Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Neuroscience

Het onderzoeken van Lokaal netwerk met behulp van Multi-Processing contact opnemen Laminar Electrode

doi: 10.3791/2806 Published: September 8, 2011

Summary

Een fundamenteel probleem in ons begrip van corticale circuit is hoe netwerken in verschillende corticale lagen coderen zintuiglijke informatie. We beschrijven hier elektrofysiologische technieken gebruik te maken van multi-contact laminaire elektroden voor single-eenheden en lokale veld mogelijkheden en de huidige analyses opnemen corticale lagen te identificeren.

Abstract

Corticale lagen zijn alomtegenwoordig structuren in heel neocortex 1-4 ​​die bestaan ​​uit zeer terugkerende lokale netwerken. In de afgelopen jaren is aanzienlijke vooruitgang geboekt in onze kennis van de verschillen in respons eigenschappen van de neuronen in de verschillende corticale lagen 5-8, maar er is nog veel linker om te leren over de vraag of en hoe neuronale populaties informatie te coderen in een laminaire-specifieke manier.

Bestaande multi-elektrode-array technieken, maar informatief voor het meten van de reacties over vele millimeters van corticale de ruimte langs het corticale oppervlak, zijn niet geschikt om het probleem van de laminaire corticale circuits aanpak. Hier presenteren we onze methode voor het opzetten en het opnemen van individuele neuronen en de lokale veld potentialen (LFP's) over corticale lagen van de primaire visuele cortex (V1) gebruik te maken van multi-contact laminaire elektroden (figuur 1; Plextrode U-Probe, Plexon Inc).

Onder meer de methoden zijn opname-apparaat de bouw, de identificatie van corticale lagen, en de identificatie van receptieve velden van de individuele neuronen. Het identificeren van corticale lagen, meten we de opgewekte reacties potentials (ERP) van de LFP tijdreeksen met behulp van full-field flitste stimuli. Vervolgens hebben we voeren current-source dichtheid (CSD) analyse om de polariteit inversie vergezeld van de sink-source configuratie aan de basis van laag 4 (de wastafel is in layer 4, later aangeduid als granulaire laag 9-12) te identificeren. Huidige-source dichtheid is nuttig omdat het een index van de locatie, richting, en de dichtheid van transmembraan stroom, waardoor we nauwkeurig te positioneren elektroden op te nemen van alle lagen in een penetratie 6, 11, 12.

Protocol

1. NAN microdrive bouw

We gebruiken de U-Probe in combinatie met de NAN elektrode aandrijfsysteem. Het bouwen van dit systeem vereist 2-3 uur, maar eenmaal gebouwd is het heel eenvoudig aanpassen om. We beginnen met het monteren van de NAN toren, die een 4-kanaals base (Figuur 2a) omvat, de NAN kamer (Figuur 2b), het rooster met 1 mm afstand (figuur 2c), 1-4 schroef microdrives (figuur 2d), een -4 geleidebuizen (figuur 2e, 500 micrometer diameter en teruggebracht tot ongeveer 5-7 cm), en 1-4 microdrive torens (figuur 2f). Voor de eenvoud, beschrijven we de procedure voor de bouw van de NAN-systeem met een toren en een U-Probe. Na enige training, deze procedure duurt gewoonlijk 2-3 uur als alle materialen zijn beschikbaar.

  1. Om de bouw van de NAN elektrode aandrijfgeheel, eerste maatregel montage alle instrumenten en stukken die u nodig (bijv. geleidebuizen, voerdraad, complete Dremil set, NAN gereedschappen en onderdelen en de U-probe). Meet de geleidebuizen, zodat wanneer het aan de opname-apparaat zijn ze lang genoeg zijn om op de top van de dura rest zonder het te beschadigen.
  2. Om de bouw van de NAN elektrode aandrijfgeheel, eerste maat de diepte van de opname kamer. Dan snijd de geleidebuizen met de gemeten lengte van ongeveer 5-7 cm. Tijdens het snijden van de geleidebuizen, moet men zorgen dat er geen metalen fragmenten in te voeren in de buis. Gebruik een stijve draad kleiner is dan de binnendiameter van de geleidebuis op een metalen fragmenten te verwijderen in de buis.
  3. Plaats vervolgens de NAN raster in de NAN basis. Draai de klemschroef en grid schroef. Zodra de basis en raster zijn beveiligd, identificeren van de opname gebied van belang en vooraf de gids buis door de bodem van de NAN grid.
  4. Passeren de gids buis door het rooster totdat het is ongeveer 1-2 mm buiten de NAN kamer. Zodra de gids buis op de gewenste positie, begint het monteren van de NAN Microdrive toren.
  5. Op elke NAN microdrive toren bevinden zich twee klemmen - een motor drijft de bovenste klem, terwijl de onderste klem kan worden vastgezet of los. Bevestig de bovenste klem aan de versterking buis van de U-Probe. Bevestig de onderste klem om de gids buis en breng een kleine hoeveelheid van superlijm aan de gids buis in plaats veilig te stellen. Dit systeem is zowel stabieler en preciezer te wijten aan de twee klemmen die verbonden zijn aan de versterking buis van de U-Probe.
  6. Lijn het puntje van de U-Probe met de top van de geleidebuis en passeren van de U-Probe door de geleidebuis totdat u de toren veilig aan de NAN basis. Pas de toren positie met de schroef, zodat er geen extra spanning op de U-Probe of gids buis.

