新生児げっ歯類から単離された脳幹・脊髄調製物の電気生理学は、ニューラルネットワーク呼吸器の出力の記録を可能にします

Neuroscience

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Rousseau, J. P., Caravagna, C. Electrophysiology on Isolated Brainstem-spinal Cord Preparations from Newborn Rodents Allows Neural Respiratory Network Output Recording. J. Vis. Exp. (105), e53071, doi:10.3791/53071 (2015).

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Abstract

Introduction

呼吸は、二原子酸素(O 2)取り込みおよび二酸化炭素(CO 2)の除去を可能にする、脳によって制御される、複雑で重要な活動です。中央呼吸ドライブは、両方の哺乳類1、両生類2、爬虫類3、4と魚5に脳幹に位置する複雑なネットワークによって生成されます。呼吸の研究は、生体内で処理することができたとしても、正確なメカニズムの調査は、呼吸制御ネットワークへの直接アクセスを必要とします。この目的を達成するために、エイドリアンとBuytendijkは脳幹表面記録に鰓換気5に関連して生成されたリズムを配置された電極れる減少金魚の準備を開発しました。このアプローチは、その後、新生児げっ歯類で使用するために1984年6で鈴江によって適応されました。この準備の出現は、呼吸器、神経生物学における重要な進歩をもたらしました。それは比較的単純であるので、この技術は時間提示しましたEREは、リズミカルな運動行動や新生児げっ歯類におけるその起源の基本的な調査の幅広い影響を受けやすいです。

この方法の全体的な目標は、吸気活動の神経相関、呼吸器ネットワークによって生成される仮想の呼吸と呼ばれる呼吸のようなリズムを記録することです。この方法は、野生型78トランスジェニック動物の両方における呼吸変動または薬理学的に吸気応答を標的、研究目的の広い範囲で使用することができます。記録された信号の生理学的な関連性についての実験は、感覚求心性なしに、低温で行われ、およびaCSFの中でグルコースとO 2の濃度が高い条件下では、問題が提起されていることを考えます。 in vivoおよびin vitro条件の間に明確な違いがありますが( 例えば 、吸気バーストの周波数)は実際には存在することを残っています呼吸ネットワーク6のコア要素は、それが可能な重要な恒常性維持機能9,10に関連した強固なリズムを研究することを可能にします。

開発し、この技術の使用の理論的根拠は特に新生児で、 生体内でほとんどアクセス可能な呼吸器ネットワークの脳幹要素への直接アクセスを容易にすることです。脳幹は、厳密に制御された条件の下に置かれている:記録リズムが肺や頸動脈体からの末梢の求心性入力によって変調されていない、研究では、中央呼吸ドライブ自体11に集中することができます。したがって、このアクセ​​スは、刺激を適用し、出力信号を記録するために利用されます。録音をプレチスモグラフィとは対照的に、呼吸リズムは、それが困難な正確な刺激を適用すること、身体( 例えば 、肺の膨満、周辺化学センサー)を通じてそのすべてのコンポーネントによって変調されます。

におけるewbornラット、プロトコルは、人工脳脊髄液(aCSFの)中で維持孤立脳幹および短縮型脊髄の4番目の前根信号を、記録で構成されています。脳幹・脊髄調製物によって生成されたリズムが吸気信号 9に連結されている個々の遅いバーストで構成されています。 7 -絶縁脳幹・脊髄調製物は、簡単に4(P4 P0)に出 ​​生後0日目からラットで記録すること。このアプローチは、一般に呼吸器ネットワークの低酸素応答、また高炭酸ガス血症、アシドーシスまたは薬物に対する応答を評価するために使用されます。急性低酸素症のプロトコルがここに提示されます。この刺激は、aCSFの中のO 2の撤退によって得られます。このアプローチは、一般的に低酸素傷害に対する耐性と反応性を評価するために使用されます。プロトコルは、低酸素曝露( 1)12 の端まで最初の分からリズムうつ病を誘発します。この凹部が逆になります低酸素後の回復12の間。実験計画については、それは脳幹の吻側部に位置橋は、リズム発生器8に対する阻害作用を有することに注意することが重要です。このように、完全な脳幹と吻側脊髄の調製物は、下のリズムを表示します。記録のために単離されたサンプル中の橋を含めると、実験13の目標に応じて決定されます。延髄ネットワーク上の橋影響の研究結果14を比較するために橋ととせずに録音を必要とするであろう。また、この手法の利点の一つは、脳および/ ​​または間脳領域15,16を含むように製剤の吻側部分を拡張することが可能先斗、延髄呼吸ネットワーク上のこれらの領域の効果を評価することの可能性があります。

