Gelijktijdige opnamen van corticale lokale veld mogelijkheden en Electrocorticograms in reactie op Nociceptieve Laser Stimuli vrij bewegen ratten
Summary
We ontwikkelden een techniek die gelijktijdig zowel electrocorticography als lokale veld potentieel in reactie op Nociceptieve laser stimuli vrij bewegen ratten vastgelegd. Deze techniek helpt een directe relatie van electrocortical signalen op de mesoscopische en macroscopische niveau, dat vergemakkelijkt het onderzoek van Nociceptieve informatieverwerking in de hersenen.
Abstract
Electrocortical reacties, ontlokte door warmte laserpulsen die selectief Nociceptieve vrije zenuwuiteinden activeren, worden veel gebruikt in veel dierlijke en menselijke studies te onderzoeken van de corticale verwerking van Nociceptieve informatie. De mogelijkheden van deze laser-opgeroepen hersenen (LEPs) bestaan uit verschillende tijdelijke reacties, die tijd-vergrendeld aan het begin van laser stimuli zijn. De functionele eigenschappen van de LEP reacties zijn echter nog steeds grotendeels onbekend, vanwege het ontbreken van een bemonstering techniek die gelijktijdig van neurale activiteiten aan het oppervlak van de cortex (dat wil zeggen, electrocorticogram [ECoG] en hoofdhuid opnemen kan electroencephalogram [hoofdhuid EEG]) en in het brein (d.w.z., lokale veld potentiële [LFP]). Om dit probleem te verhelpen, presenteren we hier een dierlijke protocol met vrij bewegende ratten. Dit protocol is samengesteld uit drie belangrijkste procedures: (1) de dierlijke voorbereiding en chirurgische ingrepen, (2) een gelijktijdige opname van ECoG en LFP in antwoord op stimuli van Nociceptieve laser, en (3) gegevensextractie analyse en functie. In het bijzonder met de hulp van een 3D-gedrukte beschermende shell, werden ECoG zowel LFP elektroden geïmplanteerd op de rat’s schedel veilig samengehouden. Tijdens het verzamelen van gegevens, werden laserpulsen uitgebracht op de rat forepaws door gaten in de bodem van de kamer toen het dier in spontane stilte. Lopende witte ruis werd gespeeld om te voorkomen dat de activering van het auditieve systeem door de laser-geproduceerde ultrasone klanken. Dientengevolge, werden alleen Nociceptieve antwoorden selectief opgenomen. Met behulp van de analytische standaardprocedures (b.v., band pass filter epoch extractie en correctie van de basislijn) uitpakken van stimulus-gerelateerde hersenen reacties, verkregen we resultaten liet zien dat LEPs met een hoge signaal-ruisverhouding tegelijkertijd opgenomen van de ECoG en LFP elektroden. Deze methodiek maakt het gelijktijdig opnemen van ECoG en LFP activiteiten mogelijk, die voorziet in een brug van signalen van de electrocortical op de mesoscopische en macroscopische niveau, teneinde het onderzoek van Nociceptieve informatieverwerking in de hersenen.
Introduction
EEG is een techniek om elektrische potentialen en oscillerende hersenen activiteiten gegenereerd door de gesynchroniseerde activiteiten van duizenden van neuronen in de hersenen te registreren. Volksmond wordt gebruikt in veel basisonderzoek en klinische toepassingen1,2. Bijvoorbeeld, EEG reacties op intense laser warmte pulsen (d.w.z., LEPs) zijn alom aangenomen om te onderzoeken van de perifere en centrale verwerking van Nociceptieve sensorische input3,4,5. Bij de mens, LEPs voornamelijk bestaan uit drie verschillende verlegging: de vroege component (N1) thats somatotopically georganiseerd en waarschijnlijk aan de activiteit van de primaire Somatosensorische cortex (S1)6en de late onderdelen (N2 en P2) die centraal gedistribueerde en meer kans om na te denken van de activiteit van de secundaire Somatosensorische cortex, insula en anterior cingularis cortex7,8. In vorige studies9,10, we toonden aan dat rat LEPs, bemonsterd met behulp van de ECoG (een soort intracraniële EEG) van elektroden direct op het blootgestelde oppervlak van de hersenen geplaatst, ook bestaan uit drie verschillende verlegging ( dat wil zeggen, somatotopically georganiseerd N1 en de Centraal gedistribueerde N2 en P2). De polariteit, de volgorde en de topografie van de rat LEP componenten zijn vergelijkbaar met menselijke LEPs11. Echter, als gevolg van de beperkte ruimtelijke resolutie van de hoofdhuid EEG en subduraal ECoG opnames12, evenals het onjuiste karakter van de EEG source analyse technieken13, de gedetailleerde bijdrage van de neurale activiteiten aan het LEP-componenten veel is besproken. Het is bijvoorbeeld onduidelijk wanneer en de mate waarin S1 tot het eerste deel van de corticale reactie (N1 bijdraagt) ontlokte door laser stimuli6.
