הקלטות סימולטני של פוטנציאל שדה מקומי קורטיקליים ו- Electrocorticograms בתגובה לגירויים לייזר Nociceptive לנוע בחופשיות חולדות
Summary
פיתחנו שיטה רשומות בו-זמנית גם electrocorticography וגם שדה מקומי פוטנציאל בתגובה לגירויים לייזר nociceptive לנוע בחופשיות חולדות. טכניקה זו מסייעת ליצור מערכת יחסים ישירה של אותות electrocortical mesoscopic ואת רמות מאקרוסקופית, אשר מקלה על החקירה של nociceptive מידע לעיבוד במוח.
Abstract
תגובות Electrocortical, שהפיק פעימות החום לייזר שמפעילים באופן סלקטיבי nociceptive חינם עצביים, נמצאים בשימוש נרחב במחקרים רבים בעלי חיים ועל האדם לחקור עיבוד מידע nociceptive קורטיקלית. אלה פוטנציאל המוח עורר לייזר (LEPs) מורכב מספר תגובות ארעי, כי הם נעולים בזמן תחילתה של גירויים לייזר. עם זאת, המאפיינים הפונקציונליים של התגובות LEP הם עדיין אינו מודע לקיומם, עקב חוסר טכניקה דגימה בו-זמנית יכול להקליט את פעילות עצבית על פני השטח של קליפת המוח (קרי, electrocorticogram [ECoG], הקרקפת העוויתיים [הקרקפת EEG]) בתוך המוח (קרי, פוטנציאל שדה מקומי [LFP]). כדי לטפל בבעיה זו, אנו מציגים כאן פרוטוקול בבעלי חיים באמצעות חולדות נעה בחופשיות. פרוטוקול זה מורכב שלושה הליכים עיקריים: (1) בעלי חיים והכנה הליכים כירורגיים, (2) הקלטה בו זמנית של ECoG ו- LFP בתגובה לגירויים לייזר nociceptive ולאחר מיצוי כוללים, ניתוח נתונים (3). באופן ספציפי, עם העזרה של מעטפת הגנה מודפס 3D, אלקטרודות ECoG והן LFP מושתל על הגולגולת של החולדה בצורה מאובטחת התקיימו ביחד. בעת איסוף הנתונים, פעימות לייזר נמסרו על forepaws של החולדה דרך פערים בחלק התחתון של התא, כאשר החיה הייתה דממה ספונטנית. רעש לבן שוטף ניגן כדי למנוע את הפעלת מערכת השמיעה סאונד שנוצרו על-ידי לייזר. כתוצאה מכך, רק nociceptive תגובות נרשמו באופן סלקטיבי. באמצעות תהליכים אנליטיים תקן (למשל, הלהקה לעבור סינון, חילוץ אפוק, ותיקון בסיסית) כדי לחלץ תגובות הקשורות גירוי המוח, השגנו תוצאות מציג כי היו LEPs עם יחס אות לרעש גבוה במקביל הקליטה של אלקטרודות ECoG ו- LFP. מתודולוגיה זו מאפשרת הקלטה בו זמנית של ECoG ופעילויות LFP, אשר מספק גשר של אותות electrocortical mesoscopic ואת רמות מאקרוסקופית, ובכך להקל על החקירה של עיבוד מידע nociceptive במוח.
Introduction
EEG היא טכניקה כדי להקליט פוטנציאל חשמלי ופעילויות המוח מתנדנדות שנוצר על ידי פעילות מתואמת של אלפי נוירונים במוח. הוא משמש העממי רבים מחקרים בסיסיים, יישומים קליניים1,2. למשל, תגובות EEG לייזר אינטנסיבי חום פולסים (קרי, LEPs) הם אימצו אותו באופן נרחב כדי לחקור היקפיים ומרכזי העיבוד של4,nociceptive חושית קלט3,5. בבני אדם, LEPs בעיקר מורכב deflections שלושה ייחודי: הרכיב מוקדם (N1) זה somatotopically מאורגן, סביר להניח משקפים הפעילות של קליפת המגע העיקרית (S1)6, את הרכיבים מאוחר (N2 ו- P2) המהווים מרכזי מבוזרת, נוטים יותר משקפים הפעילות של קליפה המגע המשני, insula, cingulate cortex הקדמי7,8. 9,הקודם מחקרים10, להדגים את העכברוש הזה LEPs, שנדגמו באמצעות ECoG (סוג של תוך-גולגולתי EEG) של אלקטרודות וממוקם על פני השטח החשוף של המוח, מורכב גם שלושה ייחודי deflections ( כלומר, somatotopically מאורגן N1, N2 מרכזי מבוזרת, P2). הקוטביות סדר, הטופוגרפיה של רכיבי LEP עכברוש דומים LEPs האנושי11. עם זאת, בשל הרזולוציה המרחבית מוגבלת של הקרקפת EEG ו- ECoG לשטף הקלטות12, כמו גם הטבע לא מדויק של EEG מקור טכניקות ניתוח13, התרומה מפורט של הפעילות העצבית לרכיבים LEP הוא הרבה ויכוח. לדוגמה, זה לא ברור אם ואת המידה שבה S1 תורמת החלק המוקדם של התגובה בקליפת המוח (N1) שהפיק לייזר גירויים6.
