Registrazioni simultanee di potenziali di campo locale corticale, elettrocardiogramma, elettromiogramma e respirazione ritmo da un ratto liberamente commovente

Summary

Questo studio introduce un metodo per la registrazione simultanea di potenziali di campo locale nel cervello, elettrocardiogrammi, i electromyograms e segnali di un ratto liberamente commovente di respirazione. Questa tecnica, che riduce i costi di sperimentali e semplifica l'analisi dei dati, contribuirà alla comprensione delle interazioni tra il cervello e gli organi periferici.

Abstract

Monitoraggio le dinamiche fisiologiche del cervello e tessuti periferici è necessaria per affrontare una serie di domande su come i controlli di cervello corpo funzioni e degli organi interni ritmi quando gli animali sono esposti a sfide emotive e cambiamenti nella loro ambienti di vita. In generale gli esperimenti, i segnali provenienti da diversi organi, quali il cervello e il cuore, sono registrati dai sistemi di registrazione indipendente che richiedono più dispositivi di registrazione e procedure diverse per l'elaborazione dei file di dati. Questo studio descrive un nuovo metodo che può monitorare contemporaneamente BCI elettrici, tra cui decine di potenziali di campo locale in più regioni del cervello, elettrocardiogrammi che rappresentano il ritmo cardiaco, i electromyograms che rappresentano sveglio / contrazione muscolare legati al sonno e segnali, in un ratto liberamente commovente di respirazione. La configurazione di registrazione di questo metodo si basa su una matrice di micro-unità convenzionale per le registrazioni potenziali di campo locale corticale in cui decine di elettrodi sono accomodati e dei segnali ottenuti da questi elettrodi sono integrati in un unico quadro elettrico montato sulla testa dell'animale. Qui, questo sistema di registrazione è stato migliorato in modo che i segnali provenienti da organi periferici vengono trasferiti anche una scheda di interfaccia elettrica. In un unico intervento, elettrodi prima vengono impiantati separatamente in parti del corpo appropriato e le aree del cervello di destinazione. Le estremità aperte di tutti questi elettrodi sono poi saldate ai singoli canali del quadro elettrico sopra la testa dell'animale affinché tutti i segnali possono essere integrati in singolo quadro elettrico. Questa scheda di collegamento a un dispositivo di registrazione consente la raccolta di tutti i segnali in un unico dispositivo, che riduce i costi di sperimentali e semplifica il trattamento dei dati, poiché tutti i dati possono essere trattati nello stesso file di dati. Questa tecnica aiuterà la comprensione dei correlati neurofisiologici delle associazioni tra gli organi centrali e periferici.

