大脳皮質の局所電界電位と自由行動ラットから侵害受容のレーザー刺激への応答で Electrocorticograms の同時録音
January 7th, 2019
我々 は自由行動ラットから侵害受容のレーザー刺激への応答で下角と局所電界電位を同時に記録する技術を開発しました。この手法は、侵害受容情報の脳内処理の検討を容易にするメゾスコ ピックおよびマクロスコ ピック レベルで electrocortical 信号の直接関係を確立できます。
この方法は、ECoGとワイヤの深さの両方から記録された電気皮質信号の直接的な関係を確立し、レーザー誘発電位のニューロン寄与に関する重要な質問に答えるのに役立ちます。この技術の主な利点は、電極注入がポリ乳酸シェルによって保護され、したがって記録は私達の自由移動ラットに適用することができるということです。この方法は、それぞれの神経磁気の調査を促進する精神疾患の異なる感覚または短い特徴の刺激によって誘発される脳応答を記録する際に適用することができる。
テキストプロトコルで詳述されているように、ラットの麻酔を使用して、この手順を開始します。次に、立体性装置を使用して、ラットの頭部を麻酔マスクに置かれた鼻で固定します。外科的耐性は、ラットがつま先のつまみに応答しない場合に達成される。
角膜乾燥を避けるために眼科軟膏を目に適用します。標準的な剃り器を使用して、ラットの頭皮の上部を剃ります。次いで、医用ヨウドファー消毒液と75%アルコールを用いて頭皮を殺菌し、ヨウ素を除去する。
局所鎮痛のために頭皮に2%リドカインを注入する。次いで、アトロピンを投与して呼吸過敏を抑制する。メスを使って頭皮に約2〜3センチメートルの正中切開を行います。
中線に沿って頭皮の一部をカットして取り除き、頭蓋骨を露出します。定義済みの立体座標系に基づいて ECoG 電極の位置をマークします。また、正中線の参照電極と接地電極の位置をマークします。
デュラを破壊することなく、マークされた観光スポットで頭蓋骨に電気頭蓋ドリルを使用してECoGネジ用ドリル穴。絶縁被覆銅線に接続するステンレスネジを穴に入れ、およそ1ミリメートルの深さになります。基礎となる硬膜に浸透しないようにしてください。
頭蓋骨に保護シェルベースを置きます。歯科アクリルを使用して、頭蓋骨の隣接するネジでベースを固定します。定義済みの立体座標系に基づいて、深度ワイヤ電極の位置をマークします。
さて、ワイヤー注入のためにマークの照準器の周りの頭蓋骨に小さな穴を開け、慎重に硬膜を露出させるために骨のフラップを取り除きます。正常な生理的な生理を頻繁に洗ってください。針を使用して、ピアの合体、血管および新皮質の表面を損傷することなく、硬膜を持ち上げて切断する。
深さのワイヤー電極を新皮質の表面に下げます。次に、ゆっくりと脳をターゲットの深さまで貫通する。ワックスとパラフィン油の混合物で頭蓋骨切れ目を密封し、その後の実験操作のために深さワイヤー電極を移動できるようにします。
頭蓋骨に歯科用アクリルを使用して電極装置を固定します。ECoG ねじに接続する銅線を、コネクタ モジュールの対応するチャネルに溶接します。保護シェル壁をベースに組み立て、参照電極と接地電極を対応するチャネルに溶接します。
テープを使用してキャップを保護シェルに固定して、汚染を防ぎます。ペニシリンをラットに注入した後、単一の家のラットは、テキストプロトコルに詳述されるように手術後の温度と湿度制御ケージ内のラットを制御する。ラットを実験の前に少なくとも1時間行動室に入れ、ラットが記録環境に順応することを確認する。
記録ヘッドステージを電極モジュールにそっと接続して、ラットを怖がらせ、電極モジュールを損傷させないようにします。レーザー発生器をセットアップします。光ファイバーを接続し、機器オペレータマニュアルに従ってレーザーのスポットサイズを調整します。
トリガジェネレータからのデジタル出力を、記録ボードのデジタル入力ポートに接続します。実験室の隅の下にビデオカメラを設定し、足が忍化レーザー刺激を受けたときにラットの不可解な行動を連続的に記録します。チャンバーの上部にある大音量のスピーカーを介して、継続的なホワイトノイズを提供します。
機器オペレータマニュアルに従って記録システムを使用して、ECoGと深さ線電極の両方から電気生理学的データを収集します。次に、レーザー発生器を最初に配置して、チャンバーの底部の隙間からラットの前足の足底にレーザーパルスを送ります。次に、スイッチを押してレーザー刺激を行います。
ここに示されているのは、両側原発性運動皮質、両側原発性体性感覚皮質およびECoGからの生の電気生理学的データである。レーザー刺激の発症後に、明確なレーザー誘発電位、またはLEP応答が検出可能である。ここに示されているのは、5匹のラットの6つの電極から形成されたグループレベルの平均LEP波状である。
LEP応答は、N1波と呼ばれる支配的な負の偏向で構成されています。両側原発性体性感覚皮質のN1波は、二国間の一次運動皮質よりも短い待ち時間と高い振幅を示していることに注意してください。この図は、ECoGからサンプリングされたLEPと両側S1およびM1の深さ線との間のウェーブレット変換された一貫性を示し、レーザーはラットの右前足の足底に送達された。
なお、左S1及びM1はガンマ周波数帯域において右S1及びM1より高いコハーレンスを示した。開発後、この技術は、研究者が同時にレーザー誘発電位の神経寄与を暴露するために、自由な移動ラットのECoGと皮質間局所充填電位の両方をリコールする道を開きます。
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概要
この研究は、疼痛受容性レーザー刺激に対する自由に動くラットの電気皮質図（ECoG）と局所電位を同時に記録する新しい技術を提示します。このアプローチは、メゾスコピックレベルとマクロスコピックレベルの両方における電気皮質信号間の直接的な関係を確立し、脳における疼痛受容性情報処理の理解を深めます。
主要な研究要素
科学の分野
- 神経科学
- 電気生理学
- 行動研究
背景
- 疼痛受容性の処理の理解は神経科学研究にとって重要です。
- 電気皮質図は脳活動への洞察を提供します。
- 局所電位は刺激に対する神経活動を反映します。
- 自由に動く動物モデルは自然な行動を研究するために不可欠です。
研究の目的
- ECoGと局所電位を同時に記録する手法を開発すること。
- レーザー誘発電位への神経の寄与を調査すること。
- 様々な感覚刺激に対する脳反応の研究を促進すること。
使用された方法
- ラットは麻酔され、電極の埋め込みのために準備されます。
- ステレオタキシック装置を使用してラットの頭を固定します。
- 電極は耐久性のためにポリ乳酸のシェルで保護されます。
- ラットが自由に動いている間に記録を行います。
主要な結果
- この技術はECoGと局所電位を正常に記録しました。
- データは電気皮質信号と疼痛受容性刺激の関係を明らかにしました。
- 結果は感覚処理と精神医学的状態のさらなる調査を支持しています。
- この手法は神経科学研究において多様な応用を可能にします。
結論
- この技術は脳における疼痛受容性の処理の理解を向上させます。
- 様々な刺激に対する脳反応を研究するための貴重なツールを提供します。
- この手法の設計は自由に動く動物モデルでの使用を可能にします。
よくある質問
Executive Industry Relevance
