Summary

חַד<em> בויבו</em> הקלטות אלקטרו של הפוטנציאל שדה מקומי פעילות מרובת יחידות מן מסלול Hyperdirect ב חולדות הרדמה

Published: June 22, 2017
doi:

Summary

במחקר זה, מתודולוגיה מוצג על איך לבצע באתר מרובה in vivo הקלטות אלקטרו מכיון hyperdirect תחת הרדמה urethane.

Abstract

עדות מתמשכת מראה כי מחלות נוירופסיכיאטריות רבות יש להבין כהפרעות של רשתות עצביות בקנה מידה גדול. כדי להבין טוב יותר את הבסיס הפאתופיסיולוגי של מחלות אלו, יש צורך לאפיין במדויק באיזו צורה מופרעת עיבוד המידע בין החלקים העצביים השונים של המעגל. באמצעות תאיים in vivo הקלטות אלקטרו, ניתן לתכנן במדויק את הפעילות העצבית בתוך הרשת העצבית. ליישום שיטה זו יש מספר יתרונות על פני טכניקות אלטרנטיביות, כגון הדמיה בתהודה מגנטית תפקודית ודמיון סידן, שכן היא מאפשרת רזולוציה זמנית ומרחבית ייחודית ואינה מסתמכת על אורגניזמים מהונדסים גנטית. עם זאת, השימוש תאיים בהקלטות vivo מוגבל שכן היא טכניקה פולשנית כי לא ניתן ליישם אוניברסלית. במאמר זה, שיטה פשוטה וקלה לשימוש מוצג wאשר ניתן בו זמנית לרשום פוטנציאלים תאיים כגון פוטנציאל שדה מקומי פעילות multunit במספר אתרים של רשת. זה מפורט כיצד מיקוד מדויק של גרעינים תת קליפתיים ניתן להשיג באמצעות שילוב של ניתוח stereotactic וניתוח מקוון של הקלטות יחידה רב. לפיכך, הוא הוכיח, איך רשת מלאה כגון hyperdirect cortico-basal לולאה הגרעינים ניתן ללמוד בחיות הרדים in vivo .

Introduction

עדויות המצטברות לאחרונה על הפרעות נוירופסיכיאטריות שונות כגון מחלת פרקינסון (PD) וסכיזופרניה מצביעות על כך שהפתופיזיולוגיה שלהם מבוססת על תפקוד לקוי של מעגלים עצביים מורחבים, שלעתים קרובות כרוכות במבנים קליפת המוח וקורטיקורטיקליים 1 , 2 , 3 . על פי תיאוריה זו, את הביטויים הקליניים של מחלות נובעות כתוצאה של יכולת עיבוד מידע לקוי של רשת של תאים במקום תאים בודדים או אלמנטים נוירונים ספציפיים 1 , 2 , 3 . על מנת להגביר את ההבנה של קבוצה מורכבת זו של מחלות נוירופסיכיאטריות ולמצוא אפשרויות טיפול חדשות, חובה לאפיין את הדינמיקה העצבית של הרשתות הנפרעות בחולים אנושיים ובמודלים בבעלי חיים בפירוט רב. מצויןשיטת ent ללמוד רשתות בקנה מידה גדול בנושאים חיים הוא אתר רב הקלטות אלקטרו של פוטנציאלים תאיים 4 . באמצעות שיטה זו, ניתן להעריך בו זמנית את הפוטנציאל השדה המקומי (LFPs), אשר מייצגים בעיקר את הסיכום הזמני של זרמים postsynaptic מעכב ופעילות רב יחידה (MUA), כי הוא שנוצר על ידי הפוטנציאל presynaptic 5 . ההקלטה של ​​הפוטנציאלים תאיים יש מספר יתרונות על פני שיטות חלופיות ללמוד רשתות, למשל , הדמיה תפקודית תהודה מגנטית הדמיה סידן, כי זה מספק רזולוציה גבוהה יותר במרחב ובזמן כי זה לא תלוי אורגניזמים מהונדסים גנטית 5 . עם זאת, השימוש תאיים בהקלטות vivo מוגבל שכן היא טכניקה פולשנית כי לא ניתן ליישם אוניברסלית.

ב vivo electrophysiological recהסמכות יכולה להתבצע ער, כמו גם בחיות הרדים 6 . שתי השיטות מלווה יתרונות וחסרונות ספציפיים. מחקרים בבעלי חיים ער לאפשר הקלטה של ​​אותות המוח במהלך הביצועים של משימות התנהגותיות מוגדרים, אבל נוטים התנועה הקשורים אחרים artifacts 7 , 8 . הקלטות בבעלי חיים מורדמים מצד שני מציעים את ההזדמנות להעריך LFPs ו MUA עם מינימום של artifacts ב מוגדרת מאוד סנכרון מדינות קליפת המוח, אבל התוצאות גם נבדלות במידה מסוימת מה ניתן למצוא בערים 9 , 10 , 11 .

