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As funções cerebrais subjacentes à sensação, cognição e ação são organizadas e distribuídas em vastas escalas espaciais e temporais, variando desde os picos de neurônios individuais até os campos elétricos gerados por populações de neurônios em uma coluna cortical e a organização topográfica de colunas em áreas cerebrais (por exemplo, somatotopia no córtex somatossensorial, tonotopia no córtex auditivo primário). Compreender a função cerebral requer a detecção de sinais elétricos nessas escalas espaciais1. A neurociência atualmente tem muitos métodos amplamente utilizados para monitorar a atividade do cérebro. Eletrofisiologicamente, os politrodos laminares (como os Neuropixels) permitem o monitoramento de um número modesto (~ 300) de neurônios individuais, normalmente dentro de um punhado de colunas distantes, com alta resolução temporal (≥1 kHz). A imagem de Ca2+ permite o monitoramento de um número modesto a grande de neurônios individuais identificados genética e anatomicamente dentro de ~ 1-2 mm de extensão espacial em uma resolução temporal mais baixa (~ 10 Hz)2. A fMRI permite monitorar o estado metabólico de um grande número de neurônios (~ 1 M neurônios em um volume de 36 mm3 ) em todo o cérebro com resolução temporal muito baixa (~ 0,2 Hz). O EEG/MEG permite o monitoramento da atividade elétrica de toda a superfície cortical/cérebro em resolução temporal modesta (<100 Hz) e resolução espacial muito baixa (centímetros)3. Embora cada uma dessas metodologias tenha fornecido insights fundamentais e sinérgicos sobre a função cerebral, os métodos que permitem a detecção direta de sinais eletrofisiológicos em alta resolução temporal a partir de locais anatômicos precisos em amplas regiões espaciais do córtex são incipientes. A necessidade de ampla cobertura espacial é enfatizada pelo fato de que, no cérebro, a função neuronal muda muito mais drasticamente na superfície em comparação com a profundidade4.
A eletrocorticografia (ECoG) é um método no qual grades de eletrodos de baixa impedância são implantadas na superfície do cérebro e permitem o registro ou estimulação do córtex 1,5. O ECoG é normalmente implantado em ambientes neurocirúrgicos humanos como parte da investigação clínica para o tratamento da epilepsia farmacologicamente intratável. No entanto, também fornece informações únicas sobre o processamento cortical distribuído em humanos, como fala e mapeamento topográfico sensorial 6,7. Essas capacidades motivaram seu uso em modelos animais, incluindo macacos, ratos e camundongos 5,8,9,10,11. Em roedores, foi recentemente demonstrado que o micro-ECoG (μECoG) permite o monitoramento elétrico direto de alta resolução temporal (~ 100 Hz) de populações neuronais com resolução espacial colunar (~ 200 μm) e ampla cobertura espacial (muitos milímetros). O μECoG permite que os pesquisadores investiguem a dinâmica neural distribuída associada ao processamento sensorial complexo, funções cognitivas e comportamentos motores em modelos animais12,13. Avanços recentes integraram μECoG com optogenética e registros de politrodos laminares14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 , permitindo investigações multiescala de redes corticais e preenchendo a lacuna entre a atividade neuronal em microescala e a dinâmica cortical em macroescala21 , 22. Criticamente, como o sinal μECoG é muito semelhante em modelos animais humanos e não humanos, o uso de μECoG torna a tradução de resultados e descobertas de modelos animais para humanos muito mais direta23. Como tal, as abordagens integrativas são cruciais para o avanço de nossa compreensão dos circuitos neurais e são promissoras para o desenvolvimento de novas intervenções terapêuticas para distúrbios neurológicos 5,24,25.
Consequentemente, há uma necessidade emergente de protocolos que integrem matrizes μECoG de alta densidade com registros laminares e ferramentas optogenéticas para permitir investigações abrangentes em várias escalas do processamento cortical 8,26. Para resolver essa lacuna, desenvolvemos dispositivos μECoG personalizados com 128 eletrodos de baixa impedância com diâmetro de eletrodo de 40 μm e espaçamento entre eletrodos de 20 μm em um substrato de polímero flexível e transparente (parileno-C e poliimida) com perfurações entre eletrodos, permitindo gravações simultâneas de μECoG e politrodo laminar com manipulações optogenéticas13,22. Os principais aspectos deste protocolo experimental incluem: (i) resolução espacial colunar e cobertura em larga escala da atividade cortical por meio de matrizes μECoG de alta densidade; (ii) a capacidade de registrar a partir de várias camadas corticais usando politrodos laminares inseridos através da grade μECoG; e (iii) a incorporação de técnicas optogenéticas para ativar ou inibir seletivamente populações neuronais específicas, permitindo assim a dissecção causal de circuitos neurais 27,28,29. A configuração de alta densidade permite registros de alta resolução espacial, fornecendo efetivamente uma "visão colunar" da atividade cortical, pois estudos anteriores mostraram que os sinais μECoG podem resolver a atividade em uma escala espacial comparável ao diâmetro da coluna cortical do roedor (~ 20 μm) 11 . Essa metodologia integrada permite o monitoramento e a manipulação simultâneos em várias escalas da atividade neural, potencialmente permitindo experimentos causais para determinar as fontes neuronais de sinais μECoG, bem como o processamento cortical distribuído. Para atingir esses objetivos, este manuscrito fornece protocolos detalhados para o uso de matrizes μECoG de alta densidade em duas combinações.
Primeiro, descrevemos μECoG combinado com a manipulação de células piramidais da camada 5 (L5) no córtex somatossensorial primário de camundongos (S1). No camundongo, a matriz μECoG é colocada por via peridural (devido à intratabilidade cirúrgica da durotomia em camundongos). Uma fibra óptica é posicionada sobre a grade ou combinada com uma lente para focalizar a luz optogenética sobre uma pequena área-alvo da superfície cortical. A estratégia optogenética é descrita aqui para a inibição dos neurônios excitatórios da camada 5, mas pode ser prontamente adaptada a qualquer população de neurônios fornecida com a linha de camundongo correspondente, específica da população e que expressa Cre. Em segundo lugar, descrevemos o uso combinado de μECoG com politrodos laminares de silício para registrar simultaneamente potenciais elétricos de superfície cortical (CSEPs) e atividade de pico de unidade única de vários neurônios através das camadas corticais do córtex auditivo de ratos (A1). A matriz possui perfurações entre os eletrodos, permitindo a inserção de politrodos laminares multicanais através da grade para registrar a atividade neuronal em diferentes camadas corticais. Durante o procedimento de craniotomia, a matriz μECoG é colocada subduralmente sobre o córtex auditivo e o politrodo laminar é inserido através das perfurações. Os sinais neurais do μECoG e da sonda laminar são gravados simultaneamente, amostrados a 6 kHz e 24 kHz, respectivamente, usando um sistema amplificador conectado opticamente a um processador de sinal digital.