Summary

Registrazioni simultanee di potenziali di campo locale corticale, elettrocardiogramma, elettromiogramma e respirazione ritmo da un ratto liberamente commovente

Published: April 02, 2018
doi:

Summary

Questo studio introduce un metodo per la registrazione simultanea di potenziali di campo locale nel cervello, elettrocardiogrammi, i electromyograms e segnali di un ratto liberamente commovente di respirazione. Questa tecnica, che riduce i costi di sperimentali e semplifica l’analisi dei dati, contribuirà alla comprensione delle interazioni tra il cervello e gli organi periferici.

Abstract

Monitoraggio le dinamiche fisiologiche del cervello e tessuti periferici è necessaria per affrontare una serie di domande su come i controlli di cervello corpo funzioni e degli organi interni ritmi quando gli animali sono esposti a sfide emotive e cambiamenti nella loro ambienti di vita. In generale gli esperimenti, i segnali provenienti da diversi organi, quali il cervello e il cuore, sono registrati dai sistemi di registrazione indipendente che richiedono più dispositivi di registrazione e procedure diverse per l’elaborazione dei file di dati. Questo studio descrive un nuovo metodo che può monitorare contemporaneamente BCI elettrici, tra cui decine di potenziali di campo locale in più regioni del cervello, elettrocardiogrammi che rappresentano il ritmo cardiaco, i electromyograms che rappresentano sveglio / contrazione muscolare legati al sonno e segnali, in un ratto liberamente commovente di respirazione. La configurazione di registrazione di questo metodo si basa su una matrice di micro-unità convenzionale per le registrazioni potenziali di campo locale corticale in cui decine di elettrodi sono accomodati e dei segnali ottenuti da questi elettrodi sono integrati in un unico quadro elettrico montato sulla testa dell’animale. Qui, questo sistema di registrazione è stato migliorato in modo che i segnali provenienti da organi periferici vengono trasferiti anche una scheda di interfaccia elettrica. In un unico intervento, elettrodi prima vengono impiantati separatamente in parti del corpo appropriato e le aree del cervello di destinazione. Le estremità aperte di tutti questi elettrodi sono poi saldate ai singoli canali del quadro elettrico sopra la testa dell’animale affinché tutti i segnali possono essere integrati in singolo quadro elettrico. Questa scheda di collegamento a un dispositivo di registrazione consente la raccolta di tutti i segnali in un unico dispositivo, che riduce i costi di sperimentali e semplifica il trattamento dei dati, poiché tutti i dati possono essere trattati nello stesso file di dati. Questa tecnica aiuterà la comprensione dei correlati neurofisiologici delle associazioni tra gli organi centrali e periferici.

Introduction

Il sistema nervoso centrale controlla gli Stati di corpo in risposta ai vari cambiamenti ambientali, e questo controllo è in genere rappresentato come cambiamenti nella frequenza cardiaca, frequenza respiratoria e contrazioni muscolari. Tuttavia, pochi studi hanno testato come tali fattori fisiologici periferici sono associati con attività corticale. Per risolvere questo problema, è necessario un metodo di registrazione su larga scala per il monitoraggio elettrico BCI da tessuti sia centrali che periferici. Nella corteccia cerebrale, segnali (LFP) potenziali di campo locale extracellularly sono registrati da elettrodi che vengono inseriti nei tessuti corticali1,2,3. Per registrare simultaneamente segnali multipli di LFP dalle regioni corticali di piccoli mammiferi, come ratti e topi, una serie di studi hanno sviluppato diversi tipi di gruppi di elettrodi su misura che sono denominate micro-drive. Una micro-unità convenzionale è composto da viti di metallo attaccate alla parte centrale degli elettrodi (che in genere sono tetrodi), un corpo di nucleo che accomoda le viti e gli elettrodi e una scheda di interfaccia elettrica (BEI) che accomoda fori in metallo per collegare le estremità aperte degli elettrodi (Figura 1, Figura 2e Figura 3). Questo elettrodo permette all’operatore di controllare la profondità di molti elettrodi inseriti nel cervello nel corso di giorni o settimane e consente lo svolgimento di registrazioni a lungo termine croniche dell’attività neuronale, come l’animale è sfidato con vari attività comportamentali. Negli organi periferici, i segnali heartbeat sono registrati come elettrocardiogrammi (ECG) da una coppia di elettrodi che vengono impiantati su o intorno al cuore zona4,5,6, e i segnali del muscolo scheletrico sono registrati come i electromyograms (EMGs) con elettrodi che vengono inseriti nel muscolo tessuto7,8,9. Il rapporto tra i segnali elettrici del bulbo olfattivo e ritmo del respiro (BR) è stato studiato con unità singole registrazioni10,11. In sistemi di registrazione convenzionali, questi segnali dai tessuti differenti sono stati catturati dai dispositivi di registrazione indipendente, il che significa che un sistema sperimentale supplementare è necessario per sincronizzare precisamente questi dispositivi multipli per simultanea registrazioni dei segnali del cervello-corpo. Questo sistema è stato sviluppato per superare questo problema. In questo sistema, tutti i segnali elettrici registrati dagli organi periferici, tra cui ECG, EMGs e segnali elettrici dal bulbo olfattivo che riflettono il ritmo del respiro, sono integrati in una singola matrice di micro-unità1,2 ,3, qui definita matrice di micro-unità integrativa. Questo sistema richiede soltanto un dispositivo di registrazione multi-canale ed è applicabile a qualsiasi matrice di micro-unità convenzionali. I vantaggi di questa tecnica sono che non richiede alcun dispositivi speciali o segnali di trigger per abbinare il tempo di registrazione di più dispositivi, e permette il trattamento più conveniente, dal momento che tutti i segnali sono registrati come tipi di dati simili. Questa tecnica aiuterà la comprensione dei correlati neurofisiologici delle associazioni tra gli organi centrali e periferici. Questo articolo descrive le procedure connesse con la tecnica e presenta il set di dati rappresentativi ottenuti da un ratto.

