Dit protocol beschrijft een eenvoudige methode voor gelijktijdige opname van co gelokaliseerde elektro-encefalografie (EEG) en multi-laminaire lokale veld potentieel in een narcose rat. Een burr gat geboord in de schedel voor het inbrengen van een micro-elektrode is aangetoond dat het te verwaarlozen vervorming van het EEG signaal veroorzaken.
Hoewel elektro-encefalografie (EEG) veel als een niet-invasieve techniek gebruikt wordt voor het opnemen van neurale activiteiten van de hersenen, is ons begrip van de neurogenese van EEG nog steeds zeer beperkt. Lokale veld potentieel (LFPs) opgenomen via een multi-laminaire micro-elektrode kunnen bieden een meer gedetailleerde uiteenzetting van gelijktijdige neurale activiteit over verschillende corticale lagen in de neocortex, maar de techniek is invasief. Combineren van de EEG en LFP metingen in een preklinische model kan sterk verbeteren inzicht in de neurale mechanismen die betrokken zijn bij de generatie van EEG signalen, en vergemakkelijken van de afleiding van een realistischer en biologisch nauwkeurig wiskundig model van het EEG. Een eenvoudige procedure voor het verkrijgen van de gelijktijdige en co gelokaliseerde EEG en multi-laminaire LFP signalen in het narcose knaagdier is hier gepresenteerd. We onderzochten ook of EEG signalen waren sterk beïnvloed door een burr gat geboord in de schedel voor het inbrengen van een micro-elektrode. Onze resultaten suggereren dat het burr gat een te verwaarlozen effect op EEG opnames heeft.
Het is algemeen aanvaard dat LFPs geregistreerd via microelectrodes voornamelijk de gewogen som van gesynchroniseerde excitatory en remmende synaptic activiteiten voor plaatselijke piramidale neurale bevolking1,2,3 weerspiegelen , 4. onze recente onderzoek aangetoond dat het profiel van de LFP signaal kan worden gescheiden in onderdelen van excitatie en inhibitie5,6. Echter zoals LFP normaliter via een invasieve procedure gemeten is, is het niet geschikt voor de meeste studies van het menselijk brein.
Aan de andere kant, de EEG is een niet-invasieve techniek voor het meten van de elektrische activiteit van de hersenen. Het wordt wijd gebruikt als een diagnostisch hulpprogramma voor bepaalde soorten neurologische ziekten zoals epilepsie, en als een onderzoeksinstrument in menselijke cognitieve studies. Ondanks zijn populariteit is een belangrijk minpunt van een EEG het onvermogen om te interpreteren zijn tijdelijke profielen juist op het gebied van de onderliggende neurale signalen7,8,–9.
Steeds vaker worden wiskundige modellen van de EEG ontwikkeld om het inzicht van hersenen functie10,11,12,13,14,15te vergroten. Meeste van de bestaande modellen van de EEG zijn ontwikkeld op basis van de frequentie-domein kenmerken van het model voorspelde output naar de EEG gegevens spectrum tijdens spontane activiteit passen, en zeer weinig EEG modellen realistische sensory evoked potentials kunnen genereren. In dit verband biedt gelijktijdige opnamen van EEG en LFP belangrijk inzicht en beperkingen voor het ontwikkelen van meer accurate wiskundige modellen van de EEG.
Om aan deze behoefte voor gelijktijdige opnamen de neurale oorsprong van EEG verder te verkennen, ontwikkelden we een methode om tegelijkertijd opnemen EEG en multi-laminaire LFP signalen in de neocortex van de narcose rat. De opzet is vergelijkbaar met vorige gelijktijdige EEG/LFP uitgevoerde studies in primaten16,17. We verder onderzocht het effect van een burr gat geboord in de schedel op EEG opnames rond het gat, door het vergelijken van bilaterale EEG opnamen (dat wil zeggen, een halfrond met een burr gat, het andere halfrond intact) bij gebrek aan zintuiglijke stimulatie. Onze resultaten tonen aan dat gelijktijdige EEG/LFP opnames eenvoudig en effectief, kunnen worden uitgevoerd met weinig EEG signaalvervorming uit het burr gat in de schedel.
Wij hebben beschreven een experimentele procedure voor gelijktijdige opname van co gelokaliseerde EEG en LFP signalen voor een rat Isofluraan narcose in reactie op friemeltje pad stimulatie. Een micro-elektrode werd in de neocortex door een opening in de EEG spin elektrode die is afgestemd op een burr gat geboord in de schedel opgenomen. De elektrode aan de schedel werd vastgezet door een geleidende en lijm EEG plak23. De neus kegel gebruikt voor het beheer van Isofluraan is bewerkt zodat stimuleren elektroden kan worden ingevoegd in de Bakkebaard pad met gemak.
De EEG-pasta was effectief bij montage van de spin-elektrode veilig op de schedel, terwijl het verstrekken van uitstekende elektrische geleidbaarheid experimentele overdag zonder de noodzaak van aanvullende toepassing van plakken. Het verving het ongewenst gebruik van lijmen op het monteren van de periferie van de elektrode van de spin op de schedel, zoals lijm niet-geleidend is en de impedantie van de elektrode te verhogen kan als het loopt tussen de schedel en de elektrode. EEG plakken heeft een aantal voordelen ten opzichte van de EEG gel, die moeilijk aan shape rond de burr gat en tijdens het experiment, resulterend in slechte EEG signalen kunnen uitdrogen.