Introduction

Il sistema nervoso centrale controlla gli Stati di corpo in risposta ai vari cambiamenti ambientali, e questo controllo è in genere rappresentato come cambiamenti nella frequenza cardiaca, frequenza respiratoria e contrazioni muscolari. Tuttavia, pochi studi hanno testato come tali fattori fisiologici periferici sono associati con attività corticale. Per risolvere questo problema, è necessario un metodo di registrazione su larga scala per il monitoraggio elettrico BCI da tessuti sia centrali che periferici. Nella corteccia cerebrale, segnali (LFP) potenziali di campo locale extracellularly sono registrati da elettrodi che vengono inseriti nei tessuti corticali^1,2,3. Per registrare simultaneamente segnali multipli di LFP dalle regioni corticali di piccoli mammiferi, come ratti e topi, una serie di studi hanno sviluppato diversi tipi di gruppi di elettrodi su misura che sono denominate micro-drive. Una micro-unità convenzionale è composto da viti di metallo attaccate alla parte centrale degli elettrodi (che in genere sono tetrodi), un corpo di nucleo che accomoda le viti e gli elettrodi e una scheda di interfaccia elettrica (BEI) che accomoda fori in metallo per collegare le estremità aperte degli elettrodi (Figura 1, Figura 2e Figura 3). Questo elettrodo permette all'operatore di controllare la profondità di molti elettrodi inseriti nel cervello nel corso di giorni o settimane e consente lo svolgimento di registrazioni a lungo termine croniche dell'attività neuronale, come l'animale è sfidato con vari attività comportamentali. Negli organi periferici, i segnali heartbeat sono registrati come elettrocardiogrammi (ECG) da una coppia di elettrodi che vengono impiantati su o intorno al cuore zona^4,5,6, e i segnali del muscolo scheletrico sono registrati come i electromyograms (EMGs) con elettrodi che vengono inseriti nel muscolo tessuto^7,8,9. Il rapporto tra i segnali elettrici del bulbo olfattivo e ritmo del respiro (BR) è stato studiato con unità singole registrazioni^10,11. In sistemi di registrazione convenzionali, questi segnali dai tessuti differenti sono stati catturati dai dispositivi di registrazione indipendente, il che significa che un sistema sperimentale supplementare è necessario per sincronizzare precisamente questi dispositivi multipli per simultanea registrazioni dei segnali del cervello-corpo. Questo sistema è stato sviluppato per superare questo problema. In questo sistema, tutti i segnali elettrici registrati dagli organi periferici, tra cui ECG, EMGs e segnali elettrici dal bulbo olfattivo che riflettono il ritmo del respiro, sono integrati in una singola matrice di micro-unità^{1,2 ,3}, qui definita matrice di micro-unità integrativa. Questo sistema richiede soltanto un dispositivo di registrazione multi-canale ed è applicabile a qualsiasi matrice di micro-unità convenzionali. I vantaggi di questa tecnica sono che non richiede alcun dispositivi speciali o segnali di trigger per abbinare il tempo di registrazione di più dispositivi, e permette il trattamento più conveniente, dal momento che tutti i segnali sono registrati come tipi di dati simili. Questa tecnica aiuterà la comprensione dei correlati neurofisiologici delle associazioni tra gli organi centrali e periferici. Questo articolo descrive le procedure connesse con la tecnica e presenta il set di dati rappresentativi ottenuti da un ratto.

Protocol

Tutte le procedure che coinvolgono animali soggetti sono state eseguite secondo le linee guida NIH per la cura e l'uso di animali.

1. preparazione della matrice Micro-unità integrativa

1. Creare un array di micro-unità per le registrazioni come descritto altrove corticale-LFP^1,2,3. Lasciare almeno 6 fori in metallo si apre su una scheda di interfaccia di elettrodo (BEI) per l'utilizzo come canali ECG/EMG/BR che sono collegati ai fili bioflex, come descritto in 1.2.
2. Tagliare un filo di bioflex in 6 pezzi con lunghezza di 5,0 cm. Peel off il politetrafluoroetilene (PTFE) rivestimento di entrambe le estremità di tutti i pezzi di filo con lunghezze di ~5.0 mm. Collegare un'estremità di ciascuno dei pezzi di filo da uno dei fori metallici aperti (canali ECG/EMG/BR) sul BEI con una spilla d'oro.
3. Tagliare un filo di smalto in due pezzi di 5,0-cm. Saldare una estremità di ciascuno di questi fili per i canali di riferimento di terra / (g/r) alla BEI (Figura 3, vedi anche precedenti carte^12,13).
4. Per la preparazione di elettrodi per ECG, tagliare un filo di bioflex in due pezzi di 16 cm. Staccare il rivestimento PTFE delle estremità di questi pezzi di filo a lunghezze di mm ~5.0 su un'estremità (breve termine) e ~ 15 mm a altra estremità (lungo termine).
5. Formare un anello di filo con un diametro di 2.0 mm piegando la parte lunga del filo, e la forma dell'anello di fissaggio mediante saldatura.
6. Per la preparazione di elettrodi EMG, tagliare un filo di bioflex in 2 pezzi con lunghezze di 8 cm. Peel off il rivestimento PTFE da entrambe le estremità di questi pezzi di filo con lunghezze di ~5.0 mm.
7. Per la preparazione di elettrodi BR, tagliare un filo di bioflex in 2 pezzi con lunghezze di 6,0 cm. Peel off allo smalto di entrambe le estremità di questi pezzi di filo con lunghezze di ~5.0 mm. saldare un'estremità di ognuno di questi pezzi di filo alla testa di una vite in acciaio inox (diametro gambo Metro: 1.0 mm, stelo Lunghezza: 4,0 mm).
8. Per la preparazione di elettrodi di terra/riferimento (gr), tagliare un filo di smalto in 2 pezzi con lunghezze di 6,0 cm. Peel off allo smalto di entrambe le estremità di questi pezzi di filo con lunghezze di ~5.0 mm. saldare un'estremità di ognuno di questi pezzi di filo alla testa di un acciaio-inox vite di Anguilla (diametro stelo: 1.4 mm, stelo Lunghezza: 3,0 mm).
9. Gas sterilizzare tutti gli elettrodi e viti inox e tenerli in uno spazio pulito.

