Gravações simultâneas de potenciais de campo corticais Local e Electrocorticograms em resposta a estímulos nociceptivos Laser de ratos movimentando-se livremente
Summary
Desenvolvemos uma técnica que registra simultaneamente tanto eletrocorticografia e potenciais de campo local em resposta a estímulos nociceptivos do laser de ratos movimentando-se livremente. Esta técnica ajuda a estabelecer uma relação direta dos sinais de electrocortical o nível macroscópico e mesoscópica e que facilita a investigação de informação nociceptiva processamento no cérebro.
Abstract
Electrocortical respostas, eliciadas pulsos de calor do laser que seletivamente ativam terminações nervosas livre nociceptiva, são amplamente utilizadas em muitos estudos animais e humanos para investigar o processamento cortical da informação nociceptiva. Estes potenciais de cérebro do laser-evocados (Pels) consistem de várias respostas transientes que são tempo-fechado para o início dos estímulos do laser. No entanto, as propriedades funcionais das respostas a LEP ainda são em grande parte desconhecidas, devido à falta de uma técnica de amostragem que pode simultaneamente gravar atividades neurais na superfície do córtex (i.e., electrocorticogram [ECoG] e couro cabeludo eletroencefalograma [couro cabeludo EEG]) e no interior do cérebro (ou seja, local campo potencial [LFP]). Para resolver esse problema, apresentamos aqui um protocolo animal utilizando ratos andando livremente. Este protocolo é composto por três processos principais: (1) animal preparação e procedimentos cirúrgicos, (2) uma gravação simultânea de ECoG e LFP em resposta a estímulos nociceptivos do laser e extração de dados (3) análise e recurso. Especificamente, com a ajuda de uma casca protetora 3D-impresso, ambos ECoG e LFP eletrodos implantados no crânio o rato está firmemente realizaram juntos. Durante a coleta de dados, pulsos de laser foram entregues na dianteiras do rato através de aberturas no fundo da câmara, quando o animal estava na quietude espontânea. Em curso de ruído branco interpretou o ultra-som gerado pelo laser para evitar a ativação do sistema auditivo. Como consequência, apenas respostas nociceptivos seletivamente foram gravadas. Usando os procedimentos analíticos padrão (por exemplo, filtragem de passa-banda, extração de época e correção de linha de base) para extrair respostas do cérebro relacionadas com estímulo, obtivemos resultados mostrando que Pels com uma alta relação sinal-ruído foram ao mesmo tempo gravado a partir de eletrodos ECoG e LFP. Esta metodologia possibilita a gravação simultânea de actividades ECoG e LFP, que fornece uma ponte de sinais de electrocortical o nível macroscópico e mesoscópica e facilitando a investigação do processamento da informação nociceptiva no cérebro.
Introduction
EEG é uma técnica para registrar potenciais elétricos e atividades cerebrais oscilatório geradas pelas atividades sincronizadas de milhares de neurônios no cérebro. Popularmente é usado em muitos estudos básicos e aplicações clínicas1,2. Por exemplo, respostas de EEG para laser intenso calor pulsos (ou seja, Pels) são amplamente adotado para investigar o processamento central e periférico de entrada sensorial nociceptiva3,4,5. Em humanos, Pels consistem principalmente em três deflexões distintas: o componente precoce (N1) que é somatotopically organizado e é provável que refletem a atividade do córtex somatossensorial primário (S1)6e os componentes de tarde (N2 e P2) que são centralmente distribuída e mais propensos a refletir a atividade do córtex somatossensorial secundário, insula e o córtex cingulado anterior7,8. Em anteriores estudos9,10, demonstrámos aquele rato Pels, amostrado usando ECoG (um tipo de EEG intracraniano) de eletrodos colocados diretamente sobre a superfície exposta do cérebro, também consistem em três distintas deflexões ( ou seja,, somatotopically organizou a N1 e a N2 centralmente distribuído e P2). A polaridade, ordem e topografia dos componentes rato LEP são semelhantes aos humanos Pels11. No entanto, devido a resolução espacial limitada do couro cabeludo EEG e subdural ECoG gravações12, assim como a natureza imprecisa do EEG fonte análise técnicas13, a contribuição detalhada das atividades neurais para os componentes do LEP é muito debatido. Por exemplo, é incerto se e na medida em que S1 contribui para a primeira parte da resposta cortical (N1) eliciada laser estímulos6.
Diferente da técnica da gravação nas macroscópicas diretas, nível intracraniana as gravações usando arrays microwire auxiliados por um aparelho estereotáxica e microdrives14,15 poderia medir atividades neurais (por exemplo, LFPs ) de regiões específicas. LFPs reflectem sobretudo o somatório dos potenciais pós-sinápticos excitatórios ou inibitórios de populações neuronais locais16. Desde atividades neurais LFP-amostrados refletem processos neuronais que ocorrem dentro de centenas de micrômetros em torno do eletrodo de gravação, esta técnica de gravação é amplamente utilizada para investigar as informações de processamento do cérebro ao nível mesoscópica. No entanto, apenas se concentra em mudanças locais precisas das actividades do cérebro e não pode responder à pergunta de como os sinais de várias regiões são integrados (por exemplo, como componentes LEP são integrados em várias regiões do cérebro).
É interessante notar que a gravação simultânea de um ECoG e corticais LFPs de mover-se livremente ratos poderia facilitar a investigação de informações corticais processamento em ambos macroscópica e mesoscópica níveis. Além disso, esta metodologia oferece uma excelente oportunidade para investigar a extensão a que as atividades neurais das regiões cerebrais predefinidos contribuem para as Pels. De fato, vários estudos anteriores avaliaram a coerência entre espinhos, LFP cortical, e ECoG sinaliza17,18 e demonstrou que a LFP19,20 adjacente para o eletrodo de EEG contribui para o formação de respostas relacionadas com estímulo cerebral. No entanto, a técnica existente geralmente é usada para gravar as respostas do cérebro de animais anestesiados, devido a falta de uma casca protetora para evitar que os eletrodos sendo danificado pela colisão. Em outras palavras, a técnica que poderia construir a ponte de electrocortical sinais no mesoscópica (LFP cortical) e macroscópicos níveis (EEG e ECoG) em ratos movimentando-se livremente é ainda insuficiente.
Para resolver este problema, desenvolvemos uma técnica que poderia gravar um ECoG e LFPs corticais em várias regiões do cérebro simultaneamente de ratos movimentando-se livremente. Esta técnica ajuda a estabelecer a relação direta dos sinais de electrocortical o nível macroscópico e mesoscópica e facilitando a investigação de informação nociceptiva processamento no cérebro.
Protocol
Representative Results
Discussion
No presente estudo, descrevemos uma técnica para gravar simultaneamente ECoGs e respostas LFP corticais eliciadas por estímulos nociceptivos do laser de ratos movimentando-se livremente. Os resultados mostraram que respostas LEP podem ser claramente detectadas após o início dos estímulos do laser em sinais tanto ECoG e LFP. A gravação simultânea de ECoG e cortical LFP sinais permitirá que os cientistas investigar suas relações para melhor compreender a contribuição das atividades neuronais para os componente…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado por CAS chave laboratório de Saúde Mental, Instituto de psicologia, Fundação Nacional de ciências naturais da China (31671141 e 31822025), 13th plano de cinco anos informatização da Academia Chinesa de Ciências (XXH13506), e o projecto da Fundação científica do Instituto de psicologia, Academia Chinesa de Ciências (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).
