Investigações Multiescala de Processamento Cortical Integrando Politrodos Laminares e Optogenética com Microeletrocorticografia em Roedores

Como os laboratórios investigam como a atividade cerebral dá origem a funções, como percepção e cognição, usando ECOG e outras ferramentas para vincular a atividade neuronal local a sinais corticais em uma escala mais ampla.

Registros de picos extracelulares em imagens de dois fótons são usados para medir a atividade da população, mas o ECOG é uma das poucas técnicas disponíveis em humanos e para pesquisa básica em animais.

A atividade cerebral abrange muitas escalas espaciais e temporais. Nenhum método de sinal captura todos de uma vez, mas o ECOG tem resolução temporal e espacial suficiente para muitas questões críticas.

Nosso protocolo preenche uma lacuna importante combinando ECOG com registros locais e optogenética, fornecendo efetivamente informações em microescala dos sinais da superfície cortical de mesoescala.

Nossas descobertas expandirão o uso do ECOG como parte de paradigmas experimentais multimodais para estudar princípios fundamentais da organização neocortical e revelar biomarcadores de funções corticais específicas em humanos.

[Instrutor] Para começar, coloque um camundongo anestesiado em uma cama cirúrgica e use uma pinça para levantar um ponto na pele sobre o crânio. Em seguida, usando uma tesoura cirúrgica, ressece aproximadamente uma porção de um centímetro de diâmetro da pele. Com um raspador, remova o tecido conjuntivo e o periósteo do topo do crânio. Despeje soro fisiológico no crânio. Em seguida, use uma broca cirúrgica em baixa velocidade para fazer um furo na parte frontal do hemisfério ipsilateral à área registrada. Faça uma trincheira rasa no perímetro para definir o contorno da craniotomia. Quando o crânio tiver sido afinado a ponto de uma pressão extremamente leve fazer com que toda a janela se mexa visivelmente, remova a parte desbastada. Aplique solução salina regularmente e use uma esponja hemostática para manter o cérebro úmido. Agora, insira o fio de referência de prata aproximadamente um milímetro no orifício da rebarba para que ele entre em contato com a superfície do cérebro sem causar sangramento. Após a implantação da barra de cabeça, coloque o animal na configuração de gravação. Agora conecte a grade de microeletrocorticografia ao headstage usando os conectores de clipe de força de inserção zero. Segure a placa eletrônica do headstage no lugar usando uma barra mecânica fixada a um micromanipulador. Abaixe a grade de microeletrocorticografia horizontalmente para alinhar plana sobre a craniotomia ao longo do eixo ântero-posterior. Quando a grade estiver perto do cérebro sem tocá-la, prenda o fio de referência da grade ao pino de ouro do fio prateado implantado. Em seguida, abaixe ainda mais a grade para fazer contato com o cérebro. Mova a grade lateralmente para deslizar sobre a superfície úmida da dura-máter e continue ajustando até que esteja centralizada ao longo do eixo mediolateral. Use aspiração ou uma esponja cirúrgica ao redor das bordas da craniotomia para remover o excesso de solução salina. Quando o preparo estiver um pouco mais seco, verifique se a grade adere com mais firmeza à dura-máter e não desliza. Aplique um movimento lateral a medial à grade para garantir o contato com os eletrodos mais laterais enquanto o cabo da grade se dobra para combinar com o contorno do cérebro. Observe a atividade eletrofisiológica usando o software de gravação. Sob anestesia leve, monitore os padrões variáveis de sinais cerebrais. Certifique-se de que os fios da rede, de referência e de aterramento estejam conectados corretamente para produzir uma alta relação sinal-ruído. Use o software Trodes com filtragem passa-banda entre 300 e 6.000 hertz para monitorar o ruído na faixa de alta frequência e garantir que ele permaneça dentro de dezenas de microvolts. Avalie a capacidade de resposta sensorial gerando estímulos de ruído, como bater palmas ou estalar os dedos, e observe os potenciais elétricos da superfície cortical correspondentes. Ligue a luz optogenética em baixa intensidade para guiar a fonte de luz e ajudar a posicionar a fibra e, em seguida, use o braço articulado para posicionar aproximadamente a luz optogenética em direção à área-alvo. Concentre e ajuste a posição da fibra usando um micromanipulador ou parafusos de ajuste fino antes de registrar os sinais. Para limpar a grade, se o cérebro estiver seco, aplique uma pequena gota de solução salina na superfície do cérebro usando uma seringa e deixe-a descansar por 30 segundos a um minuto antes de levantar a grade. Trabalhando sob o microscópio, levante suavemente a grade da superfície do cérebro usando micromanipuladores. Uma resposta eletrocorticográfica localizada foi observada aproximadamente 10 milissegundos após a estimulação de bigode único, com amplitudes de deflexão de pico em torno de um milivolt. A resposta mais forte do eletrodo foi evocada pela estimulação de seu bigode correspondente, enquanto uma resposta mais fraca ou nenhuma resposta foi observada em bigodes mais distantes. A inibição optogenética levou a uma supressão da resposta cortical evocada por bigode apenas em animais que expressam opsinas inibitórias. Os artefatos optoelétricos apareceram apenas no início e no deslocamento da estimulação do pulso de luz de cinco segundos usando a fibra de grande diâmetro. A fibra óptica de um milímetro produziu um grande artefato de luz na grade de microeletrocorticografia, enquanto a fibra de 200 micrômetros minimizou significativamente esse artefato. Os registros de microeletrocorticografia em ratos mostraram fortes respostas evocadas auditivas, com pico de resposta em torno de 25 a 30 milissegundos pós-estímulo. Picos de atividade gama alta, gama ultra alta e multi-unit foram observados no espectro de frequência da resposta evocada, com gama alta como componente dominante. A microeletrocorticografia foi registrada juntamente com os registros de sonda laminar. Formas de onda de pico claras foram detectadas em gravações de politrodos, mostrando formas de onda distintas em vários canais. Os gráficos de amplitude de resposta de frequência dos eletrodos de microeletrocorticografia de superfície correspondem aos dos eletrodos laminares de politrodo em profundidade, demonstrando sintonia auditiva consistente. Um mapa tonotópico de alta resolução gerado a partir de sinais gama elevados revelou a organização funcional dos campos corticais auditivos, incluindo áreas primárias, posteriores e ventrais.