Корковое охлаждение
Корковое охлаждение относится к методам охлаждения, ограниченным корой головного мозга , где происходит большинство высших мозговых процессов. Нейробиологи проводят различные исследования, которые помогут объяснить многие сложные связи и функции мозга . В большинстве исследований используются модели животных , которые в разной степени сравнимы с человеческим мозгом; например, мелкие грызуны менее сопоставимы, чем нечеловекообразные приматы . Один из наиболее точных способов определить, какие участки мозга способствуют определенному поведению или функции, — это деактивировать участок мозга и наблюдать, какое поведение изменяется. Понижение температуры нервной ткани приводит к снижению метаболической активности в пораженной области. Это метаболическое подавление замедляет или подавляет нервную активность, синаптическую передачу и другие клеточные процессы, требующие энергии. Ниже приведен список современных методов охлаждения, их преимущества и ограничения, а также некоторые исследования, в которых охлаждение использовалось для выяснения функций нейронов.
Методы охлаждения нервной ткани
[ редактировать ]Есть несколько вариантов охлаждения нервной ткани; выбранный метод зависит от плана эксперимента, включая охлаждаемый участок мозга (интересующий участок) и объем этого участка.
Криолупы
[ редактировать ]Криопетли — это охлаждающие устройства, в которых используются подкожные трубки из нержавеющей стали калибра 23, имеющие форму петли, которая может входить в бороздки или извилины интересующего участка коры головного мозга. Насос закачивает метанол из резервуара, и жидкость проходит через баню с сухим льдом для охлаждения. Охлажденный метанол течет через тефлоновую трубку в металлическую трубку криопетли, которая закрепляется посредством прохождения через резьбовой штифт. К разъему термопары подводятся провода от микротермопары в основании петли (там, где встречаются впускная и выпускная трубки), которая измеряет температуру трубки. Штырь, разъем термопары и термоусадочная тефлоновая трубка, которая охватывает провода микротермопары, а также приточные и отточные трубки между штифтом и микротермопарой, герметизированы стоматологическим акрилом.
После имплантации, когда животное не участвует в эксперименте, на открытые приточные и отточные трубки надевают защитный колпачок. Во время экспериментов приточные и отводящие трубки прикрепляются к тефлоновым трубкам, подключенным к резервуару. Разъем термопары подключается к распределительной коробке и термометру, что позволяет контролировать температуру криоконтура. [1] [2]
Криолупы считаются наиболее адаптируемой формой охлаждения из-за необходимости индивидуальной настройки для каждого эксперимента. Исследователь должен сформировать функциональный контур охлаждения криопетли, соответствующий той части мозга, которую он/она желает изучить, при этом для одного мозга можно использовать несколько криопетлей. Каждое устройство может охлаждать различные участки тканей толщиной менее 10 мм. 3 до 75 мм 3 . Хотя создание каждого устройства для каждой интересующей секции может показаться затруднительным, такая настройка позволяет обеспечить более контролируемую область охлаждения и более эффективное использование животных из-за возможности создания нескольких мест охлаждения внутри каждого животного. В подголовнике нет необходимости, поскольку петли постоянно имплантируются и крепятся к черепу с помощью винтов и стоматологического акрила. [1] [2]
Охлаждающие пластины
[ редактировать ]Охлаждающие пластины представляют собой плоские устройства, обычно круглой формы и способные охлаждать ткани объемом до 35 мм. 3 до 100 мм 3 , обычно с использованием термоэлектрического охлаждения. [1] Некоторые исследователи могут использовать установку, аналогичную той, которая необходима для криопетли для охлаждения пластины (поток охлаждающей жидкости через баню с сухим льдом). [3] Однако электрические соединения, необходимые для охлаждения, представляют собой более простой метод, чем установка, необходимая для трубок, заполненных охлаждающей жидкостью. Чтобы обеспечить стабильность пластины после имплантации, животное должно подвергаться фиксированному подголовнику, что ограничивает тип поведения, который можно изучить. Кроме того, пластины не могут соответствовать некоторым областям головного мозга из-за несопоставимой формы пластины и мозга, и их не удалось успешно ввести в борозды . [1]
Крионаконечники
