Summary
Этот протокол описывает простой метод для параллельной записи совместно локализованных электроэнцефалографии (ЭЭГ) и multi ламинарные местах потенциал наркотизированных крыс. Берр отверстие в черепе для вставки микроэлектродные показано производить незначительное искажение сигнала ЭЭГ.
Abstract
Хотя электроэнцефалографии (ЭЭГ) широко используется как неинвазивный метод для записи нервной деятельности мозга, наше понимание нейрогенез ЭЭГ по-прежнему является весьма ограниченным. Местных потенциалов поля (LFPs) записаны с помощью мульти ламинарные микроэлектродные может обеспечить более подробный отчет об одновременных нейронной активности в различных корковых слоев коры головного мозга, но техника инвазивными. Сочетание измерения ЭЭГ и LFP в доклинических модель может значительно лучшего понимания нейронных механизмов, участвующих в поколение ЭЭГ сигналы и облегчить вывод более реалистичным и биологически точная математическая модель ЭЭГ. Здесь представлена простая процедура приобретения одновременно и совместно локализованных ЭЭГ и multi ламинарные LFP сигналов на наркотизированных грызунов. Мы также исследовали ли ЭЭГ сигналы были существенно затронуты Берр отверстие в черепе для вставки микроэлектродные. Наши результаты показывают, что Берр отверстие имеет незначительное влияние на записи ЭЭГ.
Introduction
Общепризнано, что LFPs записаны с помощью микроэлектродов главным образом отражать взвешенной суммы синхронизированных возбуждающих и тормозящий синаптических деятельности местных пирамидальной нейронных популяций1,2,3 , 4. Наши недавние исследования продемонстрировали, что профиль LFP сигнала могут быть разделены на компоненты для возбуждения и торможения5,6. Однако как LFP обычно измеряется через инвазивной процедурой, он не подходит для большинства исследований человеческого мозга.
С другой стороны ЭЭГ является Неинвазивная техника для измерения электрической активности мозга. Он широко используется как диагностический инструмент для определенных типов неврологических заболеваний, таких как эпилепсия и как средство исследования человека когнитивных исследований. Несмотря на свою популярность одним из основных ограничений ЭЭГ является неспособность интерпретировать его временные профили именно с точки зрения базовой нервные сигналы7,-8,-9.
Все чаще для улучшения понимания мозга функции10,11,12,13,,1415разработаны математические модели ЭЭГ. Большинство существующих моделей ЭЭГ разработана на основе установки частоты домена характеристики модели предсказывал вывода данных спектра ЭЭГ во время спонтанной активности, и очень немногие ЭЭГ модели можно создавать реалистичные сенсорные вызванных потенциалов. В этом контексте параллельной записи ЭЭГ и LFP будет предоставлять важную информацию и ограничения для разработки более точных математических моделей ЭЭГ.
Для удовлетворения этой потребности для одновременных записей для дальнейшего изучения нейронных происхождения ЭЭГ, мы разработали методологию для одновременной записи ЭЭГ и multi ламинарные LFP сигналов в Неокортекс наркотизированных крыс. Установка похожа на предыдущий одновременных ЭЭГ/LFP исследования, проведенные в приматов16,17. Мы также исследовали эффект Берр отверстие, просверленное в череп на записи ЭЭГ вокруг отверстия, сравнивая двусторонних записи ЭЭГ (то есть, одно полушарие с отверстием Берр, другого полушария нетронутыми) в отсутствие чувств стимуляция. Наши результаты показывают, что параллельные записи ЭЭГ/LFP может проводиться просто и эффективно, с немного искажения сигнала ЭЭГ от заусенцев отверстие в черепе.
Protocol
Все эксперименты были проведены в соответствии с положениями внутренних дел Великобритании (Закон о животных (научные процедуры), 1986) и утверждены Комитетом по этике исследований на университет Рединг, Великобритания.
1. животных подготовка
Примечание: Женская с капюшоном Листер крыс были использованы для всех экспериментов. Это процедура-выживание.
- Запишите вес крысы в лаборатории масштабе.
- Анестезировать крыса в камере с изофлюрановая 5% и скорость потока кислорода 1 Л/мин.
- Место крысы на стереотаксического держатель с бумажным полотенцем под его тела и его зубы, отдыхая через укус бар... Бумажное полотенце облегчит включение площадку тепла (см. шаг 2.3) и поймать любой экскрементов от крыс во время эксперимента.
- Администрирование изофлюрановая непрерывно через жесткого пластика носовой конус, смонтированы на нос зажим для крыс адаптер в концентрации 3% с расходом кислорода 0,5 Л/мин Connect конуса в систему небольших животных изофлюрановая анестезии.
2. хирургическая процедура
- Вставьте термостатический грелку под бумажное полотенце, на котором покоится крыса, безопасный крыса голову с двумя барами уха и следить за температурой тела, с помощью ректального термометра.
- Бритья в верхней части головы крысы.
