التسجيلات المتزامنة من إمكانات القشرية الميدانية المحلية واليكتروكورتيكوجرامس في الاستجابة للمحفزات الليزر Nociceptive من الانتقال بحرية الفئران
Summary
قمنا بتطوير تقنية أن السجلات في وقت واحد اليكتروكورتيكوجرافي والإمكانات الميدانية المحلية في الاستجابة للمحفزات الليزر nociceptive من الانتقال بحرية الفئران. هذه التقنية تساعد على إقامة علاقة مباشرة من إشارات اليكتروكورتيكال في mesoscopic ومستويات عيانية، مما يسهل التحقيق nociceptive معالجة المعلومات في الدماغ.
Abstract
ردود اليكتروكورتيكال، أثارت بنبضات الليزر الحرارة بشكل انتقائي تنشيط النهايات العصبية الحرة nociceptive، تستخدم على نطاق واسع في العديد من الدراسات الحيوانية والبشرية للتحقيق في تجهيز المعلومات nociceptive القشرية. هذه الإمكانات الدماغ أثارت الليزر (LEPs) تتكون من عدة ردود عابر أن يتم تأمين الوقت إلى ظهور المحفزات الليزر. ومع ذلك، الخصائص الوظيفية للردود ليب لا تزال غير معروفة إلى حد كبير، نظراً لعدم وجود تقنية أخذ العينات التي يمكن في نفس الوقت لتسجيل الأنشطة العصبية على سطح القشرة (أي، اليكتروكورتيكوجرام [اكوج] وفروة الرأس للالكهربائي [فروة الرأس EEG]) وداخل المخ (أي، الميدانية المحلية المحتملة [طابعات الحجم الكبير]). لمعالجة هذه المسألة، ونحن الحاضرين هنا بروتوكولا حيوان باستخدام الفئران تتحرك بحرية. ويتألف هذا البروتوكول من ثلاثة إجراءات رئيسية: إعداد الحيوانات (1)، والعمليات الجراحية، (2) تسجيل متزامنة اكوج وطابعات الحجم الكبير في الاستجابة للمحفزات الليزر nociceptive، واستخراج البيانات (3) تحليل وميزة. على وجه التحديد، مع المساعدة من قذيفة واقية طباعة 3D، أقطاب اكوج وطابعات الحجم الكبير مزروع في الجمجمة للفئران بشكل أمن وعقدت معا. أثناء جمع البيانات، وتم تسليم نبضات الليزر على فوريباوس في الفئران عن طريق الثغرات الموجودة في الجزء السفلي من الدائرة عندما كان الحيوان في سكون عفوية. لعبت الضوضاء البيضاء الجارية لتجنب تفعيل نظام سمعي بالموجات فوق الصوتية المولدة بواسطة الليزر. نتيجة لذلك، سجلت بشكل انتقائي nociceptive الاستجابات فقط. باستخدام الإجراءات التحليلية المعيارية (مثلاً، الفرقة-تمرير التصفية واستخراج العصر وتصحيح خط الأساس) لاستخراج الاستجابات المتعلقة بتحفيز الدماغ، حصلنا على النتائج تبين أن LEPs مع ارتفاع نسبة الإشارة إلى الضوضاء وسجلت في نفس الوقت من أقطاب اكوج وطابعات الحجم الكبير. هذه المنهجية يجعل تسجيل متزامنة اكوج وطابعات الحجم الكبير من الأنشطة الممكنة، الذي يوفر جسراً لإشارات اليكتروكورتيكال في mesoscopic ومستويات عيانية، وبالتالي تيسير التحقيق في تجهيز المعلومات nociceptive في الدماغ.
