Kortikální chlazení - Cortical cooling - Wikipedia

Neurovědy generovat různé studie, které pomohou vysvětlit mnoho složitých souvislostí a funkcí systému mozek. Většina studií využívá zvířecí modely které mají různé stupně srovnání s lidským mozkem; například malé hlodavce jsou méně srovnatelné než subhumánní primáti. Jedním z nejvíce definitivních způsobů, jak určit, které části mozku přispívají k určitému chování nebo funkci, je deaktivovat část mozku a sledovat, jaké chování je změněno. Vyšetřovatelé mají širokou škálu možností deaktivace nervová tkáň a jednou z nedávno vyvinutých metod, která se používá, je deaktivace chlazením. Kortikální chlazení odkazuje na metody chlazení omezené na mozková kůra, kde dochází k většině vyšších mozkových procesů. Níže je uveden seznam současných metod chlazení, jejich výhod a omezení a některé studie, které používají chlazení k objasnění neurálních funkcí.

Metody chlazení nervové tkáně

Existuje několik možností pro chlazení nervové tkáně; zvolená metoda závisí na experimentálním návrhu včetně části ochlazovaného mozku (sledovaná část) a objemu této části.

Kryoloops

Cryoloops jsou chladicí zařízení, která používají podkožní hadičky z nerezové oceli o rozměru 23 ve tvaru smyčky, do které se vejde sulci nebo na gyri části zájmu mozkové kůry. Čerpadlo čerpá methanol ze zásobníku a tekutina proudí přes lázeň se suchým ledem, aby se ochladila. Chlazený methanol proudí teflonovými trubkami do kovových trubek kryoloopu, které jsou zajištěny průchodem závitovým sloupkem. Konektor termočlánku přijímá vodiče z a mikrotermočlánek ve spodní části smyčky (kde se setkávají přívodní a odtokové trubice), která měří teplotu hadičky. Sloupek, konektor termočlánku a teplem smrštitelná teflonová trubka, která obklopuje vodiče mikrotermočlánku a přívodní a odtokové trubice mezi sloupkem a mikrotermočlánkem, jsou utěsněny dentálním akrylem.

Cryoloop

Po implantaci, když se zvíře neúčastní experimentu, se přes otevřené přítokové a odtokové trubice umístí ochranná čepička. Během experimentu jsou přítokové a odtokové trubky připojeny k teflonové hadici připojené k nastavení nádrže. Konektor termočlánku je připojen ke spínací skříňce a teploměru, takže lze monitorovat teplotu kryoloopu.[1][2]

Cryoloops jsou považovány za nejadaptabilnější formu chlazení, která je k dispozici díky přizpůsobení nezbytnému pro každý experiment. Vyšetřovatel musí vytvořit funkční chladicí smyčku kryoloopu, aby se vešel do jakékoli části mozku, kterou chce studovat, a pro jeden mozek lze použít několik kryoloops. Každé zařízení může ochladit řadu oblastí tkání od méně než 10 mm3 na 75 mm3. I když lze považovat za potíž s vytvořením každého zařízení pro každou část zájmu, toto přizpůsobení umožňuje kontrolovanější oblast chlazení a efektivnější použití zvířat z důvodu možnosti více míst chlazení v každém zvířeti. Opěrka hlavy není nutná, protože smyčky jsou chronicky implantovány a zajištěny k lebce šrouby a dentálním akrylem.[1][2]

Chladicí desky

Chladicí desky jsou plochá zařízení, která mají obecně kruhový tvar a mohou ochladit objemy tkáně 35 mm3 do 100 mm3, obvykle pomocí termoelektrický chlazení.[1] Někteří vyšetřovatelé mohou použít podobné nastavení, jaké je nutné pro kryoloop k ochlazení desky (tok chladicí kapaliny lázní se suchým ledem).[3] Elektrické připojení potřebné pro chlazení je však jednodušší metodou než nastavení nezbytné pro trubky naplněné chladicí kapalinou. Aby byla zajištěna stabilita dlahy po implantaci, musí zvíře podstoupit pevnou opěrku hlavy, což omezuje typ chování, které lze studovat. Desky se také nemohou přizpůsobit některým oblastem mozku kvůli různým tvarům dlahy a mozku a nebyly úspěšně zavedeny do sulci.[1]

