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小布Tips | 电生理技术的应用及研究案例解析

时间:2023-12-25 14:27:30

01.电生理学

研究生物电特性的生理学分支细胞和组织。它涉及电压变化或电流的测量,或从单个离子通道蛋白到心脏等整个器官的各种规模的操作。在神经科学,它包括测量神经元的电活动,特别是动作电位活动。来自神经系统的大规模电信号的记录,例如脑电图,也可以称为电生理记录。它们可用于电诊断和监测。

02.电生理技术

电生理技术,是指以多种形式的能量(电、声等)刺激生物体,测量、记录和分析生物体发生的电现象(生物电)和生物体的电特性的技术。用电生理仪器、微电极、膜片钳(patch clamp)技术等记录或测定整体动物或离体器官组织、神经和细胞离子通道等的膜电位改变、传导速度和离子通道的活动的方法。

电生理技术帮助我们解析不同神经环路的功能,及其和疾病的联系,目前已被广泛应用于神经科学等领域研究中。以下是基于电生理技术的研究案例:

研究案例

示例一

2023年12月16日,空军军医大学武胜昔团队在Advanced Science在线发表题为“Restoring the Function of Thalamocortical Circuit Through Correcting Thalamic Kv3.2 Channelopathy Normalizes Fear Extinction Impairments in a PTSD Mouse Model”的研究论文。该研究利用武胜昔团队前期所建立的一种更好模拟临床症状的PTSD动物模型(Neurobiol Stress. 2021),在发现TRN-Pom-FrA丘脑皮层环路参与调控PTSD过度防御行为的基础上(Sci Adv. 2023),进一步阐述了丘脑皮层环路如何参与调控PTSD异常恐惧记忆消退的神经机制。

文中相关电生理实验如下:

为了研究创伤后应激障碍(PTSD)小鼠丘脑活动的变化,特别是与认知功能相关的高阶丘脑,作者对正常组和PTSD组小鼠的丘脑背内侧核团(MD)神经元进行全细胞膜片钳记录。结果显示,PTSD小鼠的MD神经元的放电峰数量显著高于野生型小鼠。在电生理特性方面,PTSD小鼠的MD神经元中动作电位的半宽度明显低于WT小鼠;另外还记录了MD神经元中自发兴奋性突触后电流(sEPSCs),而对照组和PTSD组之间的sEPSC频率和振幅没有显著差异。

PTSD小鼠MD神经元被过度激活。(E)MD神经元全细胞膜片钳记录示意图;(F)电流钳位下不同电流强度刺激后,正常组和PTSD组的神经元放电;(G)电流钳位下正常小鼠与PTSD小鼠的平均神经元峰数;H)代表性图像显示对照组小鼠和PTSD小鼠的MD神经元的半宽度;I)对照组和PTSD组中所有单个神经元的流变基处第一个AP的相位平面图;J)6个电生理参数的热 图;K)对照组小鼠和PTSD组小鼠MD神经元的平均主动和被动特性。
 

为了研究了丘脑背内侧核团(MD)和前扣带回皮层(ACC)之间的连接增强是否会影响ACC的局部微环路,作者对PV- tdtomato转基因小鼠的锥体神经元(PyN)和PV+中间神经元进行了双全细胞记录,以同时测试两种类型的神经元对MD突触信息的同步反应。通过测量配对脉冲比PPR,发现对照组小鼠和PTSD小鼠的PV+细胞的PPR低于锥体神经元,这与之前对突触的观察结果一致,表明PTSD小鼠ACC脑区PV+中间神经元接受更多来自丘脑的信息。

ACC II/III层PV+神经元的过度激活增加锥体神经元sIPSC的频率。(A-B)ACC双全细胞记录示意图;(C-D)对照组(C)和PTSD组(D)PyN和PV+中间神经元的代表性配对脉冲痕迹(左)和定量总结(右)显示PV+神经元PPR降低;(E)对照组和PTSD组PV+中间神经元和PyN收集的PPR的百分比。

示例二

2023年6月22日,中国科学院精密测量科学与技术创新研究院徐富强/李琴研究团队在Cell Reports上发表了题为“Astrocytic α4-containing nAChR Signaling in the Hippocampus Governs the Formation of Temporal Association Memory”的研究论文。研究发现海马星形胶质细胞可通过α4-nAChRs感知乙酰胆碱,呈现增高的Ca2+水平,并最终通过控制NMDAR协同激动剂D-serine水平继而调控时间关联记忆的形成。该研究揭示了时间关联记忆形成的新的调控机制。

文中相关电生理实验如下:

Ca2+/ATPase是一种膜蛋白质,其作用是调节细胞内的钙离子浓度。它通过使用能量来输送钙离子从细胞内向细胞外,从而调节钙离子浓度。人质膜Ca2+ ATP酶异构体2剪接变体w/b(hPMCA2w/b)减弱星形胶质细胞Ca2+信号的方法已被广泛用于探索星形胶质细胞的功能。为了探索星形胶质细胞Ca2+信号对长时程增强LTP的影响,作者利用体外电生理技术记录双通路场兴奋性突触后电位fEPSP,研究TA-CA1通路晚期LTP(L-LTP)[局部场电位强度(fEPSP slope)增加维持数小时至数天不等,这种现象被称为长时程增强(LTP)]。检测hPMCA2w/b表达组与对照组对强破伤风(STET)的LTP反应,结果显示hPMCA2w/b表达组维持L-LTP的倾向受到抑制。这一结果表明,星形胶质细胞Ca2+信号的抑制可能通过干扰L-LTP来破坏恐惧记忆的形成。

星形胶质细胞Ca2+信号的抑制导致微量恐惧记忆形成和TA-CA1突触可塑性的损伤。(I)fEPSP记录示意图;(J-K)对照(J)和hPMCA2w/b(K)小鼠切片中,3轮STET处理在S1和控制通路S2中诱导TA-CA1 fEPSP斜率增强。(L)J和K标准化的fEPSP斜率。(M-N)C57BL/6小鼠的典型STC和FC处理后的STC切片。在(J-N)中,模拟走线显示了STET刺激前(虚线)和刺激后(连续线)的代表性fEPSP走线。STET:强破伤风;WTET:弱破伤风;STC:突触标记和捕获;FC:氟代柠檬酸。
 

示例三

2023年11月29日,武汉大学中南医院张宗泽教授、中国科学院精密测量院王杰研究员和浙江大学求是讲席教授、帝国理工学院麻醉学教授马大青团队共同合作在国际知名期刊Theranostics上发表题为Cerebellar Purkinje cell firing promotes conscious recovery from anesthesia state through coordinating neuronal communications with motor cortex的研究论文。该工作发现小脑第V小叶蚓部(5Cb)与初级运动皮层(M1)存在结构和功能性连接。吸入麻醉药七氟烷诱导小鼠意识消失-恢复过程中,在意识恢复早期,5Cb的浦肯野细胞活动和神经递质释放与脑电图(EEG)Gamma频段高度相关,此时激活5Cb浦肯野细胞,促进小鼠意识恢复;相反,抑制浦肯野细胞则延迟苏醒。

文中相关电生理实验如下:

5Cb浦肯野细胞和M1 CaMKIIα+神经元在清醒和运动时高度激活。为了研究5Cb浦肯野细胞和M1 CaMKⅡα+神经元在清醒和意识丧失时的活性变化,作者将两种病毒AAV2/9-CaMKIIα-GCaMP6f和AV2/9-hEF1α-DIO-GCaMP6f分别注射到Pcp2/L7-Cre小鼠的M1和5Cb中,然后通过光纤记录检测M1 CaMKIIα+神经元和5Cb浦肯野细胞从清醒状态到意识丧失(LOC)到早期意识恢复(Pre-ROC)的同步Ca2+活性。实验结果显示,从清醒到LOC的转变伴随着M1和5Cb Ca2+通量的减少。在意识丧失伴脑电图爆发抑制(一种与深度麻醉相关的脑电图模式)期间,在两个脑区发现Ca2+通量进一步减少。相比之下,M1和5Cb在意识转变恢复的突发抑制期间都有Ca2+通量增加。这些结果表明,M1 CaMKIIα+神经元和5Cb浦肯野细胞可能同时被激活,以协调全麻诱导的无意识和意识状态下的大脑与小脑的相互作用。

3%七氟醚暴露小鼠从清醒、LOC到Pre-ROC的不同实验过程中,初级皮层(M1)和小脑蚓的第五小叶(5Cb)的同步Ca2+活性。(A)将两种病毒AAV2/9-CaMKIIα-GCaMP6f-WPRE-pA和AV2/9-hEF1α-DIO-GCaMP6f-WPRE-pA分别注射到Pcp2/L7-Cre小鼠的M1和5Cb中,通过光纤记录系统检测Ca2+活性。皮质CaMKIIα+神经元用CaMKIIα抗体(红色)鉴定,浦肯野细胞用D28K抗体(红色)鉴定:(B)七氟醚诱导的意识和无意识过渡期间M1和5Cb的Ca2+信号(ΔF/F)的平均数据。(C)从清醒状态到意识丧失(LOC)再到意识早期恢复(Pre-ROC),(从上到下)脑电图信号的时间过程、脑电图频谱和M1和5Cb 的Ca2+信号(ΔF/F)的变化。BS:脑电图爆发抑制(一种与深度麻醉相关的脑电图模式)。
 

服务指南

布林凯斯现可承接在体电生理(LTP、LTD)记录和离体电生理电流钳(动作点位AP)、电压钳(EPSC、IPSC)记录。此外,我们还可提供脑电图(EEG)、肌电图(EMG)等记录服务。

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