Anders dan de opname-techniek in de macroscopische niveau, directe intracraniële opnamen met behulp van microwire arrays geholpen door een stereotaxic apparaat en microdrives14,15 kon meten neurale activiteiten (b.v.LFPs ) voor specifieke regio’s. LFPs weerspiegelen voornamelijk de sommatie van remmende of excitatory postsynaptisch potentieel van neuronale bevolking16. Aangezien LFP-bemonsterd neurale activiteiten neuronale processen die zich voordoen binnen honderden van micrometers rond de opname-elektrode weerspiegelen, wordt deze opname-techniek veel gebruikt om te onderzoeken van de informatieverwerking in de hersenen op het niveau van de mesoscopische. Echter alleen richt zich op precieze lokale wijzigingen van de activiteiten van de hersenen en kan niet antwoord op de vraag hoe de signalen van meerdere regio’s worden geïntegreerd (bijvoorbeeldhoe LEP componenten zijn geïntegreerd op meerdere hersengebieden).
Het is vermeldenswaard dat de gelijktijdige opname van een ECoG en corticale LFPs vrij bewegen ratten het onderzoek van corticale informatieverwerking bij beide macroscopische zou kunnen vergemakkelijken en mesoscopische niveaus. Bovendien, biedt deze methode een uitstekende gelegenheid om te onderzoeken van de mate waarin de neurale activiteiten van de vooraf gedefinieerde hersengebieden tot de LEPs bijdragen. Inderdaad, verscheidene vorige studies hebben de samenhang tussen spikes, corticale LFP, beoordeeld en ECoG signalen17,18 en aangetoond dat de LFP19,20 grenzend aan de EEG-elektrode tot bijdraagt de vorming van de hersenen van de stimulus-gerelateerde reacties. De bestaande techniek wordt echter meestal gebruikt om vast te leggen van de hersenen antwoorden van narcose dieren als gevolg van het ontbreken van een beschermende shell om te voorkomen dat de elektroden wordt beschadigd door de botsing. Met andere woorden, ontbreekt de techniek die konden bouwen de brug van electrocortical signalen op de mesoscopische (corticale LFP) en macroscopische (EEG en ECoG) niveau in vrij verplaatsen ratten nog.
Om dit probleem te verhelpen, ontwikkelden we een techniek die een ECoG en corticale LFPs in meerdere hersengebieden gelijktijdig van de vrij bewegende ratten kan vastleggen. Deze techniek helpt de directe relatie van signalen van de electrocortical op de mesoscopische en macroscopische niveau, waardoor het onderzoek van Nociceptieve informatieverwerking in de hersenen.
Protocol
Representative Results
Discussion
In de huidige studie beschreven we een techniek om gelijktijdig opnemen van ECoGs en corticale LFP reacties ontlokte door Nociceptieve laser stimuli ratten vrij te bewegen. De resultaten toonden aan dat LEP reacties na het begin van laser stimuli in zowel de ECoG en de LFP signalen duidelijk kon worden opgespoord. De gelijktijdige opname van ECoG en corticale LFP signalen kunnen wetenschappers te onderzoeken hun relatie om beter inzicht te krijgen in de bijdrage van neuronale activiteiten aan het LEP-componenten.
<p …Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door CAS sleutel laboratorium of Mental Health, Instituut voor psychologie, de nationale stichting van de natuurwetenschappen van China (31671141 en 31822025), de 13th vijfjarige informatisering Plan van de Chinese Academie van Wetenschappen (XXH13506), en het project van de wetenschappelijke onderbouwing van het Institute of Psychology, Chinese Academie van Wetenschappen (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).