- Применить глазной мази в глаза для предотвращения высыхания роговицы.
- Прежде чем подвергать черепной коробки, применить капли лидокаина на кожу головы и Массаж мягко в кожу.
- Сделайте срединной линии разреза около 2-3 см на волосистой части головы с помощью скальпеля подвергать поверхности черепа.
- Осторожно отделить височной мышцы contra боковое нитевидные площадку стимулировать от черепа с помощью Джакетт скалер и пара зубчатые и изогнутые рассечения щипцами. Очистите черепа с ватные тампоны при необходимости.
- С помощью плетеный шелк, не рассасывающиеся шовные, связать отдельные мышцы головы с тугой узел, а затем связать шовный материал надежно до Стереотаксическая рама18.
- Используйте стереотаксического координаты для поиска коры ствола, 2,5 мм каудально к bregma и 6 мм боковые средней линии19. Нарисуйте точка на месте соматосенсорной коры, используя карандаш или маркер.
-
Просверлите отверстие заусенцев на заметное место, с помощью зубной дрелью. Чтобы предотвратить черепа от перегрева во время бурения, примените стерильного физиологического раствора (натрия хлорид 0,9%) в рабочей области каждые 10-15 s. Процесс бурения включает в себя следующие 3 шага:
- Просверлите отверстие диаметром 2 мм < черепа, используя сверло #4 (0,055 в диаметре). Будьте осторожны, не просверлить Дура.
- Тонкие в нижней части отверстие полупрозрачность, используя сверло #1/4 (0,019 в диаметре).
- Используйте иглу 27 G проколоть Дура разрешить вставки микроэлектродные.
- Передача крыса, обеспеченные стереотаксической рамы, в клетку Фарадея, установлен на вершине станции изоляции вибрации.
- Прикрепить зажим датчика оксиметр, соединен с блоком управления оксиметр на задние лапы крыс непрерывно контролировать следующие физиологические параметры: сердечного ритма, дыхание ставки, насыщения артериальной крови кислородом, вздутия пульс и дыхание вздутия. Эти параметры были постоянно отображаются на мониторе ПК, отражающие физиологическое состояние и наркозные глубина крысы.
- Заменить жесткий пластик носовой конус для изофлюрановая администрации и нос зажим для крыс адаптер с передышку microflex оснащен прозрачной мягкой носовой конус, который изменен (рис. 1A) позволяют легко нитевидные стимуляции в одну сторону столбик площадку без ущерба для администрации изофлюрановая.
- Вставьте два стимулирующих электродов из нержавеющей стали на площадку нитевидные, предоставляемые выреза на носовой конус.
- Подключите стимулирующих электродов для изолированных текущий стимулятор.
- Снять кожу по средней линии шеи с щипцами и сделать 1 ~ 2 см разрез с ножницами, готов для размещения ссылок электродов. Заботиться, чтобы не отрезать мышечной ткани.
3. Совместное локализованных ЭЭГ/LFP установки
- Очистить и высушить черепа вокруг Берр отверстие с помощью ватного тампона.
- Осторожно поместите проводящих ЭЭГ пасты на одной плоской стороне электрода ЭЭГ паука. Оставьте небольшое отверстие ясно ЭЭГ пасты на электроде паук чтобы позволить multi ламинарные микроэлектродные пройти через отверстие без обращения к пасты и паук электрода. Это предотвращает электрического контакта между электрода ЭЭГ и микроэлектродные.
- Совместите паук электрода в заусенцев отверстие в черепе, с пастой ЭЭГ, стоящих перед черепа.
- Аккуратно нажмите паук электрода на череп, фирма контакт с черепа через ЭЭГ пасты. Удалите любой пасты, заслоняя Берр отверстие с помощью иглу на шприц.
- Удалите чрезмерного ЭЭГ вставить за пределами периферии паук электрода, так что контакт между электродом паука и черепа пространственно ограничивается размер электрода (рис. 1B).
Рисунок 1: общие установки для параллельной записи ЭЭГ/LFP. (A) Установка состоит из модифицированных носовой конус для удобства нитевидные стимуляции площадку под изофлюрановая наркозом, два стимулирующих электродов, вставляется в столбик pad, паук электрод располагается на череп выше коры contra боковой ствол для стимулирующих электродов, многоканальный микроэлектродные вставляется в коре ствола через электрод паука и справочник электродов размещены внутри разрез на задней части шеи крыса. (B) вид через микроскоп паук электрода, надежно закреплена на черепе пастой ЭЭГ. Микроэлектродные вставляется в заусенцев отверстие, просверленное в череп под электродом паука. Скальп сдерживается хирургическая нить (шва), привязаны к Стереотаксическая рама. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
- Мазок ЭЭГ пасты на электрод сравнения для ЭЭГ и поместите его надежно разрез на задней части шеи крыса.