Zoals de rat werd geplaatst in een kooi van Faraday, werd elektrische ruis te wijten aan het milieu sterk verzwakt. Soms was het neurale signaal echter nog steeds behoorlijk luidruchtig. In de meeste gevallen werd dit veroorzaakt door de referentie-elektrode niet goed gepositioneerd en daarom moest worden opnieuw aangepast of meer EEG plakken gebruikt. Een ander algemeen probleem was dat de opgeroepen LFP kleine in amplitude. Dit kan te wijten zijn aan de micro-elektrode niet gepositioneerd in het midden van de corticale regio geactiveerd door de stimulerende elektroden. In plaats van opnieuw invoegen van de micro-elektrode, waardoor meer schade aan de lokale neuronen, we meestal aangepast de positie van de elektroden van de stimulerende in de Bakkebaard pad tot een redelijke amplitude van de LFP (> 3 mV) kon worden waargenomen.
Een van de beperkingen van de techniek is de slechte ruimtelijke resolutie van de spin-elektrode, die een diameter van 6 mm heeft. Dit is groot in vergelijking met de grootte van de rat’s schedel. Helaas is de elektrode van de spin gebruikt hier de kleinste beschikbaar om te kopen. Het is wenselijk om de diameter van de spin-elektrode tot 2-4 mm, waardoor de ruimtelijke specificiteit van EEG opnamen, maken de vergelijking tussen het EEG signaal en de supragranular LFP signaal minder dubbelzinnig.
Verschillende kritische stappen in het protocol hebben speciale aandacht nodig. De eerste is het inbrengen van de micro-elektrode door het burr gat. Zoals de dura anders intact is, de precisie van de invoegpositie is van cruciaal belang. Een lichte weerstand op het puntje van de elektrode betekent meestal dat de elektrode niet correct gepositioneerd is. Het moet worden verhoogd, positie aangepast en opnieuw ingevoegd. De tweede is de positie van de neus op de rat. Het moet niet te los, zoals Isofluraan van de kegel ontsnappen zal. Het moet ook niet te strak, als dit kan de neusgaten van de rat belemmeren en ademhalingsproblemen veroorzaken. Speciale aandacht is ook nodig om ervoor te zorgen dat de amplitude van de EEG opname veel kleiner is (meestal 5 tot 10 keer kleiner) dan de LFP bovenste kanaal opname. Als ze op elkaar lijken, is het een indicatie dat de EEG-sonde tot direct of indirect contact met de micro-elektrode gekomen. Een indirecte contact is meestal door middel van de cerebrale spinale vloeistof (CSF), die soms het gat vult geboord in de schedel. De geleidbaarheid van CB is meestal 100 maal die van de schedel24,25. Dus, als het niveau van CB binnen het burr gat voldoende hoog is, kan het maken contact met de spin-elektrode. Om dit te vermijden, moet het gat vaak worden gereinigd met super absorberende katoenen sponzen zoals de absorptie speren.
Het effect van een burr gat (diameter < 2 mm) in de schedel op het EEG opname rond het gat werd bestudeerd door een andere spin elektrode op de intact schedel bovenop de cortex ipsi-laterale vat te plaatsen, zodat bilaterale EEG opnamen kon worden vergeleken. De resultaten die worden weergegeven in Figuur 9 en Figuur 10, suggereren het effect op de 0,05 niveau van betekenis te verwaarlozen. Andere factoren op het gebied van de amplitude van de EEG zijn hoe goed de EEG pasta was in contact met de schedel, hoe stevig de elektrode werd ingedrukt om de pasta en de ruimtelijke omvang van de EEG plakken op de schedel.
Het is ook de moeite waard om op te merken dat het protocol beschreven hier schedel EEG opgenomen, die verschilt van de hoofdhuid EEG gebruikt in menselijke studies van de EEG. De hoofdhuid gedraagt zich als een weerstand of een low-pass filter, die de signaal-ruisverhouding van de EEG opname verder zal verminderen.
Ten slotte, vergelijking van de temporele dynamiek van de ERP en die van de evoked LFP over corticale lagen suggereren dat somatosensorische evoked potentieel weerspiegelt beter de LFP in de supragranular laag van de cortex dan die in de granulaire en infragranular lagen. Dit is in overeenstemming met onze eerdere werk6, aan te tonen dat het eerste segment (P1) van de ERP is gerelateerd aan de terugkeer huidige als gevolg van de instroom van de excitatory synaptic huidige die zich voordoen in de granulaire laag, terwijl de latere dalen) N1) in ERP kan worden gerelateerd aan de vertraagde komst van de thalamus afferent aan corticale lagen II/III en/of feedforward signalen uit de diepere lagen van de corticale. Kortom, kunnen gelijktijdige opnamen van EEG/LFP inzicht van de neurale genesis van EEG te vergroten, en vergemakkelijken van de wiskundige modellering van de EEG in termen van neurale signalen over corticale lagen.
The authors have nothing to disclose.
We zouden graag bedanken Andrew Cripps en de BioResource Unit aan de Universiteit van Reading. Dit onderzoek werd gefinancierd door de BBSRC (verlenen van nummer: BB/K010123/1). Gegevens die zijn gekoppeld aan dit werk is vrij verkrijgbaar bij Y.Z. (ying.zheng@reading.ac.uk).
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 |