2. U-Probe sterilisatie

De laminaire elektrode of Plextrode U-Probe is gekocht van Plexon Inc en is beschikbaar tegen een prijs van ongeveer $ 2000 - $ 4000. De prijs is afhankelijk van drie belangrijke aspecten: het aantal contact sites, de configuratie van de sites, en de diameter van elke site. We zijn momenteel met behulp van de 16-kanaals versie met een lineaire configuratie en een contact diameter van 25 um. Belangrijk is dat de dikte van de U-Probe direct gerelateerd aan de contact diameter. In onze experimenten hebben we altijd 25 micrometer diameter contacten, die gelijk is aan een 360 um dikte. De huidige kosten voor onze versie model is ongeveer $ 3500 dollar. De U-Probe is verpakt in een elektrode geval met jumpers en aarding draad en de doorlooptijd van aankoop tot levering is ongeveer 4-6 weken.

  1. Plaats de NAN-systeem op de cilinder basis en sluit de motor kabels aan op de overeenkomstige torens. Bij gebruik van meerdere torens kleurgecodeerde kabelbinders worden gebruikt om tussen de motorkabels en torens te onderscheiden.
  2. Met behulp van de NAN software-programma, begint het bevorderen van de U-Probe, ofwel zet een doel positie die automatisch de vooruitgang van de U-Probe op die locatie of door te klikken op 'Down' op de NAN software-interface. Vooraf de U-Probe, zodat minimaal 10 mm van de tip is door de geleidebuis voorbij het einde van de NAN kamer.
  3. Voor het steriliseren van de U-Probe, in MetriCide Activated dialdehyde oplossing voor 20-30 minuten voorafgaand aan het bevestigen van de NAN basis om de geïmplanteerde opname kamer. Daarna, spoel de U-Probe en NAN basis met steriel water.
  4. Zero de NAN-software locaties door het terugtrekken van de U-Probe, zodat de tip is net binnen de geleidebuis. In de NAN-software, klikt u op nul alle posities.
  5. Bevestig de NAN basis om de geïmplanteerde opname kamer en draai alle vier schroeven. Dan, lijn de basis op basis van een PIN-code die aan de kant van de opname kamer. Draai alle vier schroeven en zorg ervoor dat de NAN basis stevig is bevestigd aan de opname kamer.

3. Het bevorderen van de U-Probe voor opname

Gezien het feit dat de kracht en de dikte van de dura is zeer variabel tussen proefpersonen, hebben we een algemene procedure voor het bevorderen van de U-Proworden met behulp van de NAN Microdrive-systeem. Belangrijk is dat elke U-Probe wordt geleverd met een gedetailleerde analyse van de contacten elke impedantie en de algemene ranger voor de U-Probe. We gebruikten elektroden waarvan u de contactpersonen impedanties varieerde +0,3 tot +0,5 MΩ. Momenteel is er een impedantie tester beschikbaar voor aankoop van Plexon maar helaas, op het moment van onze opnames dit apparaat was niet beschikbaar. Als gevolg daarvan, hebben we niet in staat om een ​​gedetailleerde analyse van de impedantie te voeren.

