方法文章

对自由活动大鼠施加伤害性激光刺激后同时记录皮层局部场电位和皮层电图

DOI：

10.3791/58686

⸱

2019年1月7日

 ,  ,  ,  , 
1CAS Key Laboratory of Mental Health, Institute of Psychology, 2Department of Psychology, University of Chinese Academy of Sciences, 3Research Center of Brain Cognitive Neuroscience, Liaoning Normal University, 4Neuroscience Research Institute, Peking University, 5Department of Neurobiology, School of Basic Medical Sciences, Peking University, 6Key Laboratory for Neuroscience, Ministry of Education/National Health and Family Planning Commission, Peking University, 7Department of Pain Management, State Key Clinical Specialty in Pain Medicine, Second Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University

本文内容

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

我们开发了一种技术，可在自由活动的大鼠中同步记录对伤害性激光刺激产生的皮层脑电图和局部场电位。该技术有助于建立介观和宏观水平上皮层电活动信号之间的直接关联，从而促进对大脑中伤害性信息处理机制的研究。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

由选择性激活伤害性游离神经末梢的激光热脉冲所诱发的皮层电反应，在众多动物和人类研究中被广泛用于探究伤害性信息的皮层处理过程。这些激光诱发电位（LEPs）包含多个与激光刺激起始时间锁定的短暂反应。然而，由于缺乏一种能够同时记录大脑皮层表面和皮层下神经活动的取样技术，LEPs反应的功能特性在很大程度上仍不清楚。即，皮层脑电图 [ECoG] 和头皮脑电图 [scalp EEG]）以及脑内即，局部场电位 [LFP]）。为解决这一问题，本文介绍了一种使用自由活动大鼠的动物实验方案。该方案包含三个主要步骤：（1）动物准备与手术操作，（2）在伤害性激光刺激下同步记录ECoG与LFP，以及（3）数据分析与特征提取。具体而言，在3D打印保护壳的辅助下，植入大鼠颅骨的ECoG和LFP电极被牢固地固定在一起。在数据采集过程中，当动物处于自发静止状态时，激光脉冲通过记录箱底部的缝隙作用于大鼠前爪。同时播放持续的白噪声，以避免激光产生的超声激活听觉系统。因此，仅选择性地记录到伤害性反应。采用标准分析流程（例如，带通滤波、片段提取和基线校正）以提取与刺激相关的脑反应，我们获得了高信噪比的激光诱发电位（LEPs），并实现了从ECoG和LFP电极同步记录。该方法使得ECoG与LFP活动的同步记录成为可能，为介观与宏观尺度的皮层电活动信号之间建立了桥梁，从而有助于研究大脑对伤害性信息的处理过程。

引言

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脑电图（EEG）是一种记录由大脑中数千个神经元同步活动所产生的电位和脑部振荡活动的技术。该技术广泛应用于许多基础研究和临床实践中1,2。例如，对强烈激光热脉冲产生的脑电反应（i.e.，LEP）被广泛用于研究伤害性感觉输入的外周和中枢处理过程3,4,5。在人类中，LEP主要包含三个明显的偏转成分：早期成分（N1），具有躯体定位组织特征，可能反映初级躯体感觉皮层（S1）的活动6；以及晚期成分（N2和P2），呈中枢分布，更可能反映次级躯体感觉皮层、岛叶和前扣带皮层的活动 7,8。在先前的研究中9,10，我们已证明，通过ECoG（一种颅内EEG）从直接放置于暴露脑表面的电极记录的大鼠LEP，同样包含三个明显的偏转成分（i.e.，具有躯体定位组织特征的N1和呈中枢分布的N2与P2）。大鼠LEP成分的极性、顺序和拓扑分....

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方案

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实验采用成年雄性Sprague-Dawley大鼠（体重400 - 450 g）。所有手术和实验操作均遵循美国国立卫生研究院《实验动物护理和使用指南》。相关操作已获中国科学院心理研究所研究伦理委员会批准。

1. 电极植入

  1. 在手术前，将大鼠置于含5%异氟烷和1 L/min气流的麻醉舱中进行麻醉。
  2. 使用立体定位仪固定大鼠头部，将其鼻部置于麻醉面罩中。给予异氟烷麻醉 通过 使用浓度为2%、气流速率为0.5 L/min的麻醉面罩，以维持手术期间的麻醉深度。注意，当大鼠对足趾夹捏无反应时，即达到手术耐受状态。
  3. 涂抹眼药膏以防止角膜干燥。
  4. 使用标准剃刀剃除大鼠头皮顶部的毛发。
  5. 使用医用碘伏消毒液对头皮进行消毒，然后用75%酒精脱碘。
  6. 在头皮注射利多卡因（2%）以实现局部镇痛。腹腔注射阿托品（0.2 mL）以抑制呼吸道过度分泌。
  7. 使用手术刀在头皮正中做一条长约2 - 3厘米的切口。沿中线切开并去除部分头皮，暴露颅骨。必要时使用电凝器止血。
  8. 根据预设的立体定位坐标（基于前囟位置）标记ECoG电极的位置，以及参考电极和接地电极在中线上的位置（分别位于后囟后方2 mm和4 mm处）。
  9. 在标记位置使用电动颅骨钻在颅骨上钻孔（直径：0.5 mm），用于放置ECoG螺钉，注意勿损伤硬脑膜。
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结果

