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Neuroscience

脚橋核ニューロンにガンマバンド振動を記録

Published: September 14, 2016 doi: 10.3791/54685

Summary

脚橋核(PPN)は脳幹に位置し、そのニューロンが最大限に起床し、急速眼球運動(REM)睡眠脳の状態の間に活性化されています。この作品は、PPNニューロンのin vitroガンマバンドサブスレッショルド膜振動記録する実験的なアプローチについて説明します。

Abstract

(; CL / Pfの核例えば 、centrolateral / parafascicular)PPNからシナプス遠心性神経は、いくつかの髄板内視床領域の神経活動を調節することが知られています。 PPNまたはインビボでのCl / Pfの核のいずれかの活性化は、動物の覚醒および皮質脳波(EEG)ガンマ帯活性の増加を誘導することが記載されています。網様体賦活系(RAS)ニューロンにおけるガンマ帯の振動の発生のための細胞機構は、他の脳核ガンマ帯振動を発生することが判明したものと同じです。 (9からの矢状スライスから - 25日齢ラット)PPNニューロンの電流クランプ記録時には、正方形の手順を脱分極の使用が急速に-25 mVで越えて脱分極されることからPPNニューロンを防ぐ電位依存性カリウムチャネルを活性化しました。

1注入 - 長い現在のランプを脱分極2秒と、徐々にPPNの膜電位解像度を脱分極しましたティンは0 mVで向かっ値。しかし、注入脱分極方形パルスはランプによって生成される振動に比べて振幅が小さいことが示された膜電位のガンマ帯振動を発生します。全ての実験は、電位依存性ナトリウムチャネル及び速いシナプス受容体遮断薬の存在下で実施しました。高閾値電圧依存性カルシウムチャネルの活性化は、PPNニューロンにおけるガンマ帯振動活動の根底にあることが示されています。具体的な方法論的および薬理学的介入は、in vitroで PPNサブスレッショルドガンマ帯振動を誘発し、維持するために必要なツールを提供し、ここで説明されています。

Introduction

PPN核は解剖学的に尾側中脳被蓋に含まれています。 PPNは、RAS 1の主要コンポーネントです。 PPNは、行動活性化された状態( すなわち 、覚醒、レム睡眠)2のメンテナンスに参加しています。ラットにおける二国間PPN病変が減少またはレム睡眠4を排除しながら、皮質脳波3に- (40 Hzの20)in vivoでの PPNの電気刺激は、高速発振を誘発しました。 PPNニューロンの大部分はベータ/ガンマ帯域周波数での活動電位発火しながら(20から80 Hz)を、いくつかのニューロンが自然発火の低金利を提示した(<10 Hz)で5。また、PPNは、そのような動機と注意6のような行動の他の側面に関与しているようです。直接高周波(40から60 Hz)で、除脳動物でのPPN核の7電気刺激は、運動を促進することができます。近年、脳深部刺激(DBS)は、PPNのあちこちに罹患している患者を治療するために使用されていますパーキンソン病(PD)8と歩行障害を伴うM障害。

以前の報告は、方形波電流パルス9を使用して脱分極時にほぼすべてのPPNニューロンは、ガンマ帯域周波数での活動電位を発射することができることを実証しました。そのためmVのまでまたは-25下の矩形パルス脱分極時の電位依存性カリウムチャネルの急激な活性化。その結果、何の堅牢なガンマ振動はテトロドトキシン10を使用して、活動電位の生成を阻止した後に観察されませんでした。このような問題を回避するための努力では、1 - 長い現在のランプを脱分極2秒を使用しました。部分的に電位依存性カリウムチャネルを不活性化しながら、ランプは徐々に、0 mVの最大値を休んでから、膜電位を脱分極しました。透明なガンマ帯膜振動が10(-25 mVのと-0 mVの間、 すなわち、)高閾値カルシウムチャネルの電圧依存性ウィンドウ内に明らかでした。結論として、ガンマバンドactivityがPPNニューロン9において観察され、両方のPは/ Q-とN型電位依存性カルシウムチャネルは、PPN 10ガンマ帯の振動を生成するために活性化される必要があります。