Introduction
التخطيط الدماغي تقنية لتسجيل الإمكانات الكهربائية وأنشطة الدماغ متذبذبة المتولدة عن الأنشطة المتزامنة الآلاف من الخلايا العصبية في الدماغ. ويستخدم شعبيا في العديد من الدراسات الأساسية والتطبيقات السريرية1،2. على سبيل المثال، الحرارة ردود EEG لليزر مكثفة البقول (أي، LEPs) التي اعتمدت على نطاق واسع للتحقيق في معالجة المدخلات الحسية nociceptive3،،من45المحيطية والمركزية. في البشر، LEPs تتكون أساسا من ثلاثة أو متميزة: المكون المبكر (N1) الذي سوماتوتوبيكالي المنظمة ومن المرجح أن تعكس نشاط القشرة الأولية somatosensory (S1)6، والمكونات الراحل (N2 و P2) التي يتم مركزياً الموزعة ومن المرجح أن تعكس نشاط قشرة somatosensory الثانوي و insula الأمامي cingulate قشرة7،8. في الدراسات السابقة9،10، أثبتنا أن الفئران LEPs، اكوج (وهو نوع من التخطيط الدماغي داخل الجمجمة) باستخدام عينات من أقطاب توضع مباشرة على سطح مكشوف من المخ، وتتألف أيضا من ثلاث أو متميزة ( أي، سوماتوتوبيكالي نظمت N1 و N2 الموزعة مركزياً و P2). قطبية، ترتيب، والطوبوغرافيا لمكونات ليب الفئران تتشابه البشرية LEPs11. ومع ذلك، سبب القرار المكانية المحدودة لفروة الرأس EEG و تسجيلات اكوج له12، فضلا عن الطبيعة غير دقيقة للتخطيط الدماغي المصدر تحليل التقنيات13، مساهمة مفصلة للأنشطة العصبية لمكونات ليب وتجري مناقشة الكثير. على سبيل المثال، أنها إذا كانت غير واضحة وإلى أي مدى تسهم فيه S1 للجزء الأول من الرد القشرية (N1) بالليزر المحفزات6.
تختلف عن تقنية تسجيل في العيانية التسجيلات داخل الجمجمة مباشرة، ومستوى استخدام صفائف ميكروويري بمساعدة جهاز ستيريوتاكسيك، و،ميكرودريفيس1415 يمكن قياس الأنشطة العصبية (مثلاً، لفبس ) من مناطق محددة. وتعكس لفبس أساسا مجموع إمكانات بوستسينابتيك المثبطة أو ضادات للسكان المحليين العصبية16. نظراً للأنشطة العصبية عينات من طابعات الحجم الكبير تعكس العمليات العصبية التي تحدث داخل مئات ميكرومتر حول مسرى التسجيل، يستخدم على نطاق واسع هذه التقنية تسجيل للتحقيق في معالجة المعلومات في الدماغ على مستوى mesoscopic. بيد أنها تركز على التغييرات المحلية دقيقة لأنشطة الدماغ فقط ولا يمكن الإجابة على السؤال كيف يتم دمج إشارات من مناطق متعددة (مثلاً، كيف تتكامل مكونات لب في مناطق متعددة في الدماغ).
تجدر الإشارة إلى أن تسجيل متزامنة اكوج ولفبس القشرية من الانتقال بحرية الفئران يمكن أن ييسر التحقيق في معلومات القشرية المعالجة على حد سواء العيانية ومستويات mesoscopic. وبالإضافة إلى ذلك، توفر هذه المنهجية فرصة ممتازة للتحقيق في مدى التي تسهم الأنشطة العصبية لمناطق الدماغ مسبقاً LEPs. والواقع أن العديد من الدراسات السابقة وقيمت التماسك بين المسامير، القشرية طابعات الحجم الكبير، واكوج إشارات17،18 وأظهرت أن طابعات الحجم الكبير19،20 المتاخمة للتخطيط الدماغي الكهربائي يساهم تشكيل الاستجابات المتعلقة بتحفيز الدماغ. ومع ذلك، هذه التقنية القائمة يستخدم عادة لتسجيل استجابات الدماغ من تخديره من الحيوانات بسبب الذي تفتقر إليه قذيفة الواقية لمنع أقطاب كهربائية من التلف بالتصادم. وبعبارة أخرى، لا تزال تفتقر إلى الأسلوب الذي يمكن بناء جسر إشارات اليكتروكورتيكال في mesoscopic (القشرية طابعات الحجم الكبير) ومستويات (EEG واكوج) العيانية في الانتقال بحرية الفئران.
ولمعالجة هذه المسألة، قمنا بتطوير تقنية التي يمكن أن تسجل اكوج ولفبس القشرية في مناطق الدماغ متعددة في وقت واحد من الانتقال بحرية الفئران. هذه التقنية تساعد على إقامة علاقة مباشرة إشارات اليكتروكورتيكال في mesoscopic والمستويات العيانية، ومن ثم تسهيل التحقيق في nociceptive معالجة المعلومات في الدماغ.