2. l'impianto di elettrodi ECG/EMG

Nota: Eseguire tutte le fasi chirurgiche con tecnica asettica usando guanti sterilizzati e strumenti in autoclave. Per tutti i passaggi che implicano la creazione di un'incisione, sterilizzare la pelle con etanolo al 70% prima e coprire l'incisione con teli chirurgici.

1. Difficoltà un anestetizzati ratto (1.0-3.0% gas isoflurano) sul dorso su un pad termico piatto. Dare la buprenorfina come analgesico. Posto Unguento veterinario sugli occhi del ratto per prevenire la secchezza. Per pulire la superficie della pelle, usare betadine.
2. Fare un'incisione di ~2.0 cm nella zona del torace mediale. Esporre i muscoli intercostali separando i muscoli del torace. Suturare gli anelli degli elettrodi ECG ai muscoli intercostali.
3. Fissare lo stomaco dell'animale il termoforo. Fare un'incisione di ~1.0 cm nella zona del collo dorsale.
4. Inserire gli elettrodi ECG per via sottocutanea attraverso l'incisione di petto. Far scorrere le estremità verso la zona del collo dorsale e tirarli fuori dall'incisione del collo. Sutura l'incisione sul petto.
5. Inserire un'estremità di ognuno degli elettrodi EMG per via sottocutanea ad una lunghezza di cm ~2.0 attraverso l'incisione del collo. Difficoltà gli elettrodi EMG al muscolo del collo di suturazione.

3. l'impianto della matrice Micro-unità integrativa e gli elettrodi di BR

1. Difficoltà ratto su un dispositivo stereotassica. Fare un'incisione di ~3.0 cm sulla testa lungo la linea mediana dal punto tra gli occhi per la zona del collo. Esporre il cranio.
2. Fare due craniotomies circolari con diametri di 0,7-1,0 mm di sopra del bulbo olfattivo 11,0 mm anteriore e 1 mm bilaterale di bregma con un trapano ad alta velocità. Fino a quando le punte degli steli vite sono attaccate alla superficie del cervello, dell'impianto due elettrodi BR nel cranio.
3. Fare due craniotomies circolari con diametri di 0,7-1,0 mm di sopra della corteccia frontale 2,7 mm anteriore e 2.7 mm bilaterale di bregma. Fino a quando la punta del gambo della vite è fissata alla superficie del cervello, dell'impianto due elettrodi g/r nel cranio.
4. Fare sei-otto fori con un diametro di 1.0 mm nella zona circostante il craniotomy grande. Impianti di viti di ancoraggio (diametro stelo: 1.4 mm, stelo Lunghezza: 3,0 mm) nel cranio.
5. Apportare un grande craniotomy circolare con un diametro di mm ~2.0 sopra l'ippocampo 3,8 mm posteriormente e 2,5 mm bilaterale al bregma. Inserire la matrice di micro-unità integrativa tale che la punta della cannula di array dell'unità si trova sopra il craniotomy grande
6. Riempire lo spazio vuoto tra la punta della cannula e superficie del cervello con ~ 100 µ l di due soluzioni, vale a dire., 0,5% (in massa) di alginato di sodio e cloruro di calcio 10% (in massa).
   Nota: Questo processo forma un gel trasparente a ~ 5 min, dopo le due soluzioni sono mescolate sul cranio.
7. Coprire la cannula, elettrodi di BR, elettrodi g/r, e le viti di ancoraggio con cemento dentale con uno spessore di 0,5 cm. essere attenti a non coprire le estremità aperte del BR e g/r elettrodi con il cemento in questa fase.
8. Saldare le estremità aperte degli elettrodi ECG, EMG, BR e g/r per le punte di filo individuali che sono stati precedentemente collegati alla BEI (vedere la procedura 1.2 e 1.3).
9. Coprire la parte inferiore della matrice di micro-unità integrativa e tutti i cavi degli elettrodi, con cemento dentale. Garantire che tutti i cavi degli elettrodi sono completamente coperti in modo che il topo non può graffiare li dopo l'impianto.
10. Dopo il ricupero della coscienza sufficiente per mantenere decubito sternale, restituire l'animale al suo cag casa di Plexiglas trasparente e mantenere il proprio con accesso gratuito per acqua e cibo. Dopo l'intervento chirurgico, trattare l'animale con gli antibiotici (gentamicina).
11. Dopo l'intervento chirurgico, monitorare gli animali con l'osservazione quotidiana. Verifica che camminano correttamente, e che non squittiscono quando lo sperimentatore tocca la matrice di micro-unità.

