acuut<em> In Vivo</em> Elektrofysiologische opnamen van lokale veldpotentialen en multi-unit activiteit van de Hyperdirect Pathway in verdoofde ratten
Summary
In deze studie wordt de methode gepresenteerd over het uitvoeren van multi-site in vivo elektrofysiologische opnamen van de hyperdirecte weg onder urethaananesthesie.
Abstract
Convergeert bewijs blijkt dat veel neuropsychiatrische ziekten moeten worden begrepen als aandoeningen van grootschalige neuronale netwerken. Om de pathofysiologische basis van deze ziekten beter te begrijpen, is het noodzakelijk om precies te karakteriseren op welke wijze de verwerking van informatie verstoord raakt tussen de verschillende neuronale delen van het circuit. Met behulp van extracellulaire in vivo elektrofysiologische opnamen is het mogelijk om neuronale activiteit nauwkeurig te definiëren binnen een neuronaal netwerk. De toepassing van deze methode heeft meerdere voordelen ten opzichte van alternatieve technieken, zoals functionele magnetische resonantiebeeldvorming en calciumbeeldvorming, omdat het een unieke temporale en ruimtelijke resolutie mogelijk maakt en niet vertrouwt op genetisch gemanipuleerde organismen. Het gebruik van extracellulaire in vivo opnames is echter beperkt omdat het een invasieve techniek is die niet universeel toegepast kan worden. In dit artikel wordt een eenvoudige en makkelijk te gebruiken methode gepresenteerd wMet welke het mogelijk is om extracellulaire potenties tegelijkertijd op te nemen, zoals lokale veldpotenties en multiunitactiviteit op meerdere sites van een netwerk. Het is gedetailleerd hoe een precieze targeting van subcortische kernen kan worden bereikt met behulp van een combinatie van stereotactische chirurgie en online analyse van multi-unit opnames. Zo wordt aangetoond hoe een compleet netwerk, zoals de hyperdirecte cortico-basale ganglia-lus, kan worden onderzocht in verdovende dieren in vivo .
Introduction
Recente cumulatieve bewijzen over verschillende neuropsychiatrische stoornissen zoals de ziekte van Parkinson en schizofrenie stellen sterk voor dat hun pathofysiologie is gebaseerd op een kritische disfunctie van verlengde neuronale circuits die vaak corticale en subcortische structuren 1 , 2 , 3 betreffen . Volgens deze theorie ontstaan de klinische manifestaties van de ziekten als gevolg van een verminderde informatieverwerkingscapaciteit van een netwerk van cellen in plaats van enkele cellen of specifieke neuronale elementen 1 , 2 , 3 . Om het begrip van deze complexe groep neuropsychiatrische ziekten te vergroten en nieuwe behandelingsopties te vinden, is het verplicht om de neuronale dynamiek van deze gedwongen netwerken in menselijke patiënten en in diermodellen in detail te karakteriseren. Een uitstekendMethode om grootschalige netwerken in levende onderwerpen te bestuderen, is elektrofysiologische opnames van extracellulaire potenties 4 . Met behulp van deze methode is het mogelijk om lokale veldpotentialen (LFP's) gelijktijdig te beoordelen, die voornamelijk de temporale summatie vormen van excitatoire en remmende postsynaptische stromingen en multi-unit activiteit (MUA), die wordt gegenereerd door presynaptische mogelijkheden 5 . De opname van extracellulaire potenties heeft meerdere voordelen ten opzichte van alternatieve methoden om netwerken te bestuderen, bijvoorbeeld functionele magnetische resonantiebeeldvorming en calciumbeeldvorming, omdat het een hogere temporale en ruimtelijke resolutie biedt en omdat het niet afhankelijk is van genetisch gemanipuleerde organismen 5 . Het gebruik van extracellulaire in vivo opnames is echter beperkt omdat het een invasieve techniek is die niet universeel toegepast kan worden.
In vivo elektrofysiologische recOrdeningen kunnen zowel wakker als in verdovende dieren worden uitgevoerd 6 . Beide methoden worden gepaard gegaan met specifieke voor- en nadelen. Studies in wakker dieren maken het mogelijk om hersensignalen op te nemen tijdens de uitvoering van bepaalde gedragstaken, maar zijn gevoelig voor bewegingsgerelateerde en andere artefacten 7 , 8 . Opnames in verdovende dieren daarentegen bieden de mogelijkheid om LFP's en MUA te beoordelen met een minimum van artefacten bij zeer gedefinieerde corticale synchronisatiestaten, maar de resultaten verschillen ook tot op zekere hoogte in wat wakker is in vakken 9 , 10 , 11 .
In de afgelopen jaren is aangetoond dat de bemonstering van LFP's bijzonder nuttig is om pathologische veranderingen van netwerkactiviteit te definiëren. Een prominente voorbeeld hiervan is onderzoek naar de pathofysiologie van PD in de menselijke patiëntS en diermodellen van de ziekte, waaruit bleek dat verbeterde bètoscillaties in de cortico-basale ganglia-lus gekoppeld zijn aan parkinsonische motorische symptomen 12 , 13 . Als gevolg van deze onderzoekslijn wordt momenteel onderzocht of bèta-oscillaties gebruikt kunnen worden als een online-feedback biomarker voor de gesloten-loop diepe hersenstimulatie 14 , 15 .