  1. De U-Probe is zweeft (heeft een draad-jumper bevestigd aan de onderkant connectors). Headstages zijn bevestigd aan de U-Probe connector en de versterker kabels zijn aangesloten en geaard.
  2. De initiële vooruitgang van ongeveer 1-2 mm moet worden zowel snel en sterk. Stel de snelheid parameter in het bereik van 0,1 - 0,2 mm / sec en de diepte stap tot 0,2 - 0,3 mm. Deze waarden zorgen ervoor dat de U-Probe is in staat om het doorprikken van de dura schoon en is een belangrijke eerste stap in de opname.
  3. Eenmaal door de dura, verlaag de snelheid tot 0.050 -0,1 mm / sec en vermindering van de diepte stap tot 0,05 - 0,1 mm. Het doel is om de U-Probe vooraf zo soepel en langzaam mogelijk zodanig dat er geen weefsel beschadigd is. Een van de aanwijzingen dat de sonde heeft ingevoerd in de hersenen is een verandering in de amplitude van de LFP gepaard met een vermindering van het geluidsniveau (Text Overlay: lokale veld potentieel).
  4. Om te controleren of de elektrode is alle corticale lagen verspreid over, het meten van de verandering in de amplitude in reactie op de full-field witte flits stimulus. De veranderingen in de LFP amplitude in de tijd ten grondslag liggen aan de evoked response mogelijke analyse. Deze analyse vormt de basis voor het identificeren van corticale lagen.

4. Identificatie en verificatie van corticale lagen

We hebben een procedure voor het identificeren van corticale lagen met behulp van een opgewekte reacties potentieel (ERP) en de huidige paradigma-source dichtheid (CSD) analyse. We vertrouwden op de CSD, want het biedt een index van de locatie, richting, en de dichtheid van transmembraan stroom, waardoor we nauwkeurig te positioneren elektroden op te nemen van alle lagen in een enkel penetratie. Sterker nog, Charles Schroeder en zijn collega's eerder gecombineerd laminaire opname, microlesion, en histologische reconstructie om de effectiviteit van het ERP / CSD-methode in de functionele identificatie van corticale lagen in V1 9-12 te valideren. Andere methoden met behulp van de spontaan opgewekte trillingen zijn gebruikt om de corticale diepte, zoals corticale spindels en up / down staten 13-15 te identificeren.

Voor deze analyse maken we gebruik van de ICDO toolbox voor MATLAB, die de CSD berekent op basis van de 2e ruimtelijke afgeleide van de LFP tijdreeksen over de gelijke afstand van elkaar contacten van de U-Probe ( http://software.incf.org/ software / csdplotter / home ) 9,10,16,17.

  1. Het identificeren van de corticale lagen, het meten van de evoked response mogelijkheden tijdens een passieve fixatie taak, terwijl het blootstellen van het onderwerp naar een full-field zwart scherm dat witte flitsen voor 100 ms, en keert daarna terug naar zwart. Deze volgorde is een proef die is 200 keer herhaald.
  2. De Plexon Multichannel Overname Processor slaat de continue data signalen die direct naar de opname computer via een National Instruments PCI-kaart. Nadat de gegevens zijn opgeslagen, begint de verwerking van de signalen voor de huidige-source dichtheid analyse.
  3. Gebruik de software correctie FPAlign door Plexon aan de vertragingen in de LFP signalen geïnduceerd door de filters in de headstages en de pre-versterking boards te corrigeren.
  4. Op dit punt gegevens worden overgebracht naar MATLAB met Neuroexplorer. Elk LFP kanaal is gefilterd met behulp van standaard high en low pass filters met cutoff frequentie van 0,5 Hz en 100 Hz. Na elke elektrode contact is gefilterd, te identificeren elk experiment en het gemiddelde in de onderzoeken naar de gemiddelde LFP time-series te verkrijgen voor elke elektrode contact. Dan organiseren elke contactpersoon in een matrix met LFP amplitude als functie van de tijd.
  5. Voer de ICDO (Text Overlay: current-source dichtheid) in MATLAB toolbox door te typen CSDplotter in de werkruimte. Gezien het feit dat de sampling frequentie van de continue gegevens is 1 kHz, stelt u de dt parameter op 1 ms. Stel vervolgens de corticale geleidbaarheid waarde tot 0,4 W / m (dit benadert de huidige bron dichtheid in eenheden van nanoamperes per kubieke millimeter) en verander de elektrode positie als een vector van [0.1:0.1:1.6] om het aantal contacten weer te geven. Wanneer alle parameters zijn ingebracht klik op 'Run This'.
  6. Bekijk de CSD profiel in de CSDplotter-interface en plakken naar een nieuwe figuur. Gemeenschappelijke functies in MATLAB, zoals imagesc kan worden gebruikt om de laag profiel plot, en diverse smoothing algoritmen en normalisatie routines kunnen worden toegepast voor het representeren van de CSD-gegevens en het vergelijken van de laag over identificatie uuren sessies.
  7. Het identificeren van de polariteit inversie vergezeld van de sink-source configuratie aan de basis van layer 4, eerste, controleert de aanwezigheid van een primaire spoelbak in de granulaire laag met behulp van de laminaire CSD profiel. Zoek de gootsteen gereden negatieve polariteit in de CSD plot. Vervolgens berekenen de centrum-of-massa van de granulaire gootsteen.
  8. Een zwaartepunt wordt verkregen uit de analyse die bestaat uit het telefoonnummer en het tijdstip waarop de gootsteen was het grootst. Het contact met de gootsteen zwaartepunt dient als de granulaire laag verwezen bij 0 um. Analyseer alle contacten boven en onder de referentie-en groepeer ze in een van de drie mogelijke lagen: supragranular, korrelig, en infragranular.
  9. Valideren van de granulaire zinken door het schudden van de elektrode posities verlaten van het tijdelijke domein ongewijzigd. Na het schudden van de CSD-matrix, opnieuw berekenen het zwaartepunt analyse. Shuffling elektrode contacten als een functie van de corticale diepte moet vernietigen laminaire specificiteit.