4. le registrazioni in Vivo

Nota: Tutti i segnali vengono amplificati, alla 2 kHz e filtrata (0.1 - 500 Hz) passa-banda ad eccezione di attività dell'unità (alla 30 kHz e filtrata (500-6 kHz) passa-banda).

1. Collegare la bei della matrice micro-unità integrativa per l'headstage di un dispositivo di registrazione.
2. Avanzare i tetrodi ruotando le viti per un paio di settimane dopo la chirurgia. Una volta che i tetrodi sono adiacenti alle aree del cervello di destinazione, stabilirsi i tetrodi nelle aree per un periodo di diversi giorni per registrazioni stabile.
3. Monitorare i segnali elettrici mentre l'animale si muove liberamente in una camera di registrazione.

Results

Questo metodo è in grado di catturare simultaneamente segnali bioelettrici da organi multipli che rappresentano l'attività neuronale del cervello, frequenza cardiaca, respirazione ritmica e le contrazioni del muscolo scheletrico (Figura 1). Figura 4 fornisce i dati di registrazione rappresentativo da un ratto liberamente commovente che è stato liberamente foraggiamento in una scatola rettangolare (25 × 40 cm^...

Discussion

Per comprendere come il cervello modula i livelli di attività periferica e vice versa, su larga scala in metodi per catturare simultaneamente elettrica BCI da più zone del corpo della registrazione sono necessarie. Questo studio ha descritto una procedura chirurgica e un sistema di registrazione per il monitoraggio di potenziali di campo locale cerebrale, frequenza cardiaca, la grandezza della costruzione muscolare e ritmi respiratori, che sono stati migliorati in un sistema di registrazione che viene utilizzato per regi...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
FEP Hookup Wire Stranded Acciaio Inossidabile	Cooner Wire Company, Chatsworth, CA	AS 633	Filo Bioflex
EIB-36-PTB	Neuralynx, Inc., Bozeman, MT	EIB-36-PTB	EIB
Cereplex M Roccia	nera  Microsystems, Salt Lake City, UT		Headstage digitale
Cereplex Direct	Roccia nera  Microsystems, Salt Lake City, UT		Sistema di acquisizione dati
UEW poliuretano magnete	filo Oyaide.com, Tokyo, Giappone	UEW 0,14 mm 20 m	Filo smaltato
SD-102	Narishige, Tokyo, Giappone	SD-102	Trapano ad alta velocità
Minimo ONE SERIES ver.2	Minitor Co., Ltd, Tokyo, Giappone	C2012	Trapano ad alta peed Alimentatore
Provinice 250 mL	Shofu Inc., Kyoto, Giappone	213620136	Cemento dentale
Anestesista per piccoli animali	Biomacchine, Chiba, Giappone	Anestesista	TK-7
Buprenorfina cloridrato	Sigma-Aldrich, St. Louis, MO	B7536-1ML	Analgesico
isoflurano	DS Pharma Animal Health, Osaka, Giappone	Isoflu 250mL
Vaselina, Bianco	Wako Pure Chemical Industries, Ltd., Osaka, Giappone	224-00165	Unguento veterinario
Alginato di sodio	Nacalai tesque, Kyoto, Giappone	31131-85
Cloruro di calcio diidrato	Wako Pure Chemical Industries, Ltd., Osaka, Giappone	031-00435
Vite in acciaio inox M1.0&volte; 4,0	MonotaRO, Hyogo, Giappone	42617504	Vite in acciaio inox per elettrodi BR
Vite in acciaio inox M1.4× 3.0	MonotaRO, Hyogo, Giappone	42617687	Vite in acciaio inox per elettrodi g/r e ancore