Одновременной записи корковых местных потенциалов поля и Electrocorticograms в ответ на раздражители ноцицептивных лазера от свободно перемещающихся крысы
Summary
Мы разработали технику, которая одновременно записывает как electrocorticography, так и местных потенциалов поля в ответ на раздражители ноцицептивных лазера от свободно перемещающихся крыс. Эта техника помогает установить прямую связь electrocortical сигналов на мезоскопических и макроскопических уровнях, которая облегчает расследование ноцицептивных обработки информации в головном мозге.
Abstract
Electrocortical ответы, вызвал лазерных импульсов тепла, которые выборочно активировать ноцицептивных бесплатно нервных окончаний, широко используются во многих исследованиях на животных и человека расследовать корковых обработки ноцицептивных информации. Эти потенциалы лазер вызвала мозга (Лепс) состоят из нескольких переходных ответов, которые заблокированы время до наступления лазерной раздражителей. Однако функциональные свойства ЛЭП ответов по-прежнему в значительной степени неизвестными, из-за отсутствия техники выборки, что можно одновременно записывать нейронная деятельности на поверхности коры (то есть, electrocorticogram [ECoG] и волосистой части головы Электроэнцефалограмма [скальпа ЭЭГ]) и внутри мозга (т.е., потенциальных местах [LFP]). Для решения этой проблемы, мы представляем здесь животных протокол, используя свободно движущихся крыс. Этот протокол состоит из трех основных процедур: подготовка (1) животных и хирургических процедур, (2 одновременная запись ECoG и LFP в ответ на раздражители ноцицептивных лазерной и (3) данных анализа и функция извлечения. В частности с помощью 3D-печати защитные оболочки, ЭГ и LFP электродов имплантирован на череп крыса надежно держались вместе. Во время сбора данных лазерные импульсы были доставлены на передних лапах крыс через пробелы в нижней части камеры, когда животное было в спонтанное Тишина. Чтобы избежать активации слуховой системы сыграл текущих белый шум лазер генерируется ультразвук. Как следствие избирательно были записаны только ноцицептивных реакций. С использованием стандартных аналитических процедур (например, полосовая фильтрация, эпоха добыча и коррекция базовой линии) для извлечения связанных с стимул мозга ответов, мы получили результаты показывают, что были Лепс с высоким соотношением сигнал шум одновременно записан с ЭГ и LFP электродов. Эта методология позволяет одновременной записи ECoG и LFP деятельности, которая обеспечивает мост electrocortical сигналов на мезоскопических и макроскопических уровнях, способствуя тем самым расследования обработки ноцицептивных информации в головном мозге.
Introduction
ЭЭГ — это метод для записи электрических потенциалов и колебательных мозга мероприятий, порожденных синхронизированную деятельность тысяч нейронов в головном мозге. Он широко используется во многих основных исследований и клинического применения1,2. Например, ЭЭГ ответы интенсивного лазерного нагрева импульсов (т.е., Лепс) широко принят расследовать периферической и Центральной обработки ноцицептивных сенсорного ввода3,4,5. В организме человека, Лепс главным образом состоят из трех различных прогибов: компонент раннего (N1), который somatotopically организованной и, вероятно отразить деятельность первичной соматосенсорной коры (S1)6и конце компоненты (N2 и P2), которые находятся в центре города распределенные и более вероятно отразить деятельность вторичных соматосенсорной коры, insula и передней поясной коры7,8. В предыдущих исследованиях9,10мы показали, что крысы Лепс, отобранных с помощью ЭГ (тип внутричерепных ЭЭГ) от электродов, расположенных прямо на внешней поверхности мозга, также состоит из трех отдельных прогибов ( т.е., somatotopically организовал N1 и централизованно распределенных N2 и P2). Полярности, порядок и топографии крыса ЛЭП компоненты похожи на человека Лепс11. Однако из-за ограниченного пространственного разрешения скальпа ЭЭГ и субдуральные ECoG записи12, а также неточные характер ЭЭГ исходный анализ методов13, подробные вклад нейронных деятельности компонентов ЛЭП много обсуждается. Например это неясно, если и степени способствует S1 в начале корковых ответа (N1) с лазерной раздражители6.
Отличается от метода записи на макроскопического уровня, прямой внутричерепных записи, с помощью микропровода массивов с помощью стереотаксического аппарата и диски Microdrive14,15 может измерить нервной деятельности (например, LFPs ) конкретных регионов. LFPs главным образом отражают суммирование тормозящий или возбуждающих постсинаптических потенциалов местных нейрональных популяций16. Поскольку LFP-пробы нервной деятельности отражают нейрональные процессы, происходящие в течение сотен микрометров вокруг электрода записи, эта техника записи широко используется для изучения информации, обработка в головном мозге на уровне мезоскопических. Однако, он только фокусируется на точные локальные изменения деятельности мозга и не может ответить на вопрос как интегрированные сигналы от нескольких областей (например, как ЛЭП компоненты интегрируются в нескольких регионах мозга).
Стоит отметить, что одновременная запись ECoG и корковых LFPs от свободно перемещающихся крыс может облегчить расследование обработки как на макроскопическом корковых информации и мезоскопических уровней. Кроме того эта методология обеспечивает прекрасную возможность для изучения степени, нервной деятельности предопределенные мозга регионов содействовать Лепс. Действительно, ряд предыдущих исследований получили оценку согласованности между шипами, корковые LFP, и ЭГ сигналов17,18 и продемонстрировал, что способствует19,LFP20 , прилегающих к электрода ЭЭГ Формирование мозга стимул ответов. Однако существующий метод обычно используется для записи мозга ответов от наркотизированных животных из-за отсутствия защитной оболочки для предотвращения электродов от повреждения от столкновения. Другими словами метод, который может построить мост electrocortical сигналов в мезоскопических (корковых LFP) и макроскопических уровнях (ЭЭГ и ЭГ) свободно перемещающихся крысы по-прежнему отсутствует.
Для решения этой проблемы, мы разработали технику, которая может записывать ECoG и корковых LFPs в нескольких регионах мозга одновременно, от свободно перемещающихся крыс. Эта техника помогает установить прямую связь electrocortical сигналов на мезоскопических и макроскопических уровнях, способствуя тем самым расследование ноцицептивных обработки информации в головном мозге.
Protocol
Representative Results
Discussion
В настоящем исследовании мы описали технику, чтобы одновременно записывать ECoGs и корковые LFP ответы, вызвал ноцицептивных лазерной стимулы от свободно перемещающихся крыс. Результаты показали, что ЛЭП ответы могут быть четко обнаружены после начала лазерного раздражителей в ЭГ и LFP сиг…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана CAS ключ Лаборатория психического здоровья, Институт психологии, Национальный фонд естественных наук Китая (31671141 и 31822025), 13й информатизации пятилетний план Китайской академии наук (XXH13506), и научный фонд проекта Института психологии, Китайской академии наук (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).