Kryotipy

Cryotips jsou vyrobeny ze dvou hypodermických jehel z nerezové oceli, například 18 měřidlo trubice obklopující trubku o rozměru 24, pájená dohromady. Stejně jako kryoloop protéká chlazený methanol vnitřní trubkou, aby zařízení ochladil. Pokud se vyšetřovatel rozhodne izolovat hřídel trubice, lze kolem vnější trubice omotat nízkoodporový topný vodič, s výjimkou 2 mm na špičce; průchod stejnosměrného proudu drátem udržuje hřídel na normální teplotě mozku. To zajišťuje lokalizované chlazení na špičce, která je vložena do mozku, aby dosáhla hlubších struktur, aniž by ochladila nad ní ležící struktury. K měření teploty hřídele a špičky je zapotřebí více než jeden mikrotermočlánek.[4] Modifikované verze tohoto zařízení používají trubky menšího rozměru (rozchod 21 a 30) a je připojena další hadice k vytvoření vidlice ve tvaru y s HFC-134a chladicí prostředek protékající dvojitou hadicí, zatímco vidlice je pod vakuem. Vakuum způsobuje, že chladicí kapalina proudí z vnitřní trubky do vnější trubky (takže chladicí kapalina je mezi vnitřní a vnější trubkou i uvnitř vnitřní trubky).[5] Kryotipy se obvykle používají k ochlazení hlubších struktur mozku, které nelze z povrchu termodynamicky ochladit. Při kortikálním chlazení se příliš nepoužívají kvůli malým objemům, které jsou chlazeny - vyšetřovatelé chladící kortikální tkáň se obvykle zajímají o větší úseky, než může toto zařízení ochladit. Kryotips ochladí tkáně o objemu 2 mm3 na 5 mm3.[1] Hřídel zařízení je obvykle pro místní chlazení izolovaná nebo dokonce zahřátá, nicméně některé studie kromě hlubších sekcí používají k chlazení povrchových struktur i neizolované kryotipy.[6]

jiný

Epileptický pacienti mohou podstoupit chirurgický zákrok resekce snížit výskyt záchvatů a mapování kortikální stimulace identifikuje funkční nervovou tkáň, aby ji zachovala. Až 5% těchto pacientů však během mapování bude trpět intraoperačními záchvaty. Nedávno byl u některých z těchto pacientů během chirurgické resekce použit chlazený fyziologický roztok, u kterého bylo zjištěno, že snižuje intraoperační epileptiformní výboje (elektroencefalogram frekvence špičky), což naznačuje, že potenciál intraoperačního záchvatu lze snížit ochlazením tkáně.[7]

Výhody a omezení

Běžnou metodou deaktivace při studiu funkce mozku je ablace nervové tkáně, ale existuje několik nevýhod. Přesné umístění a rozsah ablace, ať už způsobené chemickými látkami nebo lézemi, lze určit pouze po smrti. Pokud k ablaci došlo na nežádoucím místě nebo deaktivovalo více tkáně, než bylo zamýšleno, čas a prostředky již byly vynaloženy při získávání výsledků nesouvisejících s navrženým vyšetřováním. Ablace také trvale deaktivuje sledovanou část v důsledku poškození nebo odstranění nervové tkáně. Jelikož tkáň nelze znovu aktivovat, nelze získat kontrolní opatření, která lze přímo porovnat s účinky vyvolanými deaktivací. Musí být provedena srovnání mezi zvířaty, která budou mít inherentní rozdíly, takže vnitřní dvojité disociace nejsou možné. Další hlavní nevýhodou použití ablace k deaktivaci tkáně je to, že protože mozek je plastický, zatímco zvířata se zotavují z ablační chirurgie, mozková kůra je schopná modifikovat neurální sítě aktivací nových spojení nebo posílením již existujících. To by mohlo způsobit, že se výsledné chování při vyšetřování bude jevit normální, i když byla část mozku zvířete deaktivována, a poté by vyšetřovatelé nebyli schopni určit příspěvek deaktivované sekce k normální funkci. K překonání mnoha z těchto nevýhod lze místo ablace použít kortikální chladicí zařízení.[1][2]
I když umožňuje chlazení řady oblastí tkáně (od malých kryotipů po velmi velké, pokud se používá více kryoloopsů nebo chladicí desky), je použití chladicích zařízení reverzibilní metodou, která umožňuje řízení doby deaktivace a při vypnutí trvá pouze minut, aby zvíře získalo plnou funkci. Tyto výhody platí, i když se deaktivace opakují po dlouhou dobu, měsíce až roky, bez známek útlumu.[1]

