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Las funciones cerebrales que subyacen a la sensación, la cognición y la acción están organizadas y distribuidas a través de vastas escalas espaciales y temporales, que van desde los picos de neuronas individuales hasta los campos eléctricos generados por las poblaciones de neuronas en una columna cortical y la organización topográfica de las columnas en las áreas del cerebro (por ejemplo, somatotopía en la corteza somatosensorial, tonotopía en la corteza auditiva primaria). La comprensión de la función cerebral requiere la detección de señales eléctricas a través de estas escalas espaciales1. En la actualidad, la neurociencia cuenta con muchos métodos ampliamente utilizados para monitorizar la actividad del cerebro. Desde el punto de vista electrofisiológico, los politrodos laminares (como los neuropíxeles) permiten la monitorización de un número modesto (~300) de neuronas individuales, normalmente dentro de un puñado de columnas espaciadas a distancia, con una resolución temporal alta (≥1 kHz). Las imágenes de Ca2+ permiten el monitoreo de un número modesto a grande de neuronas individuales identificadas genética y anatómicamente dentro de una extensión espacial de ~ 1-2 mm a una resolución temporal más baja (~ 10 Hz)2. La resonancia magnética funcional permite monitorizar el estado metabólico de un gran número de neuronas (~1 M de neuronas en un volumen de 36mm3) en todo el cerebro a una resolución temporal muy baja (~0,2 Hz). El EEG/MEG permite monitorizar la actividad eléctrica de toda la superficie cortical/cerebro con una resolución temporal modesta (<100 Hz) y una resolución espacial muy baja (centímetros)3. Si bien cada una de estas metodologías ha proporcionado información fundamental y sinérgica sobre la función cerebral, los métodos que permiten la detección directa de señales electrofisiológicas a alta resolución temporal desde ubicaciones anatómicas precisas en amplias regiones espaciales de la corteza son incipientes. La necesidad de una amplia cobertura espacial se enfatiza por el hecho de que en el cerebro, la función neuronal cambia mucho más dramáticamente a través de la superficie en comparación conla profundidad.
La electrocorticografía (ECoG) es un método en el que se implantan rejillas de electrodos de baja impedancia en la superficie del cerebro y permiten el registro o la estimulación de la corteza 1,5. Por lo general, la ECoG se implementa en entornos neuroquirúrgicos humanos como parte de los estudios clínicos para el tratamiento de la epilepsia farmacológicamente intratable. Sin embargo, también proporciona información única sobre el procesamiento cortical distribuido en los seres humanos, como el habla y el mapeo topográfico sensorial 6,7. Estas capacidades han motivado su uso en modelos animales, incluyendo monos, ratas y ratones 5,8,9,10,11. En roedores, se ha demostrado recientemente que el micro-ECoG (μECoG) permite la monitorización eléctrica directa de poblaciones neuronales de alta resolución temporal (~100 Hz) con resolución espacial columnar (~200 μm) y amplia cobertura espacial (muchos milímetros). μECoG permite a los investigadores investigar la dinámica neuronal distribuida asociada con el procesamiento sensorial complejo, las funciones cognitivas y los comportamientos motores en modelos animales12,13. Los avances recientes han integrado μECoG con la optogenética y los registros de politrodos laminares 14,15,16,17,18,19,20, lo que permite investigaciones multiescala de redes corticales y cierra la brecha entre la actividad neuronal a microescala y la dinámica cortical a macroescala 21,22. De manera crítica, debido a que la señal μECoG es muy similar en humanos y modelos animales no humanos, el uso de μECoG hace que la traducción de los resultados y hallazgos de modelos animales a humanos sea mucho más directa23. Como tal, los enfoques integradores son cruciales para avanzar en nuestra comprensión de los circuitos neuronales y son prometedores para el desarrollo de nuevas intervenciones terapéuticas para los trastornos neurológicos 5,24,25.
En consecuencia, existe una necesidad emergente de protocolos que integren matrices de μECoG de alta densidad con registros laminares y herramientas optogenéticas para permitir investigaciones multiescala exhaustivas del procesamiento cortical 8,26. Para abordar esta brecha, hemos desarrollado dispositivos μECoG diseñados a medida con 128 electrodos de baja impedancia con un diámetro de electrodo de 40 μm y un espaciamiento entre electrodos de 20 μm en un sustrato polimérico flexible y transparente (parileno-C y poliimida) con perforaciones entre electrodos, lo que permite registros simultáneos de μECoG y politrodo laminar con manipulaciones optogenéticas13,22. Los aspectos clave de este protocolo experimental incluyen: (i) resolución espacial columnar y cobertura a gran escala de la actividad cortical a través de matrices μECoG de alta densidad; (ii) la capacidad de registrar desde múltiples capas corticales utilizando politrodos laminares insertados a través de la rejilla μECoG; y (iii) la incorporación de técnicas optogenéticas para activar o inhibir selectivamente poblaciones neuronales específicas, permitiendo así la disección causal de circuitos neuronales 27,28,29. La configuración de alta densidad permite registros de alta resolución espacial, proporcionando efectivamente una "vista en columna" de la actividad cortical, ya que estudios previos han demostrado que las señales μECoG pueden resolver la actividad a una escala espacial comparable al diámetro de la columna cortical de roedores (~20 μm)11. Esta metodología integrada permite el monitoreo y la manipulación simultáneos a múltiples escalas de la actividad neuronal, lo que podría permitir experimentos causales para determinar las fuentes neuronales de las señales μECoG, así como el procesamiento cortical distribuido. Para lograr estos objetivos, este manuscrito proporciona protocolos detallados para el uso de matrices μECoG de alta densidad en dos combinaciones.
En primer lugar, describimos μECoG combinado con la manipulación de células piramidales de capa 5 (L5) en la corteza somatosensorial primaria (S1) del ratón. En el ratón, la matriz μECoG se coloca por vía epidural (debido a la intratabilidad quirúrgica de la durotomía en ratones). Una fibra óptica se coloca sobre la rejilla o se combina con una lente para enfocar la luz optogenética sobre una pequeña área objetivo de la superficie cortical. La estrategia optogenética se describe aquí para la inhibición de las neuronas excitadoras de la capa 5, pero se puede adaptar fácilmente a cualquier población de neuronas provistas de la línea de ratón correspondiente, específica de la población, que expresa Cre. En segundo lugar, describimos el uso combinado de μECoG con politrodos laminares de silicio para registrar simultáneamente los potenciales eléctricos de superficie cortical (CSEP) y la actividad de pico de una sola unidad de múltiples neuronas a través de las capas corticales de la corteza auditiva de rata (A1). La matriz tiene perforaciones entre electrodos, lo que permite la inserción de politrodos laminares multicanal a través de la rejilla para registrar la actividad neuronal en diferentes capas corticales. Durante el procedimiento de craneotomía, la matriz μECoG se coloca subduralmente sobre la corteza auditiva y el polítrodo laminar se inserta a través de las perforaciones. Las señales neuronales de la sonda μECoG y laminar se registran simultáneamente, muestreadas a 6 kHz y 24 kHz, respectivamente, utilizando un sistema amplificador conectado ópticamente a un procesador de señal digital.