Registrazioni simultanee di potenziali di campo locale corticale, elettrocardiogramma, elettromiogramma e respirazione ritmo da un ratto liberamente commovente
Summary
Questo studio introduce un metodo per la registrazione simultanea di potenziali di campo locale nel cervello, elettrocardiogrammi, i electromyograms e segnali di un ratto liberamente commovente di respirazione. Questa tecnica, che riduce i costi di sperimentali e semplifica l’analisi dei dati, contribuirà alla comprensione delle interazioni tra il cervello e gli organi periferici.
Abstract
Monitoraggio le dinamiche fisiologiche del cervello e tessuti periferici è necessaria per affrontare una serie di domande su come i controlli di cervello corpo funzioni e degli organi interni ritmi quando gli animali sono esposti a sfide emotive e cambiamenti nella loro ambienti di vita. In generale gli esperimenti, i segnali provenienti da diversi organi, quali il cervello e il cuore, sono registrati dai sistemi di registrazione indipendente che richiedono più dispositivi di registrazione e procedure diverse per l’elaborazione dei file di dati. Questo studio descrive un nuovo metodo che può monitorare contemporaneamente BCI elettrici, tra cui decine di potenziali di campo locale in più regioni del cervello, elettrocardiogrammi che rappresentano il ritmo cardiaco, i electromyograms che rappresentano sveglio / contrazione muscolare legati al sonno e segnali, in un ratto liberamente commovente di respirazione. La configurazione di registrazione di questo metodo si basa su una matrice di micro-unità convenzionale per le registrazioni potenziali di campo locale corticale in cui decine di elettrodi sono accomodati e dei segnali ottenuti da questi elettrodi sono integrati in un unico quadro elettrico montato sulla testa dell’animale. Qui, questo sistema di registrazione è stato migliorato in modo che i segnali provenienti da organi periferici vengono trasferiti anche una scheda di interfaccia elettrica. In un unico intervento, elettrodi prima vengono impiantati separatamente in parti del corpo appropriato e le aree del cervello di destinazione. Le estremità aperte di tutti questi elettrodi sono poi saldate ai singoli canali del quadro elettrico sopra la testa dell’animale affinché tutti i segnali possono essere integrati in singolo quadro elettrico. Questa scheda di collegamento a un dispositivo di registrazione consente la raccolta di tutti i segnali in un unico dispositivo, che riduce i costi di sperimentali e semplifica il trattamento dei dati, poiché tutti i dati possono essere trattati nello stesso file di dati. Questa tecnica aiuterà la comprensione dei correlati neurofisiologici delle associazioni tra gli organi centrali e periferici.
Introduction
Il sistema nervoso centrale controlla gli Stati di corpo in risposta ai vari cambiamenti ambientali, e questo controllo è in genere rappresentato come cambiamenti nella frequenza cardiaca, frequenza respiratoria e contrazioni muscolari. Tuttavia, pochi studi hanno testato come tali fattori fisiologici periferici sono associati con attività corticale. Per risolvere questo problema, è necessario un metodo di registrazione su larga scala per il monitoraggio elettrico BCI da tessuti sia centrali che periferici. Nella corteccia cerebrale, segnali (LFP) potenziali di campo locale extracellularly sono registrati da elettrodi che vengono inseriti nei tessuti corticali1,2,3. Per registrare simultaneamente segnali multipli di LFP dalle regioni corticali di piccoli mammiferi, come ratti e topi, una serie di studi hanno sviluppato diversi tipi di gruppi di elettrodi su misura che sono denominate micro-drive. Una micro-unità convenzionale è composto da viti di metallo attaccate alla parte centrale degli elettrodi (che in genere sono tetrodi), un corpo di nucleo che accomoda le viti e gli elettrodi e una scheda di interfaccia elettrica (BEI) che accomoda fori in metallo per collegare le estremità aperte degli elettrodi (Figura 1, Figura 2e Figura 3). Questo elettrodo permette all’operatore di controllare la profondità di molti elettrodi inseriti nel cervello nel corso di giorni o settimane e consente lo svolgimento di registrazioni a lungo termine croniche dell’attività neuronale, come l’animale è sfidato con vari attività comportamentali. Negli organi periferici, i segnali heartbeat sono registrati come elettrocardiogrammi (ECG) da una coppia di elettrodi che vengono impiantati su o intorno al cuore zona4,5,6, e i segnali del muscolo scheletrico sono registrati come i electromyograms (EMGs) con elettrodi che vengono inseriti nel muscolo tessuto7,8,9. Il rapporto tra i segnali elettrici del bulbo olfattivo e ritmo del respiro (BR) è stato studiato con unità singole registrazioni10,11. In sistemi di registrazione convenzionali, questi segnali dai tessuti differenti sono stati catturati dai dispositivi di registrazione indipendente, il che significa che un sistema sperimentale supplementare è necessario per sincronizzare precisamente questi dispositivi multipli per simultanea registrazioni dei segnali del cervello-corpo. Questo sistema è stato sviluppato per superare questo problema. In questo sistema, tutti i segnali elettrici registrati dagli organi periferici, tra cui ECG, EMGs e segnali elettrici dal bulbo olfattivo che riflettono il ritmo del respiro, sono integrati in una singola matrice di micro-unità1,2 ,3, qui definita matrice di micro-unità integrativa. Questo sistema richiede soltanto un dispositivo di registrazione multi-canale ed è applicabile a qualsiasi matrice di micro-unità convenzionali. I vantaggi di questa tecnica sono che non richiede alcun dispositivi speciali o segnali di trigger per abbinare il tempo di registrazione di più dispositivi, e permette il trattamento più conveniente, dal momento che tutti i segnali sono registrati come tipi di dati simili. Questa tecnica aiuterà la comprensione dei correlati neurofisiologici delle associazioni tra gli organi centrali e periferici. Questo articolo descrive le procedure connesse con la tecnica e presenta il set di dati rappresentativi ottenuti da un ratto.