[ редактировать ]Крионаконечники состоят из двух трубок с иглами для подкожных инъекций из нержавеющей стали, например трубки 18- го калибра , окружающей трубку 24-го калибра, спаянных вместе. Как и в криопетле, охлажденный метанол течет через внутреннюю трубку, охлаждая устройство. Если исследователь решит изолировать стержень трубки, вокруг внешней трубки можно обернуть нагревательную проволоку с низким сопротивлением, за исключением 2 мм на кончике; пропускание постоянного тока через провод поддерживает нормальную температуру мозга. Это обеспечивает локализованное охлаждение на кончике, который вводится в мозг и достигает более глубоких структур, не охлаждая вышележащие структуры. Для измерения температуры вала и наконечника требуется более одной микротермопары. [4] В модифицированных версиях этого устройства используются трубки меньшего диаметра (21 и 30 калибра), а дополнительные трубки прикрепляются, образуя Y-образную вилку, по которой через двойную трубку протекает охлаждающий агент HFC-134a , пока вилка находится под вакуумом. Вакуум заставляет охлаждающую жидкость перетекать из внутренней трубки во внешнюю трубку (таким образом, охлаждающая жидкость находится между внутренней и внешней трубками, а также внутри внутренней трубки). [5] Крионаконечники обычно используются для охлаждения более глубоких структур мозга, которые невозможно охладить термодинамически с поверхности. Они мало используются для охлаждения коры из-за небольших охлаждаемых объемов — исследователей, охлаждающих кортикальную ткань, обычно интересуют более крупные участки, чем может охладить это устройство. Крионаконечники охлаждают ткани размером до 2 мм. 3 до 5 мм 3 . [1] Обычно вал устройства изолируется или даже нагревается для локального охлаждения, однако в некоторых исследованиях использовались неизолированные крионаконечники для охлаждения поверхностных структур в дополнение к более глубоким участкам. [6]
Другой
[ редактировать ]Пациенты с эпилепсией могут пройти хирургическую резекцию , чтобы уменьшить частоту приступов, а картирование кортикальной стимуляции идентифицирует функциональную нервную ткань, чтобы сохранить ее. Однако до 5% этих пациентов страдают от интраоперационных судорог во время картирования. Недавно охлажденный физиологический раствор использовался во время хирургической резекции у некоторых из этих пациентов, и было обнаружено, что он уменьшает интраоперационные эпилептиформные разряды ( снижается частота спайков электроэнцефалограммы ), что позволяет предположить, что вероятность интраоперационных судорог можно уменьшить путем охлаждения ткани. [7]
Преимущества и ограничения
[ редактировать ]Распространенным методом дезактивации при изучении функций мозга является абляция нервной ткани, но он имеет ряд недостатков. Точное место и степень абляции, вызванной химическими веществами или повреждениями, можно определить только посмертно. Если абляция произошла в нежелательном месте или дезактивировала большую часть ткани, чем предполагалось, время и ресурсы уже были потрачены на получение результатов, не связанных с запланированным исследованием. Кроме того, абляция навсегда деактивирует интересующий участок из-за повреждения или удаления нервной ткани. Поскольку ткань не может быть реактивирована, меры контроля, которые можно было бы напрямую сравнить с эффектами, вызванными дезактивацией, не могут быть получены. Сравнения должны проводиться между животными, которые будут иметь присущие различия, поэтому внутренняя двойная диссоциация невозможна. Еще одним серьезным недостатком использования абляции для дезактивации тканей является то, что, поскольку мозг пластичен, пока животные восстанавливаются после операции абляции, кора головного мозга способна модифицировать нейронные сети, активируя новые связи или укрепляя уже существующие. Это может привести к тому, что результирующее поведение в ходе исследования будет выглядеть нормальным, даже если часть мозга животного была деактивирована, и тогда исследователи не смогут определить вклад деактивированного отдела в нормальное функционирование. Чтобы преодолеть многие из этих недостатков, вместо абляции можно использовать кортикальные охлаждающие устройства. [1] [2]
Позволяя охлаждать различные участки тканей (от небольших при использовании крионаконечников до очень больших при использовании нескольких криопетлей или охлаждающей пластины), использование охлаждающих устройств является обратимым методом, который позволяет контролировать период инактивации и, при выключении, занимает всего лишь минут, чтобы животное полностью восстановило свои функции. Эти преимущества сохраняются даже тогда, когда деактивация повторяется в течение длительных периодов времени, от месяцев до лет, без каких-либо признаков ослабления. [1]