Absence neurální kompenzace

Kortikální chladicí zařízení nezpůsobují žádné poškození nervové tkáně, když jsou implantována nebo opakovaně používána k ochlazení sledovaného úseku. To umožňuje obrácení deaktivace a eliminuje obavy z neurální kompenzace. Chlazení lze rychle inicializovat a ukončit pomocí aktuálně dostupných zařízení, takže nervová tkáň nemá čas na vytváření nebo posilování neuronových sítí. Tím je zajištěno, že deaktivace indukuje účinek na nervovou funkci a studované chování je produkováno z deaktivované tkáně, a nikoli z modifikovaných sítí.[1][2]

Efektivní používání zvířat

Reverzibilita deaktivace umožňuje zvířatům být použity jako jejich vlastní kontroly, což odstraňuje rozdíly mezi zvířaty označenými jako „kontrolní“ a zvířaty v experimentální skupině a umožňuje vnitřní dvojité disociace. Pro každé zvíře lze shromáždit velké množství dat, protože může podstoupit několik pokusů v jednom experimentu, nebo v případě chronicky implantovaných kryoloopsů a kryotipů použít ve více než jednom experimentu. Tyto výhody umožňují menší počet zvířat potřebných pro každý experiment při získávání spolehlivých výsledků.[1][2]

Kontrola deaktivovaných parametrů tkáně

Na základě termodynamických principů termoklinů lze určit pro stanovení šíření chlazení z konkrétních chladicích ploch. Proto pro každé chladicí zařízení se známou a konzistentní povrchovou plochou lze nastavit teplotu na stejnou hodnotu pro každý pokus nebo experiment, aby se generovaly stejné termokliny a replikoval se stejný objem deaktivace. Specificky vybrané oblasti tkáně proto mohou být reverzibilně deaktivovány kontrolovaným a reprodukovatelným způsobem.[1] Bylo zjištěno, že 20 ° C je kritická teplota pro aktivní neuronové signály; pod touto teplotou, aferentní signály nemohou aktivovat neurony a tkáň je považována za deaktivovanou. Dokud požadovaná tkáň dosáhne pod kritickou teplotu, zatímco okolní tkáň zůstane nad ní, lze termokliny generované zařízením předem vypočítat, takže lze teplotu nastavit tak, aby pouze deaktivovala sledovanou tkáň.[2]
Chlazení lze také zahájit a ukončit se stejnou dobou potřebnou k dosažení zakaždé deaktivační teploty nebo normální fyziologické teploty. To umožňuje kontrolu nad nástupem deaktivace, jejím trváním a zotavením pro každý experiment.[1][2]

Experimentální omezení kvůli fyzickému nastavení

Protože zařízení vyžadují chlazení externím mechanismem, budou zvířata do určité míry omezena. U chladicích desek je nezbytná pevná opěrka hlavy, aby se zajistilo, že destička zůstane nad požadovanou částí tkáně, a destičky vyžadují k chlazení elektrické připojení. U kryoloopsů a kryotipsů zvířata nevyžadují pevnou opěrku hlavy, protože zařízení jsou chronicky implantována, ale mají omezený prostor, ve kterém se mohou pohybovat kvůli vzdálenosti povolené trubkami dodávajícími chlazený metanol.[1] Trubky mají obvykle délku 1 metr, aby bylo zajištěno, že methanol bude mít požadovanou chladnou teplotu v době, kdy dosáhne funkční chladicí plochy; jinak by měla být hadice izolována. Tato omezení omezují některá chování, která lze studovat, ve srovnání s těmi, které jsou možné, když není vyžadováno žádné externí nastavení.[2]

Studium poškozené tkáně

Použití metod chlazení k deaktivaci tkáně není vždy tou nejlepší volbou. Pokud má studie za cíl určit účinky poškození na chování nebo funkci, nejpravděpodobnějším modelem, který lze použít, je pravděpodobně reverzibilní metoda, která nepoškodí tkáň, aby narušila nervovou aktivitu. Při studiu poškozené tkáně by použití ablace pravděpodobně vytvořilo nejpodobnější deficity chování a funkcí.[1]

Využití v neurovědě

Tyto metody chlazení byly použity k deaktivaci nervových tkání v několika studiích a vyšetřovatelé objasnili příspěvky několika oblastí mozku k normální funkci a chování.