Protocol

Tutte le procedure che coinvolgono animali soggetti sono state eseguite secondo le linee guida NIH per la cura e l’uso di animali. 1. preparazione della matrice Micro-unità integrativa Creare un array di micro-unità per le registrazioni come descritto altrove corticale-LFP1,2,3. Lasciare almeno 6 fori in metallo si apre su una scheda di interfaccia di elettrodo (BEI) per l’utilizzo come ca…

Representative Results

Questo metodo è in grado di catturare simultaneamente segnali bioelettrici da organi multipli che rappresentano l’attività neuronale del cervello, frequenza cardiaca, respirazione ritmica e le contrazioni del muscolo scheletrico (Figura 1). Figura 4 fornisce i dati di registrazione rappresentativo da un ratto liberamente commovente che è stato liberamente foraggiamento in una scatola rettangolare (25 × 40 cm<…

Discussion

Per comprendere come il cervello modula i livelli di attività periferica e vice versa, su larga scala in metodi per catturare simultaneamente elettrica BCI da più zone del corpo della registrazione sono necessarie. Questo studio ha descritto una procedura chirurgica e un sistema di registrazione per il monitoraggio di potenziali di campo locale cerebrale, frequenza cardiaca, la grandezza della costruzione muscolare e ritmi respiratori, che sono stati migliorati in un sistema di registrazione che viene utilizzato per re…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo lavoro è stato supportato da Kaken-Ciao (17 H 05939; 17 H 05551), la Fondazione Nakatomi e Suzuken Memorial Foundation.

Materials

FEP Hookup Wire Stranded Stainless Steel  Cooner Wire Company, Chatsworth, CA AS 633 Bioflex wire
EIB-36-PTB Neuralynx, Inc., Bozeman, MT EIB-36-PTB EIB
Cereplex  M Blackrock  Microsystems, Salt Lake City, UT Digital headstage
Cereplex Direct  Blackrock  Microsystems, Salt Lake City, UT Data acquisition system
UEW polyurethane magnet wire Oyaide.com, Tokyo, Japan UEW 0.14mm 20m  Enamel wire
SD-102 Narishige, Tokyo, Japan SD-102 High-speed drill
Minimo ONE SERIES ver.2 Minitor Co.,Ltd, Tokyo, Japan C2012 High-peed drill Power Supply 
Provinice 250 mL Shofu Inc., Kyoto, Japan 213620136 Dental cement
Small Animal Anesthetizer  Biomachinery, Chiba, Japan TK-7 Anesthetizer 
Buprenorphine hydrochloride Sigma-Aldrich, St. Louis, MO B7536-1ML Analgesic
Isoflurane DS Pharma Animal Health, Osaka, Japan  Isoflu 250mL
Vaseline, White  Wako Pure Chemical Industries, Ltd., Osaka, Japan 224-00165  Vet ointment 
 Sodium alginate Nacalai tesque, Kyoto, Japan 31131-85
Calcium Chloride Dihydrate Wako Pure Chemical Industries, Ltd., Osaka, Japan 031-00435 
Stainless steel screw M1.0×4.0  MonotaRO, Hyogo, Japan 42617504 Stainless steel screw for BR electrodes
Stainless steel screw M1.4×3.0 MonotaRO, Hyogo, Japan 42617687 Stainless steel screw for g/r electrodes and anchors

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Cite This Article
Shikano, Y., Sasaki, T., Ikegaya, Y. Simultaneous Recordings of Cortical Local Field Potentials, Electrocardiogram, Electromyogram, and Breathing Rhythm from a Freely Moving Rat. J. Vis. Exp. (134), e56980, doi:10.3791/56980 (2018).

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