בשנים האחרונות, הוכח כי הדגימה של LFPs שימושי במיוחד כדי להגדיר שינויים פתולוגיים של פעילות הרשת. דוגמה בולטת לכך היא מחקר על הפתופיזיולוגיה של PD בחולה האנושימודלים של s ושל בעלי חיים של המחלה, שם ניתן היה להראות כי תנודות בטא משופר בלולאה הגרעינים קורטיקלי הבסיס קשורות סימפטומים המנוע פרקינסוניאן 12 , 13 . כתוצאה של קו זה של המחקר, הוא נחקר כעת אם תנודות בטא יכול לשמש ביומרקר משוב מקוון עבור לולאה סגורה גירוי מוחי עמוק 14 , 15 .

במחקר הנוכחי, תיאור מפורט של אתר רב חריף in vivo הקלטות אלקטרו של LFPs ו MUA חולדות הרדים עם urethane מסופק. הוא הוכיח כיצד רשת שלמה, כגון מסלול ההישרדות הקורטיקלי-בסיסי של קורטיקו-קורטיקו, יכולה להיות מאופיינת באמצעות אלקטרודות באמצעות אלקטרודות סטנדרטיות ומותאמות אישית, וכיצד ניתן לבנות אלקטרודות אלו. זה מודגש במיוחד כיצד מיקוד מדויק של גרעיני הגרעיני הבסיס יכול להיות מושגת על ידי שיתוףMbining ניתוח stereotactic יחד עם רישום מקוון של MUAs.

Protocol

נהלי הניסוי נערכו בהתאם לחוק רווחת בעלי חיים בגרמניה (מתוקן לאחרונה בשנת 2014) והתקנות האירופיות (2010/63 / EU). הניסויים אושרו על ידי רשות רווחת בעלי החיים המקומית (LaGeSo, Berlin), ועמדו בקריטריונים המקומיים ובהנחיות הבינלאומיות. הערה: בשיטה ?…

Representative Results

עם זאת משמש הקלטה אלקטרודות, אפשר לדגימה LFPs מן הקורטקס המוטורי העיקרי, הגרעין subthalamic ואת reiculata ניגריה פטרייתיות ו MUA מן STN ו SNR. בתחילה, LFP והפעילות מרובת היחידות נרשמות יחד באות של פס רחב. לאחר מכן, LFPs ו MUAs מופרדים על ידי מסננים bandpass (0.05-250 הרץ עבור LFPs ו 300-4…

Discussion

במחקר הנוכחי, השיטה מדגימה כיצד להקליט אותות אלקטרו-סיביים תאיים בו-זמנית מאתרים מרובים של רשת נתונה, תוך שימוש בדוגמה של מסלול הגרעינים הקורטיקו-ביסאלי המהיר המחבר את ה- M1 עם ה- STN ו- SNR במכרסמים.

צעד קריטי בהקלטה של ​​מבנים תת-קלי…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

אנו מודים ל- Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), KFO 247, על מימון המחקר שלנו.

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.

Referências

  1. Lozano, A. M., Lipsman, N. Probing and regulating dysfunctional circuits using deep brain stimulation. Neuron. 77 (3), 406-424 (2013).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Buzsaki, G. Large-scale recording of neuronal ensembles. Nat Neurosci. 7 (5), 446-451 (2004).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Javor-Duray, B. N., et al. Early-onset cortico-cortical synchronization in the hemiparkinsonian rat model. J Neurophysiol. 113 (3), 925-936 (2015).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Brown, P. Abnormal oscillatory synchronisation in the motor system leads to impaired movement. Curr Opin Neurobiol. 17 (6), 656-664 (2007).
  13. Stein, E., Bar-Gad, I. beta oscillations in the cortico-basal ganglia loop during parkinsonism. Exp Neurol. 245, 52-59 (2013).
  14. 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).
  15. Priori, A., Foffani, G., Rossi, L., Marceglia, S. Adaptive deep brain stimulation (aDBS) controlled by local field potential oscillations. Exp Neurol. , 77-86 (2013).
  16. 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).
  17. Schjetnan, A. G., Luczak, A. Recording large-scale neuronal ensembles with silicon probes in the anesthetized rat. J Vis Exp. (56), (2011).
  18. 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).
  19. Steriade, M. Corticothalamic resonance, states of vigilance and mentation. Neurociência. 101 (2), 243-276 (2000).
  20. 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).
  21. Paxinos, G., Watson, C. . The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. , (1998).
  22. Oliveira, L. M. O., Dimitrov, D., Nicolelis, M. A. L. . Methods for Neural Ensemble Recordings Frontiers in Neuroscience. , (2008).
  23. 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).
  24. Hadar, R., et al. Rats overexpressing the dopamine transporter display behavioral and neurobiological abnormalities with relevance to repetitive disorders. Sci Rep. 6, 39145 (2016).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. Mahmud, M., Vassanelli, S. Processing and Analysis of Multichannel Extracellular Neuronal Signals: State-of-the-Art and Challenges. Front Neurosci. 10, 248 (2016).
  32. 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).
  33. 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).
check_url/pt/55940?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Haumesser, J. K., Kühn, J., Güttler, C., Nguyen, D., Beck, M. H., Kühn, A. A., van Riesen, C. Acute In Vivo Electrophysiological Recordings of Local Field Potentials and Multi-unit Activity from the Hyperdirect Pathway in Anesthetized Rats. J. Vis. Exp. (124), e55940, doi:10.3791/55940 (2017).

View Video