Traumatické zranění mozku

U subhumánních primátů bylo zjištěno, že po ochlazení kůry traumatické zranění mozku mohlo dojít nekróza objem o 50% do 10 dnů po poranění a otok objem o 50% až 40 hodin po poranění. Proto chlazení pomáhá zachovat tkáň po poranění.[8]

Studie sluchové kůry

Chcete-li zjistit, k jakým částem sluchové kůry přispívají zvuková lokalizace, vyšetřovatelé implantovali kryoloops k deaktivaci 13 známých oblastí akusticky reagující kůry kočky.

Sluchová kůra kočičího mozku. Barevné části jsou ty, které mají implantované kryoloopy (celkem 10), které zahrnují 13 akusticky citlivých částí sluchové kůry kočky. A - přední, P - zadní.

Kočky se naučily orientační odezvy pohybem hlav a přibližováním se k 100ms širokopásmovému stimulu hluku vydávanému centrálním reproduktorem nebo jedním z 12 periferních reproduktorů umístěných v 15 ° intervalech zleva 90 ° doprava 90 ° podél vodorovné roviny po absolvování centrálního vizuálního podnětu generovaného červenou LED. Poté, co kočky dosáhly alespoň 80% přesnosti při identifikaci umístění zvukového stimulu, byla každému implantována jedna nebo dvě bilaterální páry kryoloops přes různé úseky sluchové kůry; Bylo definováno 10 sekcí. Kryoloops byly zapnuty tak, aby smyčky dosáhly teploty 3 ° C (plus nebo mínus 1 ° C), nejprve jednostranně, poté dvoustranně, další jednostranně na druhé straně a nakonec byl po zotavení z chlazení zaznamenán výkon základní úlohy. Tento cyklus se opakoval několikrát pro každou kočku.[9]

Z 10 deaktivovaných sekcí byla deaktivována pouze 3 sekce AI (primární sluchová kůra) Bylo zjištěno, že úseky DZ (hřbetní zóna), PAF (zadní sluchové pole) a AES (přední ektosylvianový sulcus) mají vliv na zvukovou lokalizaci. Na začátku byly kočky schopné lokalizovat 90% zvukových podnětů. Jednostranná deaktivace kterékoli z těchto částí vedla k kontralaterální zhoršení zvukové lokalizace nebo 10% přesnost. Dvoustranná deaktivace jakékoli kombinace těchto tří sekcí vedla k 180 ° deficitu na 10% identifikovaných zvukových míst, i když tato přesnost naznačovala, že kočky se stále dokázaly orientovat na polopás, kde se zvuk vyskytl nad náhodou (7,7%).[9] Vzhledem k tomu, že primární sluchová kůra a hřbetní zóna byly současně ochlazovány, provedli vyšetřovatelé další studii, ve které byly AI a DZ zkoumány jako samostatné entity, aby se dále vytvořily sekce sluchové kůry přispívající ke zdravé lokalizaci. Experimentální design byl stejný jako výše uvedený design s výjimkou, že pouze sekce AI a DZ byly implantovány samostatnými kryoloops. Opět bylo zjištěno, že jednostranná současná deaktivace chlazení AI a DZ generovala kontralaterální deficity lokalizace zvuku, zatímco dvoustranná deaktivace vytvořila deficit v obou hemifieldech (10% identifikace zvukového umístění). Samotná oboustranná deaktivace AI vedla pouze k 45% přesnosti do 30 ° od cíle. Dvoustranná deaktivace DZ vedla k 60% přesnosti, ale s většími chybami, často do hemifieldu naproti cíli. Deaktivace AZ proto vytváří vyšší počet malých chyb, zatímco deaktivace DZ vede k větším, ale méně chybám. Toto zjištění, že deaktivace AI a DZ produkuje částečné deficity ve zvukové lokalizaci, implikuje, že předchozí zjištění, že deaktivace PAF a AES má na lokalizaci zvuku významnější podíl, než AI nebo DZ.[10]

