Острая одноединичная многоэлектродная запись из ствола мозга мышей с фиксированной головой
11 октября 2024 г.
Этот протокол описывает метод получения in vivo однонейронных записей высокой плотности из ствола мозга мышей с фиксированной головой. Этот подход используется для измерения потенциала активации нейронов в вентролатеральном периакведукальном сером состоянии - области ствола мозга, неактивной во время быстрого сна (REM) - до и во время общей анестезии.
Наша лаборатория исследует влияние широко используемых анестетиков на нейроны, связанные со сном, и их коммуникационные пути. Мы стремимся лучше понять, как анестетики влияют на эндогенные пути сна и влияют на периоперационный сон и когнитивные функции. Недавно мы определили анатомические субстраты для некоторых изменений сна, вызванных определенными типами общих анестетиков.
Мы сделали это, используя генетически модифицированных мышей, у которых существует эндогенная экспрессия c-Fos, маркера активации нейронов. Однако, используя эту новую технику, мы сможем напрямую измерить возбудимость клеток в группах нейронов в стволе мозга, которые связаны со сном. Это является серьезным преимуществом по сравнению с простой количественной оценкой экспрессии c-Fos в качестве суррогатного маркера активации нейронов.
Нашим следующим шагом будет изучение клеточных и молекулярных механизмов, лежащих в основе изменений сна, вызванных определенными типами общих анестетиков. Это повлечет за собой измерение клеточной возбудимости нейронов ствола мозга, связанных со сном, с использованием нейропиксельных зондов, а также использование пространственных транскриптомных подходов для количественной оценки и картирования экспрессии генов, связанных со сном в этих областях.
Обзор
В данном исследовании представлен протокол получения высокоплотных регистрий активности отдельных нейронов in vivo из ствола мозга мышей с фиксированной головой. Эта методология используется для оценки частоты генерации потенциалов действия нейронами в вентролатеральной части периакведукта серого, в частности, в условиях общей анестезии и при изучении ее влияния на активность нейронов, связанных со сном.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейронауки
- Электрофизиология
- Исследования сна
Теоретические сведения
- Исследует влияние анестетиков на нейронную активность.
- Фокусируется на нейронах, связанных со сном, и путях их взаимодействия.
- Использует генетически модифицированных мышей, экспрессирующих C-fos в качестве маркера активации.
- Стремится к прямому измерению клеточной возбудимости в нейронах, связанных со сном.
Цель исследования
- Изучить влияние анестетиков на эндогенные пути регуляции сна.
- Исследовать клеточные и молекулярные механизмы изменений сна, вызванных анестезией.
- Совершенствовать методики измерения возбудимости нейронов во время сна и анестезии.
Используемые методы
- Используются кремниевые зонды высокой плотности для электрофизиологической регистрации.
- Применяются модели мышей с фиксацией головы для точного воздействия на ствол мозга.
- Мультиомиксный анализ не упоминается.
- Включает детальные хирургические процедуры, в том числе краниотомию и введение зонда.
- Регистрируется активность нейронов до и во время введения анестетика севофлурана.
Основные результаты
- В исследовании было выявлено значительное снижение частоты разрядов нейронов vlPAG во время анестезии севофлураном.
- Прямое измерение клеточной возбудимости дает более глубокое понимание процессов, чем только анализ экспрессии C-fos.
- Полученные данные подтверждают гипотезу о том, что анестетики модулируют нейрональную активность, связанную со сном.
- Результаты демонстрируют стабильное снижение возбудимости всех исследованных нейронов vlPAG.
Выводы
- Данный метод позволяет напрямую исследовать возбудимость нейронов во время анестезии.
- Углубление понимания механизмов, регулирующих сон и эффекты анестезии.