- Подключите ЭЭГ электродов к предусилитель через пассивный сплиттер для низкоимпедансных сигналов (рис. 2). Убедитесь, что импеданс электродов паук ниже 5 kΩ. Если это не так, проверьте что паста ЭЭГ в хорошем контакте с черепом и электрод является прочно нажата вставить ЭЭГ. При необходимости добавьте дополнительные ЭЭГ пасты.
- Смонтируйте микроманипулятор руку на Стереотаксическая рама. Подключение к 16-канальный острых headstage, надежно закреплен на руку микроманипулятор линейной микроэлектродные 16-канальный (100 мкм интервалов, площадь каждого сайта 177 мкм2).
- Мазок ЭЭГ вставить на ссылку электродов ЭЭГ и микроэлектродные, а затем надежно поместить их внутрь разреза (рис. 1A).
- Отрегулируйте угол микроманипулятор руку, так что микроэлектродные перпендикулярно поверхности коры головного мозга. Этот угол обычно равен между 25-35 °.
- Нижняя микроэлектродные под микроскопом, поворачивая ручки микроманипулятор, таким образом, чтобы кончик микроэлектродные направлена на крошечные отверстие в нижней части отверстие Берр, до тех пор, пока верхний электрод просто проникает поверхности коры. Необходимо избегать принудительного микроэлектродные на поверхность dura, поскольку это нарушит электрода.
- Пара микроэлектродные 16-канальный предусилитель для подключен к блоку сбора данных через волоконно-оптического кабеля (рис. 2).
- Включите предусилитель, блок сбора данных и компьютер, подключенный к блоку. Включите поле стимулятор.
- Вставьте микроэлектродные обычно на поверхности коры, медленно поворачивая ручку оси z микроманипулятор на глубине 1500 мкм20.
- Микро регулировка глубины, применяя поезд стимул к pad нитевидные и наблюдения за 16-канальный вызвала LFP на мониторе ПК, используя программное обеспечение блока приобретение данных, установленного на ПК. Осторожно поверните ручку по оси z на микроманипулятор до высокой амплитуды вызвала LFP происходит вокруг канала 7 (поскольку это совпадает с слоя IV в коре головного мозга).
Примечание: ЭЭГ ИПСИ боковой электрод установки: для некоторых экспериментов, Второй электрод паук был помещен на ИПСИ боковой стороне нетронутыми черепа выше ствол мозга. Эта установка позволила двусторонних ЭЭГ, записи в состоянии покоя, исследовать эффект Берр отверстие на ЭЭГ сигнала.
Примечание: Хирургическая процедура, чтобы настроить электрода ЭЭГ идентичен описанному выше, за исключением, что во время шага 2.6, височной мышцы на каждой стороне головы был тщательно отделен от черепа, зашивается обратно и надежно привязан к соответствующей стороне Стереотаксическая рама.
Примечание: Параллельные установки ЭЭГ/LFP также идентичен описанному выше, с дополнительным шагом что Второй электрод паук загружен с пастой ЭЭГ, то твердо прижата к черепа выше ИПСИ боковой ствол мозга.
Рисунок 2. Схема сигнала. Крыса помещается внутри клетки Фарадея. Стимулирующих электродов получают команды из окна стимулятор, контролируемых группой сбора данных через ее программного обеспечения, установленного на ПК. Нейронные сигнал записан микроэлектродные передается предварительный усилитель внутри клетки Фарадея. Нейронные сигнал, записанная зондом ЭЭГ передается для предварительного усилителя через сплиттер. Предварительный усилитель подключен к блоку сбора данных за пределами клетки Фарадея через волоконно-оптического кабеля. Нейронные данные затем сохраняются на локальном диске на компьютере, в то время как они могут также отображаться на мониторе ПК. Система мобильных мелких животных изофлюрановая руководит изофлюрановая из вне клетки Фарадея. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
4. Электрическая стимуляция и нейронные записей
Примечание: Частота дискретизации для всех нейронных данных является 24.41 кГц с разрешением 16-бит. Суд состоит из одной электрической стимуляции в начале судебного разбирательства. Каждый суда длится 10 s, который также является интервал между стимулом (МСИ). Каждый стимул это квадратная текущий пульс 1.2 мА прочного 0,3 г-жа для двусторонних экспериментов для изучения эффекта отверстие Берр, непрерывного отдыха состояние 250 s, также записывается.
- Откройте запись программное обеспечение на компьютере в использовании.
- Загрузите правильные схемы для эксперимента, выбрав из раскрывающегося меню «OpenProject» «Загрузить проект...». (Рис. 3) появится новое окно («WorkBench»).
Рисунок 3. Отображение графического программного обеспечения для исполнимых приобретение данных Это позволяет соответствующие схемы, чтобы быть загружены, стимуляции параметров необходимо установить и Записанная и визуализировать данные. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
-
Создайте новый каталог (так называемый «Танк» программное обеспечение) для хранения нейронных записей.
- Нажмите «Файл» в верхней части окна и выберите «Данных задачи управления». Появится новое окно («управления танк»).
