通过将层状多晶片和光遗传学与啮齿动物的微皮层电图相结合，对啮齿动物皮层加工进行多尺度研究
2025年5月23日
在这里，我们提出了两种用于大鼠和小鼠高密度微皮层电图 （μEcoG） 记录的方案，包括手术、植入和记录方法。μECoG 记录与大鼠听觉皮层中的层状 Polytrode 记录或小鼠体感皮层中神经活动的光遗传学作相结合进行。
实验室如何使用 ECOG 和其他工具研究大脑活动如何产生感知和认知等功能，在更广泛的范围内将局部神经元活动与皮质信号联系起来。
双光子成像中的细胞外尖峰记录用于测量种群活动，但 ECOG 是为数不多的可用于人类和动物基础研究的技术之一。
大脑活动跨越许多空间和时间尺度。没有信号方法可以一次捕获所有信号，但 ECOG 对于许多关键问题具有足够的时间和空间分辨率。
我们的协议通过将 ECOG 与局部记录和光遗传学相结合，弥合了一个关键差距，有效地提供了来自中尺度皮质表面信号的微尺度信息。
我们的研究结果将扩大 ECOG 作为多模态实验范式的一部分的使用，以研究新皮质组织的基本原理并揭示人类特定皮质功能的生物标志物。
[导师]首先，将麻醉的小鼠放在手术床上，然后使用镊子将颅骨上方皮肤上的一个点提起。然后，使用手术剪刀，切除大约一厘米直径的皮肤部分。用刮刀清除颅骨顶部的结缔组织和骨膜。将生理盐水冲洗到头骨上。接下来，使用低速手术钻头在记录区域同侧的半球前部钻一个钻孔。在周边钻一条浅沟以确定开颅手术的轮廓。当头骨变薄到极轻的压力导致整个窗户明显摆动的程度时，取出变薄的部分。定期涂抹生理盐水，并使用止血海绵保持大脑湿润。现在，将银参考丝插入毛刺孔约一毫米，使其接触脑表而不会引起出血。植入头杆后，将动物放入记录装置中。现在使用零插入力夹连接器将显微皮质电图网格连接到头载台。使用固定在显微纵器上的机械杆将前台电子板固定到位。水平降低显微皮质电图网格，以沿前后轴在开颅手术上平整对齐。一旦网格靠近大脑而不接触大脑，将网格的参考线连接到植入的银线金针上。接下来，进一步降低网格以与大脑接触。横向移动网格以在潮湿的硬脑膜表面上滑动并继续调整，直到它沿中外侧轴居中。在开颅手术边缘使用抽吸或手术海绵去除多余的盐水溶液。一旦制剂稍微干燥，验证网格是否更牢固地粘附在硬脑膜上并且不会滑动。对网格进行横向到内侧的移动，以确保与最外侧的电极接触，同时网格的电缆弯曲以匹配大脑轮廓。使用记录软件观察电生理活动。在轻度麻醉下，监测可变的大脑信号模式。确保电网线、基准线和地线正确连接，以产生高信噪比。使用具有 300 至 6,000 赫兹带通滤波功能的 Trodes 软件来监控高频范围内的噪声，并确保其保持在数十微伏以内。通过产生噪音刺激（例如拍手或打响指）来评估感觉反应能力，并观察相应的皮质表面电势。以低强度打开光遗传学光以引导光源并帮助定位光纤，然后使用铰接臂将光遗传学光大致定位到目标区域。在记录信号之前，使用微纵器或微调螺钉聚焦并微调光纤的位置。要清洁网格，如果大脑干燥，请使用注射器在大脑表面滴一小滴生理盐水，让它静置 30 秒到一分钟，然后再提起网格。在显微镜下工作，使用显微纵器轻轻地将网格从大脑表面提起。在单次胡须刺激后约 10 毫秒观察到局部皮质电图反应，峰值偏转幅度约为 1 毫伏。最强的电极反应是通过刺激其相应的胡须引起的，而从更远的胡须观察到较弱或没有反应。光遗传学抑制仅在表达抑制性视蛋白的动物中导致胡须诱发皮质反应的抑制。光电伪影仅在使用大直径光纤的五秒光脉冲刺激的开始和偏移时出现。 1 毫米光纤在显微皮质电图网格上产生了较大的光伪影，而 200 微米光纤则显着减少了这一伪影。大鼠的显微皮质电图记录显示出强烈的听觉诱发反应，在刺激后约 25 至 30 毫秒出现峰值反应。在诱发反应的频谱中观察到高伽马、超高伽马和多单元活性峰值，以高伽马为主成分。显微皮质电图与层流探针记录一起记录。在多重体记录中检测到清晰的尖峰波形，在多个通道上显示出不同的波形。表面显微皮质电图电极的频率响应幅度图在整个深度上与层流多重电极的频率响应幅度图非常匹配，显示出一致的听觉调谐。由高伽马信号生成的高分辨率音调图揭示了听觉皮层区域的功能组织，包括初级、后部和腹侧区域。
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概览
本研究提出了用于大鼠和小鼠进行高密度微电皮质图（µECoG）记录的协议，以研究与神经活动相关的皮质信号。该方法将µECoG与大鼠听觉皮质层状多电极记录和小鼠体感皮质的光遗传操纵相结合，解决了局部神经元活动与更广泛的皮质功能之间的联系。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 电生理学
- 光遗传学
背景
- 研究大脑活动如何支持感知和认知。
- 电皮质图（ECoG）是一种将局部神经元活动与更大皮质信号联系起来的有价值工具。
- µECoG为研究关键神经科学问题提供了空间和时间分辨率。
- 该协议旨在弥合µECoG与更局部记录之间的差距。
研究目的
- 扩展µECoG在多模式实验范式中的应用。
- 研究新皮质组织并识别特定皮质功能的生物标志物。
- 展示结合技术在捕捉神经活动中的有效性。
使用的方法
- 该研究采用高密度µECoG记录技术。
- 使用大鼠和小鼠作为生物模型，重点关注听觉和体感皮质。
- 该方法涉及电极的外科植入以及光遗传学与电生理记录的结合。
- 精确的电极定位和电位监测是关键步骤。
主要结果
- 发现包括与感觉刺激相关的明确电生理反应和光遗传抑制效应。
- 在听觉记录中观察到高频响应，显示出一致的皮质调谐。
- 响应因电极位置和动物模型而异，突出了神经元响应的空间特异性。
- 研究发现，将µECoG与局部记录结合可以改善对皮质功能的理解。
结论
- 本研究证明了将µECoG与其他方法结合以增强神经回路研究的可行性。
- 获得的见解可能推进对人类和动物模型皮质组织和功能反应的理解。
- 该方法对未来的神经科学研究具有重要意义，特别是在理解大脑功能和疾病方面。
常见问题
Executive Industry Relevance
Integrating high-density micro-electrocorticography (µECoG) with laminar polytrodes and optogenetics enables multiscale interrogation of cortical processing, bridging the gap between local neuronal activity and mesoscale cortical signals. This approach enhances predictive confidence in target validation and functional mapping, supporting translational continuity from preclinical models to human neuroscience. The methodology is strategically positioned to inform biomarker discovery and mechanistic de-risking in neurotherapeutic pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables causal dissection of neuronal population contributions to sensory processing using optogenetic manipulation.