Protocol
Representative Results
Discussion
Per comprendere come il cervello modula i livelli di attività periferica e vice versa, su larga scala in metodi per catturare simultaneamente elettrica BCI da più zone del corpo della registrazione sono necessarie. Questo studio ha descritto una procedura chirurgica e un sistema di registrazione per il monitoraggio di potenziali di campo locale cerebrale, frequenza cardiaca, la grandezza della costruzione muscolare e ritmi respiratori, che sono stati migliorati in un sistema di registrazione che viene utilizzato per re…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato supportato da Kaken-Ciao (17 H 05939; 17 H 05551), la Fondazione Nakatomi e Suzuken Memorial Foundation.
Materials
| FEP Hookup Wire Stranded Stainless Steel | Cooner Wire Company, Chatsworth, CA | AS 633 | Bioflex wire |
| EIB-36-PTB | Neuralynx, Inc., Bozeman, MT | EIB-36-PTB | EIB |
| Cereplex M | Blackrock Microsystems, Salt Lake City, UT | Digital headstage | |
| Cereplex Direct | Blackrock Microsystems, Salt Lake City, UT | Data acquisition system | |
| UEW polyurethane magnet wire | Oyaide.com, Tokyo, Japan | UEW 0.14mm 20m | Enamel wire |
| SD-102 | Narishige, Tokyo, Japan | SD-102 | High-speed drill |
| Minimo ONE SERIES ver.2 | Minitor Co.,Ltd, Tokyo, Japan | C2012 | High-peed drill Power Supply |
| Provinice 250 mL | Shofu Inc., Kyoto, Japan | 213620136 | Dental cement |
| Small Animal Anesthetizer | Biomachinery, Chiba, Japan | TK-7 | Anesthetizer |
| Buprenorphine hydrochloride | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO | B7536-1ML | Analgesic |
| Isoflurane | DS Pharma Animal Health, Osaka, Japan | Isoflu 250mL | |
| Vaseline, White | Wako Pure Chemical Industries, Ltd., Osaka, Japan | 224-00165 | Vet ointment |
| Sodium alginate | Nacalai tesque, Kyoto, Japan | 31131-85 | |
| Calcium Chloride Dihydrate | Wako Pure Chemical Industries, Ltd., Osaka, Japan | 031-00435 | |
| Stainless steel screw M1.0×4.0 | MonotaRO, Hyogo, Japan | 42617504 | Stainless steel screw for BR electrodes |
| Stainless steel screw M1.4×3.0 | MonotaRO, Hyogo, Japan | 42617687 | Stainless steel screw for g/r electrodes and anchors |
Referencias
- Kloosterman, F., et al. Micro-drive Array for Chronic in vivo Recording: Drive Fabrication. JoVE. (26), e1094 (2009).
- Nguyen, D. P., et al. Micro-drive Array for Chronic in vivo Recording: Tetrode Assembly. Journal of Visualized Experiments : JoVE. (26), e1098 (2009).
- Jog, M. S., et al. Tetrode technology: advances in implantable hardware, neuroimaging, and data analysis techniques. J Neurosci Methods. 117 (2), 141-152 (2002).
- Fenske, S., et al. Comprehensive multilevel in vivo and in vitro analysis of heart rate fluctuations in mice by ECG telemetry and electrophysiology. Nat Protoc. 11 (1), 61-86 (2016).
- Rossi, S., et al. The effect of aging on the specialized conducting system: a telemetry ECG study in rats over a 6 month period. PLoS One. 9 (11), 112697 (2014).
- Cesarovic, N., Jirkof, P., Rettich, A., Arras, M. Implantation of radiotelemetry transmitters yielding data on ECG, heart rate, core body temperature and activity in free-moving laboratory mice. JoVE. (57), (2011).
- Zeredo, J. L., Kumei, Y., Shibazaki, T., Yoshida, N., Toda, K. Measuring biting behavior induced by acute stress in the rat. Behav Res Methods. 41 (3), 761-764 (2009).
- Young, G. A., Khazan, N. Electromyographic power spectral changes associated with the sleep-awake cycle and with diazepam treatment in the rat. Pharmacol Biochem Be. 19 (4), 715-718 (1983).
- Oishi, Y., et al. Polygraphic Recording Procedure for Measuring Sleep in Mice. JoVE. (107), e53678 (2016).
- Chaput, M. A. Respiratory-phase-related coding of olfactory information in the olfactory bulb of awake freely-breathing rabbits. Physiol Behav. 36 (2), 319-324 (1986).
- Ravel, N., Pager, J. Respiratory patterning of the rat olfactory bulb unit activity: Nasal versus tracheal breathing. Neurosci Lett. 115 (2-3), 213-218 (1990).
- Okada, S., Igata, H., Sakaguchi, T., Sasaki, T., Ikegaya, Y. A new device for the simultaneous recording of cerebral, cardiac, and muscular electrical activity in freely moving rodents. J Pharmacol Sci. 132 (1), 105-108 (2016).
- Sasaki, T., Nishimura, Y., Ikegaya, Y. Simultaneous Recordings of Central and Peripheral Bioelectrical Signals in a Freely Moving Rodent. Biol Pharm Bull. 40 (5), 711-715 (2017).