Protocol
Representative Results
Discussion
في هذه الدراسة، وصفت لنا تقنية لتسجيل في نفس الوقت اكوجس والقشرية الردود طابعات الحجم الكبير بالليزر nociceptive المنبهات من الانتقال بحرية الفئران. وأظهرت النتائج أن ليب الردود يمكن أن يتم الكشف عن وضوح بعد بداية المحفزات الليزر في إشارات اكوج وطابعات الحجم الكبير. وستمكن المتزامنة تسجيل اكو…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
كان يؤيد هذا العمل بالمختبرات الرئيسية للصحة العقلية الأكاديمية الصينية للعلوم، معهد علم النفس، والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (31671141 و 31822025)، 13th خطة خمسية المعلوماتية من الأكاديمية الصينية للعلوم (XXH13506)، وهذا المشروع “مؤسسة علمية” في معهد علم النفس، الأكاديمية الصينية للعلوم (Y6CX021008).
Materials
| Male Sprague-Drawley rats | Vital River | ||
| Isoflurane | RWD Life Science | ||
| Small animal isoflurane anaesthetic system | RWD Life Science | Including the anesthesia gas mask for rats | |
| Stereotaxic apparatus | RWD Life Science | ||
| The apparatus with combined ECoG and LFP electrodes | The apparatus is home-made, which assembles the ECoG and depth wire electrodes to a connector module | ||
| 3D-printed protective shell | The texture of shell is polylactic, and the shell is home-made and contains three parts: a base, a wall and a cap. The wall is covered by copper tapers to construct as a Faraday cage | ||
| Tungsten wires (diameter: 50 mm) | California Fine Wires Company | The electrodes for cortical LFP recording | |
| Stainless steel screws (diameter: 0.6 mm) |
The electrodes for ECoG recording | ||
| Electric cranial drill | RWD Life Science | ||
| Drill bit (diameter: 0.5 mm) | RWD Life Science | The drill is used for drilling the holes of ECoG screws | |
| Drill bit (diameter: 0.2 mm) | RWD Life Science | The drill is used for drilling the holes of depth wires | |
| Dental arylic powder | SNC dental | ||
| Dental arylic liquid | SNC dental | ||
| Paraffin | Fisher Scientific | The mixture is used for seal the craniotomy to ensure the following movement of micro-wire arrays | |
| Mineral Oil | Fisher Scientific | ||
| Electrocoagulator | Bovie medical Corporation | ||
| RHD2132 Amplifier Boards | Intan Technologies | A 32-channel headstage | |
| RHD2000 systerm | Intan Technologies | The data acquisition systerm | |
| Infrared neodymium yttrium aluminum perovskite (Nd:YAP) laser generator | Electronical Engineering | ||
| Matlab R2016b | The MathWorks |
References
- Klimesch, W., Doppelmayr, M., Schwaiger, J., Winkler, T., Gruber, W. Theta oscillations and the ERP old/new effect: independent phenomena?. Clinical Neurophysiology. 111 (5), 781-793 (2000).
- Peng, W., et al. Brain oscillations reflecting pain-related behavior in freely moving rats. Pain. 159 (1), 106-118 (2018).
- Treede, R. D. Neurophysiological studies of pain pathways in peripheral and central nervous system disorders. Journal of Neurology. 250 (10), 1152-1161 (2003).
- Iannetti, G. D., et al. Evidence of a specific spinal pathway for the sense of warmth in humans. Journal of Neurophysiology. 89 (1), 562-570 (2003).
- Bromm, B., Treede, R. D. Nerve fibre discharges, cerebral potentials and sensations induced by CO2 laser stimulation. Human Neurobiology. 3 (1), 33-40 (1984).
- Valentini, E., et al. The primary somatosensory cortex largely contributes to the early part of the cortical response elicited by nociceptive stimuli. NeuroImage. 59 (2), 1571-1581 (2012).
- Valeriani, M., et al. Parallel spinal pathways generate the middle-latency N1 and the late P2 components of the laser evoked potentials. Clinical Neurophysiology. 118 (5), 1097-1104 (2007).
- Kuo, C. C., Yen, C. T. Comparison of anterior cingulate and primary somatosensory neuronal responses to noxious laser-heat stimuli in conscious, behaving rats. Journal of Neurophysiology. 94 (3), 1825-1836 (2005).
- Hu, L., et al. The primary somatosensory cortex and the insula contribute differently to the processing of transient and sustained nociceptive and non-nociceptive somatosensory inputs. Human Brain Mapping. 36 (11), 4346-4360 (2015).
