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使用Chiaro纳米压痕仪表征麻醉剂对神经元的作用机制

更新时间:2023-12-05      点击次数:226

牛津大学工程科学系(Department of Engineering Science, University of Oxford)的Antoine Jerusalem团队,在Communications Physics上发表的一项研究中,使用钙成像和纳米压痕的定制实验装置来量化暴露于临床浓度1%异氟醚气体的背根神经节衍生神经元的放电活动和机械特性,来探究全身麻醉剂影响细胞微观结构和潜在力学的改变。他们发现异氟烷在不同的暴露阶段同时动态地改变细胞粘弹性和功能活性。


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神经元的3种处理方式

  1. 流动1%异氟烷气体——为了量化每种处理随时间对细胞的影响,在6个特定时间点进行测量:每次处理之前、期间15/30/45 min、之后30/45 min;

  2. 钙成像——用于测量细胞放电;

  3. 微尺度动态机械分析(DMA)以不同的频率用于测量全细胞(膜,主要是细胞骨架,可能还有细胞核)粘弹性。

证明异氟烷会改变单个神经元的机械特性和放电活动,并且这些改变彼此线性相关。这些发现通过证明细胞机械结构作为一个整体与麻醉暴露期间的功能改变有关,从而协调了提出解释全身麻醉机制的不同理论。还通过证明动作电位是由细胞力学的协同和并发效应定义和控制的,这对力学在电生理学中的作用具有更广泛的影响。

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异氟烷对神经元放电的影响

钙成像用于记录显微镜视野内每个神经元的功能活动。根据功能活动测量计算放电细胞群的比例和放电事件的平均数量,以确定异氟烷对神经元放电的影响。


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异氟烷对神经元力学的影响

使用六个不同频率的动态力学分析(DMA)来测量异氟烷对神经元粘弹性的影响。

神经元粘弹性与放电之间的相关性

对神经元放电的平均次数与平均神经元、或在给定频率下测量。对用异氟烷处理的细胞和流动空气控制期间和之后时间点的数据进行回归。


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微尺度DMA

Optics11 Chiaro纳米压痕仪悬臂上的球对样品施加振荡刺激,神经元和悬臂的光学图像如(a)所示;

单个DMA测量的代表性力-压痕曲线如(b)所示:当悬臂接近并压痕细胞(蓝)时,开始DMA(洋红),悬臂被撤回(黑)。随时间推移,也显示了细胞所经历的力(c)和压痕(d),以及每个DMA频率。蓝色箭头表示接触点,即首先与细胞表面接触的地方。


结论

异氟醚影响神经元放电和粘弹性。在异氟醚的作用下,神经元的放电被改变,而不是被抑制。这些发现与脑电图测量结果一致。同时,异氟醚使神经元E'和E''增加。与E'相比,E''的变化程度较小,且延迟15-30 min。这种延迟是细胞力学的特征,假设是由于细胞从一种能量状态过渡到另一种能量状态时,细胞骨架中的键结合/解结合动力学引起的。异氟醚以这种方式改变细胞力学的事实支持了全身麻醉剂影响细胞内分子间相互作用的假设,并表明全身麻醉剂通过在系统水平上改变细胞热力学来影响细胞活动。此外,观察到的神经元放电和tanδ变化之间的线性相关表明神经元放电和力学是耦合的。


Action of the general anaesthetic isoflurane reveals coupling between viscoelasticity and electrophysiological activity in individual neurons

doi: 10.1038/s42005-023-01252-7