корреляция в программном обеспечении анализа и импорта данных.
  2. Настройки параметров
    1. Определите один сигнал канала волновой формы как первый канал, а другой как ссылка. Установите ширину как 2 и смещение как 1(Рисунок 2A).
    2. Установите продолжительность обоих LFPs на 100 с, выбрав время начала и время окончания. Нажмите кнопку Процесса для выполнения межкорреляционного анализа (рисунок2B).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Одновременные двусторонние сигналы с такой продолжительностью будут достаточно длинными, чтобы показать нейрональные спонтанные действия, тем самым раскрывая основные свойства синхронизации.
  3. Нажмите файл - Экспорт Как, а затем сохранить кросс-корреляции результаты, соответствующие в результате всплывающее диаграммы в формате .txt.
  4. Откройте файл .txt(рисунок 2C),удалите значения корреляции во время лагов в диапазоне 0 и 0,01 с (поскольку две непрерывные гамма-волны имеют интервал не менее 0,01 с), затем в среднем остальные данные по перекрестной корреляции в отрицательной части временного лага или в среднем остальные межкорреляционные данные в положительной части временного лага.

4. Анализ согласованности

  1. Импортируйте и запускате данные в программном обеспечении для анализа.
  2. Присвоите два сигнала LFP для того, чтобы они были первыми и вторыми волновыми каналами по отдельности. Затем установите значение размера блока(рисунок 3A).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Размер блока означает количество точек данных, используемых в FFT. Чем больше размер блока, тем лучше разрешение частоты. Здесь мы рекомендуем установить его как 4096.
  3. Перемещение пунктирных линий вручную, чтобы обеспечить точность времени для сигналов в обоих каналах устанавливаются как тот же период(рисунок 3B). Нажмите кнопку Добавить области, чтобы загрузить область и выполнить анализ согласованности.
  4. Нажмите файл - Сохранить Как сохранить результаты согласованности, соответствующие в результате всплывающее диаграммы в формате .txt (Рисунок 3B).

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

Results

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

Чтобы увидеть, ухудшает ли ранняя патология АД способность боковой полушария, мы провели двусторонние внеклеточные записи LFP в левой и правой M2 из системы управления APP/PS1 и WT (в возрасте 3-5 месяцев), и проанализировали перекрестную корреляцию этих левых и правые LFP. В WT мышей, результаты показали, что средняя корреляция между левыми и правыми LFPs в положительное время лаги значительно отличается от того, что в отрицательное время отстает, подразумевая существование полушария асимметрии в M2 областях Управления ...

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

Discussion

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

Мы сообщаем здесь о процедуре двусторонней внеклеточной записи in vivo, а также анализируем синхронизацию сигналов двойного региона LFP, которая является одновременно гибкой и легкой для проведения для оценки боковой системы полушария мозга, а также связь, направленность или связь между нейронной деятельности двух областей мозга. Это может быть широко использовано для выявления не только группово-нейронной деятельности, но и некоторых основных свойств межрегиональной электрофизиологии, особенно для лабораторий, ...

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

Disclosures

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

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgements

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

Эта работа была поддержана грантами Национального фонда естественных наук Китая (31771219, 31871170), Научно-технического отдела Гуандун (2013KJCX0054), и Фонда естественных наук провинции Гуандун (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 дифференциальный усилительA-M SystemsМодель 3000
Аналоговый цифровой преобразовательCambridge Electronic Design Ltd.Micro1401
Стеклянные боросиликатные микропипеткиНанкинская пружина обучающее экспериментальное оборудование компания161230Внешний диаметр: 1,0 мм
Съемник микроэлектродовNarishigePC-10
NaClГуанчжоу Фабрика химических реактивов7647-14-5
Держатель микроэлектродовWorld Precision Instruments, INC.
Spike2 Кембридж Эникс Дизайн Лтд.
СтереомикроскопZeiss435064-9020-000
Стереотаксический аппарат RWD Life Science68045
УретанSigma-Aldrich94300
MEH3SW10

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