在自由运动大鼠的反应中, 皮质局部电位和电皮质图谱的同时记录
January 7th, 2019
我们开发了一种技术, 同时记录电皮质成像和局部场电位, 以响应来自自由移动的大鼠的诱发电位激光刺激。这项技术有助于在介观和宏观层面建立电皮质信号的直接关系, 这有利于大脑中的噪声信息处理的研究。
此方法有助于建立从 ECoG 记录的电皮质信号与导线深度的直接关系，以回答有关激光唤起电位神经元贡献的关键问题。该技术的主要优点是电极植入可受多乳化壳保护，因此记录可应用于自由移动大鼠。这种方法可用于记录由不同感觉或精神疾病的短暂特征刺激引起的大脑反应，从而促进对各自神经磁力的研究。
从文本协议中详述的对大鼠进行麻醉开始。然后，使用立体仪器固定老鼠的头部，它的鼻子放在麻醉面罩。当大鼠对手趾捏没有反应时，手术耐受性就达到。
将眼科软膏涂抹在眼睛上，以避免角膜干燥。使用标准剃须刀剃大鼠头皮的顶部。然后，使用医用碘消毒剂溶液和75%酒精对头皮进行消毒，以去除碘。
将2%利多卡因注射到头皮中，进行局部镇痛。然后，给阿托平服用，以抑制呼吸超呼吸。用手术刀在头皮上切开大约两到三厘米的中线切口。
切割并去除头皮的一部分沿中线，并暴露颅骨。根据预定义的立体轴坐标标记 ECoG 电极的位置。此外，标记中线上的参考电极和接地电极的位置。
在标记的景点的头骨上使用电动颅骨钻孔为 ECoG 螺钉钻孔，而不会破坏 dura。将连接到绝缘涂层铜线的不锈钢螺钉驱动到孔中，深度约为 1 毫米。避免穿透底层的杜拉。
将保护壳底座放在颅骨上。使用牙科丙烯酸将底座与相邻螺钉固定在颅骨上。根据预定义的立体轴坐标标记深度线电极的位置。
现在，在头骨周围钻小孔，进行线状植入，并小心地取出骨瓣以暴露杜拉。经常用正常的盐水清洗颅骨切除术。使用针头，抬起和切割杜拉，而不会损坏皮亚母体，容器和新皮质的表面。
将深度线电极降到新皮质表面。然后，慢慢穿透大脑到目标深度。用蜡和石蜡油的混合物密封颅骨切除术，以确保深度线电极可以移动，以便随后进行实验操作。
用牙科丙烯酸在头骨上固定电极装置。将连接到 ECoG 螺钉的每根铜线焊接到连接器模块上的相应通道。将保护壳壁组装到底座上，将参考电极和接地电极焊接到相应的通道上。
使用胶带将盖固定到保护壳上，以避免污染。给大鼠注射青霉素后，单只在手术后温度和湿度控制笼内对大鼠进行手术，详见文本协议。在实验前将大鼠放在行为室中至少一小时，以确保大鼠适应记录环境。
将记录头阶段与电极模块轻轻地连接，以避免吓唬大鼠和损坏电极模块。设置激光发生器。根据设备操作手册连接光纤并调整激光器的点尺寸。
现在，将触发发生器的数字输出连接到记录板的数字输入端口。将摄像机放在实验室的一角下方，以连续记录大鼠的爪子接受感知激光刺激时，其感知行为。通过室顶部的扬声器发出持续的白噪声。
根据设备操作手册，使用记录系统从 ECoG 和深度线电极收集电生理数据。现在，通过首先定位激光发生器，通过腔室底部的缝隙，将激光脉冲通过大鼠的前爪传递到大鼠的植物。然后，按开关进行激光刺激。
这里显示的是来自双边初级运动皮质的原始电生理数据，双边原体体感觉皮质和ECoG。激光刺激开始后，可以检测到清晰的激光激发电位或 LEP 响应。此处显示的是来自五只大鼠的六个电极的组级平均 LEP 波形式。
LEP 响应由称为 N1 波的显性负偏转组成。请注意，双边初级体感皮质的 N1 波显示比双边初级运动皮质的延迟和更高的振幅。此图显示了从 ECoG 和双边 S1 和 M1 中采样的深度线样本的 LEP 之间的小波变换了一致性，激光在大鼠右前爪的植物上传递。
请注意，左 S1 和 M1 在伽玛频带的相干性高于右侧 S1 和 M1。开发后，该技术将为研究人员同时调用自由移动大鼠中的ECoG和皮质局部填充电位，以暴露激光激发潜能的神经贡献铺平道路。
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概述
本研究提出了一种新颖的技术，用于同时记录自由活动的大鼠在接受伤害性激光刺激时的皮层电图（ECoG）和局部场电位。这种方法在介观和宏观层面建立了电皮层信号之间的直接关系，增强了对大脑中伤害性信息处理的理解。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 电生理学
- 行为研究
背景
- 了解伤害性处理对神经科学研究至关重要。
- 皮层电图提供了对大脑活动的洞察。
- 局部场电位反映了对刺激的神经元活动。
- 自由活动的动物模型对于研究自然行为至关重要。
研究目的
- 开发一种同时记录ECoG和局部场电位的方法。
- 研究神经元对激光诱发电位的贡献。
- 促进对各种感觉刺激的大脑反应的研究。
使用的方法
- 大鼠被麻醉并准备好进行电极植入。
- 使用立体定位装置固定大鼠的头部。
- 电极被聚乳酸外壳保护以增加耐用性。
- 在大鼠自由活动时进行记录。
主要结果
- 该技术成功记录了ECoG和局部场电位。
- 数据揭示了电皮层信号与伤害性刺激之间的关系。
- 研究结果支持对感觉处理和精神疾病的进一步研究。
- 该方法在神经科学研究中具有多样化的应用。
结论
- 该技术增强了对大脑中伤害性处理的理解。
- 它为研究大脑对各种刺激的反应提供了宝贵的工具。
- 该方法的设计允许在自由活动的动物模型中使用。
常见问题
Executive Industry Relevance
This method enables simultaneous recording of electrocorticographic and local field potential signals in freely moving rats, providing a translational bridge between mesoscopic and macroscopic neural activity measurements. By capturing nociceptive-evoked responses with high signal-to-noise ratio, it supports mechanistic de-risking in pain target validation and phenotypic screening workflows. The approach enhances predictive confidence in early discovery by linking cortical surface and depth electrophysiology to behavioral phenotypes.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Interrogates therapeutic hypotheses by correlating laser-evoked potential waveforms with nociceptive pathway activation.
