Simultaneous electrical and optical neural recording for zinc transmission

Abstract

Zinc is an essential trace element for mammalian cells and used as a neurotransmitter or modulator in the central nervous system. The highest concentrations in the brain were found in the hippocampus and the cerebral cortex where Zn2+ is primarily localized in nerve endings of glutamatergic neurons. More specific concentration of Zn2+ was estimated in order to understand the influence of Zn2+ on neuronal cells in the brain. In the early stages of researches used atomic absorption spectroscopy and recent studies are focused on analyzing Zn2+ concentration through the transition of intensity using fluorimetric Zn2+ probes. Zn2+ released from the synapse regulates the excitability of neurons under normal conditions. However, it is reported that the exposure of neurons to high concentrated Zn2+ leads to selective neuronal death. Moreover, Zn2+ contributes to the brain function and neuropathology associated with a neuronal problem, such as Alzheimer’s disease, stroke, and seizures. Nevertheless, exact function of zinc is still not well known. Therefore, system monitoring concentration of Zn2+ both in the neuronal cells and brain is required. In previous studies, in order to find out the relationship between Zn2+ and neurons, fluorescence imaging technique of Zn2+ is frequently and widely used. However, fluorescence probe can detect a specific moment of among the change of concentration of Zn2+ because it is not reversible. Thus, in the long term studies, it was not suitable for observing the continuous effect of zinc to live cells. Moreover, the zinc ions related studies necessary to distinguish specific distinction between extracellular zinc and intracellular zinc. In this study, the alteration of neuronal activity and optical response in accordance with the change of zinc concentration on the cultured hippocampal neurons on microelectrode arrays (MEAs) was observed. The extracellular zinc and intracellular zinc were treated into the cultured hippocampal neurons separately. Concentration of zinc used in the experiments varied from 1 μM to 100 μM. Depending on the zinc concentration and location, the different phenomenons have been found. When the measurement held simultaneously by electrical and optical method, the frequency of action potentials increased at low concentrations of zinc and decreased at high concentration. In addition, the long-term time dependent response of action potential activity was measured at certain zinc ions concentration. The results showed that the effect was different according to zinc concentration and location. It was also appeared that concentrations of intracellular zinc more directly related to neuronal death then extracellular zinc. Moreover, in order to estimate the difference of basal level of zinc ions in brain slice, newly developed sensor was used in the study. In this study, the effect of zinc on neurons was observed by using optical and electrophysiological methods simultaneously. This study provides further insight into the mechanism of zinc transmission in neuronal cells and is expected to be a reference for the study of electrophysiologic and optic observation and analysis of the effects of zinc.;아연은 포유 동물 세포에게 중요한 미량의 원소이며 여러 효소의 기능이나 유전자 발현을 조절하는데 중요한 역할을 한다. 아연은 포유 동물의 뇌의 개별 영역에 많은 양이 분포되어 있는데, 가장 높은 농도의 아연은 글루타메이트 신경 세포의 신경 말단이 주로 위치하고 있는 해마와 대뇌 피질에서 나타난다. 뇌에서 신경세포에 미치는 아연의 영향을 파악하기 위해 아연 농도의 정량화가 필요하다. 초기에는 방사성 원소 등을 해마의 슬라이스 된 조직에 사용했고 그 후에는 형광 염색법을 사용해 부위 별 아연의 농도를 추정했다. 최근 연구들은 형광 분자를 사용한 방식이 많이 사용되고 있으며 밝기 차에 따른 아연의 이동 및 농도 변화에 집중하고 있다. 시냅스에서 분비된 아연은 정상적인 상태에서 신경 세포의 흥분성을 조절하는 역할을 한다. 그러나 내재되어 있는 아연은 알츠하이머나 발작과 같은 다양한 상황에서는 신경 세포의 죽음이나 신경 병리학에 연관되어 중요한 역할을 한다. 급성 뇌 발작이 일어나면 세포 밖 아연 농도가 수백 마이크로 몰랄 농도에 다다를 정도로 상승하여 대뇌 피질의 신경 세포의 죽음을 초래하기도 한다. 그러나 이러한 뇌 질병들과 뇌 기능에 아연이 중요한 역할을 하고 있음에도 아연의 제대로 된 기능은 아직 알려지지 않았다. 그러므로 뇌와 신경 세포에서 아연의 농도를 지속적으로 관찰할 수 있는 시스템이 필요하다. 기존의 아연의 형광 염색법은 특정한 순간에서의 아연의 농도 변화 정도만 관찰할 수 있기 때문에 장시간의 관찰하기에는 적합하지 않다. 그럼에도 불구하고 장시간의 아연의 영향에 대한 연구가 더욱 중요하고 그 기전을 파악해야 하는 연구가 필요하다. 또한, 이전까지는 세포 내부의 아연과 세포 외부에 존재하는 아연을 크게 구분하지 않았으나 신경세포의 광범위적 죽음을 유발하는 아연의 영향을 이해하기 위해서는 아연의 위치를 파악하는 것이 중요하다. 그러므로 아연의 역학 관계를 더 자세히 파악하기 위해 전기생리학적인 접근도 필요하다. 본 연구에서는 광학적인 방법과 전기생리학적인 방법을 동시에 사용하여 신경세포에서의 아연 전달 방식을 파악하였다. 높은 농도의 아연이 분포되어 있는 해마 부분의 신경세포를 다채널전극 위에서 배양해 실험에 사용하였다. 신경세포의 활성도와 생존도를 실시간으로 관찰하기 위해 다채널 전극과 형광 분자가 함께 사용되었다. 이를 통해 아연 형광 분자와 전기생리학적인 신호의 상호 연관성을 관찰하였다. 또한, 세포의 내부와 세포의 외부의 아연의 농도를 구분해 아연의 농도 변화에 따른 해마 신경세포의 활성빈도 변화를 관찰하였다. 아연의 위치에 따라 기전에 차이가 있었고 아연의 농도가 1μM(저농도)에서 100μM(고농도)까지 변해감에 따라 활성빈도 양상에도 차이가 있었다. 저농도의 아연에서는 활성빈도가 증가했으며 고농도의 아연에서는 활성빈도가 감소했고 신경세포가 죽는 양상도 관찰할 수 있었다. 본 연구에서는 아연이 신경세포에 미치는 영향을 광학적인 방법과 전기생리학적인 방법을 동시에 사용하여 상호 연관성을 관찰하였다. 이 연구를 통해 신경세포에서의 아연 전달 기전을 더 자세히 파악할 수 있었고 아연의 영향을 전기생리학적으로 관찰 및 분석하는 연구를 진행하는데 참고가 될 수 있을 것으로 기대한다.