Отсутствие нейронной компенсации
[ редактировать ]Устройства кортикального охлаждения не причиняют никакого вреда нервной ткани, если они имплантированы или многократно используются для охлаждения интересующего участка. Это позволяет отменить деактивацию и устраняет проблему нейронной компенсации. Охлаждение можно быстро инициализировать и прекратить с помощью доступных в настоящее время устройств, поэтому у нервной ткани не остается времени на создание или укрепление нейронных сетей. Это гарантирует, что дезактивация оказывает влияние на нервную функцию, и изучаемое поведение возникает из деактивированной ткани, а не из модифицированных сетей. [1] [2]
Эффективное использование животных
[ редактировать ]Обратимость деактивации позволяет использовать животных в качестве собственного контроля, что устраняет различия между животными, обозначенными как «контроль», и животными в экспериментальной группе, и допускает внутреннюю двойную диссоциацию. Для каждого животного можно собрать большие объемы данных, поскольку оно может пройти несколько испытаний в одном эксперименте или, в случае с хронически имплантированными криопетлями и крионаконечниками, использоваться более чем в одном эксперименте. Эти преимущества позволяют использовать меньшее количество животных для каждого эксперимента при получении надежных результатов. [1] [2]
Контроль параметров деактивированных тканей
[ редактировать ]На основе термодинамических принципов можно определить термоклины , позволяющие установить распространение охлаждения от определенных охлаждающих поверхностей. Следовательно, для каждого охлаждающего устройства с известной и постоянной площадью поверхности температура может быть установлена на одно и то же значение для каждого испытания или эксперимента, чтобы создать одинаковые термоклины и воспроизвести один и тот же объем дезактивации. Таким образом, специально выбранные участки ткани могут быть обратимо деактивированы контролируемым и воспроизводимым способом. [1] Было обнаружено, что 20 ° C является критической температурой для активных нейронных сигналов; ниже этой температуры афферентные сигналы не могут активировать нейроны, и ткань считается деактивированной. Пока желаемая ткань достигает температуры ниже критической, в то время как окружающая ткань остается выше нее, термоклины, генерируемые устройством, могут быть предварительно рассчитаны так, чтобы можно было установить температуру только для дезактивации интересующей ткани. [2]
Охлаждение также можно начинать и прекращать каждый раз за одно и то же время, необходимое для достижения либо температуры дезактивации, либо нормальной физиологической температуры. Это позволяет контролировать наступление дезактивации, ее продолжительность и восстановление для каждого эксперимента. [1] [2]
Экспериментальные ограничения из-за физической установки
[ редактировать ]Поскольку для охлаждения устройств требуется внешний механизм, животные будут в некоторой степени удержаны. При использовании охлаждающих пластин необходим фиксированный подголовник, чтобы пластина оставалась над нужным участком ткани, а для охлаждения пластин требуется электрическое соединение. При использовании криопетлей и крионаконечников животным не требуется фиксированный подголовник, поскольку устройства постоянно имплантируются, но они имеют ограниченное пространство, в котором они могут перемещаться из-за расстояния, допускаемого трубками, подающими охлажденный метанол. [1] Трубки обычно имеют длину 1 метр, чтобы гарантировать, что метанол достигнет желаемой температуры охлаждения к тому времени, когда он достигнет функциональной охлаждающей поверхности; в противном случае трубку следует изолировать. Эти ограничения ограничивают некоторые варианты поведения, которые можно изучить по сравнению с теми, которые возможны, когда не требуется внешняя настройка. [2]
Изучение поврежденных тканей
[ редактировать ]Использование методов охлаждения для дезактивации тканей не всегда является лучшим выбором. Если исследование направлено на определение влияния повреждения на поведение или функции, вероятно, обратимый метод, который не повреждает ткани и не нарушает нервную активность, не является лучшей моделью для использования. При изучении поврежденных тканей использование абляции, вероятно, приведет к наиболее похожим поведенческим и функциональным нарушениям. [1]
Использование в нейробиологии
[ редактировать ]Эти методы охлаждения использовались для дезактивации нервных тканей в нескольких исследованиях, и исследователи выяснили вклад нескольких областей мозга в нормальное функционирование и поведение.