- Supports functional target validation by linking specific cell types to distinct cortical signatures in µECoG signals.
- Facilitates mechanistic de-risking by integrating local and distributed neural activity measurements.
Screening & Assay Development
- Prepares validated cortical systems for downstream compound screening and functional assays.
- Delivers quantitative, reproducible electrophysiological outputs for assay standardization.
- Enables high-throughput mapping of sensory-evoked responses across cortical regions.
Translational & Preclinical Research
- Aligns preclinical neural activity mapping with human-relevant ECoG biomarkers.
- Supports continuity from rodent models to clinical neuroscience by leveraging shared methodologies.
- Provides risk-adjusted data for advancing neurotherapeutic candidates based on functional cortical readouts.
Pipeline & Workflow Integration
This integrated platform spans early discovery through preclinical validation, enabling hypothesis testing, pathway clarification, and functional biomarker identification in neurobiology workflows.
- Discovery Biology: Links optogenetic perturbation with mesoscale cortical readouts to clarify neural circuit mechanisms.
- Screening: Offers reproducible, quantitative µECoG outputs for comparing sensory and optogenetic conditions.
- Analytics: Provides high-resolution temporal and spatial data for statistical comparison of neural responses.
- Translational Research: Bridges animal and human studies by employing ECoG-compatible protocols across species.
- Enterprise Reuse: Establishes a scalable, multimodal platform adaptable to diverse cortical targets and disease models.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in neural target validation and functional mapping.
- Operational Value: Standardizes multimodal neural recording workflows for reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions by providing robust, quantitative cortical activity data.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of neurotherapeutic programs based on mechanistic insights.
Implementation Considerations
- Requires expertise in electrophysiology, optogenetics, and surgical implantation techniques.
- Demands specialized instrumentation for high-density µECoG and laminar probe recordings.
- Necessitates rigorous cross-team standardization of data acquisition and analysis protocols.
- Adaptable to various cortical regions and genetically defined cell types with protocol modifications.
- Potential for optogenetic artifacts requires careful experimental design and artifact minimization strategies.
