Multiskalige Untersuchungen der kortikalen Prozessierung durch Integration laminarer Polytroden und Optogenetik mit Mikroelektrokortikographie bei Nagetieren

Wie Labore untersuchen, wie die Gehirnaktivität Funktionen wie Wahrnehmung und Kognition hervorruft, indem sie ECOG und andere Werkzeuge verwenden, um lokale neuronale Aktivität mit kortikalen Signalen auf einer breiteren Skala zu verknüpfen.

Extrazelluläre Spike-Aufzeichnungen in der Zwei-Photonen-Bildgebung werden zur Messung der Populationsaktivität verwendet, aber ECOG ist eine der wenigen Techniken, die sowohl beim Menschen als auch für die Grundlagenforschung an Tieren zur Verfügung stehen.

Die Gehirnaktivität erstreckt sich über viele räumliche und zeitliche Skalen. Keine Signalmethode erfasst sie alle auf einmal, aber ECOG verfügt über eine ausreichende zeitliche und räumliche Auflösung für viele kritische Fragen.

Unser Protokoll schließt eine wichtige Lücke, indem es ECOG mit lokalen Aufzeichnungen und Optogenetik kombiniert und so effektiv mikroskalige Informationen aus den mesoskaligen kortikalen Oberflächensignalen liefert.

Unsere Ergebnisse werden die Verwendung von ECOG als Teil multimodaler experimenteller Paradigmen erweitern, um grundlegende Prinzipien der neokortikalen Organisation zu untersuchen und Biomarker für spezifische kortikale Funktionen beim Menschen aufzudecken.

