Wieloskalowe badania przetwarzania kory mózgowej poprzez integrację politrod laminarnych i optogenetyki z mikroelektrokortykografią u gryzoni
23 maja 2025
Tutaj prezentujemy dwa protokoły do rejestracji mikro-elektrokortykografii o wysokiej gęstości (μEcoG) u szczurów i myszy, w tym metody chirurgiczne, implantacyjne i rejestracyjne. Zapisy μECoG są wykonywane w połączeniu z zapisem laminarnej politrody w korze słuchowej szczura lub z optogenetycznym manipulowaniem aktywnością neuronalną w korze somatosensorycznej myszy.
W jaki sposób laboratoria badają, w jaki sposób aktywność mózgu powoduje powstawanie funkcji, takich jak percepcja i poznanie, używając ECOG i innych narzędzi do łączenia lokalnej aktywności neuronalnej z sygnałami korowymi w szerszej skali.
Zewnątrzkomórkowe zapisy kolców w obrazowaniu dwufotonowym są wykorzystywane do pomiaru aktywności populacji, ale ECOG jest jedną z niewielu technik dostępnych zarówno u ludzi, jak i do podstawowych badań na zwierzętach.
Aktywność mózgu obejmuje wiele skal przestrzennych i czasowych. Żadna metoda sygnałowa nie rejestruje ich wszystkich naraz, ale ECOG ma wystarczającą rozdzielczość czasową i przestrzenną dla wielu krytycznych pytań.
Nasz protokół wypełnia kluczową lukę, łącząc ECOG z lokalnymi zapisami i optogenetyką, skutecznie dostarczając informacji w mikroskali z mezoskalowych sygnałów powierzchni kory mózgowej.
Nasze odkrycia rozszerzą zastosowanie ECOG jako części multimodalnych paradygmatów eksperymentalnych do badania podstawowych zasad organizacji kory nowej i ujawnienia biomarkerów określonych funkcji kory mózgowej u ludzi.
[Instruktor] Na początek połóż znieczuloną mysz na łóżku chirurgicznym i użyj pęsety, aby podnieść punkt na skórze nad czaszką. Następnie za pomocą nożyczek chirurgicznych wyciąć fragment skóry o średnicy około jednego centymetra. Za pomocą skrobaka usuń tkankę łączną i okostną z górnej części czaszki. Spłucz czaszkę solą fizjologiczną. Następnie użyj zestawu wierteł chirurgicznych o niskiej prędkości, aby wywiercić otwór na zadziory w przedniej części półkuli ipsilateralnie do nagranego obszaru. Wywierć płytki rów na obwodzie, aby zdefiniować kontur kraniotomii. Gdy czaszka zostanie przerzedzona do punktu, w którym bardzo lekki nacisk powoduje widoczne drganie całego okna, usuń przerzedzoną część. Regularnie stosuj roztwór soli fizjologicznej i używaj gąbki hemostatycznej, aby utrzymać nawilżenie mózgu. Teraz włóż srebrny drut referencyjny na około jeden milimetr do otworu w zadziorach, tak aby stykał się z powierzchnią mózgu, nie powodując krwawienia. Po wszczepieniu pałąka na głowę umieść zwierzę w konfiguracji nagrywania. Teraz przymocuj siatkę mikroelektrokortykograficzną do sceny czołowej za pomocą złączy zaciskowych o zerowej sile wkładania. Przytrzymaj płytkę elektroniczną headstage na miejscu za pomocą mechanicznego pręta przymocowanego do mikromanipulatora. Obniż siatkę mikroelektrokortykografii poziomo, aby wyrównać płasko nad kraniotomią wzdłuż osi przednio-tylnej. Gdy siatka znajdzie się blisko mózgu, nie dotykając go, przymocuj drut odniesienia siatki do wszczepionego złotego szpilki z srebrnego drutu. Następnie obniż siatkę jeszcze bardziej, aby nawiązać kontakt z mózgiem. Przesuń siatkę na boki, aby przesunąć się po wilgotnej powierzchni opony twardej i kontynuuj regulację, aż zostanie wyśrodkowana wzdłuż osi przyśrodkowej. Użyj aspiracji lub gąbki chirurgicznej wokół krawędzi kraniotomii, aby usunąć nadmiar roztworu soli fizjologicznej. Gdy preparat będzie nieco bardziej suchy, sprawdź, czy siatka mocniej przylega do opony twardej i nie przesuwa się. Zastosuj ruch boczny do przyśrodkowego do siatki, aby zapewnić kontakt z najbardziej bocznymi elektrodami, podczas gdy siatki wygina się, aby dopasować się do konturu mózgu. Obserwuj aktywność elektrofizjologiczną za pomocą oprogramowania rejestrującego. W lekkim znieczuleniu