שונה מן השיטה הקלטה ב מאקרוסקופית רמה, ישירה תוך-גולגולתי הקלטות באמצעות מערכי microwire סייעו על ידי מכשיר stereotaxic microdrives14,15 יכול למדוד פעילות עצבית (למשל, LFPs ) של אזורים מסוימים. LFPs משקפים בעיקר הסיכום של פוטנציאל postsynaptic מעכבות או סינאפסות של האוכלוסייה המקומית עצביים16. מאז שנדגמו LFP פעילות עצבית משקפים תהליכים עצביים המתרחשים בתוך מאות מיקרומטר סביב האלקטרודה הקלטה, טכניקה זו הקלטה משמש כדי לחקור את המידע לעיבוד במוח ברמת mesoscopic. עם זאת, זה רק מתמקד שינויים מקומיים מדויק של פעילות המוח, לא יכול לענות על השאלה של איך אותות אזורים מרובים משולבים (למשלאיך LEP רכיבים משולבים-אזורים במוח מרובים).
ראוי לציין כי ההקלטה סימולטני של ECoG ו LFPs קורטיקלית לנוע בחופשיות חולדות יכול להקל על החקירה של מידע קורטיקלית עיבוד בשני מאקרוסקופית ורמות mesoscopic. בנוסף, מתודולוגיה זו מהווה הזדמנות מצוינת ומדדים שאליה הפעילות העצבית של האזורים במוח מראש לתרום LEPs. ואכן, מחקרים קודמים מספר שהערכת ה קוהרנטיות בין קוצים, LFP בקליפת המוח, ואת ECoG אותות17,18 והפגינו LFP19,20 הסמוך האלקטרודה EEG תורמת צורה של תגובות הקשורות גירוי המוח. עם זאת, השיטה הקיימת משמש בדרך כלל כדי להקליט את המוח תגובות מחיות ומורדמת עקב חסר של מעטפת הגנה כדי למנוע את האלקטרודות להיות פגום על-ידי ההתנגשות. במילים אחרות, הטכניקה יכולה לבנות את הגשר של אותות electrocortical mesoscopic (LFP בקליפת המוח), מאקרוסקופית (EEG ו- ECoG) רמות בחופשיות העברת חולדות עדיין חסר.
כדי לטפל בבעיה זו, פיתחנו בטכניקה יכול להקליט ECoG ו- LFPs בקליפת המוח באזורים במוח מרובים בו זמנית מ בחופשיות העברת חולדות. טכניקה זו מסייעת ליצור את הקשר הישיר של אותות electrocortical mesoscopic ואת רמות מאקרוסקופית, ובכך להקל על החקירה של nociceptive מידע לעיבוד במוח.
Protocol
Representative Results
Discussion
במחקר הנוכחי, אנו המתואר טכניקה במקביל להקליט ECoGs ותגובות LFP קורטיקלית שהפיק לייזר nociceptive גירויים לנוע בחופשיות חולדות. התוצאות הראו כי LEP תגובות יכול להיות בבירור זוהה לאחר תחילתה של גירויים לייזר ב- ECoG והן LFP אותות. הקלטה בו זמנית של ECoG ואת אותות LFP קורטיקלית תאפשר למדענים לחקור את מערכת הי?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי רשויות אישורים מפתח המעבדה לבריאות הנפש, המכון לפסיכולוגיה, הקרן הלאומית למדע הטבע של סין (31671141 ו- 31822025), 13תאנון Informatization חמש שנים תוכנית של האקדמיה הסינית למדעים (XXH13506), הפרויקט הבסיס המדעי של המכון לפסיכולוגיה, האקדמיה הסינית למדעים (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).