Studie zrakové kůry

U koček je schopnost odpoutat vizuální pozornost a přesměrovat ji na nové místo obvykle lokalizovatelná v zadní střední suprasylvické (pMS) kůře a vyšetřovatelé chtěli zjistit, zda, kdy primární vizuální kortikální oblasti 17 a 18 jsou odstraněny při narození, nervové funkce těchto oblastí jsou redistribuovány do dalších částí zrakové kůry, jako je pMS. Tato neurální kompenzace by ušetřila funkci oblastí 17 a 18, ale za možné náklady na snížení funkčních schopností kompenzační kůry. Po narození byly oblasti 17 a 18 poškozeny u čtyř koček a poté byly proškoleny v behaviorálních úlohách vyžadujících detekci a orientaci na vizuální nebo zvukový signál (jako negativní kontrola ) stimul. Poté byly implantovány bilaterální kryoloopy přes pMS a ventrální zadní suprasylvické (vPS) kůry. VPS leží v sousedství pMS a tyto oblasti byly dříve předpokládány pro příjem sítí z jiných vizuálních oblastí. Vyšetřovatelé zjistili, že u pohyblivých vizuálních podnětů jednostranná deaktivace mozkové kůry pMS částečně zhoršila výkonnost úkolu, když byly vizuální podněty přesunuty do hemifieldu naproti straně ochlazovaného mozku. Další deaktivace ipsilaterální vPS kůry způsobila úplnější zhoršení úkolu. Dvoustranná deaktivace mozkové kůry pMS, buď samostatně, nebo v kombinaci s dvoustrannou deaktivací vPS, do značné míry zvrátila jednostranně ochlazování vyvolané poruchy. U statických vizuálních podnětů jednostranná deaktivace pMS plně narušila výkonnost úkolu v kontralaterálním hemifieldu, zatímco oboustranná deaktivace způsobila úplné zanedbání stimulů v celém zorném poli. U vPS neměla jednostranná deaktivace žádný vliv na výkon úkolu, zatímco dvoustranná deaktivace generovala nekonzistence ve výkonu. Po ukončení chlazení byla všechna poškození zcela obrácena. Tato studie ukázala, že plasticita nervové tkáně umožnila funkcím z odstraněných částí mozku redistribuovat do funkčně odlišných částí kůry.[11] Na plátcích zrakové kůry krysy bylo provedeno reverzibilní ochlazení a byly pozorovány charakteristiky špice. Chlazení depolarizovaný nervová tkáň, čímž se buňky přibližují k prahu nezbytnému pro akční potenciál (špice). Chlazení zvýšilo šířku hrotu a mezi 12 a 20 ° C byly amplitudy hrotu největší. Chlazení snížilo pasivní vodivost draslíku a zároveň zvýšilo práh aktivace a snížilo amplitudu napěťově řízené draslíkové kanály (což v podstatě snižuje schopnost buněk repolarizovat po akčním potenciálu). Nebyly změněny žádné charakteristiky sodíkového kanálu. Proto byly základní vlastnosti membrány změněny v důsledku upraveného poměru vodivosti draslíku a sodíku a tato změna byla závislá na teplotě.[12][13]

Studie somatosenzorické kůry

Část somatosenzorická kůra krys je uspořádán do samostatných sekcí zvaných sudy to odpovídá podnětům snímaným každým vousem. Chlazení povrchu somatosenzorické kůry pomáhá disociovat aktivitu generovanou v různých sudech, čímž přináší na světlo část dynamiky zapojené do kortikálního zpracování senzorických vstupů.[14]

jiný

Krysy byly použity k ochlazení krysích samců caudate putamen (CP) ke studiu spotřebitelského chování. Hřídel kryotipů nebyla izolována, takže byla ochlazena také překrývající se tkáň včetně meningů a kůry překrývající CP. Všechny tři regiony byly následně chlazeny kombinací a odděleně, aby se určilo, které oblasti přispívají ke snížení spotřeby. Samotné chlazení kůry způsobilo podmíněné snížení spotřeby; snížení spotřeby bylo podmíněno spárováním roztoku sacharózy (určeného ke spotřebě) s kortikálním chlazením.[6]