In de onderhavige studie wordt een gedetailleerde beschrijving gegeven van acute multi-site in vivo elektrofysiologische opnames van LFP's en MUA bij ratten die met urethaan zijn verdoofd. Er wordt aangetoond hoe een volledig netwerk, zoals de hyperdirecte cortico-basale ganglia-route, elektrofysiologisch kan worden gekenmerkt door gebruik te maken van standaard en aangepaste elektroden en hoe deze elektroden kunnen worden gebouwd. Het wordt vooral benadrukt hoe een nauwkeurige targeting van basale ganglia kernen kan worden bereikt door coMbining stereotactische operatie samen met de online registratie van MUA's.
Protocol
Representative Results
Discussion
In de onderhavige studie wordt aangetoond hoe u extracellulaire elektrofysiologische signalen tegelijkertijd op meerdere locaties van een bepaald netwerk opneemt met behulp van het hyperdirect cortico-basale ganglia-pad dat de M1 verbindt met de STN en SNr bij knaagdieren.
Een kritische stap in de opname van kleine subcortische structuren zoals de STN is de nauwkeurige begeleiding van de opnameelektroden in het doel. In de gepresenteerde methode zorgt er voor twee belangrijke stappen voor ee…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij danken de Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), KFO 247, om onze studie te financieren.
Materials
| Ag/AgCl custom epidural electrodes | Goodfellow GmbH D-61213 Bad Nauheim, Germany info@goodfellow.com |
Product-ID AG005127 for 99.99% silver wire | Ag/AgCl electrodes will allow for better signal quality, but may only be used in acute experiments. Possible replacement: Stainless steel electrodes |
| Stereotaxic holder with acrylic block | David Kopf Instruments, 7324 Elmo Street, Tujunga, CA 91042, USA |
Product ID Model 1770 Standard Electrode Holder | Make sure the acrylic block has recesses which suit the electrode setup for the desired target. Acrylic blocks can easily be modified with a file to obtain the desired configuration. Possible replacement: Self-constructed electrode holders |
| Tungsten microwire electrodes 1.5 MΩ impedance | Microprobes.com 18247-D Flower Hill Way Gaithersburg, Maryland, 20879 USA |
Product-ID WE3ST31.5A5-250um | The 1.5 MΩ is necessary to record MUA and LFP at the same time. Possible replacement: Microelectrodes of different materials can be used. The electrodes have to be straight, robust and as thin as possible. |
| Rat alignment tool | David Kopf Instruments, 7324 Elmo Street, Tujunga, CA 91042, USA |
Product ID Model 944 Rat Alignment Tool | Allows the exact orientation of the brain to match stereotaxic atlases. Possible replacement: Stereotaxic holder with a cannula |
| Two-component dental acrylic | Associated Dental Products Ltd. Kemdent Works, Purton, Swindon Wiltshire, SN5 4HT, United Kingdom |
Simplex Rapid Powder Clear 225g, Product code: ACR803; Simplex Rapid Liquid 150ml, Product code: ACR920 | Depending in the electrodes used, superglue might be an easy alternative, if the electrodes are small and lightweight. Possible replacement: Superglue (Cyanacrylate-based) |
| Faraday cage | Self-construction | A proper Faraday cage will be the best protection from electromagnetic artifacts, but everything which can be formed into a box shape or applied to a frame and is made of conductive material may help. Possible replacement: Aluminum foil or copper mesh | |
| Electrophysiological setup with recording software and online spike-sorting capabilities | OmniPlex® Neural Data Acquisition System Plexon Inc 6500 Greenville Avenue, Suite 700 Dallas, Texas 75206 USA |
Offline sorting software is a potential alternative, multiple scripts and softwares can be found for free in the open source community. |
References
- Lozano, A. M., Lipsman, N. Probing and regulating dysfunctional circuits using deep brain stimulation. Neuron. 77 (3), 406-424 (2013).
- Mathalon, D. H., Sohal, V. S. Neural Oscillations and Synchrony in Brain Dysfunction and Neuropsychiatric Disorders: It’s About Time. JAMA Psychiatry. 72 (8), 840-844 (2015).
- Uhlhaas, P. J., Singer, W. Neuronal dynamics and neuropsychiatric disorders: toward a translational paradigm for dysfunctional large-scale networks. Neuron. 75 (6), 963-980 (2012).
- Buzsaki, G. Large-scale recording of neuronal ensembles. Nat Neurosci. 7 (5), 446-451 (2004).
- Buzsaki, G., Anastassiou, C. A., Koch, C. The origin of extracellular fields and currents–EEG, ECoG, LFP and spikes. Nat Rev Neurosci. 13 (6), 407-420 (2012).
- Brazhnik, E., Novikov, N., McCoy, A. J., Cruz, A. V., Walters, J. R. Functional correlates of exaggerated oscillatory activity in basal ganglia output in hemiparkinsonian rats. Exp Neurol. 261, 563-577 (2014).
