Études multi-échelles du traitement cortical par intégration de polytrodes laminaires et d’optogénétique avec micro-électrocorticographie chez les rongeurs

Comment les laboratoires étudient comment l’activité cérébrale donne naissance à des fonctions, comme la perception et la cognition, en utilisant l’ECOG et d’autres outils pour relier l’activité neuronale locale aux signaux corticaux à une échelle plus large.

L’enregistrement des pointes extracellulaires en imagerie à deux photons est utilisé pour mesurer l’activité de la population, mais l’ECOG est l’une des rares techniques disponibles à la fois chez l’homme et pour la recherche fondamentale sur les animaux.

L’activité cérébrale s’étend sur de nombreuses échelles spatiales et temporelles. Aucune méthode de signal ne les capture toutes en même temps, mais ECOG a une résolution temporelle et spatiale suffisante pour de nombreuses questions critiques.

Notre protocole comble une lacune clé en combinant l’ECOG avec des enregistrements locaux et l’optogénétique, fournissant ainsi efficacement des informations à l’échelle microscopique à partir des signaux de surface corticale à méso-échelle.

Nos résultats élargiront l’utilisation de l’ECOG dans le cadre de paradigmes expérimentaux multimodaux pour étudier les principes fondamentaux de l’organisation néocorticale et révéler des biomarqueurs de fonctions corticales spécifiques chez l’homme.

[Instructeur] Pour commencer, placez une souris anesthésiée sur un lit chirurgical et utilisez une pince à épiler pour soulever un point sur la peau au-dessus du crâne. Ensuite, à l’aide de ciseaux chirurgicaux, réséquez une partie de la peau d’environ un centimètre de diamètre. À l’aide d’un grattoir, enlevez le tissu conjonctif et le périoste du haut du crâne. Rincez une solution saline sur le crâne. Ensuite, utilisez un ensemble de forets chirurgicaux réglés à basse vitesse pour percer un trou de bavure dans la partie frontale de l’hémisphère ipsilatéral à la zone enregistrée. Percez une tranchée peu profonde sur le périmètre pour définir le contour de la craniotomie. Lorsque le crâne a été aminci au point qu’une pression extrêmement légère fait bouger visiblement toute la fenêtre, retirez la partie amincie. Appliquez régulièrement une solution saline et utilisez une éponge hémostatique pour garder le cerveau humide. Maintenant, insérez le fil de référence en argent d’environ un millimètre dans le trou de la bavure afin qu’il entre en contact avec la surface du cerveau sans provoquer de saignement. Après l’implantation de la barre de tête, placez l’animal dans la configuration d’enregistrement. Fixez maintenant la grille de micro-électrocorticographie à la tête à l’aide des connecteurs à clip à force d’insertion nulle. Maintenez la carte électronique Headstage en place à l’aide d’une barre mécanique fixée à un micromanipulateur. Abaissez la grille de micro-électrocorticographie horizontalement pour l’aligner à plat sur la craniotomie le long de l’axe antéropostérieur. Une fois que la grille est proche du cerveau sans le toucher, fixez le fil de référence de la grille à la broche dorée en fil d’argent implantée. Ensuite, abaissez davantage la grille pour entrer en contact avec le cerveau. Déplacez la grille latéralement pour glisser sur la surface humide de la dure-mère et continuez à l’ajuster jusqu’à ce qu’elle soit centrée le long de l’axe médiolatéral. Utilisez une éponge d’aspiration ou chirurgicale sur les bords de la craniotomie pour éliminer l’excès de solution saline. Une fois que la préparation est légèrement plus sèche, vérifiez que la grille adhère plus fermement à la dure-mère et ne glisse pas. Appliquez un mouvement latéral à médial à la grille pour assurer le contact avec les électrodes les plus latérales pendant que le câble de la grille se plie pour s’adapter au contour du cerveau. Observez l’activité électrophysiologique à l’aide du logiciel d’enregistrement. Sous anesthésie légère, surveillez les modèles de signaux cérébraux variables. Assurez-vous que les fils de grille, de référence et de terre sont correctement connectés pour produire un rapport signal/bruit élevé. Utilisez le logiciel Trodes avec un filtrage passe-bande entre 300 et 6 000 hertz pour surveiller le bruit dans la gamme des hautes fréquences et vous assurer qu’il reste à quelques dizaines de microvolts. Évaluez la réactivité sensorielle en générant des stimuli sonores, tels que des applaudissements ou des claquements de doigts, et observez les potentiels électriques de surface corticale correspondants. Allumez la lumière optogénétique à faible intensité pour guider la source lumineuse et aider à positionner la fibre, puis utilisez le bras articulé pour positionner grossièrement la lumière optogénétique vers la zone cible. Concentrez et ajustez la position de la fibre à l’aide d’un micromanipulateur ou de vis de réglage fin avant d’enregistrer les signaux. Pour nettoyer la grille, si le cerveau est sec, appliquez une petite goutte de solution saline sur la surface du cerveau à l’aide d’une seringue et laissez-la reposer pendant 30 secondes à une minute avant de soulever la grille. En travaillant au microscope, soulevez doucement la grille de la surface du cerveau à l’aide de micromanipulateurs. Une réponse électrocorticographique localisée a été observée environ 10 millisecondes après la stimulation d’une seule moustache, avec des amplitudes de déviation maximales d’environ un millivolt. La réponse de l’électrode la plus forte a été évoquée par la stimulation de la moustache correspondante, tandis qu’une réponse plus faible ou nulle a été observée à partir de moustaches plus éloignées. L’inhibition optogénétique n’a conduit à une suppression de la réponse corticale évoquée par les moustaches que chez les animaux exprimant des opsines inhibitrices. Les artefacts optoélectriques ne sont apparus qu’au début et au décalage de la stimulation par impulsion lumineuse de cinq secondes à l’aide de la fibre de grand diamètre. La fibre optique d’un millimètre a produit un grand artefact lumineux sur la grille de micro-électrocorticographie, tandis que la fibre de 200 micromètres a minimisé cet artefact de manière significative. Les enregistrements de micro-électrocorticographie chez le rat ont montré de fortes réponses auditives évoquées, avec une réponse maximale environ 25 à 30 millisecondes après le stimulus. Des pics d’activité gamma élevés, ultra-gamma et multi-unités ont été observés dans le spectre de fréquences de la réponse évoquée, avec un gamma élevé comme composante dominante. La micro-électrocorticographie a été enregistrée en même temps que les enregistrements à sonde laminaire. Des formes d’onde de pointe claires ont été détectées dans les enregistrements polytrode, montrant des formes d’onde distinctes sur plusieurs canaux. Les tracés d’amplitude de la réponse en fréquence des électrodes de micro-électrocorticographie de surface correspondent étroitement à ceux des électrodes polytrodes laminaires en profondeur, démontrant un réglage auditif cohérent. Une carte tonotopique à haute résolution générée à partir de signaux gamma élevés a révélé l’organisation fonctionnelle des champs corticaux auditifs, y compris les zones primaires, postérieures et ventrales.