- Xia, X. L., Peng, W. W., Iannetti, G. D., Hu, L. Laser-evoked cortical responses in freely-moving rats reflect the activation of C-fibre afferent pathways. NeuroImage. 128, 209-217 (2016).
- Jin, Q. Q., et al. Somatotopic Representation of Second Pain in the Primary Somatosensory Cortex of Humans and Rodents. The Journal of Neuroscience. 38 (24), 5538-5550 (2018).
- Lenkov, D. N., Volnova, A. B., Pope, A. R., Tsytsarev, V. Advantages and limitations of brain imaging methods in the research of absence epilepsy in humans and animal models. Journal of Neuroscience Methods. 212 (2), 195-202 (2013).
- Mouraux, A., Iannetti, G. D. Across-trial averaging of event-related EEG responses and beyond. Magnetic Resonance Imaging. 26 (7), 1041-1054 (2008).
- Li, X., et al. Extracting Neural Oscillation Signatures of Laser-Induced Nociception in Pain-Related Regions in Rats. Frontiers in Neural Circuits. 11, 71 (2017).
- Zhao, Z. F., Li, X. Z., Wan, Y. Mapping the Information Trace in Local Field Potentials by a Computational Method of Two-Dimensional Time-Shifting Synchronization Likelihood Based on Graphic Processing Unit Acceleration. Neuroscience Bulletin. 33 (6), 653-663 (2017).
- Buzsaki, G., Anastassiou, C. A., Koch, C. The origin of extracellular fields and currents–EEG, ECoG, LFP and spikes. Nature Reviews. Neuroscience. 13 (6), 407-420 (2012).
- Bimbi, M., et al. Simultaneous scalp recorded EEG and local field potentials from monkey ventral premotor cortex during action observation and execution reveals the contribution of mirror and motor neurons to the mu-rhythm. NeuroImage. 175, 22-31 (2018).
- Musall, S., von Pfostl, V., Rauch, A., Logothetis, N. K., Whittingstall, K. Effects of neural synchrony on surface EEG. Cerebral Cortex. 24 (4), 1045-1053 (2014).
- Bruyns-Haylett, M., et al. The neurogenesis of P1 and N1: A concurrent EEG/LFP study. NeuroImage. 146, 575-588 (2017).
- Kang, S., Bruyns-Haylett, M., Hayashi, Y., Zheng, Y. Concurrent Recording of Co-localized Electroencephalography and Local Field Potential in Rodent. Journal of Visualized Experiments. (129), e56447 (2017).
- Shikano, Y., Sasaki, T., Ikegaya, Y. Simultaneous Recordings of Cortical Local Field Potentials, Electrocardiogram, Electromyogram, and Breathing Rhythm from a Freely Moving Rat. Journal of Visualized Experiments. (134), e56980 (2018).
- Cloutier, S., LaFollette, M. R., Gaskill, B. N., Panksepp, J., Newberry, R. C. Tickling, a Technique for Inducing Positive Affect When Handling Rats. Journal of Visualized Experiments. (135), e57190 (2018).
- Fan, R. J., Kung, J. C., Olausson, B. A., Shyu, B. C. Nocifensive behaviors components evoked by brief laser pulses are mediated by C fibers. Physiology & Behavior. 98 (1-2), 108-117 (2009).
- Fan, R. J., Shyu, B. C., Hsiao, S. Analysis of nocifensive behavior induced in rats by CO2 laser pulse stimulation. Physiology & Behavior. 57 (6), 1131-1137 (1995).
- Hu, L., et al. Was it a pain or a sound? Across-species variability in sensory sensitivity. Pain. 156 (12), 2449-2457 (2015).
- Catarino, A., et al. Task-related functional connectivity in autism spectrum conditions: an EEG study using wavelet transform coherence. Molecular Autism. 4 (1), 1 (2013).
- Polterovich, A., Jankowski, M. M., Nelken, I. Deviance sensitivity in the auditory cortex of freely moving rats. PLoS One. 13 (6), e0197678 (2018).
- Li, G., Baker, C. L. Functional organization of envelope-responsive neurons in early visual cortex: organization of carrier tuning properties. The Journal of Neuroscience. 32 (22), 7538-7549 (2012).
- Fujita, S., Toyoda, I., Thamattoor, A. K., Buckmaster, P. S. Preictal activity of subicular, CA1, and dentate gyrus principal neurons in the dorsal hippocampus before spontaneous seizures in a rat model of temporal lobe epilepsy. The Journal of Neuroscience. 34 (50), 16671-16687 (2014).
