Multischaalonderzoek van corticale verwerking door integratie van laminaire polytrodes en optogenetica met micro-elektrocorticografie bij knaagdieren

Hoe laboratoria onderzoeken hoe hersenactiviteit aanleiding geeft tot functies, zoals perceptie en cognitie, met behulp van ECOG en andere hulpmiddelen om lokale neuronale activiteit te koppelen aan corticale signalen op een bredere schaal.

Extracellulaire spike-opnames in beeldvorming met twee fotonen worden gebruikt om populatieactiviteit te meten, maar ECOG is een van de weinige technieken die beschikbaar zijn voor zowel mensen als voor fundamenteel onderzoek bij dieren.

Hersenactiviteit omvat vele ruimtelijke en temporele schalen. Geen enkele signaalmethode legt ze allemaal tegelijk vast, maar ECOG heeft voldoende temporele en ruimtelijke resolutie voor veel kritische vragen.

Ons protocol overbrugt een belangrijke kloof door ECOG te combineren met lokale opnames en optogenetica, waardoor effectief informatie op microschaal wordt verstrekt uit de mesoschaal corticale oppervlaktesignalen.

Onze bevindingen zullen het gebruik van ECOG uitbreiden als onderdeel van multimodale experimentele paradigma's om fundamentele principes van neocorticale organisatie te bestuderen en biomarkers van specifieke corticale functies bij mensen te onthullen.

[Docent] Plaats om te beginnen een verdoofde muis op een operatiebed en gebruik een pincet om een punt op de huid over de schedel te tillen. Snijd vervolgens met een chirurgische schaar een deel van de huid met een diameter van ongeveer een centimeter door. Verwijder met een schraper bindweefsel en periosteen van de bovenkant van de schedel. Spoel zoutoplossing op de schedel. Gebruik vervolgens een chirurgische boor die op lage snelheid is ingesteld om een braamgat te boren in het voorste deel van de hemisfeer ipsilateraal van het geregistreerde gebied. Boor een ondiepe greppel aan de omtrek om de contouren van de craniotomie te definiëren. Wanneer de schedel is uitgedund tot het punt waarop extreem lichte druk ervoor zorgt dat het hele raam zichtbaar wiebelt, verwijdert u het uitgedunde gedeelte. Breng regelmatig een zoutoplossing aan en gebruik een hemostatische spons om de hersenen vochtig te houden. Steek nu de zilveren referentiedraad ongeveer een millimeter in het braamgat zodat deze in contact komt met het hersenoppervlak zonder bloedingen te veroorzaken. Na implantatie van de hoofdstang plaatst u het dier in de opnameopstelling. Bevestig nu het micro-elektrocorticografierooster aan de hoofdplaat met behulp van de clipconnectoren zonder insteekkracht. Houd het elektronische bord van het hoofdpodium op zijn plaats met behulp van een mechanische stang die aan een micromanipulator is bevestigd. Laat het micro-elektrocorticografierooster horizontaal zakken om plat over de craniotomie langs de anteroposterieure as uit te lijnen. Zodra het rooster dicht bij de hersenen is zonder het aan te raken, bevestigt u de referentiedraad van het rooster aan de geïmplanteerde zilveren draad gouden pin. Laat vervolgens het rooster verder zakken om contact te maken met de hersenen. Beweeg het rooster zijwaarts om over het vochtige dura-oppervlak te glijden en blijf aanpassen totdat het gecentreerd is langs de middelzijhoekige as. Gebruik aspiratie of een chirurgische spons langs de randen van de craniotomie om overtollige zoutoplossing te verwijderen. Zodra het preparaat iets droger is, controleert u of het rooster steviger aan de dura hecht en niet verschuift. Breng een zijwaartse naar mediale beweging aan op het rooster om contact met de meeste laterale elektroden te garanderen, terwijl de kabel van het rooster buigt om overeen te komen met de hersencontour. Observeer de elektrofysiologische activiteit met behulp van de registratiesoftware. Controleer onder lichte anesthesie op variabele hersensignaalpatronen. Zorg ervoor dat de net-, referentie- en aarddraden correct zijn aangesloten om een hoge signaal-ruisverhouding te verkrijgen. Gebruik Trodes-software met banddoorlaatfiltering tussen 300 en 6.000 hertz om ruis in het hoge frequentiebereik te monitoren en ervoor te zorgen dat deze binnen tientallen microvolts blijft. Beoordeel de sensorische respons door geluidsstimuli te genereren, zoals klappen of knippende vingers, en observeer de bijbehorende elektrische potentialen van het corticale oppervlak. Zet het optogenetische licht met lage intensiteit aan om de lichtbron te geleiden en de vezel te helpen positioneren, en gebruik vervolgens de gelede arm om het optogenetische licht ruwweg naar het doelgebied te positioneren. Stel scherp en verfijn de positie van de vezel met behulp van een micromanipulator of fijnafstellingsschroeven voordat u de signalen opneemt. Om het rooster schoon te maken, als de hersenen droog zijn, brengt u met een spuit een kleine druppel zoutoplossing aan op het hersenoppervlak en laat u het 30 seconden tot een minuut zitten voordat u het rooster optilt. Werk onder de microscoop en til het rooster voorzichtig van het hersenoppervlak met behulp van micromanipulatoren. Een gelokaliseerde elektrocorticografische respons werd waargenomen ongeveer 10 milliseconden na stimulatie van de enkelvoudige snorhaar, met piekafbuigingsamplitudes rond één millivolt. De sterkste elektroderespons werd opgeroepen door stimulatie van de corresponderende snorharen, terwijl een zwakkere of geen respons werd waargenomen van verder weg gelegen snorharen. Optogenetische remming leidde alleen tot een onderdrukking van de door snorharen opgewekte corticale respons bij dieren die remmende opsins tot expressie brachten. Opto-elektrische artefacten verschenen alleen bij het begin en het begin van de vijf seconden durende lichtpulsstimulatie met behulp van de vezel met een grote diameter. De optische vezel van één millimeter produceerde een groot lichtartefact op het micro-elektrocorticografieraster, terwijl de vezel van 200 micrometer dit artefact aanzienlijk minimaliseerde. Micro-elektrocorticografie-opnames bij ratten vertoonden sterke auditief opgewekte reacties, met een piekrespons ongeveer 25 tot 30 milliseconden na de stimulus. Hoge gamma-, ultrahoge gamma- en multi-eenheidsactiviteitspieken werden waargenomen in het frequentiespectrum van de opgewekte respons, met hoog gamma als dominante component. Micro-elektrocorticografie werd geregistreerd samen met laminaire sonde-opnames. Duidelijke spike-golfvormen werden gedetecteerd in polytrode-opnames, die een duidelijke golfvorm over meerdere kanalen vertoonden. De amplitudegrafieken van de oppervlakte-micro-elektrocorticografie van de frequentierespons komen nauw overeen met die van laminaire polytrode-elektroden over de diepte, wat een consistente auditieve afstemming aantoont. Een tonotopische kaart met hoge resolutie, gegenereerd op basis van hoge gammasignalen, onthulde de functionele organisatie van auditieve corticale velden, inclusief primaire, posterieure en ventrale gebieden.