5. Identificatie van individuele neuronen en ontvankelijk veldtoewijzing

We hebben veel succes gehad met het isoleren en het opnemen van meerdere afzonderlijke eenheden van de U-Probe. Op een typisch opname, kunnen we verwachten van 6-10 goed geïsoleerde eenheden en 14-16 lokale veld mogelijke signalen te hebben. Het vinden van afzonderlijke eenheden is ook meer betrouwbaar met de U-Probe in vergelijking met enkele elektroden. Zelfs als men alle nodige hardware te gebruiken om precies vooraf 16 electroden, zouden zij niet in staat zijn om het netwerk de bevolking als een functie van de corticale lagen ontdekken zo nauwkeurig als bij de U-Probe. Ten slotte hebben we normaal gesproken kan opnemen met hetzelfde U-Probe voor 30-40 penetraties.

  1. Als u wilt weten receptieve velden, beginnen met het presenteren van een omgekeerde correlatie stimulans op de monitor waar de receptieve velden mogelijk zijn gevestigd. De stimulans bestaat uit vier oriëntatie roosters op 0, 45, 90 en 135 graden.
  2. Voer cluster analyse van de vuursnelheid kaarten om de receptieve veld te vinden. Bereken eerst een maximale vuursnelheid locaties en hun zwaartepunt voor elke keer vertraging. Vervolgens berekent de afstand tussen het zwaartepunt en deze maximale vuursnelheid locaties. Bereken kaarten van afvuren tarieven op elke ruimtelijke locatie voor geleiding vertragingen tussen 40 - 120 ms op 5 ms intervallen voor elke neuron zelfstandig.
  3. Zoek de totale afstand tussen het zwaartepunt en de omliggende maximale vuursnelheid punten op all-time vertragingen. De receptieve veld is op het moment dat de vertraging die afstand een minimum beperkt.
  4. Zodra een receptieve veld is gevonden voor elke cel, een omgekeerde correlatie stimulus groter is dan alle receptieve veld locaties overlappende alle receptieve velden in de opgenomen populatie aanwezig is. Een real-time vuursnelheid perceel kan worden gebruikt om te bepalen of de juiste receptieve veld locaties zijn geïdentificeerd.
  5. Ten slotte verwijder enkele eenheden, die abrupt veranderen hun reacties en alleen eenheden te houden met stabiele vuren tarieven voor verdere analyse. Daarnaast selecteert u de opname sites met de beste signaal-ruisverhouding.