- В окне «Управление танк» нажмите правую кнопку мыши для отображения меню. Выберите «Создать новый танк». Появится еще одно новое окно («создания данных танк»).
- В окне «Создать танк данных» выберите путь, где вы планируете создать новый каталог данных и введите имя нового каталога. Затем нажмите «OK». Это окно исчезнет.
- Новый каталог появится в окне «Управление танк», но в серый цвет. Зарегистрировать этот каталог, щелкнув правой кнопкой на нем и выберите «Зарегистрироваться танк» из выпадающего меню. Красная звезда и зеленой стрелкой появится слева от имени нового каталога, который в настоящее время в черном (рис. 4).
- Отменить любые предыдущие каталоги не в пользе, щелкнув правой кнопкой мыши в окне «Управление танк» и выбрав «Обновить список танк» в выпадающем меню.
- Нажмите кнопку «OK» для выхода из окна «Управление танк».
Рисунок 4: отображение программного обеспечения графического интерфейса показаны Каталог зарегистрированных данных. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
-
Зарегистрируйте новый каталог «Области» для отображения нервные сигналы во время эксперимента.
- Щелкните на значке «Области» в окне «OpenProject». Появится новое окно («сфера»).
- Правой кнопкой мыши в окне «Область» и выберите «Обновить список танк» в выпадающем меню. Новый каталог имя будет отображаться в сером цвете.
- Нажмите на новый каталог. Красная звезда и зеленой стрелкой появится слева от имени нового каталога, который в настоящее время в черном.
- Настройка экспериментальной параметров для сбора данных в окне «WorkBench», нажав на «Setup» в верхней части окна. Появится новое окно. Выберите «Развертки петля», установить продолжительность судебного разбирательства и количество испытаний регистрируются.
- Убедитесь, что поле стимулятор включен.
- Нажмите кнопку «Запись» в окне «WorkBench». Появится новое окно. Введите имя файла данных, вы хотите сохранить для экспериментальной запустить, но не ударил кнопку возврата на данном этапе, как параметры записи ЭЭГ нужно настроить.
-
Настройка параметров записи ЭЭГ, используя графический интерфейс пользователя (GUI) на предварительный усилитель. Сенсорный экран (везде), предусилитель просыпаться на экране. Выберите «Разблокировать», чтобы разблокировать экран (Рисунок 5).
- Нажмите на иконку слева в 2: ЭЭГ ' группа. Появится новый дисплей.
- Нажмите «Соединения» и выберите «AC».
- Нажмите «Ref Mode» и выберите «Local».
- Нажмите «Samp скорость» и выберите ' 25 кГц '.
- Нажмите «OK», чтобы вернуться к оригинальной дисплей.
Рисунок 5: GUI на предварительный усилитель. Это позволяет ЭЭГ записи параметров (например, частота дискретизации и ссылки на предпочтения) для установки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
- Проверить сопротивление кислородных ЭЭГ, нажав значок среднем в 2: ЭЭГ ' группа. Если слишком высокая, добавьте больше ЭЭГ вставить зонд. Нажмите «OK», чтобы вернуться к оригинальной дисплей.
- Подождите 20 s, чтобы избежать записи первоначальные колебания записи ЭЭГ.
- Вернуться к PC монитор (после 20 s ожидания) и нажмите клавишу «Return» на клавиатуре. ЭЭГ и LFP сигналы будут записаны.
5. анализ данных
-
Предварительная обработка вызвала LFP и ЭЭГ сигналы на основе судебного разбирательства, разбирательства, используя следующие шаги.
- Сдвиг обратно нейронных данных во времени на 20 образцов (эквивалент до 0,82 МС). Это задержка, производимые цепи используется для сбора нейронных данных в TDT, сам. Перемещая данные, время ноль точка выравнивается до начала стимула.
- Удалить артефакт стимул, заменив нейронных данные от 0 до 1 мс с прямой линией, соединяющей данные указывают на 0 мс с точкой данных в 1 мс.
- Ноль означает каждого судебного разбирательства путем вычитания среднее значение нейронных сигнала 200 мс до начала стимула.
- НЧ-фильтр данных ниже 800 Гц, с использованием 4го порядка Butterworth IIR фильтр типа в обоих направлениях во избежание введения любой временной сдвиг в данных.
- Выравнивание данных multi ламинарные различных животных. Для каждого животного LFP данных, применить обратную плотность тока источника (сплайн МКУР, источник радиусом R = 0,5 мм) анализ21 с фильтр Гаусса (λ = 50 мкм) чтобы найти слой IV раковина1, который является крупнейшим негативные пик, происходящих на корковых Глубина ниже сетчаточных поверхности в течение первых 15 мс наступления стимул. КУР и соответствующие LFP, данные затем выравниваются по их расположению приемника через животных. Общие раковина находится в слое IV, ~ 600 мкм ниже сетчаточных поверхности.