[Dozent] Legen Sie zunächst eine betäubte Maus auf eine Operationsliege und heben Sie mit einer Pinzette einen Punkt auf der Haut über dem Schädel an. Dann resezieren Sie mit einer chirurgischen Schere einen Teil der Haut mit einem Durchmesser von etwa einem Zentimeter. Mit einem Schaber das Bindegewebe und die Knochenhaut von der Schädeldecke entfernen. Spülen Sie Kochsalzlösung auf den Schädel. Als nächstes bohren Sie mit einem chirurgischen Bohrerset bei niedriger Geschwindigkeit ein Bohrloch in den vorderen Teil der Hemisphäre ipsilateral zum aufgenommenen Bereich. Bohren Sie einen flachen Graben am Umfang, um die Kontur der Kraniotomie zu definieren. Wenn der Schädel so weit ausgedünnt ist, dass durch extrem leichten Druck das gesamte Fenster sichtbar wackelt, entfernen Sie den verdünnten Teil. Tragen Sie regelmäßig Kochsalzlösung auf und verwenden Sie einen hämostatischen Schwamm, um das Gehirn feucht zu halten. Führen Sie nun den silbernen Referenzdraht etwa einen Millimeter in das Bohrloch ein, so dass er die Gehirnoberfläche berührt, ohne Blutungen zu verursachen. Nach der Implantation der Kopfstange platzieren Sie das Tier in der Aufnahmeaufstellung. Befestigen Sie nun das Mikroelektrokortikographie-Gitter mit den Zero-Insert-Force-Clip-Anschlüssen an der Kopfbühne. Halten Sie die elektronische Platine des Kopftisches mit einer mechanischen Stange an Ort und Stelle, die an einem Mikromanipulator befestigt ist. Senken Sie das Mikroelektrokortikographie-Gitter horizontal ab, um es flach über der Kraniotomie entlang der anteroposterioren Achse auszurichten. Sobald sich das Gitter in der Nähe des Gehirns befindet, ohne es zu berühren, befestigen Sie den Referenzdraht des Gitters an der implantierten Goldnadel aus Silberdraht. Senken Sie als Nächstes das Gitter weiter ab, um Kontakt mit dem Gehirn aufzunehmen. Bewegen Sie das Gitter seitlich, um über die feuchte Dura-Oberfläche zu gleiten, und fahren Sie mit der Anpassung fort, bis es entlang der mediolateralen Achse zentriert ist. Verwenden Sie eine Aspiration oder einen chirurgischen Schwamm um die Ränder der Kraniotomie, um überschüssige Kochsalzlösung zu entfernen. Sobald die Zubereitung etwas trockener ist, vergewissern Sie sich, dass der Rost fester an der Dura haftet und nicht verrutscht. Üben Sie eine laterale bis mediale Bewegung auf das Gitter aus, um den Kontakt mit den meisten lateralen Elektroden zu gewährleisten, während sich das Kabel des Gitters an die Gehirnkontur anpasst. Beobachten Sie die elektrophysiologische Aktivität mit der Aufzeichnungssoftware. Überwachen Sie unter leichter Anästhesie auf variable Signalmuster des Gehirns. Stellen Sie sicher, dass das Gitter, die Referenz- und Erdungskabel ordnungsgemäß angeschlossen sind, um ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis zu erzielen. Verwenden Sie die Trodes-Software mit Bandpassfilterung zwischen 300 und 6.000 Hertz, um das Rauschen im Hochfrequenzbereich zu überwachen und sicherzustellen, dass es innerhalb von mehreren zehn Mikrovolt bleibt. Beurteilen Sie die sensorische Reaktionsfähigkeit, indem Sie Geräuschreize wie Klatschen oder Fingerschnippen erzeugen, und beobachten Sie die entsprechenden kortikalen elektrischen Oberflächenpotentiale. Schalten Sie das optogenetische Licht mit geringer Intensität ein, um die Lichtquelle zu lenken und die Faser zu positionieren, und verwenden Sie dann den Gelenkarm, um das optogenetische Licht grob in Richtung des Zielbereichs zu positionieren. Fokussieren und fein abstimmen Sie die Position der Faser mit einem Mikromanipulator oder Feineinstellschrauben, bevor Sie die Signale aufzeichnen. Um das Gitter zu reinigen, tragen Sie, wenn das Gehirn trocken ist, mit einer Spritze einen kleinen Tropfen Kochsalzlösung auf die Gehirnoberfläche auf und lassen Sie es 30 Sekunden bis eine Minute einwirken, bevor Sie das Gitter anheben. Heben Sie unter dem Mikroskop das Gitter mit Mikromanipulatoren vorsichtig von der Gehirnoberfläche ab. Eine lokalisierte elektrokortikographische Reaktion wurde etwa 10 Millisekunden nach der Stimulation eines einzelnen Whiskers beobachtet, mit maximalen Ablenkungsamplituden von etwa einem Millivolt. Die stärkste Elektrodenreaktion wurde durch Stimulation des entsprechenden Whiskers hervorgerufen, während bei weiter entfernten Whiskern eine schwächere oder gar keine Reaktion beobachtet wurde. Die optogenetische Hemmung führte zu einer Unterdrückung der durch Whisker evozierten kortikalen Reaktion nur bei Tieren, die inhibitorische Opsine exprimierten. Optoelektrische Artefakte traten nur zu Beginn und Versatz der fünfsekündigen Lichtpulsstimulation mit der Faser mit großem Durchmesser auf. Die ein Millimeter große optische Faser erzeugte ein großes Lichtartefakt auf dem Mikroelektrokortikographie-Gitter, während die 200-Mikrometer-Faser dieses Artefakt deutlich minimierte. Mikroelektrokortikographie-Aufzeichnungen an Ratten zeigten starke auditiv evozierte Reaktionen, wobei die Spitzenreaktion etwa 25 bis 30 Millisekunden nach dem Stimulus einsetzte. Im Frequenzspektrum der evozierten Reaktion wurden Aktivitätsspitzen mit hohem Gamma, ultrahohem Gamma und mehreren Einheiten beobachtet, wobei hohes Gamma die dominierende Komponente war. Die Mikroelektrokortikographie wurde zusammen mit laminaren Sondenaufnahmen aufgenommen. In Polytrodenaufnahmen wurden deutliche Spike-Wellenformen nachgewiesen, die eine deutliche Wellenform über mehrere Kanäle zeigten. Die Frequenzgangamplitudendiagramme von Oberflächen-Mikroelektrokortikographie-Elektroden stimmen eng mit denen von laminaren Polytroden-Elektroden über die Tiefe überein, was eine konsistente auditive Abstimmung zeigt. Eine hochauflösende tonotopische Karte, die aus hohen Gammasignalen generiert wurde, zeigte die funktionelle Organisation der auditorischen kortikalen Felder, einschließlich primärer, posteriorer und ventraler Bereiche.