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在代表性实验中，记录了五只大鼠的电生理数据。对每只大鼠的右前爪施加激光刺激，共20次，刺激间间隔>40秒。使用ECoG螺钉和深部导线记录激光诱发的脑反应，深部导线植入双侧初级躯体感觉皮层（S1）和初级运动皮层（M1）。

如图1所示，根据立体定位坐标，在以下位置植入了两个颅外皮层电极（ECoG，以黑色标记）和深部导丝电极（以彩色标记，每个区域植入五根导丝，共四个区域）（坐标以Bregma为参考，单位为mm；X轴和Y轴的正值分别表示右侧和前侧位置）：左侧ECoG，X = -1.5，Y = 1.75；右侧ECoG，X = 1.5，Y = 1.75；左侧S1，X = -4，Y = 0.5；右侧S1，X = 4，Y = 0.5；左侧M1，X = -3，Y = 3；右侧M1，X = 3，Y = 3。

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讨论

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在本研究中，我们描述了一种技术，可同时记录自由活动大鼠在伤害性激光刺激下诱发的皮层脑电图（ECoG）和皮层局部场电位（LFP）反应。结果表明，在激光刺激开始后，可在ECoG和LFP信号中清晰检测到激光诱发电位（LEP）反应。同时记录ECoG和皮层LFP信号将有助于科学家研究二者之间的关系，从而更深入地理解神经元活动对LEP成分的贡献。

应注意到所提出技术中的五个关键步骤。第一，在使用牙科丙烯酸树脂将保护壳基座固定于颅骨表面之前，必须确保颅骨表面清洁且干燥。此步骤可确保保护壳基座稳定固定。第二，由于ECoG螺钉的直径略大于钻孔直径，初始旋入螺钉时会扩大孔径以形成螺纹。在本研究中，用于钨丝的孔与用于ECoG螺钉的孔之间的距离非常小（例如，小于0.3 mm）。如果在旋入ECoG螺钉和插入深度导线之前就完成所有钻孔，则ECoG螺钉周围的颅骨会变得脆弱，无法承受螺钉旋入过程中扩孔所产生的机械负荷。因此，必须先将ECoG螺钉旋入孔中以形成螺纹，然后再为插入钨丝进行钻孔。如果已插入的ECoG螺钉妨碍了钨丝钻孔时的视野，建议在完成方案的步骤1.14之后将其旋出，待钻孔完成后再重新.......

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致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本工作得到中国科学院心理研究所心理健康重点实验室的支持， 中国国家自然科学基金（31671141 和 31822025），13th 中国科学院信息化专项五年规划（XXH13506）及中国科学院心理研究所科研基金项目（Y6CX021008）

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
雄性 Sprague-Dawley 大鼠Vital River
异氟烷RWD Life Science
小型动物异氟烷麻醉系统RWD Life Science包含大鼠用麻醉面罩
立体定位仪RWD Life Science
集成 ECoG 与 LFP 电极的装置该装置为自制，将 ECoG 电极和深部导线电极组装至一个连接器模块
3D 打印保护壳壳体材质为聚乳酸，为自制结构，包含三个部分：底座、侧壁和顶盖。侧壁覆盖铜制锥形层，构成法拉第笼
钨丝（直径：50 mm）California Fine Wires Company用于皮层 LFP 记录的电极
 不锈钢螺钉
（直径：0.6 mm）		用于 ECoG 记录的电极
电动颅骨钻RWD Life Science
 钻头（直径：0.5 mm）RWD Life Science用于钻制 ECoG 螺钉的孔洞
 钻头（直径：0.2 mm）RWD Life Science用于钻制深部导线的孔洞 
牙科丙烯酸粉末SNC dental
牙科丙烯酸液体SNC dental
石蜡Fisher Scientific该混合物用于封闭开颅部位，以确保后续微丝电极阵列的移动
矿物油Fisher Scientific
电凝器 Bovie medical Corporation
RHD2132 放大器板 Intan Technologies32 通道前置放大器
RHD2000 系统Intan Technologies数据采集系统
红外钕掺杂钇铝钙钛矿（Nd:YAP）激光发生器Electronical Engineering
Matlab R2016bThe MathWorks 

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. Peng, W., et al. Brain oscillations reflecting pain-related behavi....

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