Establishing a three level measuring concept for electrophysiological analysis of acute brain slices

Ziel dieser Arbeit war der Aufbau und die Etablierung eines dreistufigen Messkonzepts für elektrophysiologische Arbeiten. Diese Kombination von elektrophysiologischen Messaufbauten zu einer Analyse‐Straße sollte es einem ermöglichen, Netzwerke unterschiedlicher Größenordnungen ebenso wie deren Zusammenspiel zu erforschen und dadurch die Wirkmechanismen von Pharmazeutika sowie die Untersuchung transgener Tiermodelle effizienter und schneller zu gestalten. Als Methoden dienten Feldpotentialmessungen, ein Multielektroden Array sowie Patch‐Clamp‐Messungen. Für Feldpotential‐ und Oszillationsmessungen wurde ein Aufbau mit vier Interface‐Kammern des Haas‐Typs und sechzehn Messelektroden generiert. An diesem wurde erfolgreich ein ɣ‐Oszillationsprotokoll im PrL der Ratte etabliert. Es konnte weiterhin für Oszillationen im PrL gezeigt werden, dass Ratte und Maus unterschiedlich auf dasselbe Protokoll reagieren, dass cholinerge Agonisten die Frequenz und Power, während nikotinische Antagonisten die Power modulieren, dass Oszillationen in NRG3‐KO‐Mäusen in PrL und Hippocampus sich signifikant vom Wildtyp unterscheiden. Außerdem ließ sich durch den Aufbau das Langzeitverhalten von Oszillationen beschreiben und der Tierverbrauch für Oszillationsexperimente reduzieren. Ein Multielektrodenarray konnte erfolgreich etabliert werden. Bei Messungen von NRG3‐KO‐Mäusen konnte gezeigt werden, dass sich die Stabilität raumzeitlicher LFP‐Muster gegenüber dem Wildtyp deutlich reduziert ist. Ein Multi‐Patch‐Clamp‐Aufbau mit acht Mikromanipulatoren konnte erfolgreich etabliert werden. Es zeigte sich im Laufe der Arbeit, dass diese Konfiguration perfekt für Konnektivitätsmessungen und Charakterisierung uniformer Areale im Neocortex ist, aber ungeeignet für den Einsatz in dünnen Zellbändern und kleiner Areale ist. Hier bot sich für Konnektivitätsmessungen die „Lose Zellangehaftete Methode“ nach Barbour et alii (Barbour and Isope, 2000) an. Mit dieser Methode konnte sowohl im PrL als auch im Hippocampus von NRG3‐KO‐Mäusen Unterschiede in der Konnektivität zwischen Pyramidenzellen und Interneuronen gegenüber dem Wildtyp effizient festgestellt werden. Damit kann die „lose Zellangehaftete Methode“ als alternative Patch‐Clamp‐Methode zur Konnektivitätsanalyse gestellt werden. Diese hier vorgestellte Straße von elektrophysiologischen Messaufbauten ist ein effektives Werkzeug für die Charakterisierung von Pharmaka und genetisch veränderten Tiermodellen und wird mit voranschreitender Automatisierung, günstigerer Technik und Inkorporation weiter Methoden zunehmend zur Standardisierung der Analyse akuter Hirnschnitte beitragen.Aim of this thesis was the establishment of a three‐level measurement concept for electrophysiological studies. The combination of electrophysiological setups to a streamlined analyzation pipeline should enable the experimenter to investigate networks of different sizes as well as their interaction, thereby making the study of drugs mode of action or transgenic animal models more efficient and faster. Field potential measurements, multi electrode arrays and patch‐clamp will be the methods of choice. For field potential and oscillation measurements a setup with four Haas‐type interface chamber and sixteen electrodes was constructed. A ɣ‐oscillation protocol in PrL of the rat has been successfully established. It could be shown for oscillations in the PrL that rats and mice react differently to the same protocol, that cholinergic agonists modulate frequency and power and nicotinic antagonists only influence power and that oscillations in NRG‐KO‐mice in PrL and hippocampus significantly differ from the wildtype. Furthermore with this kind of setup long term behavior of oscillations can be described and animal usage reduced. A multi electrode was established successfully. Measurements in NRG3‐KO‐mice could show that dopamine induced pattern generation differ from wildtype animals. A multi‐patch‐clamp setup with eight micromanipulators was established successfully. Throughout the work with the setup it was shown, that it this configuration was perfect for measurements of connectivity and characterizing uniform areas but is unsuitable for work in thin cell layers and small areas. Here the use of a lose cell attached method after Barbour et alii (Barbour and Isope, 2000) for measurements of connectivity was optimal. With this method we could show differences in connectivity between pyramidal cells and interneurons for NRG3‐KO‐mice compared to wildtype. The lose cell attached method is a reliable alternative patch‐clamp‐method for connectivity measurements. With this method we could show differences of connectivity between pyramidal cells and interneurons of NRG3‐KO‐micer in PrL and Hippocampus compared to wildtype. This pipeline of electrophysiological setups is an effective tool for the characterization of drugs and genetically modified organisms and with progressing atomization, cheaper technology and incorporation of more methods even extend its beneficalness

NMDA-receptor inhibition and oxidative stress during hippocampal maturation differentially alter parvalbumin expression and gamma-band activity

Abstract Dysfunction of parvalbumin (PV)-expressing interneurons is thought to underlie the alterations of gamma-band oscillations observed in schizophrenia. Although the pathomechanisms of this disease remain unclear, oxidative stress induced by NMDA receptor (NMDAR) hypofunction and decreased glutathione (GSH) synthesizing capacity have been shown to lead to PV-loss and aberrant oscillatory activity. However, the individual contributions of NMDAR-inhibition and GSH-depletion to the developmental alterations observed in schizophrenia are largely unknown. We therefore investigated each condition in isolation using hippocampal slice cultures wherein interneuron maturation occurs entirely in vitro. Although both treatments caused oxidative stress, NMDAR-inhibition led to an immediate reduction in gamma oscillation frequency and a delayed loss of PV. In contrast, GSH-depletion immediately decreased PV expression and increased power, without affecting frequency. Hence, although disturbances of PV-expression and gamma oscillations coexist in schizophrenia, they can arise from separate pathological processes

Author Correction: NMDA-receptor inhibition and oxidative stress during hippocampal maturation differentially alter parvalbumin expression and gamma-band activity

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