Viz také

Reference

  1. ^ A b C d E F G h i j k l m Lomber, S.G. (1999). Výhody a omezení permanentních nebo reverzibilních deaktivačních technik při hodnocení neurální funkce. Journal of Neuroscience Methods, 86, 109-117.
  2. ^ A b C d E F G h Lomber, S. G., Payne, B. R. a Horel, J. A. (1999). Kryoloop: adaptabilní reverzibilní metoda deaktivace chlazení pro behaviorální nebo elektrofyziologické hodnocení nervových funkcí.
  3. ^ Staba, R. J., Brett-Green, B., Paulsen, M., & Barth, D. S. (2003). Účinky ventrobazální léze a kortikální ochlazení na rychlé oscilace (> 200 Hz) v somatosenzorické kůře krysy. [Článek]. Journal of Neurophysiology, 89 (5), 2380-2388.
  4. ^ Skinner, J. E. a Lindsley, D. B. (1968). Reverzibilní kryogenní blokáda neomezených zvířat. [Článek]. Science, 161 (3841), 595-597.
  5. ^ Wang, Y., & Chambers, K. C. (2001). Role tvrdé pudy při podmíněném vyhýbání se chuti vyvolané ochlazením postrému v oblasti samců potkanů. [Posouzení]. Behavioral Brain Research, 122 (2), 113-129.
  6. ^ A b Chambers, K. C., & Wang, Y. (2006). Kortikální chlazení vyvolává podmíněné snížení spotřeby u samců potkanů. [Článek]. Behavioral Brain Research, 172 (1), 14-23.
  7. ^ Ablah, E., Tran, M. P., Isaac, M., Kaufman, D. A. S., Moufarrij, N., & Liow, K. (2009). Vliv kortikálního chlazení na interiktální epileptiformní aktivity. [Článek]. Seizure-European Journal of Epilepsy, 18 (1), 61-63.
  8. ^ Nemoto, E. M., Rao, G. R., Robinson, T., Saunders, T., Kirkman, J., Davis, D. a kol. (2004). Účinek lokálního kortikálního chlazení (15 ° C po dobu 24 hodin) s ChillerPad ™ po traumatickém poranění mozku u primáta (NHP).
  9. ^ A b Malhotra, S., a Lomber, S. G. (2007). Lokalizace zvuku během homotopické a heterotopické oboustranné ochlazování deaktivace primárních a nonprimary sluchových kortikálních oblastí u kočky. [Posouzení]. Journal of Neurophysiology, 97 (1), 26-43.
  10. ^ Malhotra, S., Stecker, C., Middlebrooks, J. C. a Lomber S. G. (2008). Nedostatky zvukové lokalizace během reverzibilní deaktivace primární sluchové kůry a / nebo hřbetní zóny. Journal of Neurophysiology, 99, 1628-1642.
  11. ^ Lomber, S. G., & Payne, B. R. (2001). Reorganizace mozkových funkcí vyvolaná perinatální lézí byla odhalena pomocí reverzibilní deaktivace chlazení a úkolů pozornosti. [Článek]. Cerebral Cortex, 11 (3), 194-209.
  12. ^ Volgushev, M., Vidyasagar, T. R., Chistiakova, M., Yousef, T., & Eysel, U. T. (2000). Vlastnosti membrány a tvorba hrotu v krysích zrakových kortikálních buňkách během reverzibilního chlazení. Journal of Physiology-London, 522 (1), 59-76.
  13. ^ Volgushev, M., Vidyasagar, T. R., Chistiakova, M., & Eysel, U. T. (2000). Synaptický přenos v neokortexu během reverzibilního chlazení. [Článek]. Neuroscience, 98 (1), 9-22.
  14. ^ Kublik, E., Musial, P., & Wrobel, A. (2001). Identifikace hlavních složek v kortikálních evokovaných potenciálech krátkým povrchovým chlazením. [Článek]. Clinical Neurophysiology, 112 (9), 1720-1725.

externí odkazy