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Protocol

この方法は、ラバル大学の動物倫理委員会(プロトコル#2012から170)で許可されている動物対象、の使用を必要としました。

1.セットアップと準備

  1. ソリューション
    1. 以下のレシピ7,17に従ってaCSFのストック溶液を準備します。濃度の変動と他のレシピは文献で入手可能です。 1ヶ月まで4℃で保存原液。
      1. 塩溶液:塩化ナトリウム(最終129 mM)のの75.39グラムを追加します。 KCl(最終3.35ミリモル)の2.5グラム。 NaH 2 PO 4 0.81gの(最終0.58ミリモル)。 MgCl 2を2.33gの(最終1.15ミリモル)。塩化カルシウムの1.85グラム(1.26ミリモル)。蒸留水で1リットルに記入後、蒸留水800mlに溶解します。
      2. 重炭酸塩溶液:のNaHCO 3(21 mMの最終)の17.65グラムを追加します。その後、蒸留水で1リットルに記入蒸留水900mlに溶解します。重炭酸塩濃度の変動は、pHの変化をもたらします。
      3. グルコース溶液:54.06を追加グルコースのグラム(30mMの最終)。蒸留水で500ミリリットルに記入後、蒸留水400mlに溶解します。
    2. 塩溶液100ml、重炭酸塩溶液100ml、蒸留水1L中のグルコース溶液50mlを希釈することによりaCSFのを準備します。使用するまで4℃で保存します。
    3. 温暖化とそれが破断するまでガラス管を延伸してガラス電極を準備します。使用前に、先端ダウンサンド。電極は、それがきれいに留まるように多くの時間を再利用することができます。
  2. 実験のセットアップ
    注:セットアップの詳細は、図2に示されています。
    1. 平均化、データ収集システム、温度調節器とポンプを動かし、アンプの電源をオンにします。生の信号(2.5 kHzの)のデジタル変換、アナログのサンプリング・レート、信号増幅(ゲイン= 10,000)、濾過(高しきい値、5 kHzの低閾値、10 Hz)を確認してください。
    2. カルボゲンでaCSFのバブルとそれをボトルを記入した(95%のO 2 2)。 /分4ミリリットルで記録チャンバー(容量5ml)中のbubbled-と温め-aCSFの流れを誘導します。 ℃〜26(±1)で記録チャンバー内の温度を保持します。 pHは、これらの標準条件で7.4にする必要があります。
    3. 解剖室の近くに50ミリリットル注射器でRTとカーボゲン-バブリングaCSFの50mlのを保管してください。
    4. コンピュータの電源をオンにし、記録ソフトウェアを起動します。