6. Vertegenwoordiger Resultaten: Opnames van afzonderlijke eenheden en LFP's tegenover corticale lagen van de primaire visuele cortex

Een van de belangrijkste stappen in de analyse met behulp van de laminaire elektroden is om betrouwbaar te identificeren corticale lagen en deze identificatie te controleren over vele uren en sessies. Zo hebben we de evoked response potentials (ERP) van LFP's over laminaire contacten gemeten in reactie op een full-field flitste stimulus (figuur 3a). Figuur 3b geeft een voorbeeld van het type informatie dat moet men verkrijgen om de huidige-source dichtheid (CSD) van de corticale lagen te identificeren berekenen. Vervolgens hebben we in dienst van de CSD analyse van de LFP tijdreeksen om de polariteit inversie vergezeld van de sink-source configuratie aan de basis van laag 4 te identificeren. Figuur 4a toont de CSD-analyse in het lokaliseren van corticale lagen over corticale diepte als een functie van de tijd - de positie van supragranular (SG), korrelig (G) en infragranular (IG) lagen bleef stabiel, zelfs vier uur na de opname sessie begon. Figuur 4b bevat CSD sporen die het gemiddelde van die contacten is toegewezen aan een bepaalde laag te vertegenwoordigen - in dit voorbeeld, de granulaire laag ondergaat een duidelijke afname van de CSD-amplitude bij ~ 50 ms. Deze analyse diende als een verwijzing naar de elektrode contacten toe te wijzen boven en onder de granulaire laag supragranular en infragranular lagen, respectievelijk (het contact met de grootste gootsteen centrum-van-de massa diende als de granulaire laag verwezen bij 0 um).

Een andere kritische analyse met behulp van de laminaire elektrode is om nauwkeurig te identificeren en lokaliseren van de neuronen 'receptieve veld. Deze procedure is van vitaal belang voor de positionering van de prikkel om de meest robuuste reactie van de neuronen te genereren. Figuur 5a is een voorbeeld van twee receptieve proefvelden van neuronen in de primaire visuele cortex (V1). De oorsprong van deze percelen is de fixatie punt, dat is een kleine witte cirkel centraal weergegeven op een zwart computerscherm. De kleur in deze percelen vertegenwoordigt de vuursnelheid van elk neuron in reactie op een dynamische omgekeerde correlatie stimulus. Wij gebruiken deze informatie om de stimulans voor een bepaald experiment (bijvoorbeeld een sinus-golf rooster) positie. Prikkels die worden gepresenteerd zijn groter dan de gemiddelde receptieve veld grootte in om receptieve veld locaties van alle gelijktijdig opgenomen neuronen omvatten.

Nadat we identificeren corticale lagen en de positie van de stimulus in de optimale receptieve veld met de locatie, kunnen we overgaan tot de experimentele protocol waarin presenteren wij verschillende visuele stimuli, terwijl het dier uitvoert ofwel fixatie of discriminatie taken. Na het experiment, voeren we onze spike-golfvorm analyse van de single-eenheden waren we in staat op hetzelfde kanaal opnemen isoleren. Deze procedure duurt vaak enige tijd te beheersen en wordt voortdurend verbeterd als nieuwe analyse-software en technieken ter beschikking worden gesteld. Figuur 5b is een voorbeeld van het type uitvoer men zou verwachten na het gebruik van offline Sorter Plexon's. Met behulp van deze software, eenheid isolatie wordt uitgevoerd door middel van visuele inspectie. Verschillende clusters zijn geïdentificeerd op basis van het gewicht van de eerste en de tweede belangrijkste componenten, spike breedte, dal en piek eigenschappen.

Figuur 1
Figuur 1. Multi-contact laminaire elektroden Met behulp van multi-contact laminaire elektroden, noteerden we tegelijkertijd stekelige activiteit van individuele neuronen geïsoleerd en LFP eenheden over corticale lagen van V1. Elk U-Probe bestaat uit 16 gelijke afstand van elkaar (100 micrometer) elektrode contacten verspreid over een totale lengte van 1,6 mm. Elke elektrode contact is 25 micrometer in diameter en bestaat uit platina iridium.

Figuur 2
Figuur 2. NAN roosterconstructie Het NAN microdrive systeem zorgt voor extra stabiliteit en precisie over de klassieke schroef-driven Microdrive. Elke groep van de elektroden wordt onafhankelijk gemanipuleerd in het XY vliegtuigen, binnen een door de gebruiker gedefinieerde werkgebied. Elke groep van de elektroden wordt onafhankelijk gemanipuleerd in de Z-richting binnen een door de gebruiker gedefinieerde werkdiepte (tot 100 mm) en variabele snelheid variëren van 0,001 mm / sec tot 0,5 mm / sec en een hoge resolutie van een micrometer (een) 4. - channel basis, (b) de NAN kamer, (c) het rooster met 1 mm afstand, (d) 1-4 schroef Microdrive, (e) 1-4 geleidebuizen (500 micrometer diameter en teruggebracht tot ongeveer 5-7 cm) , (f) 1-4 Microdrive torens en (g) de voltooide NAN systeem en de cilinder basis.