- Avila, I., et al. Beta frequency synchronization in basal ganglia output during rest and walk in a hemiparkinsonian rat. Exp Neurol. 221 (2), 307-319 (2010).
- Javor-Duray, B. N., et al. Early-onset cortico-cortical synchronization in the hemiparkinsonian rat model. J Neurophysiol. 113 (3), 925-936 (2015).
- Beck, M. H., et al. Short- and long-term dopamine depletion causes enhanced beta oscillations in the cortico-basal ganglia loop of parkinsonian rats. Exp Neurol. 286, 124-136 (2016).
- Magill, P. J., Bolam, J. P., Bevan, M. D. Relationship of activity in the subthalamic nucleus-globus pallidus network to cortical electroencephalogram. J Neurosci. 20 (2), 820-833 (2000).
- Magill, P. J., et al. Changes in functional connectivity within the rat striatopallidal axis during global brain activation in vivo. J Neurosci. 26 (23), 6318-6329 (2006).
- Brown, P. Abnormal oscillatory synchronisation in the motor system leads to impaired movement. Curr Opin Neurobiol. 17 (6), 656-664 (2007).
- Stein, E., Bar-Gad, I. beta oscillations in the cortico-basal ganglia loop during parkinsonism. Exp Neurol. 245, 52-59 (2013).
- Little, S., Brown, P. What brain signals are suitable for feedback control of deep brain stimulation in Parkinson’s disease?. Ann N Y Acad Sci. 1265, 9-24 (2012).
- Priori, A., Foffani, G., Rossi, L., Marceglia, S. Adaptive deep brain stimulation (aDBS) controlled by local field potential oscillations. Exp Neurol. , 77-86 (2013).
- Brozoski, T. J., Caspary, D. M., Bauer, C. A. Marking multi-channel silicon-substrate electrode recording sites using radiofrequency lesions. J Neurosci Methods. 150 (2), 185-191 (2006).
- Schjetnan, A. G., Luczak, A. Recording large-scale neuronal ensembles with silicon probes in the anesthetized rat. J Vis Exp. (56), (2011).
- Mallet, N., et al. Disrupted dopamine transmission and the emergence of exaggerated beta oscillations in subthalamic nucleus and cerebral cortex. J Neurosci. 28 (18), 4795-4806 (2008).
- Steriade, M. Corticothalamic resonance, states of vigilance and mentation. 神经科学. 101 (2), 243-276 (2000).
- Maesawa, S., et al. Long-term stimulation of the subthalamic nucleus in hemiparkinsonian rats: neuroprotection of dopaminergic neurons. J Neurosurg. 100 (4), 679-687 (2004).
- Paxinos, G., Watson, C. . The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. , (1998).
- Oliveira, L. M. O., Dimitrov, D., Nicolelis, M. A. L. . Methods for Neural Ensemble Recordings Frontiers in Neuroscience. , (2008).
- Torres, E. M., et al. Increased efficacy of the 6-hydroxydopamine lesion of the median forebrain bundle in small rats, by modification of the stereotaxic coordinates. J Neurosci Methods. 200 (1), 29-35 (2011).
- Hadar, R., et al. Rats overexpressing the dopamine transporter display behavioral and neurobiological abnormalities with relevance to repetitive disorders. Sci Rep. 6, 39145 (2016).
- Parr-Brownlie, L. C., Poloskey, S. L., Bergstrom, D. A., Walters, J. R. Parafascicular thalamic nucleus activity in a rat model of Parkinson’s disease. Exp Neurol. 217 (2), 269-281 (2009).
- Steriade, M., Nunez, A., Amzica, F. A novel slow (< 1 Hz) oscillation of neocortical neurons in vivo: depolarizing and hyperpolarizing components. J Neurosci. 13 (8), 3252-3265 (1993).
- Maggi, C. A., Meli, A. Suitability of urethane anesthesia for physiopharmacological investigations in various systems. Part 1: General considerations. Experientia. 42 (2), 109-114 (1986).
- Goldberg, J. A., Kats, S. S., Jaeger, D. Globus pallidus discharge is coincident with striatal activity during global slow wave activity in the rat. J Neurosci. 23 (31), 10058-10063 (2003).
- Karain, B., Xu, D., Bellone, J. A., Hartman, R. E., Shi, W. X. Rat globus pallidus neurons: functional classification and effects of dopamine depletion. Synapse. 69 (1), 41-51 (2015).
- Paasonen, J., et al. Comparison of seven different anesthesia protocols for nicotine pharmacologic magnetic resonance imaging in rat. Eur Neuropsychopharmacol. 26 (3), 518-531 (2016).
- Mahmud, M., Vassanelli, S. Processing and Analysis of Multichannel Extracellular Neuronal Signals: State-of-the-Art and Challenges. Front Neurosci. 10, 248 (2016).
- Hadar, R., et al. Altered neural oscillations and elevated dopamine levels in the reward pathway during alcohol relapse. Behav Brain Res. 316, 131-135 (2017).
- Voget, M., et al. Altered local field potential activity and serotonergic neurotransmission are further characteristics of the Flinders sensitive line rat model of depression. Behav Brain Res. 291, 299-305 (2015).