This method enables simultaneous recording of electrocorticographic and local field potential signals in freely moving rats, providing a translational bridge between mesoscopic and macroscopic neural activity measurements. By capturing nociceptive-evoked responses with high signal-to-noise ratio, it supports mechanistic de-risking in pain target validation and phenotypic screening workflows. The approach enhances predictive confidence in early discovery by linking cortical surface and depth electrophysiology to behavioral phenotypes.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Interrogates therapeutic hypotheses by correlating laser-evoked potential waveforms with nociceptive pathway activation.
- Operational Value: Enables functional target validation through simultaneous surface and depth electrocortical signal acquisition.
- Predictive Value: Supports portfolio triage by quantifying neural response consistency across cortical layers.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream assay standardization using synchronized ECoG and LFP readouts.
- Operational Value: Enhances screening readiness through reproducible, noise-minimized electrophysiological recordings in awake-behaving models.
- Scalability: Facilitates platform reuse via 3D-printed protective shell design that maintains electrode stability across sessions.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Aligns with disease-relevant systems by modeling nociceptive processing mechanisms relevant to analgesic development.
- Preclinical Model: Supports risk-adjusted advancement decisions through quantifiable, stimulus-locked neural biomarkers.
- Mechanistic De-risking: Clarifies neuronal contributions to laser-evoked potentials, reducing ambiguity in target engagement interpretation.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into early discovery workflows by enabling hypothesis testing of nociceptive targets through concurrent cortical surface and depth electrophysiology measurements.
- Discovery Biology: Supports pathway clarification by isolating neuronal contributions to evoked potentials across cortical layers.
- Screening: Delivers quantitative, stimulus-locked outputs that facilitate compound effect comparison in behavioral paradigms.
- Analytics: Provides coherent signal metrics (e.g., wavelet coherence) that help teams compare neural engagement across conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity via measurable nociceptive biomarkers predictive of analgesic efficacy.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable electrophysiology capability for longitudinal target validation across multiple sensory modalities.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by reducing mechanistic ambiguity in cortical nociceptive processing.
- Operational Value: Ensures standardization and reproducibility through protected electrode implantation in freely moving models.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing multi-scale electrocortical validation of target engagement.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization through objective, quantifiable neural response metrics.
Implementation Considerations
- Requires expertise in stereotaxic surgery, electrophysiology, and behavioral neuroscience.
- Dependent on laser stimulation systems, recording headstages, and spectral analysis software.
- Necessitates cross-team standardization for electrode placement, stimulus timing, and noise control protocols.
- Involves adaptation considerations when extending to other cortical targets or disease models.
- Limited by the need for surgical recovery periods and environmental acclimatization before data collection.