Черепно-мозговая травма
[ редактировать ]У приматов, кроме человека, было обнаружено, что охлаждение коры головного мозга после черепно-мозговой травмы может уменьшить объем некроза на 50% в течение 10 дней после травмы и объем отека на 50% в течение 40 часов после травмы. Таким образом, охлаждение помогает сохранить ткани после травмы. [8]
Исследования слуховой коры
[ редактировать ]Чтобы определить, какие части слуховой коры способствуют локализации звука , исследователи имплантировали криопетли, чтобы деактивировать 13 известных областей акустически реагирующей коры головного мозга кошки.
Кошки научились выполнять ориентировочную реакцию, двигая головой и приближаясь к широкополосному шумовому стимулу длительностью 100 мс, излучаемому центральным динамиком или одним из 12 периферийных динамиков, расположенных с интервалом 15° от левого 90° до правого 90° вдоль горизонтальной плоскости. после внимания к центральному зрительному стимулу, генерируемому красным светодиодом. После того, как кошки достигали не менее 80% точности определения места звукового стимула, каждой имплантировали одну или две двусторонние пары криопетлей в разные участки слуховой коры; Определено 10 разделов. Криолупы включали так, чтобы петли достигали температуры 3°C (плюс-минус 1°C), сначала в одностороннем порядке, затем в двустороннем, затем в одностороннем порядке на другой стороне, и, наконец, после восстановления после охлаждения регистрировали базовое выполнение задания. Этот цикл повторялся несколько раз для каждой кошки. [9]
Из 10 секций, которые были деактивированы, только дезактивация 3 секций: AI (первичная слуховая кора) /DZ (дорсальная зона), PAF (заднее слуховое поле) и AES (передняя эктосильвиева борозда) имела эффект. по локализации звука. Исходно кошки могли обнаружить 90% звуковых стимулов. Односторонняя деактивация любого из этих разделов приводила к контралатеральному ухудшению локализации звука или точности 10%. Двусторонняя деактивация любой комбинации этих трех секций приводила к дефициту 180° в 10% идентифицированных мест звука, хотя эта точность подразумевала, что кошки все еще были способны ориентироваться в полуполе, где звук возникал выше случайности (7,7%). [9] Поскольку первичная слуховая кора и дорсальная зона охлаждались одновременно, исследователи провели еще одно исследование, в котором АИ и ДЗ рассматривались как отдельные объекты, чтобы дополнительно установить участки слуховой коры, способствующие локализации звука. Схема эксперимента была такой же, как и описанная выше, за исключением того, что только секции AI и DZ были имплантированы отдельными криопетлями. Опять же, было обнаружено, что односторонняя одновременная деактивация AI и DZ охлаждением приводила к дефициту локализации звука на контралатеральной стороне, тогда как двусторонняя деактивация создавала дефицит в обоих полуполях (10% идентификация местоположения звука). Двусторонняя деактивация только AI привела к точности только 45% в пределах 30° от цели. Двусторонняя деактивация ДЗ приводила к точности 60%, но с более крупными ошибками, часто в полуполе, противоположном цели. Поэтому деактивация АЗ приводит к большему количеству мелких ошибок, а деактивация ДЗ приводит к большим, но меньшим количествам ошибок. Этот вывод о том, что деактивация AI и DZ приводит к частичному дефициту локализации звука, подразумевает, что предыдущий вывод о том, что деактивация PAF и AES вносит более значительный вклад в локализацию звука, чем AI или DZ. [10]
Исследования зрительной коры