一連の研究は、PPNニューロンにおける高閾値カルシウムチャネルの位置を決定しました。染料の組合せを注入し、 レシオメトリック蛍光イメージングは、現在のランプ11を使用して脱分極時に別の樹状突起で活性化された電位依存性カルシウムチャネルを介してカルシウム過渡応答を示しました。

PPNニューロンの固有の特性は、このようにRASと視床皮質ループ間に高周波振動神経活動を誘導し、覚醒およびレム睡眠中に、これらの細胞の同時活性化を可能にするために提案されています。このような長期に及ぶ相互作用を確実に継続的12上で私たちの周りの世界を評価することのできる脳の状態をサポートするために考えられています。ここでは、実験を記述する必要アル条件が生成し、in vitroで PPN細胞におけるガンマ帯発振を維持します。このプロトコルは、以前に記載されておらず、他の脳領域でガンマバンド活性を媒介する固有の膜特性を研究するグループの数を助けます。また、現在のステップは、ガンマバンド活動がこれらの細胞内で生成することができないという誤った結論につながる可能性があります。

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Protocol

全ての実験プロトコルは、アーカンソー医科大学の施設内動物管理使用委員会(プロトコル番号#3593)によって承認され、実験動物の管理と使用のための国立衛生研究所のガイドラインと一致したしました。

標準人工脳脊髄液(aCSFの)の調製

  1. 原液Aの調製
    1. 化学物質を添加する前に、きれいな1リットルのビーカーに蒸留水700ミリリットルを追加します。
    2. 連続して500ミリリットルの容量を攪拌しながら、塩化ナトリウムの136.75グラム、塩化カリウムの6.99グラム、 硫酸マグネシウムの2.89グラム、およびのNaH 2 PO 4の2.83グラムを追加します。
    3. 希釈した後、1リットルの最終体積に到達するより多くの蒸留水を追加し、各化合物の最終濃度は、117 mMの塩化ナトリウム、4.69ミリモルのKCl、1.2mMのMgSO 4を、および1.18ミリモルのNaH 2 PO 4です。
    4. 2週間まで4℃で冷蔵して保管する。
  2. ストック溶液Bの調製
    1. 化学物質を追加する前にクリーン1Lビーカーに蒸留水700ミリリットルを追加します。
    2. 連続して500ミリリットルの容量を攪拌しながら、D-グルコースおよびNaHCO 3の41.84グラムの41.45グラムを追加します。
    3. 希釈した後、1リットルの最終体積に到達するために多くの蒸留水を追加し、各化合物の最終濃度は11.5 mMのD-グルコース、および24.9 mMの炭酸水素ナトリウムです。
    4. 2週間まで4℃で冷蔵して保管する。
    5. 50ミリリットルストックBと株式Aの各実験ミックス50ミリリットルの前に、最終濃度aCSFの溶液を得、継続的にカルボゲンでそれを酸素化しながら、室温で残すように蒸留水で1 Lにもたらす(95%O 2から5パーセント CO 2ミックス)少なくとも30分間。のみ各実験の開始時に最終濃度aCSFのを準備し、一日の終わりに捨てます。

スクロース、人工脳脊髄液の調製(スクロース-aCSFの)

  1. ストック溶液 C の調製
    1. 化学物質を添加する前に、きれいな1リットルのビーカーに蒸留水700ミリリットルを追加します。
    2. 連続蒸留水500mlを攪拌しながら、ショ糖の240グラム、 炭酸水素ナトリウムの6.55グラム、塩化カリウムの0.671グラム、MgCl 2を4.88グラム、 塩化カルシウムの0.22グラムとアスコルビン酸の0.21グラムを追加します。
    3. 希釈した後、1リットルの最終体積に到達するより多くの蒸留水を追加し、各化合物の最終濃度は701.1 mMのスクロースであり、78ミリモルのNaHCO 3、9ミリモルのKCl、24ミリモルのMgCl 2、1.5mMのCaCl 2を1.2 mMのアスコルビン酸。
    4. 1週間まで4℃でストック溶液Cを保管してください。
    5. 各実験ミックス前に連続的にカルボゲン(95%O 2 - 5%CO 2混合物)を用いてそれを酸素化しながら、最終濃度スクロースaCSFの溶液を得、室温で残すように蒸留水600mlでストックCを50mlを300ml少なくとも30分間。

    3.スライスの準備

    1. カルボゲンでそれを酸素化しながら、氷で100ミリリットルスクロースaCSFの溶液できれいなビーカーを置き、0.1 M NaOH溶液数滴を加えながらpHメーターを用いて7.4にpH値を固定する(ときのpH <7.4)または0.1 M HCl溶液( pHが> 7.4)。
    2. ショ糖aCSFのでビブラトームのカッティング室を埋めると、それに酸素。カッティングチャンバに結合されたグリセロールベースの​​冷凍システムの電源をオンにし、それが0に冷却できるようにするために15分を待つ - 4°C。
    3. (; <50μlの最終容量を使用して、70 mgの/ kg、 腹腔内)ケタミンと(大人時限妊娠Sprague-Dawleyラットから12に9歳)仔ラットを麻酔。テールピンチ反射が存在しないことを子犬が穏やかで、ダブルチェック。
    4. 子犬を首を切ります。
      1. 炭素鋼メスの刃を使用して、前から後ろに縦方向に頭部の皮をカットし、鉗子を使用して、側面に皮膚を引っ張ります。皮下に移動脳を覆っている骨をカット横方向にissorsと完全に脳を露出するために、それを削除します。
      2. その後、急速に(最初は静かに最も尾側の領域に向かって最も吻側から脳を押し出すために、嗅球下に置かれた)スパチュラを用いて脳を削除します。静かに氷冷した酸素スクロース人工脳脊髄液(ショ糖aCSFの)に脳を押してください。
    5. (半球の約3分の1を除去すること)右半球上の矢状カットを行い、磁気含む矢状400μmのセクションをカットするvibroslicerの切断室に固定される金属製のディスクに脳のトリミングされた側を接着脚橋核(PPN)。全細胞パッチクランプ記録に先立って室温で45分間PPNスライスにしてください。

    PPNスライス4.録音ガンマ帯振動

    1. カリウム、グルコン酸細胞内液の調製(高K +溶液)
      1. 挟み込みます氷10ミリリットルの蒸留水できれいなビーカー。連続して撹拌しながら追加:K + -gluconate、90.68 mgのクレアチンリン酸ジトリス塩、47.66ミリグラムのHEPES、1.5ミリグラムのEGTA、40.58ミリグラムのMg 2+ -ATP、および4 mgののNa + 2 -GTPを。
      2. KOH(蒸留水中の100mM)でpHを7.3に調整します。 20 mLの最終体積に達するように蒸留水を加えます。 290 mOsmで - 必要な場合は、280であることが、スクロース(蒸留水中の100mM)との浸透圧を調整します。希釈した後、各化合物の最終濃度は、124 mMのK + -gluconate、10mMのクレアチンリン酸ジトリス塩、10mMのHEPES、0.2mMのEGTA、4mMののMg 2+ -ATP、および0.3mMのナトリウム+ 2 -GTPあります。
      3. 一定分量の細胞内液1ミリリットル試験管内および-20℃で凍結します。一日あたりの1つのアリコートを使用し、実験中に4℃で維持。
    2. 全細胞パッチクランプ記録
      1. 浸漬室にスライスを配置し、酸素とのそれら(1.5ミリリットル/分)を灌流(95%O 2 - CO 2 5%)以下の受容体アンタゴニストを含有するaCSFの:選択的NMDA受容体アンタゴニスト2-アミノ-5-ホスホノ吉草酸(APV、40μM)を、競合的AMPA /カイニン酸グルタミン酸受容体アンタゴニスト、6-シアノ-7- nitroquinoxaline -2,3-ジオン(CNQX、10μM)、グリシン受容体アンタゴニストストリキニーネ(STR、10μM)、特定のGABA受容体アンタゴニストgabazine(GBZ、10μM)、およびナトリウムチャネルブロッカーテトロドトキシン(TTX、3μM)
        注:結果と図では、これらのアンタゴニストをまとめてシナプスのブロッカーまたはSBSと呼ばれています。
      2. 市販のパッチピペットフィラーを使用して、細胞内の高K +溶液で、(1.0ミリメートル外径0.6ミリメートル、内径の定期的な、市販の肉厚ホウケイ酸ガラスキャピラリーから作られた抵抗2-7MΩ)記録パッチピペットを埋めますソリューションフィルター。そのアンプのホルダーにピペットを挿入します。小さなPOSを適用します三方弁に接続されたシリコンチューブを用いたピペットホルダーに接続された1mlシリンジを用いitive圧力。パッチクランプアンプにピペットホルダーの背面に接続します。
      3. 近赤外微分干渉コントラスト光学系に合わせた4Xの対物レンズを使用してPPN核の近くに機械的なマイクロマニピュレーターを用いた記録ピペットを移動します。
        注:(;軸索の厚い束として観察可能なSCP)PPN核は、上小脳脚にスライスの背側で観察することができます。記録ピペットは、PPN内に配置された直後に花柄の後端に背側に配置されて緻密に扁平部
      4. 40X水浸レンズを用いて可視化しながら、PPNニューロンと接触して記録ピペットを持参し、急速に細胞とのシールを形成するために、負の吸引を適用します。
      5. 製造業者のプロトコルを使用して負の吸引時にピペット抵抗を監視するために電圧クランプシールソフトウェアを使用してください。
        1. ときに負のuctionが徐々に増加し、ピペットの先端のパッチクランプモニタによって読み出した抵抗値が80に達する - 急速mVの-50負圧を解放する保持電位を変更する、100オームです。ニューロンの膜を破裂し、電気的アクセスが全細胞構成で達成されるまで負の吸引を適用する継続的に起動します。
        2. 電圧クランプシールソフトウェアによって測定さアクセス抵抗値が10オーム以上であれば、少量で負の吸引を適用し続けます。
      6. 静電容量を補償する電圧クランプモードおよび直列抵抗( すなわち 、低速および高速過渡現象は、細胞の膜を破壊した後に観察されました)。ブリッジ値を補償急速に電流クランプに録音モードを切り替えて、( 例えば 、アンプのつまみを移動したり、computer'sマウスを使用して自動補正]メニューをクリックしてください)。
        1. 連続uと記録されているPPNニューロンの静止膜電位監視製造業者のプロトコルを歌います。脱分極または過分極の値に向かって膜電位のシフトを休んであれば、最適な-50 mVの最終値を維持するために直流電流(最大100 PA)の少量を使用します。
          注:-48 mVでの安定した静止膜電位(RMP)以上の過分極( すなわち 、RMP <-48 mVの)でのみPPNニューロンを保管してください。

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Representative Results

最初は、ガンマ振動は方形波電流パルスを用いて誘発されました。シナプスのブロッカーとTTXの存在下でPPNニューロンの電流クランプ記録を連続静止膜電位は〜-50 mVの( 図1A)で安定に保持したことを保証するために監視しました。二つの第二の長い方形電流パルスは200 PAから600 PA( 図1A)への振幅を増加させる、記録ピペットを介して、パッチクランプ増幅器によって細胞内に注入しました。膜電位を-20 mVのに近い電圧レベルまで脱分極したときに600 PA、小振幅γ振動が生じます。 γ振動のパワースペクトルは、非常に小さい振幅値を示した( すなわち 、<0.01; 図1B)。一方、二つの第二脱分極電流ランプは、堅牢なガンマ振動を生成する、記録ピペットを介して、パッチクランプ増幅器によって細胞内に注入しました。非常に高い電力の振幅を示した(図2A)( 図2B)。

前の作品10は、正方形間の違いをリンクされ、元の突然の脱分極時の電位依存性カリウムチャネルの文字列の活性化に現在のプロトコルをランプました。遅い脱分極ランプの代わりにカリウムチャネルを不活性化する可能性があります。

図1
全細胞中の図1の膜振動が増加する振幅の現在の矩形パルスを用いて、PPNニューロンを記録しました。シナプスのブロッカーとTTXの存在下で、記録ピペットを介してパッチクランプアンプによって細胞内に注入された増加する振幅の2秒長い正方形の手順を脱分極する(A)代表膜電位応答。(B)重複脱分極工程によって生成された60Hzのバンドパスフィルタの振動 - A.パワースペクトルに示される矩形パルスを用いて得られた振動用のパワースペクトルの振幅が20後にハミング窓関数を用いて得ました。 PPNニューロンは、高K +細胞内液とTTXは、議定書に記載シナプスブロッカー+を組み合わせた電流クランプ構成で記録した。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図2
全細胞中の図2.ガンマバンド膜振動がの補強振幅の電流がランプを使用して、PPNニューロンを記録しました。細胞内記録ピペットを介してパッチクランプアンプによって注入2秒長いランプを脱分極する(A)代表膜電位応答、ショー60Hzのバンドパスフィルタの振動脱分極ランプによって生成される- 20は後シナプスのブロッカーおよびTTXの存在下での振幅を大きくる(B)A.パワースペクトルに示すランプを用いて得られた振動のためのパワースペクトルの振幅を重複するハミング窓関数を用いて得られました。 PPNニューロンは、高K +細胞内液とTTXは、議定書に記載シナプスブロッカー+を組み合わせた電流クランプ構成で記録した。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

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Discussion

PPNニューロンは、彼らが目を覚ましやレム睡眠時ではなく、徐波睡眠2,3,5,13-17中にある動物からのin vivoでの録音中にベータ/ガンマ帯域周波数での活動電位を発射することを可能にする固有の特性を持っています。他の著者は、PPNよりも前方のレベルで脳幹離断は、EEG記録時の​​ガンマ周波数を低下させることが示されたています。しかし、脳幹病変は、この核が配置されている場所に後方とき、PPNの直接刺激は、EEG 2,3,5,18-21に皮質のガンマ活性発現を可能にしました。 24を locomotingときガンマバンド神経活動は、霊長類でPPN領域に、 生体内 3 猫に、(PPNが23を投影た)ラットREM睡眠誘導領域に、マウスPPN インビトロ 22で報告されており、 25ステッピング中のヒトでのPPNの地域インチつまり、ガンマバンド活動の私のための十分な証拠がありますnは種を超えPPN。

ここに詳述この実験プロトコルは、すべてのラットPPN細胞型10に存在するγ振動の記述を可能にしました。実際に(PPNの周りの細胞がそのプロパティを共有していない間)、ガンマ振動の根底にある本質的なメカニズムは、すべてのPPNニューロンに存在するように説明したが、関係なく、以前の中古の分類やシナプス伝達物質の種類の:タイプI、II、またはIII、または送信タイプ、コリン作動性、グルタミン酸やGABA作動性は、プロパティ10を生成する同じガンマ帯域を共有します。現在のランプの使用は、実験を通して静止膜電位の連続的な監視、及び永久ブリッジ補償を必要とする制限があります。ランプ持続時間5秒以上が実験中に補償されないままである膜抵抗の変化をもたらしながら、いくつかの場合において、1秒よりも短いランプはなく完全に電位依存性カルシウムチャネルを活性化が観察されました。ケースでは、nランプ期間中のOガンマ振動が観測された、小さな調整はガンマ帯振動振幅を高めることができます。

我々はPPN細胞(〜50%)のN-およびP / Q型を遮断する重要な割合でいることを説明した特定の毒素を備えた電流ランプを脱分極組み合わせるチャンネルのカルシウムチャネルが減少ガンマ振動(ω-CgTxとω-アガの両方を使用して)私たちはP / Q-及びN型細胞として分類することを可能にする振幅。他の細胞(20%)においては、ガンマ振動はこれらの細胞のみがP / Q型チャネルを発現したことを示唆し、ω-アガによって影響を受けました。細胞(30%)の残りの部分にのみω-CgTxこれらPPNニューロンのみがN型チャネルを有し示唆する、それらをブロックしました。これらの結果は、異なる電位依存性カルシウムチャネル26,27の発現を介してガンマ帯振動を発揮PPNにおける細胞の存在を確認しました。この新しいプロトコルは、新しいPPNセル標準の導入を可能にした重要なツールと考えることができますフィールドに電子分類。実際には、それだけ覚醒時N型のみPPNニューロンがREM睡眠(「REMオン」)、P / Q型中にのみ発射することが示唆されている(「ウェイク・オン」)、またはN型+ P / Q型覚醒とREM睡眠(「ウェイク/ REMオン」)26,27の両方の間。さらに、このプロトコルは、他の脳領域での振動活動を記述するために、それらをトリガする固有の特性を実証するために、将来の実験で使用されるかもしれません。

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
Sucrose Sigma-Aldrich S8501 C12H22O11, molecular weight = 342.30
Sodium Bicarbonate Sigma-Aldrich S6014 NaHCO3, molecular weight = 84.01
Potassium Chloride Sigma-Aldrich P3911 KCl, molecular weight = 74.55
Magnesium Chloride Hexahydrate Sigma-Aldrich M9272 MgCl2 · 6H2O, molecular weight =  203.30
Calcium Chloride Dihydrate Sigma-Aldrich C3881 CaCl2 · 2H2O, molecular weight =147.02
D-(+)-Glucose Sigma-Aldrich G5767 C6H12O6, molecular weight = 180.16
L-Ascorbic Acid Sigma-Aldrich A5960 C6H8O6, molecular weight =176.12
Sodium Chloride Acros Organics 327300025 NaCl, molecular weight =  58.44
Potassium Gluconate Sigma-Aldrich G4500 C6H11KO7, molecular weight =  234.25
Phosphocreatine di(tris) salt Sigma-Aldrich P1937 C4H10N3O5P · 2C4H11NO3, molecular weight =  453.38
HEPES Sigma-Aldrich H3375 C8H18N2O4S, molecular weight = 238.30
EGTA Sigma-Aldrich E0396 [-CH2OCH2CH2N(CH2CO2H)2]2, molecular weight = 380.40
Adenosine 5'-triphosphate magnesium salt Sigma-Aldrich A9187  C10H16N5O13P3 · xMg2+, molecular weight = 507.18
Guanosine 5'-triphosphate sodium salt hydrate Sigma-Aldrich G8877 C10H16N5O14P3 · xNa+, molecular weight = 523.18
Tetrodotoxin citrate Alomone Labs T-550 C11H17N3O8, molecular weight = 319.27
 DL-2-Amino-5-Phosphonovaleric Acid Sigma-Aldrich A5282  C5H12NO5P, molecular weight = 197.13
CNQX disodium salt hydrate  Sigma-Aldrich C239 C9H2N4Na2O4 · xH2O, molecular weight = 276.12
Strychnine Sigma-Aldrich S0532 C21H22N2O2, molecular weight = 334.41
Mecamylamine hydrochloride Sigma-Aldrich M9020  C11H21N · HCl, molecular weight = 203.75
Gabazine (SR-95531) Sigma-Aldrich S106 C15H18BrN3O3, molecular weight = 368.23
Ketamine hydrochloride Mylan 67457-001-00
Microscope Nikon Eclipse E600FN
Micromanipulator Sutter Instruments ROE-200
Micromanipulator Sutter Instruments MPC-200
Amplifier Molecular Devices Multiclamp 700B
A/D converter Molecular Devices Digidata 1440A
Heater Warner Instruments TC-324B
Pump Cole-Parmer Masterflex L/S 7519-20
Pump cartridge Cole-Parmer Masterflex 7519-85
Pipette puller Sutter Instruments P-97
Camera Q-Imaging RET-200R-F-M-12-C
Vibratome Leica Biosystems  Leica VT1200 S
Refrigeration system Vibratome Instruments 900R
Equipment
microscope Nikon Eclipse E600FN
micromanipulator Sutter Instruments ROE-200
micromanipulator Sutter Instruments MPC-200
amplifier Molecular Devices Multiclamp 700B
A/D converter Molecular Devices Digidata 1440A
heater Warner Instruments TC-324B
pump Cole-Parmer Masterflex L/S 7519-20
pump cartridge Cole-Parmer Masterflex 7519-85
pipette puller Sutter Instruments P-97
camera Q-Imaging RET-200R-F-M-12-C

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References

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神経科学、問題115、覚醒、カルシウム
脚橋核ニューロンにガンマバンド振動を記録
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Urbano, F. J., Luster, B. R.,More

Urbano, F. J., Luster, B. R., D'Onofrio, S., Mahaffey, S., Garcia-Rill, E. Recording Gamma Band Oscillations in Pedunculopontine Nucleus Neurons. J. Vis. Exp. (115), e54685, doi:10.3791/54685 (2016).

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