Figuur 3
Figuur 3. Evoked response mogelijke paradigma en LFP tijdreeksen (a) corticale lagen te identificeren, meten we de evoked response potentieel (ERP) tijdens een passieve fixatie taak terwijl de apen werden blootgesteld aan een full-field zwart scherm dat wit (~ 1Hz) geflitst voor 100 ms, en keerde daarna terug naar zwart. (b) De LFP reacties opgenomen met de laminaire U-Probe werden verwerkt tot ERP-sporen te verkrijgen voor elk contact. De korrelige laag werd bepaald in alle sessies door het plaatsen van een gootsteen-gedreven inversie in de amplitude van de respons in de ERP-sporen, en door de aanwezigheid van de polariteit inversie vergezeld van de sink-source configuratie aan de basis van laag 4. De gestippelde box geeft de timing van de periode waarin de inversie plaatsgevonden.

Figuur 4
Figuur 4. Identificatie met behulp van de huidige laag-source dichtheid analyse (a) Huidige-source dichtheid analyse (gebaseerd op de 2 e ruimtelijke afgeleide van de LFP tijd-serie) werd gebruikt om de polariteit inversie vergezeld van de sink-source configuratie aan de basis van de identiteit granulaire laag. Wij hebben hoe stabiel de identificatie van de corticale lagen de tijd gehandhaafd blijft (van links naar rechts). In deze voorbeelden, de current sink (blauw) staat voor de granulaire laag en overspant ~ 400 micrometer. (B) De CSD sporen onder elk perceel vertegenwoordigen het gemiddelde CSD van die contacten is toegewezen aan een bepaalde laag. Dit liet ons toe om de precieze timing van de eerste spoelbak (in deze voorbeelden ~ 50-60 ms. CSD trace enveloppen vertegenwoordigen standaarddeviatie en de zwarte balken geven de duur van het flitste stimulus (100 ms). Te bepalen

Figuur 5
Figuur 5. Spike sorteren en receptieve veld in kaart brengen van (a) Ten eerste, is half een visuele graad berekend en verdubbeld. Vervolgens worden omgekeerde correlatie stimuli gepresenteerd in vlekken op een CRT-monitor consisting van georiënteerde roosters op 0, 45, 90 en 135 graden. Firing tarieven voor elk neuron zijn onafhankelijk van elkaar berekend op basis van 5 ms intervallen tussen de 40 en 120 ms na de stimuli worden voor elk ruimtelijke locatie. De maximale vuren tarieven worden berekend en vervolgens het zwaartepunt voor elke keer vertraging. Dan, op elke vertraging van de afstand tussen het zwaartepunt en de aangrenzende vuursnelheid locaties wordt berekend. De vertraging met de minimale afstand is gekozen als de receptieve veld. (B) Spike golfvorm eigenschappen zoals piekhoogte, vallei diepte, piek tot dal tijd, de tijd van de piek of dal, enz. worden geanalyseerd met behulp van een off-line sorteren software-programma ( Plexon). Spikes zijn gesorteerd op basis van vergelijkbare woningen tot golfvormen van een neuron zijn geclusterd zonder overlap van een ander.

Figuur 6
Figuur 6. Geschud CSD profiel. Dezelfde conventie als in figuur 3a, maar we voerden een schuifelende procedure die willekeurig een nieuwe CSD matrix stelt met de gemengde contact locaties. Deze analyse wordt gebruikt om beter te valideren van de granulaire zinken door het schudden van de elektrode posities verlaten van het tijdelijke domein ongewijzigd. Uit deze voorbeelden wordt weergegeven in de tijd, het schudden van de elektrode contacten als een functie van de corticale diepte vernietigt een laminaire specificiteit.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Multi-unit opnames hebben een standaard geworden voor het analyseren van hoe de neurale netwerken in de cortex stimulus informatie te coderen. Gezien de recente ontwikkelingen in de elektrode-technologie, de uitvoering van de laminaire elektroden maakt een ongekende karakterisering van de lokale corticale circuits. Hoewel de multi-elektrode opnames bieden nuttige informatie over de neurale populatiedynamiek, meerdere laminaire elektroden kunnen hogere resolutie en meer informatie over de specifieke locatie van neuronen. Omdat de cortex is georganiseerd in lagen met anatomisch verschillende ingangen en uitgangen, roept dit de vraag hoe zintuiglijke informatie wordt verwerkt in disparately deze lagen.