[ редактировать ]У кошек способность отключать зрительное внимание и перенаправлять его в новое место обычно локализуется в задней средней надсильвиевой коре (pMS), и исследователи хотели определить, удаляются ли при рождении первичные зрительные области коры 17 и 18 , нейроны функции этих областей перераспределяются по другим отделам зрительной коры, например по ПМС. Эта нейронная компенсация сохранит функции областей 17 и 18, но возможной ценой снижения функциональных возможностей компенсирующей коры. После рождения у четырех кошек были повреждены области 17 и 18, а затем их обучали поведенческим задачам, требующим обнаружения и ориентации на визуальный или звуковой (в качестве отрицательного контроля ) стимул. Затем двухсторонние криопетли имплантировали поверх ПМС и вентрально-задней надсильвиевой (ВПС) коры. vPS находится рядом с pMS, и ранее предполагалось, что эти области принимают сети из других визуальных областей. Исследователи обнаружили, что при перемещении зрительных стимулов односторонняя деактивация коры головного мозга частично ухудшала выполнение задач, когда зрительные стимулы перемещались в полуполе, противоположное охлаждаемой стороне мозга. Кроме того, деактивация ипсилатеральной vPS-коры приводила к более полному нарушению выполнения задач. Двусторонняя деактивация коры ПМС, отдельно или в сочетании с двусторонней деактивацией vPS, в значительной степени обращала вспять односторонние нарушения, вызванные охлаждением. Для статических зрительных стимулов односторонняя деактивация ПМС полностью ухудшала выполнение задач в контралатеральном полуполе, тогда как двусторонняя деактивация приводила к полному игнорированию стимулов во всем поле зрения. Для vPS односторонняя деактивация не влияла на производительность задач, а двусторонняя деактивация приводила к несогласованности производительности. Все нарушения были полностью устранены после прекращения охлаждения. Это исследование показало, что пластичность нервной ткани позволяет функциям удаленных участков мозга перераспределяться в функционально различные участки коры. [11] Обратимое охлаждение осуществляли на срезах зрительной коры крыс и наблюдали спайковые характеристики. Охлаждение деполяризовало нервную ткань, приближая клетки к порогу, необходимому для возникновения потенциала действия (спайк). Охлаждение увеличивало ширину спайков, а при температуре от 12 до 20°C амплитуда спайков была максимальной. Охлаждение снижает пассивную калиевую проводимость, одновременно увеличивая порог активации и снижая амплитуду потенциалзависимых калиевых каналов (таким образом существенно снижая способность клеток к реполяризации после потенциала действия). Характеристики натриевых каналов не изменились. Следовательно, основные свойства мембраны изменились из-за изменения соотношения проводимостей калия и натрия, и это изменение зависело от температуры. [12] [13]
Исследования соматосенсорной коры
[ редактировать ]Часть соматосенсорной коры крыс разделена на отдельные участки, называемые бочонками , которые отвечают за стимулы, воспринимаемые каждым усом. Охлаждение поверхности соматосенсорной коры помогает диссоциировать активность, генерируемую в разных стволах, тем самым выявляя некоторые динамики, связанные с корковой обработкой сенсорных сигналов. [14]
Другой
[ редактировать ]Крионаконечники использовались у самцов крыс для охлаждения хвостатой скорлупы (CP) для изучения потребительского поведения. Стержень крионаконечников не был изолирован, поэтому вышележащие ткани, включая мозговые оболочки и кору, покрывающую ЦП, также охлаждались. Все три региона впоследствии были охлаждены в комбинациях и по отдельности, чтобы определить, какие области способствуют снижению потребления. Одно лишь охлаждение коры вызывало условное снижение потребления; снижение потребления зависело от сочетания раствора сахарозы (подлежащего употреблению) с корковым охлаждением. [6]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м Ломбер, С.Г. (1999). Преимущества и ограничения методов постоянной или обратимой дезактивации при оценке нейронных функций. Журнал методов нейробиологии, 86, 109–117.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час Ломбер С.Г., Пейн Б.Р. и Хорел Дж.А. (1999). Криопетля: адаптируемый метод обратимой дезактивации охлаждения для поведенческой или электрофизиологической оценки нервных функций.
