Registrazioni simultanee di potenziali di campo locale corticale ed Electrocorticograms in risposta a stimoli nocicettivi Laser da liberi di muoversi
Summary
Abbiamo sviluppato una tecnica che registra simultaneamente sia electrocorticography e potenziali di campo locale in risposta a stimoli nocicettivi laser da liberi di muoversi. Questa tecnica aiuta a stabilire un rapporto diretto di electrocortical segnali a livello macroscopico e mesoscopiche che facilita l’indagine nocicettive di elaborazione delle informazioni nel cervello.
Abstract
Electrocortical risposte, indotte da impulsi di calore laser che attivano selettivamente terminazioni nervose gratis nocicettivo, sono ampiamente utilizzate in molti studi animali ed umani per indagare l’elaborazione corticale dell’informazione nocicettiva. Questi potenziali cerebrali evocati laser (LEPs) consistono di parecchie risposte transitorie che sono tempo-bloccata per l’insorgenza di stimoli laser. Tuttavia, le proprietà funzionali delle risposte LEP sono ancora in gran parte sconosciute, a causa della mancanza di una tecnica di campionamento che può registrare simultaneamente attività neurali alla superficie della corteccia (cioè, electrocorticogram [ECoG] e cuoio capelluto elettroencefalogramma [cuoio capelluto EEG]) e all’interno del cervello (cioè, potenziali di campo locale [LFP]). Per risolvere questo problema, vi presentiamo qui un protocollo animale utilizzando ratti liberamente commoventi. Questo protocollo è composto di tre procedure principali: (1) animale preparazione e procedure chirurgiche, (2) una registrazione simultanea di ECoG e LFP in risposta a stimoli nocicettivi laser, (3) estrazione dei dati e analisi e funzionalità. In particolare, con l’aiuto di un guscio protettivo 3D-stampato, sia ECoG e LFP elettrodi impiantati sul cranio del ratto erano saldamente tenuti insieme. Durante la raccolta dati, impulsi laser sono stati trasportati sulle zampe anteriori del ratto attraverso lacune nella parte inferiore della camera quando l’animale era in quiete spontaneo. Rumore bianco in corso è stato interpretato per evitare l’attivazione del sistema uditivo dagli ultrasuoni generati dal laser. Di conseguenza, solo risposte nocicettive selettivamente sono state registrate. Utilizzando le procedure analitiche standard (ad es., filtro passa-banda, estrazione di epoca e correzione della linea di base) per estrarre le risposte correlate a stimolo del cervello, abbiamo ottenuto risultati che sono stati LEPs con un elevato rapporto segnale-rumore contemporaneamente registrate dagli elettrodi ECoG e LFP. Questa metodologia permette la registrazione simultanea delle attività ECoG e LFP, che fornisce un ponte di segnali electrocortical, a livello macroscopico e mesoscopica, facilitando in tal modo l’indagine di elaborazione dell’informazione nocicettiva nel cervello.
Introduction
EEG è una tecnica per registrare i potenziali elettrici e attività oscillatoria cervello generate dalle attività sincronizzata di migliaia di neuroni nel cervello. Esso è comunemente usato in molti studi di base e applicazioni cliniche1,2. Per esempio, risposte EEG a laser intenso calore impulsi (cioè, LEPs) sono ampiamente adottato per studiare l’elaborazione periferico e centro di input nocicettivo sensoriale3,4,5. In esseri umani, LEPs consistono principalmente di tre deviazioni distinti: il componente in anticipo (N1) che è la maniera organizzata e in grado di riflettere l’attività della corteccia somatosensoriale primaria (S1)6e gli elementi tardi (N2 e P2) che occupano una posizione centrale distribuita e più probabile riflettere l’attività della corteccia somatosensoriale secondaria, insula e corteccia anteriore del cingulate7,8. In precedenti studi9,10, abbiamo dimostrato che ratto LEPs, campionato utilizzando ECoG (un tipo di EEG intracranico) da elettrodi posizionati direttamente sulla superficie esposta del cervello, anche costituite da tre distinti deviazioni ( cioè, somatotopically organizzato N1 e N2 distribuito centralmente e P2). La polarità, l’ordine e topografia dei componenti LEP ratto sono simili a umano LEPs11. Tuttavia, a causa della limitata risoluzione spaziale del cuoio capelluto EEG e subdurale ECoG registrazioni12, nonché la natura imprecisa del EEG fonte analisi tecniche13, il contributo dettagliato delle attività neurale ai componenti LEP è molto dibattuta. Ad esempio, è poco chiaro se e nella misura in cui contribuisce alla prima parte della risposta corticale (N1) suscitata da laser stimoli6S1.