- Значение для будущих исследований нейронных взаимодействий в условиях применения анестетиков.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Регистрация активности отдельных нейронов с высокой плотностью в глубоких областях ствола мозга у мышей с фиксированной головой позволяет проводить прямую количественную оценку возбудимости нейронов, имеющую значение для механизмов сна и анестезии. Данный подход повышает прогностическую достоверность при валидации мишеней для поиска нейроактивных соединений, особенно в случаях, когда задействованы глубокие структуры мозга. Надежный доступ к вентролатеральной части периакведукта серого вещества (vlPAG) обеспечивает трансляционную преемственность от изучения механизмов до разработки доклинических моделей в рамках разработки лекарственных препаратов для ЦНС.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Позволяет напрямую измерять возбудимость нейронов в ядрах ствола мозга, связанных со сном и анестезией.
- Обеспечивает механистическую оценку рисков путем количественного определения изменений потенциала действия в ответ на воздействие анестетиков.
- Способствует функциональной валидации мишеней, выходящей за рамки суррогатных маркеров, таких как экспрессия C-fos.
- Облегчает проверку гипотез при исследовании нейронных путей, лежащих в основе модуляции сна.
Скрининг и разработка метода анализа
- Обеспечивает валидированные электрофизиологические показатели для последующего скрининга соединений.
- Предоставляет воспроизводимые количественные данные для стандартизации анализов в исследованиях ЦНС.
- Позволяет подготавливать релевантные моделям заболеваний системы для оценки нейроактивных агентов.
- Обеспечивает масштабируемость и возможность повторного использования платформы для исследований по многорегиональной записи нейронной активности.
Трансляционные и доклинические исследования
- Согласует доклинические модели с релевантными для заболевания нейронными цепями, участвующими в процессах сна и анестезии.
- Обеспечивает непрерывный переход от механизмов исследований на этапе открытия к доклинической оценке эффективности.
- Поддерживает принятие решений о продвижении проекта с учетом рисков, предоставляя надежные количественные нейронные данные.
- Способствует разработке трансляционных биомаркеров посредством прямого измерения нейронной активности.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данный метод встраивается в континуум от поиска мишеней до доклинических исследований, обеспечивая возможность прямого измерения нейронной активности в глубоких областях мозга, что способствует как валидации мишеней, так и трансляционным исследованиям в области разработки препаратов для лечения заболеваний ЦНС.
- Биологические исследования: Обеспечивают количественную проверку гипотез о роли нейронных путей в процессах сна и анестезии.
- Скрининг: Позволяет получать воспроизводимые электрофизиологические показатели для оценки соединений в валидированных цепях ствола мозга.
- Аналитика: Позволяет генерировать данные о потенциалах действия с высоким разрешением для статистического сравнения различных экспериментальных условий.
- Трансляционные исследования: Связывают механистические открытия с доклиническими моделями путем воздействия на ядра ствола мозга, имеющие значение при соответствующих заболеваниях.
- Корпоративное использование: Предлагает многократно используемую платформу для многорегиональной регистрации нейронной активности в различных программах исследований ЦНС.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает точность прогнозов и снижает механистическую неопределенность при валидации мишеней в ЦНС.
- Операционная ценность: Стандартизирует процедуры регистрации активности глубоких структур мозга для обеспечения воспроизводимости и масштабируемости.
- Стратегическая ценность: Оптимизирует принятие решений о продолжении или прекращении разработки (go/no-go) и эффективность использования капитала за счет получения надежных нейронных данных на ранних этапах разработки.
- Влияние на портфель: Обеспечивает приоритизацию программ по ЦНС с учетом рисков на основе прямых измерений нейронной активности.
Особенности реализации
- Требуется опыт проведения стереотаксических операций и методов электрофизиологической регистрации.
- Необходимо специализированное оборудование, включая кремниевые зонды и системы регистрации высокого разрешения.
- Требуется строгая стандартизация хирургических и аналитических протоколов между исследовательскими группами.
- Адаптация для различных модельных систем может потребовать перекалибровки координат и углов введения.
- Потенциальные ограничения включают сложность хирургического вмешательства и вариабельность ответа на анестезию у различных популяций нейронов.