monitoruj zmienne wzorce sygnałów mózgowych. Upewnij się, że przewody sieciowe, odniesienia i uziemienia są prawidłowo podłączone, aby uzyskać wysoki stosunek sygnału do szumu. Użyj oprogramowania Trodes z filtrowaniem pasmowo-przepustowym w zakresie od 300 do 6 000 Hz, aby monitorować szum w zakresie wysokich częstotliwości i upewnić się, że pozostaje on w granicach kilkudziesięciu mikrowoltów. Oceń reakcję sensoryczną, generując bodźce dźwiękowe, takie jak klaskanie lub pstrykanie palcami, i obserwuj odpowiednie potencjały elektryczne powierzchni kory mózgowej. Włącz światło optogenetyczne o niskiej intensywności, aby poprowadzić źródło światła i pomóc ustawić światłowód, a następnie użyj ramienia przegubowego, aby z grubsza ustawić światło optogenetyczne w kierunku obszaru docelowego. Ustaw ostrość i dostosuj położenie światłowodu za pomocą mikromanipulatora lub precyzyjnej regulacji przed nagraniem sygnałów. Aby wyczyścić siatkę, jeśli mózg jest suchy, nałóż małą kroplę soli fizjologicznej na powierzchnię mózgu za pomocą strzykawki i pozostaw ją na 30 sekund do jednej minuty przed podniesieniem siatki. Pracując pod mikroskopem, delikatnie podnieś siatkę z powierzchni mózgu za pomocą mikromanipulatorów. Zlokalizowaną odpowiedź elektrokortykograficzną zaobserwowano około 10 milisekund po stymulacji pojedynczymi wąsami, ze szczytowymi amplitudami ugięcia około jednego miliwolta. Najsilniejsza odpowiedź elektrody została wywołana przez stymulację odpowiadającego jej wąsa, podczas gdy słabszą reakcję lub brak reakcji zaobserwowano w przypadku bardziej odległych wąsów. Hamowanie optogenetyczne prowadziło do tłumienia wywołanej wąsami odpowiedzi korowej tylko u zwierząt wyrażających opsyny hamujące. Artefakty optoelektryczne pojawiły się dopiero na początku i przesunięciu pięciosekundowej stymulacji impulsem świetlnym przy użyciu światłowodu o dużej średnicy. Światłowód o długości jednego milimetra wytwarzał duży artefakt świetlny na siatce mikroelektrokortykografii, podczas gdy światłowód o długości 200 mikrometrów znacznie zminimalizował ten artefakt. Zapisy mikroelektrokortykografii u szczurów wykazały silne reakcje słuchowe, ze szczytową odpowiedzią około 25 do 30 milisekund po bodźcu. Wysokie i bardzo wysokie szczyty aktywności gamma i wielojednostkowej zaobserwowano w spektrum częstotliwości wywołanej odpowiedzi, przy czym dominującą składową była wysoka gamma. Wykonano mikroelektrokortykografię wraz z zapisami sondą laminarną. W nagraniach politrodowych wykryto wyraźne przebiegi szczytowe, pokazujące wyraźny kształt fali w wielu kanałach. Wykresy amplitudy odpowiedzi częstotliwościowej z powierzchniowych elektrod mikroelektrokortykograficznych ściśle pasują do wykresów z elektrod laminarnych z politrody na całej głębokości, wykazując spójne strojenie słuchowe. Mapa tonotopowa o wysokiej rozdzielczości wygenerowana na podstawie wysokich sygnałów gamma ujawniła funkcjonalną organizację pól korowych słuchowych, w tym obszarów pierwotnych, tylnych i brzusznych.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
To badanie przedstawia protokoły dotyczące nagrań mikroelektrokortikografii o wysokiej gęstości (µECoG) u szczurów i myszy w celu zbadania sygnałów korowych związanych z aktywnością neuronową. Metody łączą µECoG z laminarnym nagrywaniem za pomocą polytrodu w korze słuchowej szczura i manipulacją optogenetyczną w korze somatosensorycznej myszy, badając związek między lokalną aktywnością neuronową a szerszymi funkcjami korowymi.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauki
- Elektrofizjologia
- Optogenetyka
Tło
- Badanie, jak aktywność mózgu leży u podstaw percepcji i kognitywności.
- Elektrokortikografia (ECoG) jest cennym narzędziem łączącym lokalną aktywność neuronową z większymi sygnałami korowymi.
- µECoG oferuje rozdzielczość przestrzenną i czasową do badania kluczowych pytań neuronaukowych.