- Operational Value: Enables functional target validation through simultaneous surface and depth electrocortical signal acquisition.
- Predictive Value: Supports portfolio triage by quantifying neural response consistency across cortical layers.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream assay standardization using synchronized ECoG and LFP readouts.
- Operational Value: Enhances screening readiness through reproducible, noise-minimized electrophysiological recordings in awake-behaving models.
- Scalability: Facilitates platform reuse via 3D-printed protective shell design that maintains electrode stability across sessions.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Aligns with disease-relevant systems by modeling nociceptive processing mechanisms relevant to analgesic development.
- Preclinical Model: Supports risk-adjusted advancement decisions through quantifiable, stimulus-locked neural biomarkers.
- Mechanistic De-risking: Clarifies neuronal contributions to laser-evoked potentials, reducing ambiguity in target engagement interpretation.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into early discovery workflows by enabling hypothesis testing of nociceptive targets through concurrent cortical surface and depth electrophysiology measurements.
- Discovery Biology: Supports pathway clarification by isolating neuronal contributions to evoked potentials across cortical layers.
- Screening: Delivers quantitative, stimulus-locked outputs that facilitate compound effect comparison in behavioral paradigms.
- Analytics: Provides coherent signal metrics (e.g., wavelet coherence) that help teams compare neural engagement across conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity via measurable nociceptive biomarkers predictive of analgesic efficacy.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable electrophysiology capability for longitudinal target validation across multiple sensory modalities.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by reducing mechanistic ambiguity in cortical nociceptive processing.
- Operational Value: Ensures standardization and reproducibility through protected electrode implantation in freely moving models.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing multi-scale electrocortical validation of target engagement.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization through objective, quantifiable neural response metrics.
Implementation Considerations
- Requires expertise in stereotaxic surgery, electrophysiology, and behavioral neuroscience.
- Dependent on laser stimulation systems, recording headstages, and spectral analysis software.
- Necessitates cross-team standardization for electrode placement, stimulus timing, and noise control protocols.
- Involves adaptation considerations when extending to other cortical targets or disease models.
- Limited by the need for surgical recovery periods and environmental acclimatization before data collection.