We hebben presenteerde een nieuwe opnamemethode gebruik te maken van multi-contact laminaire elektroden op het lokale netwerk activiteiten vast te leggen als een functie van de corticale laag in de primaire visuele cortex (V1). Belangrijk is, hebben we ook geïmplementeerd een methode voor het analyseren van de lokale veld potentieel tijdens een opgewekte reacties paradigma op corticale lagen te identificeren. We hebben ook gedetailleerde resultaten van receptieve veld in kaart brengen van procedures en de spike-golfvorm analyse.

Wij erkennen dat de laminaire elektroden niet zijn zonder beperkingen, met name de stabiliteit van de opname. Wij adviseren de gebruikers van deze techniek om geduldig vooraf de elektrode en een voldoende hoeveelheid tijd voor de hersenen tot rust na vooruitgang (we meestal 45 minuten opnemen op een uur na de laatste vooraf) mogelijk te maken. Gedurende deze tijd zullen we lopen tal van eye-kalibratie, ontvankelijk in kaart brengen, en evoked response-potentieel paradigma's.

We waren in staat om onze opnamen met behulp van een gids buis, die is aan de basis van de NAN vastgezet met een schroef Microdrive te verbeteren. We hebben ook wijzigde de standaard U-Probe ontwerp van het verminderen van de tip hoek van 30 tot 25 graden. Als gevolg hiervan, de U-Probe was scherper waardoor een soepeler penetratie door de dura. Het is mogelijk met een botter elektrode tip beschadiging van het weefsel en bloeden kunnen optreden. Bloeden kan betrekking hebben op de elektrode contacten en te voorkomen dat schoon unit isolatie. We hebben dit getest met zowel theorie-opname 30 en 25 graden tip hoeken en zijn in staat om meer eenheden te lossen via penetraties en zelfs verlengen de levensduur van de U-Probe.

Zoals hierboven vermeld we meestal meer vooraf aan het begin en snel te vertragen als we eenmaal doorheen de dura. Wij geloven dat deze procedure in combinatie met het scherpere hoek tip heeft ons geleid als een paar laboratoria in staat om een ​​eenheid activiteit met behulp van de U-Probe op te lossen. Onze eenheid activiteit en de stabiliteit van de opname is direct gerelateerd aan de lengte van de tijd die we toestaan ​​dat de hersenen tot rust na de U-Probe vooruitgang.

Deze technologie zal alleen blijven bloeien als meer laboratoria zal gebruik maken van deze technieken. Op dit moment, het ontwerp en de implementatie van chronisch implanteerbare arrays is in volle gang en zal waarschijnlijk vervangen door multi-elektrode grids. Daarnaast worden arrays met elektroden met meerdere contactpersonen langs hun assen (vooral met meerdere U-Probes) wordt ontwikkeld in parallel.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Geen belangenconflicten verklaard.