- После выравнивания используйте каналы 2, 7 и 12 Перегруппированные LFP как представители нейронных реакций supragranular, гранулированный и infragranular слои, соответственно в коре ствола.
- Вычислить среднее вызывали LFP и ЭЭГ путем усреднения предварительно обработанных данных над 100 испытания.
- Чтобы исследовать эффект Берр отверстие на ЭЭГ, вниз образец ЭЭГ сигналы до 1000 Гц и вычисления спектральной плотности мощности (PSD) для Контры сбоку (с отверстием в голове) и ИПСИ боковой (нетронутыми черепа) паук электрода записи в течение 250 s в состоянии покоя. PSD вычисляется от 0.1-100 Гц в Matlab, используя функцию «pmtm», которая основана на multitaper метод22.
- Разделите следующих хорошо известных частот частотный диапазон: Дельта (δ): 0.1-4 Гц, (тета): 4-8 Гц, альфа (α): 8-13 Гц, бета (β): 13-31 Гц, гамма (γ): 31-100 Гц. вычислить среднее PSD в пределах каждой группы.
- В рамках каждой частот вычисления нормализованных разница в PSD, P,ошибаться, contra - и ИПСИ боковое ЭЭГ, используя уравнение:
где Pc и P,я в среднем PSD из contra - и ИПСИ боковые ЭЭГ, соответственно, в полосе частот интерес. - В рамках каждой частот выполните один образец t тест для проверки гипотезы, что нет никакого существенного различия (на уровне 0,05 значимости) между PSD сигнала ЭЭГ, записанные в двух полушариях.
Representative Results
Данные из 4 крыс были среднем получить среднее время серии, где это применимо. Также известен как амплитуда вызвал ответ ЭЭГ, события, связанных с потенциалом (ERP), обычно намного меньше, чем у LFP. Рисунок 6 показывает средний ERP и LFP в supragranular, гранулированный и infragranular слои коры ствола, соответственно. Ошибка группы в каждом сюжете является соответствующий стандартной ошибки. Можно увидеть, что приблизительно в 10 раз меньше, чем вызвала LFP ERP.
Рисунок 6: означает (n = 4) нервные сигналы ERP, supragranular, гранулированный, и infragranular LFP. Тень указывает стандартную ошибку. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Сравнения временной динамики ERP и LFP показаны на рисунке 7. Прямые суперпозицию ERP и supragranular LFP в 7а Рисунок показан порядок амплитуды различия между этими двумя типами нервные сигналы. Для сравнения временной динамики, ERP и LFP нормализуются относительно их негативные пиковой амплитудой. Рисунок 7B и 7 C показывают, что нормализованных ERP накладывается с нормализованной supragranular LFP и нормализованных гранулированных LFP, соответственно.
Из Рисунок 7B можно увидеть, что пики P1 и N1 для ERP более задержки, чем соответствующие вершины LFP в supragranular слое. Однако, похожи Временные профили этих двух нервные сигналы, с P1 предшествующих N1. С другой стороны, временной профиль ERP заметно отличается от гранулированный (слоя IV коры ствола) LFP (рис. 7 c). Главное, они не являются зеркальные изображения друг от друга, с гранулированных LFP доминируют один отрицательный пик (отражающие основных раковина в коркового слоя IV), тогда как ERP состояла главным образом из двух пиков с противоположной полярности.
Рисунок 7: сравнение временной динамики ERP и LFP. (A) ERP (сплошная линия) накладывается с supragranular LFP (пунктирная линия). Тень указывает стандартную ошибку. (B) нормированный ERP (сплошная линия) накладывается с нормализованной supragranular LFP (пунктирная линия). (C) нормированный ERP (сплошная линия) накладывается с нормализованной гранулированных LFP (пунктирная линия). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
ERP сигнал был измерен через паук электрода сделан на череп с заусенцев отверстие, просверленное в него. Чтобы исследовать эффект отверстие на записи ЭЭГ, другой электрод паук был сделан на нетронутыми черепа выше ИПСИ боковой ствол мозга. Уход за было принято для обеспечения сопоставимые величины сопротивления электродов двух паука, регулируя количество ЭЭГ паста используется. Данные из четырех крысы (которая не же крысы использовались выше) представлены здесь.
На рисунке 8 показана одновременно отдыхая государства ЭЭГ записи из обоих электродов одной крысы, с 100 s данные, отображаемые в рис. 8Аи данные в прямоугольную рамку (20 s) развернуты в Рисунок 8B. Два ЭЭГ сигналы во многом совместно колебаться, аналогичный спектр амплитуды. Рисунок 9 показывает PSD четырех крыс, с верхней строке с помощью линейной шкалы на оси частот и в нижней строке с помощью логарифмической шкалы на оси частот обеспечить расширенное представление в нижнем диапазоне частот. Рисунок 9не представляется систематической погрешности в PSD по предметам. Это было подтверждено выполнение одно образец t тесты на нормализованной различия в среднем PSD в пяти частотных полос, показано на рисунке 10. Ни один из нормализованного PSD различия в этих диапазонах частот были значительно отличается от нуля (p = 0,32, 0.46, 0,85, 0,69 и 0,97, соответственно).