Diverso dalla tecnica di registrazione presso il macroscopico recordings intracranica livello, diretto mediante matrici microwire aiutate da un apparato di stereotassiche e Microdrive14,15 potrebbe misurare attività neurali (ad es., LFPs ) di regioni specifiche. LFPs riflettono principalmente la sommatoria dei potenziali postsinaptici eccitatori o inibitori delle locali popolazioni neuronali16. Poiché l’attività neurale LFP-campionati riflette processi neuronali che si verificano all’interno di centinaia di micrometri intorno all’elettrodo di registrazione, questa tecnica di registrazione è ampiamente usata per analizzare le informazioni di elaborazione nel cervello a livello mesoscopico. Tuttavia, solo si concentra su precisi cambiamenti locali di attività del cervello e non può rispondere alla domanda di come sono integrati i segnali provenienti da più regioni (ad esempio, come componenti di LEP sono integrati alle regioni multiple del cervello).
Vale la pena notare che la registrazione simultanea di un ECoG e corticale LFPs da liberi di muoversi potrebbe facilitare l’indagine corticali di elaborazione delle informazioni a livello macroscopico e mesoscopico livelli. Inoltre, questa metodologia fornisce un’eccellente opportunità per indagare la misura in cui l’attività neurale delle regioni del cervello predefiniti contribuiscono ai LEPs. Infatti, parecchi studi precedenti hanno valutato la coerenza fra i punti, corticale LFP, ECoG segnali e17,18 e ha dimostrato che il LFP19,20 adiacente all’elettrodo EEG contribuisce per il Formazione di risposte cerebrali correlate a stimolo. Tuttavia, la tecnica esistente viene solitamente utilizzata per registrare le risposte del cervello da animali anestetizzati a causa della mancanza di un guscio protettivo per impedire gli elettrodi di essere danneggiata dalla collisione. In altre parole, manca ancora la tecnica che potrebbe costruire il ponte di electrocortical segnali a livello macroscopico (EEG ed ECoG) in e mesoscopica (corticale LFP) liberi di muoversi.
Per risolvere questo problema, abbiamo sviluppato una tecnica che potrebbe registrare un ECoG e LFPs corticale in regioni multiple del cervello simultaneamente da liberi di muoversi. Questa tecnica aiuta a stabilire il rapporto diretto dei segnali electrocortical, a livello macroscopico e mesoscopica, facilitando così l’inchiesta nocicettive di elaborazione delle informazioni nel cervello.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nello studio presente, abbiamo descritto una tecnica per registrare contemporaneamente ECoGs e risposte corticali LFP ha suscitate da stimoli nocicettivi laser da liberi di muoversi. I risultati hanno mostrato che le risposte LEP potrebbero essere rilevate chiaramente dopo l’insorgenza di stimoli laser in segnali ECoG sia LFP. La registrazione simultanea di ECoG e corticale LFP segnali consentirà agli scienziati di valutare la loro associazione per meglio comprendere il contributo delle attività di un neurone per i com…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato supportato da CAS Key Laboratory of Mental Health, Istituto di psicologia, Fondazione nazionale di scienze naturali della Cina (31671141 e 31822025), il 13th piano quinquennale informatizzazione dell’Accademia cinese delle scienze (XXH13506), e il progetto fondamento scientifico dell’Istituto di psicologia, Accademia cinese delle scienze (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).