- ^ Стаба, Р.Дж., Бретт-Грин, Б., Полсен, М., и Барт, Д.С. (2003). Влияние вентробазального поражения и коркового охлаждения на быстрые колебания (>200 Гц) соматосенсорной коры головного мозга крыс. [Статья]. Журнал нейрофизиологии, 89 (5), 2380-2388.
- ^ Скиннер, Дж. Э., и Линдсли, Д. Б. (1968). Обратимая криогенная блокада неудерживаемых животных. [Статья]. Наука, 161(3841), 595-597.
- ^ Ван, Ю., и Чемберс, К.К. (2001). Роль твердой мозговой оболочки в условном избегании вкуса, индуцированном охлаждением постремной области у самцов крыс. [Обзор]. Поведенческие исследования мозга, 122(2), 113-129.
- ^ Перейти обратно: а б Чемберс, К.К., и Ван, Ю. (2006). Корковое охлаждение вызывает у крыс-самцов условное снижение потребления. [Статья]. Поведенческие исследования мозга, 172(1), 14-23.
- ^ Абла, Э., Тран, член парламента, Исаак, М., Кауфман, ДАС, Муфарридж, Н., и Лиоу, К. (2009). Влияние коркового охлаждения на интериктальную эпилептиформную активность. [Статья]. Европейский журнал эпилепсии «Судороги», 18(1), 61-63.
- ^ Немото, Э.М., Рао, Г.Р., Робинсон, Т., Сондерс, Т., Киркман, Дж., Дэвис, Д. и др. (2004). Эффект местного кортикального охлаждения (15°C в течение 24 часов) с помощью ChillerPad™ после черепно-мозговой травмы у приматов, не являющихся человеком (NHP).
- ^ Перейти обратно: а б Малхотра С. и Ломбер С.Г. (2007). Локализация звука при гомотопической и гетеротопической двусторонней охлаждающей дезактивации первичных и непервичных областей слуховой коры у кошки. [Обзор]. Журнал нейрофизиологии, 97 (1), 26-43.
- ^ Малхотра, С., Стекер, К., Миддлбрукс, Дж. К., и Ломбер С. Г. (2008). Дефицит локализации звука при обратимой дезактивации первичной слуховой коры и/или дорсальной зоны. Журнал нейрофизиологии, 99, 1628–1642.
- ^ Ломбер, С.Г., и Пейн, БР (2001). Реорганизация функций головного мозга, вызванная перинатальным поражением, выявлена с помощью обратимой охлаждающей дезактивации и задач на внимание. [Статья]. Кора головного мозга, 11 (3), 194–209.
- ^ Волгушев М., Видьясагар Т.Р., Чистякова М., Юсеф Т. и Эйсель ЮТ (2000). Мембранные свойства и генерация спайков в клетках зрительной коры крысы при обратимом охлаждении. Журнал физиологии-Лондон, 522 (1), 59-76.
- ^ Волгушев М., Видьясагар Т.Р., Чистякова М. и Эйсель Юта (2000). Синаптическая передача в неокортексе при обратимом охлаждении. [Статья]. Нейронаука, 98(1), 9-22.
- ^ Кублик Э., Мюзиал П. и Вробель А. (2001). Идентификация основных компонентов корковых вызванных потенциалов путем кратковременного охлаждения поверхности. [Статья]. Клиническая нейрофизиология, 112 (9), 1720–1725.