Рисунок 8: двусторонние ЭЭГ записи. (A) череп ЭЭГ записи во время отдыха государства с заусенцев отверстие в черепе (черный) и одновременная запись ЭЭГ на противоположном полушарии с черепом нетронутыми (серый). (B) Расширенный вид сигналов в пределах прямоугольной раме в (A). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 9: власть спектральной плотности (PSD) Контра-(синий) и ЭЭГ ИПСИ боковой (красный). Каждый столбец показывает PSD для одного крыса. Верхней панели используют линейный масштаб, а нижней панели логарифмической частоты масштаба позволяют PSD в нижнем диапазоне частот для отображения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 10: Группа анализа. Нормализовать разницу между Контра - и ИПСИ боковое PSD с пяти частотных диапазонах: Дельта, тета, альфа, бета и гамма. Каждый бар показывает среднее нормализованных различия в пределах диапазона частот, с стандартной ошибки, как планку погрешностей. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Discussion
Мы описали экспериментальной процедуры для параллельной записи совместно локализованных ЭЭГ и LFP сигналов наркотизированных крыс изофлюрановая в ответ на стимуляцию площадку нитевидные. Микроэлектродные был вставлен в коры головного мозга через отверстие в электрода ЭЭГ паук, который был согласован с колючкой отверстие, просверленное в череп. Электрод была обеспечена к черепу проводящих и клей ЭЭГ вставить23. Носовой конус, используемые для отправления изофлюрановая была изменена таким образом, что стимулирующие электроды могут вставляться в столбик pad с легкостью.
ЭЭГ паста была эффективной на монтаж паук электрода надежно к черепу, обеспечивая отличную электропроводность всей экспериментальной день без необходимости использования дополнительного применения пасты. Он заменил нежелательного использования клея чтобы исправить на периферии паук электрода к черепу, как клей непроводящих и может увеличить сопротивление электрода, если она проходит между черепа и электродом. ЭЭГ паста имеет ряд преимуществ над ЭЭГ гель, который трудно формы вокруг отверстия заусенцев и может высохнуть во время эксперимента, что приводит к плохой ЭЭГ сигналы.
Как крыса был помещен внутри клетки Фарадея, электрические помехи из-за окружающей среды была значительно ослаблены. Однако иногда нейронных сигнал был все еще довольно шумно. В большинстве случаев, это было вызвано электрод сравнения не безопасно позиционируется и поэтому должна быть повторно скорректированных или более ЭЭГ паста используется. Еще одна распространенная проблема была что вызвала LFP небольшой в амплитуде. Это может быть вызвано микроэлектродные, не расположены в центре корковых региона, активированную стимулирующих электродов. Вместо повторной вставки микроэлектродные, которые могут причинить больше вреда для местных нейронов, мы обычно отрегулировать положение стимулирующих электродов в столбик pad до разумного амплитуда LFP (> 3 МВ) может наблюдаться.
Один из недостатков этого метода является бедных пространственного разрешения паук электрода, который имеет диаметр 6 мм. Это большой, по сравнению с размерами черепа крыса. К сожалению паук электрода использованы здесь является наименьшей доступны для покупки. Это будет желательно уменьшить диаметр электрода паук до 2-4 мм, тем самым увеличивая пространственной специфики записи ЭЭГ, что делает сравнение между ЭЭГ сигнала и supragranular LFP сигнала менее двусмысленным.
Несколько важных шагов в протоколе требуют особого внимания. Во-первых, вставки микроэлектродные через отверстие заусенцев. Как в противном случае повреждена Дура, точность вставки имеет решающее значение. Незначительное сопротивление на кончике электрода обычно означает, что электрод не установлен правильно. Он должен быть поднят, позиция скорректированы и вставлены заново. Вторая позиция носовой конус на крысу. Он не должен быть слишком свободно, как изофлюрановая будет бежать от конуса. Она также не должна слишком туго, поскольку это может препятствовать ноздри крысы и вызвать затрудненное дыхание. Особое внимание требуется также обеспечить гораздо меньше амплитуда записи ЭЭГ (обычно 5-10 раз меньше) чем LFP Топ канала записи. Если они похожи, это признак, что зонд ЭЭГ вступил в прямых или косвенных контактов с микроэлектродные. Косвенный контакт обычно через спинномозговой жидкости (CSF), иногда заполняет отверстие сверлится в черепе. Проводимость спинномозговой жидкости является обычно 100 раз череп24,25. Таким образом, если достаточно высок уровень спинномозговой жидкости внутри отверстие заусенцев, это может сделать контакт с паука электрода. Чтобы избежать этого, отверстие часто должны быть очищены с супер-впитывающее хлопок губки как Спирс поглощения.