2.解剖

  1. 計量し、視覚的に(女性は短い肛門性器の距離を持っている一方で男性は、長い肛門性器の距離を持っている、女性の性器はピンクですしながら、性器は、多くの場合、暗い男性)動物の性別を決定します。
  2. - 、注射(/ kgを4 mlでequitensine)19または揮発性麻酔薬(イソフルラン20またはエーテル21)の吸入cryoanesthesia(5分18完全4氷で動物を浸す):以下のいずれかのオプションにより、新生児げっ歯類を麻酔。 ConfiRM足引っ込め反射の欠如によって麻酔の適切な面。
  3. ベンチに動物を置き、腹面を下に。セクション(皮膚や頭蓋骨を通して見える)ブレグマのレベルでメスで冠状に頭の吻側部分。動物が麻酔された直後に、この手順を実行します。
  4. 第身体冠状前方メンバー下メスで。
  5. 外科手術と薄いはさみやペンチで皮膚、筋肉、脂肪組織や臓器を削除します。骨はこの年齢でソフトであるため、神経系に損傷を与えないように注意が必要です。ベンチでこの手順を実行します。
  6. 解剖室で準備を置きます。準備に酸素シリンジに保存されているaCSFのを使用してください。この時点から、記録の最後に、顕微鏡を使用しています。
  7. 準備の背面には、外科的な薄いハサミやペンチを有する媒体軸に沿って尾の部分に吻側から頭蓋骨と脊椎骨を切りました。カット頭蓋骨を開きますおよび神経組織を露出させるために椎骨。準備に酸素するために注射器でstrored aCSFのを使用してください。
  8. ペンチで、くも膜、神経組織の表面を覆う薄い組織を除去します。神経組織に対する軟膜血管を保持します。準備に酸素シリンジに保存されているaCSFのを使用してください。
  9. 背面を下にして準備を置き、慎重に所定の位置に準備を保持しながらはさみで神経と結合組織を切断することにより、脳幹および脊髄をダウンさせます。背部アプローチも可能です。できるだけ長く根や神経をしてください。脳幹と脊髄を分離するために骨を削除します。準備に酸素シリンジに保存されているaCSFのを使用してください。
  10. 小脳を取り外し、メスでそれらを区画することにより吻側構造を残り。準備に酸素するために、針に保存されているaCSFのを使用してください。
  11. 必要に応じてexperimenに応じてタルデザイン、下小脳動脈22の冠状断面の前部によってメスで橋を削除します。全体の橋を維持することは、ラットでリズムを遅くし、完全にマウスでそれを阻害することに注意してください。橋の唯一の尾の部分を含んで準備は、C4のルートに安定した周波数での呼吸のような活性を示します。

3.録音

  1. 録音室、腹顔アップで準備を置きます。脊髄と脳幹の吻側 - 大部分の最下部にあるピンと準備を修正。
  2. 部分的にaCSFのに電極を埋めるために、注射器のピストンを引き出して - :その針によって電極に結合された注射器を用いて、電極(225〜150μmのガラス先端直径)でうつ病を誘発します。
  3. マイクロマニピュレーターを使用して、慎重に第腹側根の1に近い電極を配置します。他の腹側根も呼吸様活性( 電子を提示することができます。グラム。、XII脳神経、C1前根)。
  4. 優しく神経細根を吸引するためにピストンを引き抜くことにより、シリンジを介して電極槽内のうつ病を誘発します。その後、慎重に脊髄に対してそれを適用するために電極を移動します。
    注:理想的には細根の大きさは、電極開口部の大きさに一致するため、電極の内部と外部の区画の間にシールを作成します。差動増幅器は、一般に、記録のために使用されるので、電極の内部と記録チャンバーとの間の開口部は、信号の品質を低下させ、それが困難なバックグラウンドノイズを除去することができます。
  5. 記録を開始します。
  6. 正常酸素条件下で調製することによって製造さリズムを記録する( すなわち、aCSFのは、カルボゲンを通気:95%のO 2および5%CO 2)で少なくとも20分の準備のベースラインパラメータを決定します。
  7. にカーボゲンバブリングaCSFのから灌流を切り替えます刺激aCSFの15分間( すなわち、低酸素刺激のためのCO 2、95%N 2及び5%をバブリング)。実験プロトコルに依存した露光時間を変更します。記録と動物のデータシート上の露光時間を記録します。 aCSFのボトルやチューブの外側にガス拡散を避けるために、可能な限りチャンバとの間にステンレス鋼管を使用してください。
  8. 回収記録のために少なくとも15分間、標準カーボゲンバブリングaCSFのに戻って灌流を切り替えます。記録と動物のデータシートでこれを記録します。
  9. 録音を終了します。

4.統計分析

  1. 統合された信号から(バースト/分で表される)、毎分バースト数と周波数、及びベースライン(MVで表される)バーストのピークとの間の差として、振幅、持続時間などのバースト期間を計算します(複数で表される)、バーストの最後に始まり、CUR下の領域としてバースト領域統合された信号(S・mVので表される)( 図3)にバーストのVEの。
  2. 各条件について録音の最後の5分間の平均値として、周波数、振幅、正常酸素下でのバースト期間およびバースト領域(ベースライン)、低酸素(刺激)および低酸素後(ポスト刺激)回復条件を計算します。記録チャンバーに潅流およびaCSFの均質化を切り替えるとの間に遅延があるため、各条件の最初の部分を分析しないでください。
  3. その後、対応する記録のためのベースライン値のパーセンテージとして、刺激( すなわち、低酸素症)およびポスト刺激( すなわち、低酸素後)回復値を表現。平均±SDとして結果を表現

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Representative Results

冒頭で述べたように、この技術の最も重要な利点の一つは、脳幹への直接のアクセスは、様々な刺激を適用することです。一例として、低酸素状態は、ここで適用した。 図1。ABは両方正常酸素および低酸素条件下で、完全なプロトコルの記録を表示する。 1.CE、すなわち酸素正常状態(に記録されたリズムを表示し、aCSFの、95%のO 2および5%でバブリング26℃でのCO 2)。以前は、この正確な調製11で示されるように、周波数は約8バースト/分であり、振幅は約0.800 mVです。振幅は、その重要な間準備変動の唯一の指標であることに注意してください。下のトレースは生の信号を表している上側のトレースが統合された信号を表している。 図1.DFが低酸素 条件 (すなわちに記録されているリズムを表示します。、aCSFのは、95%N 2および5%COで泡立て<サブ> 2)26℃で。以前に23の特徴として、周波数が大幅に低酸素症の間に減少した。 図1.GHは正常酸素および低酸素状態での典型的なパターンを示す単一のバーストが表示されます。

図1
脳幹・脊髄調製物から得られる録音の図1例。正常酸素、低酸素および低酸素後の回復条件((A)積分された信号と(B)生信号)下P4ラットからの製剤のC4前根から記録呼吸器出力。各条件について、拡大録音((C)は、正常酸素シグナルを統合し、(D)に統合、低酸素信号、(E)生の正常酸素信号、(F)生の低酸素信号)と単一のバースト((G)正常酸素バースト及び(H)低酸素バースト)が示されています。本文中で言及したように、その振幅は慎重に解釈する必要がありますのでご注意ください。 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
セットアップ図2.概括的スキーマ。バブリングaCSFのは、加温し、記録チャンバー内のポンプで送られます。記録チャンバー内aCSFの過剰は、ポンプによって吸引し、廃棄されます。記録室は地上と温度コントローラにリンクされています。電極出力は直接移動平均化し、データ収集システム、および最終的にはコンピュータにその後、アンプに中継されます。 こちらをクリックしてくださいトンOこの図の拡大版を表示します。

図3
図3は、バーストパラメータを分析した。周波数は、以下のように毎分バースト数(バースト/分で表す)、ベースラインと(MVで表される)バーストのピークとの間の差として振幅、バースト継続時間として算出され(複数で表される)バーストの開始から終了までの期間、積分信号のバーストの曲線下面積としてバースト領域が(MVで表現・sで)。 これの拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください図。

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Discussion

呼吸活性の正確な定量化が困難な場合があります。実際、呼吸は自動および自主両方にすることができます関数であり、それは環境、身体のニーズ、感情的な状態や行動に応じて変調されます。この技術の利点は、呼吸のコマンドを生成する原因神経要素の単離であります。したがって、脳幹・脊髄調製物とプレチスモグラフィの電気生理学的記録は、それぞれ、in vitroおよびin vivoでニューロンの呼吸全体ネットワークを研究するための補完的な技術です。脳幹・脊髄調製におけるパッチクランプ記録( 例えば 、腹面から接近する)も考えられ、保存呼吸器ネットワーク 24内の特定の神経細胞の研究を可能にします。

このプロトコルは、主に解剖に、いくつかの重要なステップを含みます。神経組織の損傷を避けるために、すべての解剖の手順では、迅速かつ正確に実行する必要があります。神経組織が損傷するべきではなく、慎重にaCSFの中で一定の浸漬することによって保存されます。前述したように、神経細根と電極との間の接続の品質は、第二の重要なステップです。細根の吸引は、準備に近い電極をもたらすことができます。電極と脳幹の間の接触は、シールの質を向上させることができますが、一つはうつ病を作るか、物理的に準備を損傷しないようにされています。

積分された信号は、常に、分析のために使用されるべきであるが、生の信号は、バックグラウンドノイズから適切なバーストを区別するのに有用であり得ます。また、スピーカは、リズムに耳を傾け、信号品質及び聴覚により本背景雑音を決定するために、セットアップに追加することができます。実際、背景ベースラインの一部の変動は電気的​​干渉に存在し、不安定なベースラインに発生する可能性があります。このようなINTERFerencesは、電極によってケーブル接続とルート吸引をチェックすることによって防止されるべきです。バースト振幅は両方のバックグラウンドノイズとルートと電極との接続に依存しているため、また、周波数が信頼できるパラメータの多くです。したがって、バースト振幅は常にベースライン値のパーセンテージが原因セットアップに個体間変動を避けるために、のように表現されるべきです。

技術の限界は、調製物を実現することが可能な動物の年齢によって決定されます。これは非常に興味深く、臨床的に関連性のある出生時の中央呼吸ドライブの設定の正確な研究を可能にするが、それはこれらの初期の年齢に着目し、それ以降の年齢層に拡張することができません。古い年齢は(下記参照)が、実質的なプロトコルの変更で、25動脈灌流作業ハート脳幹の製剤に使用することができます。大人のモルモットから分離された脳幹・脊髄の準備が開発されていますモリン・Surun 26、脳幹は脳底動脈を介して灌流され、リズムがXII脳神経に記録されていることにより、エド。他の制限は、実験の期間です。準備は、前述の条件6以上7時間保持することはできません。したがって、この技術は、オタマジャクシ(下記参照)からの調製物は、実験室で24時間保たれた場合でも、長期の実験のために適切ではありません。

種々の変更は、この技術を適用することができます。ここでは、低酸素の挑戦が行われているが、他のガスのバリエーションも考えられる( 例えば 、高炭酸ガス血症27と同様のpHの変化28)。同様に、製剤は、薬物を溶解し、前処理として、29または30の記録中に脳幹に塗布されたaCSFので灌流することができます。この場合、リズムが29を加速またはダウを遅くすることができますnは30試験薬によります。また、記録区画室と、異なるaCSFの9を使用することができる調製物6及び温度変動の選択部分に適用することができます。この区画は、刺激によって誘発される効果で選択された脳幹部分の意味の研究を可能にします。提示された技術は、新生児ラットを使用するが、それは他の動物モデルにも適用可能です。ラットに適用したものと同様のプロトコルを使用して、マウスを、妊娠16日目(E16)のP4 12まで使用することができます。主な違いは、解剖時にaCSFのを温め、カルボゲンバブルする必要があることです。カメは、オタマジャクシおよび成体カエルを使用することもできます。しかし、これらの種は、異なる解剖技術だけでなく、aCSFの物の組成を調整する必要があります。

この技術はまた、調製31の頭側の面上のパッチクランプ記録を用いて結合させることができることネットワークの出力信号と、このネットワークの特定のセルの活性の同時可視化。電位感受性色素イメージングはまた、脳幹32の腹側の面上の活性化領域をローカライズするために生まれたばかりのラットの脳幹・脊髄調製物に適用することができます。製剤中のc-fosの分析はまた、特定の呼吸応答に関与する神経集団を同定するために実現することができます。最後に、製剤は、他の生理的リズム33と心臓25、リブ6、または生理学的な動脈灌流のような他の器官を維持するために変更することができます。しかしながら、これらの非常に重要な変更は、他の解剖プロトコルを必要とするであろう。

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
Sylgard Sigma Aldrich 761036-5EA Use under hood
NaCl Bioshop SOD002
KCl Bioshop POC888
CaCl2 Bioshop CCL444
MgCl2 Bioshop MAG510
NaHCO3 Bioshop SOB999
NaH2PO4 Bioshop SPM306
D-glucose Bioshop GLU501
Carbogen Linde 343-02-0006 
Temperature Controller Warner Instruments, Hamden, CT, USA TC-324B
Suction electrode A-M Systems, Everett, WA, USA model 573000
Differential AC amplifier A-M Systems, Everett, WA, USA model 1700
Moving averager CWE, Ardmore, PA, USA model MA-821
Data acquisition system Dataq Instruments, Akron, OH, USA model DI-720
LabChart software ADInstruments, Colorado Springs, CO, USA
Prism sofware Graphpad, La Jolla, CA, USA
Dissection chamber Plastic box (e.g. petri box) will do
Recording chamber Home made
Base Kanetec, Bensenville, IL, USA MB
Micromanipulator World Precision Instrument Inc, Sarasota, FL, USA KITE-R
Base Kanetec, Bensenville, IL, USA MB
Peristaltic pump Gilson, Middleton, WI, USA MINIPULS 3
Faraday Cage Home made
Computer

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References

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