- Protokół ma na celu wypełnienie luki między µECoG a bardziej zlokalizowanymi nagraniami.
Cel badania
- Aby rozszerzyć zastosowanie µECoG w multimodalnych paradygmatach eksperymentalnych.
- Aby zbadać organizację neokorteksu i zidentyfikować biomarkery dla określonych funkcji korowych.
- Aby wykazać skuteczność połączonych technik w rejestracji aktywności neuronowej.
Stosowane metody
- Badanie wykorzystuje techniki nagrywania µECoG o wysokiej gęstości.
- Szczury i myszy są wykorzystywane jako modele biologiczne, koncentrując się na korze słuchowej i somatosensorycznej.
- Metody obejmują chirurgiczne wszczepienie elektrod i połączenie optogenetyki z rejestracjami elektrofizjologicznymi.
- Precyzyjne pozycjonowanie elektrod i monitorowanie potencjałów elektrycznych są kluczowymi krokami.
Główne wyniki
- Wyniki obejmują wyraźne odpowiedzi elektrofizjologiczne korelujące ze stymulacją zmysłową i efektami hamowania optogenetycznego.
- Obserwowano wysokoczęstotliwościowe odpowiedzi w nagraniach słuchowych, co demonstruje spójne dostrajanie korowe.
- Odpowiedzi różniły się w zależności od lokalizacji elektrod i modelu zwierzęcego, podkreślając przestrzenną specyficzność odpowiedzi neuronowych.
- Badanie wykazało, że łączenie µECoG z lokalnymi nagraniami poprawia zrozumienie funkcji korowych.
Wnioski
- To badanie wykazuje wykonalność łączenia µECoG z innymi metodami w celu wzmocnienia badań obwodów neuronowych.
- Przezroczystość uzyskana może posłużyć do poszerzenia zrozumienia organizacji korowych i funkcjonalnych reakcji u ludzi i modeli zwierzęcych.
- Podejście ma ważne implikacje dla przyszłych badań neuronaukowych, szczególnie w rozumieniu funkcji mózgu i zaburzeń.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Integrating high-density micro-electrocorticography (µECoG) with laminar polytrodes and optogenetics enables multiscale interrogation of cortical processing, bridging the gap between local neuronal activity and mesoscale cortical signals. This approach enhances predictive confidence in target validation and functional mapping, supporting translational continuity from preclinical models to human neuroscience. The methodology is strategically positioned to inform biomarker discovery and mechanistic de-risking in neurotherapeutic pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables causal dissection of neuronal population contributions to sensory processing using optogenetic manipulation.
- Supports functional target validation by linking specific cell types to distinct cortical signatures in µECoG signals.
- Facilitates mechanistic de-risking by integrating local and distributed neural activity measurements.
Screening & Assay Development
- Prepares validated cortical systems for downstream compound screening and functional assays.
- Delivers quantitative, reproducible electrophysiological outputs for assay standardization.
- Enables high-throughput mapping of sensory-evoked responses across cortical regions.
Translational & Preclinical Research
- Aligns preclinical neural activity mapping with human-relevant ECoG biomarkers.
- Supports continuity from rodent models to clinical neuroscience by leveraging shared methodologies.
- Provides risk-adjusted data for advancing neurotherapeutic candidates based on functional cortical readouts.
Pipeline & Workflow Integration
This integrated platform spans early discovery through preclinical validation, enabling hypothesis testing, pathway clarification, and functional biomarker identification in neurobiology workflows.
- Discovery Biology: Links optogenetic perturbation with mesoscale cortical readouts to clarify neural circuit mechanisms.
- Screening: Offers reproducible, quantitative µECoG outputs for comparing sensory and optogenetic conditions.
- Analytics: Provides high-resolution temporal and spatial data for statistical comparison of neural responses.
- Translational Research: Bridges animal and human studies by employing ECoG-compatible protocols across species.
- Enterprise Reuse: Establishes a scalable, multimodal platform adaptable to diverse cortical targets and disease models.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in neural target validation and functional mapping.
- Operational Value: Standardizes multimodal neural recording workflows for reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions by providing robust, quantitative cortical activity data.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of neurotherapeutic programs based on mechanistic insights.
Implementation Considerations
- Requires expertise in electrophysiology, optogenetics, and surgical implantation techniques.
- Demands specialized instrumentation for high-density µECoG and laminar probe recordings.
- Necessitates rigorous cross-team standardization of data acquisition and analysis protocols.
- Adaptable to various cortical regions and genetically defined cell types with protocol modifications.
- Potential for optogenetic artifacts requires careful experimental design and artifact minimization strategies.