Эффект Берр отверстия (диаметром < 2 мм) в череп на ЭЭГ записи, окружающих отверстие было изучено путем размещения другой электрод паук на нетронутыми черепа на вершине ИПСИ боковой ствол мозга, так, что двусторонние записи ЭЭГ можно сравнить. Результаты, показанные на рисунке 9 и Рисунок 10, предложить эффект был незначительным в уровень значимости 0,05. Другие факторы, влияющие на амплитуду ЭЭГ включать, насколько хорошо вставить ЭЭГ контактировал череп, как фирма электрода была нажата для пасты и пространственные масштабы ЭЭГ пасты на черепе.
Стоит также отметить, что протокол, описанные здесь зарегистрировано череп ЭЭГ, которая отличается от скальпа ЭЭГ, используемых в человека ЭЭГ исследования. Скальп действует как резистор или НЧ-фильтр, который позволит снизить отношение сигнал шум далее запись ЭЭГ.
Наконец сравнение временной динамики ERP и вызвала LFP через кортикального слоя предполагают, что соматосенсорных вызванных потенциалов лучше отражает LFP в supragranular слой коры чем в гранулированных и infragranular слои. Это согласуется с нашей ранее работы6, демонстрируя, что начальный сегмент (P1) пор связано с возвращения текущей вытекающих из возбуждающих синаптических текущего происходящих в зернистый слой, хотя последующее уменьшение (приток N1) в ERP может быть связано с задержкой прибытия таламуса афферентных до корковых слоев II/III и/или прямой сигналов от более глубоких слоев коры головного мозга. В заключение параллельной записи ЭЭГ/LFP может повысить понимание генезиса нейронных ЭЭГ и облегчения математическое моделирование ЭЭГ с точки зрения нервные сигналы через кортикального слоя.
Disclosures
Авторы не имеют ничего сообщать.
Acknowledgments
Мы хотели бы поблагодарить Эндрю Криппс и переработке в университете чтения. Это исследование финансировалось СИББН (номер гранта: BB/K010123/1). Данные, связанные с этой работой свободно доступен из госбюджета (ying.zheng@reading.ac.uk).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Female Lister Hood rats | Charles Rivers | ||
| Spider electrode | Unimed Electrode Supplies Ltd | SCS24-426 | |
| EEG paste: Ten20 | Unimed Electrode Supplies Ltd | 10-20-S | |
| Stereotaxic holder with dual micromanipulator arms: Dual Manipulator Stereotaxic Frame with 18° Ear Bars | WPI (World Precision Instruments) | 502603 | |
| Isoflurane | National Vet Services Limited | 50878 | |
| Hard plastic nose cone: Anasthesia Gas Mask for Rat | WPI | 502054 | |
| Small animal isoflurane anaesthetic system | WPI | EZ-B800A | |
| Thermostatic heating pad: Rat Blanket System 230V | Harvard Apparatus UK | 50-7221-F | |
| Ophthalmic ointment: Optixcare eye lube | Viovet | 203865 | |
| Lidocaine Hydrochloride (Injection 2%) | Larkmead Vets | ||
| Jacquette Scaler #1SSE, 18cm, Hollow | WPI | 503421 | |
| Serrated and curved dissecting forceps | WPI | 15915 | |
| Braided silk, non-absorbable suture: Mersilk Suture W502H | National Vet Services Limited | 153746 | |
| Dental drill: BONE MICRO DRILL SYST 230 VAC | Harvard Apparatus UK | 72-4860 | |
| Sterile Saline: Sodium chloride 0.9% | Animalcare Ltd | 14K26BT | |
| Drill bit #4 : Ball Mill, Carbide, #4 | Harvard Apparatus UK | 72-4958 | |
| Drill bit #4 : Ball Mill, Carbide, #1/4 | Harvard Apparatus UK | 72-4962 | |
| Faraday cage | Newport Corporation | VIS-FDC-3600 | |
| Vibration isolation workstation: Vision IsoStation | Newport Corporation | M-VIS3660-RG4-325A | |
| Oximeter Control Unit and sensor: MouseOxPlus, Starr Life Sciences Corp. | WPI | O15001 | |
| Transparent soft nose cone: Microflex Non-Rebreathing Unit with a Rat Nosecone | WPI | EZ-103A | |
| Stainless steel stimulating electrodes | PlasticsOne | E363/1/SPC | |
| Isolated current stimulator | Made in House | ||
| 16-channel micro-electrode, 100 μm spacing, area of each site 177 μm2 | NeuroNexus | A1x16-10mm-100-177-A16 | |
| 16-channel acute headstage | Tucker David Technologies Inc., TDT | RA16AC-Z | |
| Pre-Amplifier: Z-Series 64-Channel Neuro-Digitizing Preamp | TDT | PZ5-64 | |
| Passive signal splitter: 32-Channel Splitter Box for PZ5 | TDT | S-BOX_PZ5 | |
| Data acquisition unit: RZ2 BioAmp Processor. Z-Series 4-DSP ultra high performance processor | TDT | RZ2-4 | |
| Software for Neurophysiology: OpenEX | TDT | ||
| Matlab | MathWorks | ||
| Absorption spears | Fine Sicence Tools | 18105-01 |
References
- Mitzdorf, U. Current source-density method and application in cat cerebral cortex: investigation of evoked potentials and EEG phenomena. Physiol Rev. 65 (1), 37-100 (1985).
- Logothetis, N. K. The Underpinnings of the BOLD Functional Magnetic Resonance Imaging Signal. J Neurosci. 23 (10), 3963-3971 (2003).
- Buzsáki, G., Anastassiou, C. A., Koch, C. The origin of extracellular fields and currents — EEG, ECoG, LFP and spikes. Nat Rev Neurosci. 13 (6), 407-420 (2012).
- Einevoll, G. T., Kayser, C., Logothetis, N. K., Panzeri, S. Modelling and analysis of local field potentials for studying the function of cortical circuits. Nat Rev Neurosci. 14 (11), 770-785 (2013).
- Zheng, Y., et al. Balanced excitation and inhibition: Model based analysis of local field potentials. Neuroimage. 63 (1), 81-94 (2012).
- Bruyns-Haylett, M., et al. The neurogenesis of P1 and N1: A concurrent EEG/LFP study. Neuroimage. 146, 575-588 (2017).
- Nunez, P. L. Electric Fields of the Brain: The Neurophysics of EEG. , Oxford University Press. (1981).
- Jackson, A. F., Bolger, D. J. The neurophysiological bases of EEG and EEG measurement: A review for the rest of us. Psychophysiology. 51 (11), 1061-1071 (2014).
- Cohen, M. X. Where Does EEG Come From and What Does It Mean? Trends Neurosci. 40 (4), 208-218 (2017).
- Bojak, I., Oostendorp, T., Reid, A., Kötter, R. Connecting Mean Field Models of Neural Activity to EEG and fMRI Data. Brain Topogr. 23 (2), 139-149 (2010).
- Coombes, S. Large-scale neural dynamics: Simple and complex. Neuroimage. 52 (3), 731-739 (2010).
- Deco, G., Jirsa, V. K., Robinson, P. A., Breakspear, M., Friston, K. J. The dynamic brain: from spiking neurons to neural-masses and cortical fields. PLoS Comput. Biol. 4 (8), e1000092 (2008).
- Pinotsis, D. A., Friston, K. J. Neural fields, spectral responses and lateral connections. Neuroimage. 55 (1), 39-48 (2011).
- Riera, J. J., et al. Pitfalls in the dipolar model for the neocortical EEG sources. J Neurophysiol. 108 (4), 956-975 (2012).
- Valdes, P. A., Jimenez, J. C., Riera, J., Biscay, R., Ozaki, T. Nonlinear EEG analysis based on a neural mass model. Biol Cybern. 81 (5), 415-424 (1999).
- Musall, S., von Pföstl, V., Rauch, A., Logothetis, N. K., Whittingstall, K. Effects of Neural Synchrony on Surface EEG. Cereb Cortex. 24 (4), 1045-1053 (2014).
- Snyder, A. C., Morais, M. J., Willis, C. M., Smith, M. A. Global network influences on local functional connectivity. Nat Neurosci. 18 (5), 736-743 (2015).
- Mayhew, J., et al. Spectroscopic analysis of neural activity in brain: Increased oxygen consumption following activation of barrel cortex. Neuroimage. 12 (6), 664-675 (2000).
- Paxinos, G., Watson, C. The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. , Elsevier Academic Press. (2005).
- Martindale, J., et al. The hemodynamic impulse response to a single neural event. J Cereb Blood Flow Metab. 23 (5), 546-555 (2003).
- 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 (1-2), 116-133 (2006).
- Thomson, D. J., et al. Multitaper analysis of nonstationary and nonlinear time series data. Nonlinear and Nonstationary Signal Processing. Fitzgerald, W. J., et al. , 317-394 (2000).
- Bae, J., Deshmukh, A., Song, Y., Riera, J. Brain Source Imaging in Preclinical Rat Models of Focal Epilepsy using High-Resolution EEG Recordings. Journal of Visualized Experiments : JoVE. (100), e52700 (2015).
- Baumann, S. B., Wozny, D. R., Kelly, S. K., Meno, F. M. The electrical conductivity of human cerebrospinal fluid at body temperature. IEEE Trans Biomed Eng. 44 (3), 220-223 (1997).
- Wendel, K., et al. The Influence of Age and Skull Conductivity on Surface and Subdermal Bipolar EEG Leads. Computational Intelligence and Neuroscience. 2010, (2010).
- Flemming, L., et al. Evaluation of the distortion of EEG signals caused by a hole in the skull mimicking the fontanel in the skull of human neonates. Clin Neurophysiol. 116 (5), 1141-1152 (2005).