Acknowledgments

Wij danken Gij Wang voor discussies en Sorin Pojoga voor gedragsverandering training. Ondersteund door de NIH EUREKA-programma, het National Eye Institute, het Pew Scholars Program, de James S. McDonnell Foundation (VD), en een NIH Vision Training Grant (BJH).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Nan microdrive system NAN Instruments NAN-S4 Figure 2. Custom clamps are needed to use the U-Probe. Everything mentioned with exception of the U-Probe is provided by NAN instruments.
Screw microdrives MIT Machine shop Anything that is able to secure a guide tube to the NAN grid should be appropriate.
Stainless Steel Guide Tubes Small Parts, Inc. B00137QHNS (1) or B00137QHO2 (5) These are 60 in long and cut to size in the laboratory using a Dremel hand drill
Plexon U-Probe Plexon PLX-UP-16-25ED-100-SE-360-25T-500 See U-Probe specifications available at www.plexon.com Also see Figure 1.
Table 1. Hardware.
NAN software NAN Instruments Computer interface requires an additional serial port to accommodate the Plexon system and the NAN hardware
Offline Sorter, FPAlign, PlexUtil, MATLAB programs Plexon Under ’Installation Packages’
Neur–xplorer NeuroExplorer Under ’Resources’
CSDplotter Version 0.1.1 Klas H. Petterson
Table 2. Software.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Hubel, D. H., Wiesel, T. N. Receptive fields and functional architecture of monkey striate cortex. J Physiol. 195, 215-243 (1968).
  2. Mountcastle, V. B. Modality and topographic properties of single neurons of cat's somatic sensory cortex. J Neurophysiol. 20, 408-434 (1957).
  3. Nassi, J. J., Callaway, E. M. Parallel processing strategies of the primate visual system. Nat Rev Neurosci. 10, 360-372 (2009).
  4. Ringach, D. L., Hawken, M. J., Shapley, R. Dynamics of orientation tuning in macaque primary visual cortex. Nature. 387, 281-284 (1997).
  5. Martinez, L. M. Receptive field structure varies with layer in the primary visual cortex. Nat Neurosci. 8, 372-379 (2005).
  6. Lakatos, P., Karmos, G., Mehta, A. D., Ulbert, I., Schroeder, C. E. Entrainment of neuronal oscillations as a mechanism of attentional selection. Science. 320, 110-113 (2008).
  7. Sun, W., Dan, Y. Layer-specific network oscillation and spatiotemporal receptive field in the visual cortex. Proc Natl Acad Sci U S A. 106, 17986-17991 (2009).
  8. Maier, A., Adams, G. K., Aura, C., Leopold, D. A. Distinct superficial and deep laminar domains of activity in the visual cortex during rest and stimulation. Frontiers in Systems Neuroscience. 4, 12-12 (2010).
  9. Mitzdorf, U. Current source-density method and application in cat cerebral cortex: investigation of evoked potentials and EEG phenomena. Physiol Rev. 65, 37-100 (1985).
  10. Mitzdorf, U., Singer, W. Excitatory synaptic ensemble properties in the visual cortex of the macaque monkey: a current source density analysis of electrically evoked potentials. J Comp Neurol. 187, 71-83 (1979).
  11. Schroeder, C. E., Mehta, A. D., Givre, S. J. A spatiotemporal profile of visual system activation revealed by current source density analysis in the awake macaque. Cereb Cortex. 8, 575-592 (1998).
  12. Schroeder, C. E., Tenke, C. E., Givre, S. J., Arezzo, J. C., Vaughan, H. G. Striate cortical contribution to the surface-recorded pattern-reversal VEP in the alert monkey. Vision Res. 31, 1143-1157 (1991).
  13. Amzica, F., Steriade, M. Cellular substrates and laminar profile of sleep K-complex. Neuroscience. 82, 671-686 (1998).
  14. Kandel, A., Buzsaki, G. Cellular-synaptic generation of sleep spindles, spike-and-wave discharges, and evoked thalamocortical responses in the neocortex of the rat. J Neurosci. 17, 6783-6797 (1997).
  15. Sakata, S., Harris, K. D. Laminar structure of spontaneous and sensory-evoked population activity in auditory cortex. Neuron. 64, 404-418 (2009).
  16. Nicholson, C., Freeman, J. A. Theory of current source-density analysis and determination of conductivity tensor for anuran cerebellum. J Neurophysiol. 38, 356-368 (1975).
  17. Pettersen, K. H., Devor, A., Ulbert, I., Dale, A. M., Einevoll, G. T. Current-source density estimation based on inversion of electrostatic forward solution: effects of finite extent of neuronal activity and conductivity discontinuities. J Neurosci Methods. 154, 116-133 (2006).
  18. Vaknin, G., DiScenna, P. G., Teyler, T. J. A method for calculating current source density (CSD) analysis without resorting to recording sites outside the sampling volume. J Neurosci Methods. 24, 131-135 (1988).
Het onderzoeken van Lokaal netwerk met behulp van Multi-Processing contact opnemen Laminar Electrode
Play Video
PDF DOI

Cite this Article

Hansen, B. J., Eagleman, S., Dragoi, V. Examining Local Network Processing using Multi-contact Laminar Electrode Recording. J. Vis. Exp. (55), e2806, doi:10.3791/2806 (2011).More

Hansen, B. J., Eagleman, S., Dragoi, V. Examining Local Network Processing using Multi-contact Laminar Electrode Recording. J. Vis. Exp. (55), e2806, doi:10.3791/2806 (2011).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter