Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

הקלטה בו זמנית של שותף מקומי אלקטרואנצפלוגרם ופוטנציאל שדה מקומי במכרסם

Published: November 30, 2017 doi: 10.3791/56447
Automatic Translation
1, 2, 1, 1
1School of Biological Sciences, Whiteknights, University of Reading, 2Department of Bioengineering, Imperial College

Summary

פרוטוקול זה מתאר שיטה פשוטה עבור הקלטה בו זמנית של שותף מקומי אלקטרואנצפלוגרם (EEG) ו- multi-למינריות שדה מקומי פוטנציאל עכברוש anesthetized. חור burr בתלמידים הגולגולת עבור הכניסה של microelectrode מוצג לייצר עיוות זניח של האות EEG.

Abstract

למרות אלקטרואנצפלוגרם (EEG) נעשה שימוש נרחב ככל שיטה לא פולשנית להקלטת פעילות עצבית במוח, הבנתנו נוירוג'נסיס של EEG הוא עדיין מוגבל מאוד. פוטנציאל שדה מקומי (LFPs) הוקלט ויה microelectrode רב-למינריות יכול לספק חשבון מפורט יותר של פעילות עצבית בו זמנית על פני שכבות קורטיקלית שונות בתוך קליפת, אך הטכניקה היא פולשנית. שילוב EEG ו- LFP מדידות במודל של ניסויים פרה-קליניים יכול מאוד לשפר את ההבנה של המנגנונים העצביים העומדים מעורב הדור של אותות EEG, וכדי להקל על ההטיה של מודל מתמטי יותר מציאותי ומדויק מבחינה ביולוגית של EEG. הליך פשוט לרכישת EEG בו-זמניות ונקודתי שיתוף ו- multi-למינריות אותות LFP למכרסמים anesthetized מוצג כאן. . חקרנו גם אם אותות EEG הושפעו באופן משמעותי חור burr בתלמידים הגולגולת עבור הכניסה של microelectrode התוצאות שלנו מראים כי החור burr יש השפעה זניחה על הקלטות EEG.

Introduction

זה מקובל LFPs שנרשם דרך microelectrodes בעיקר לשקף את הסכום משוקלל של סינאפסות סינפטית פעילויות מסונכרנות של האוכלוסייה המקומית כפירמידה עצבית-1,-2,-3 , 4. שלנו מחקרים אחרונים הראו כי הפרופיל של האות LFP יכול להיות הפרדתו רכיבים של עירור וניגוד5,6. עם זאת, כפי LFP נמדד בדרך כלל באמצעות הליך פולשני, זה לא מתאים ברוב המחקרים של המוח האנושי.

מצד שני, EEG היא שיטה לא פולשנית מודדים את הפעילות החשמלית של המוח. הוא משמש כלי אבחון עבור סוגים מסוימים של מחלות נוירולוגיות כגון אפילפסיה, וגם ככלי מחקר במחקרים קוגניטיבית בבני אדם. למרות הפופולריות שלו, מגבלה עיקרית של EEG היא חוסר היכולת לפרש שלה פרופילים טמפורלית בדיוק מבחינת כבסיס אותות עצביים7,8,9.

יותר ויותר, מודלים מתמטיים של EEG מפותחים כדי לשפר את ההבנה של המוח פונקציה10,11,12,13,14,15. רוב הדגמים EEG הקיימים מפותחים בהתבסס על התאמת מאפיינים של תחום התדר של המודל חזה פלט הקשת נתוני EEG במהלך פעילות ספונטנית, מעט מאוד דגמים EEG יכול ליצור מציאותי לפוטנציאלים חושית. בהקשר זה, הקלטות בו-זמניות של EEG ו- LFP תספק תובנות חשובות והאילוצים בפיתוח מודלים מתמטיים מדויקים יותר של EEG.

כדי לטפל צורך זה עבור הקלטות בו-זמניות לחקור לעומק את המקור עצבית של EEG, פיתחנו מתודולוגיה במקביל להקליט EEG ו- multi-למינריות LFP אותות קליפת של העכברוש anesthetized. הגדרת דומה מחקרים קודמים EEG/LFP בו-זמניות שנערך פרימטים16,17. אנחנו עוד יותר בדקו את ההשפעה של חור burr תרגלנו את הגולגולת הקלטות EEG סביב החור, על-ידי השוואת EEG הקלטות הדו-צדדיים (קרי, באונה אחת עם חור בר, ההמיספרה השנייה שלם) בהיעדר החישה גירוי. התוצאות שלנו להפגין כי הקלטות EEG/LFP בו-זמניות יכול להתבצע בפשטות וביעילות, עם עיוות אות EEG מעט מן החור burr בגולגולת.

Protocol

כל הניסויים היו מתבצעת על פי תקנות משרד הפנים הבריטי (חיות (וצפייה) Act, 1986), אושרו על ידי ועדת האתיקה מחקר ב מאוניברסיטת רדינג, בריטניה.

1. הכנה בעלי חיים

הערה: חולדות ליסטר הנשי ברדס שימשו עבור כל הניסויים. זהו הליך ההישרדות.

  1. שיא משקל של החולדה בקנה מידה מעבדה.
  2. עזים ומתנגד החולדה בחדר עם איזופלוריין 5%, שיעור זרימת החמצן של 1 ליטר/דקה.
  3. מקום העכברוש על בעל stereotaxic עם מגבת נייר מתחת לגופו, עם שיניים נח דרך הבר ביס. מגבת הנייר יקל החדרת כרית החימום (ראה שלב 2.3) ולתפוס כל צואה. העכברוש במהלך הניסוי.
  4. לנהל איזופלוריין באופן רציף באמצעות קונוס האף מפלסטיק קשיח, רכוב על גבי המלחציים האף עבור מתאם חולדה-בריכוז 3% עם שיעור זרימת החמצן של חצי ליטר לדקה התחבר קונוס למערכת הרדמה איזופלוריין בעלי חיים קטנים.

2. ניתוח

  1. להוסיף כרית החימום תרמוסטטי מתחת מגבת הנייר שעליו מונח העכברוש, לאבטח את הראש של החולדה עם שני קווים האוזן, לפקח על טמפרטורת הגוף באמצעות מד חום לרקטום.
  2. לגלח את הראש של החולדה.
  3. להחיל משחה אופטלמולוגיות בעיניים כדי למנוע ייבוש הקרנית.
  4. לפני חשיפת הגולגולת, להחיל לידוקאין טיפות על הקרקפת, עיסוי זה בעדינות לתוך העור.
  5. עושים חתך קו האמצע של 2-3 ס מ על הקרקפת באמצעות אזמל לחשוף את פני השטח של הגולגולת.
  6. הפרד בזהירות את temporalis שרירים קונטרה-לרוחב כדי לרפד את שפם להיות מגורה מהגולגולת באמצעות של Jacquette וייצור זוג מלקחיים ויבתר משונן ומעוקל. לנקות את הגולגולת עם ספוגיות כותנה במידת הצורך.
  7. שימוש ממשי קלועה, תפרים נספגים, לקשור את השריר מופרדים לקרקפת עם קשר הדוק, קישרו את התפר באופן מאובטח כדי מסגרת stereotaxic18.
  8. השתמש קואורדינטות stereotaxic לאיתור קליפת חבית, סימטרית כדי bregma 2.5 מ מ, 6 מ מ לרוחב קו האמצע19. ציירו נקודה במיקום של קליפת המגע באמצעות עיפרון או סמן.
  9. לקדוח חור burr במיקום המסומן באמצעות מקדח שיניים. כדי למנוע התחממות יתר במהלך קידוח בגולגולת, להחיל מלח סטרילית (נתרן כלוריד 0.9%) על אזור העבודה s כל 10-15. תהליך קידוח כרוך את שלושת השלבים הבאים:
    1. לקדוח חור מקוטר < 2 מ מ לתוך הגולגולת באמצעות מקדחה #4 (0.055 בקוטר). לטפל לא כדי לקדוח לתוך השכבה הקשה של המוח.
    2. דק בתחתית הבור כדי המוגבהת באמצעות מקדחה #1/4 (0.019 בקוטר).
    3. שימוש במחט 27 G כדי לחדור את השכבה הקשה של המוח כדי לאפשר החדרת microelectrode.
  10. העברת העכבר, מאובטח על מסגרת stereotaxic, אל כלוב פאראדיי רכוב על גבי תחנת עבודה בידוד רטט.
  11. צירוף של קלאמפ חיישן דופק מחובר יחידת הבקרה oximeter כפת האחוריות של החולדה לפקח באופן רציף את הפרמטרים הבאים פיזיולוגיים: קצב הלב, קצב הנשימה, רווית חמצן עורקי, distention דופק, נשימה distention. פרמטרים אלה הוצגו ברציפות על צג המחשב, המשקף את מצב פיזיולוגי ועומק מרדים של העכברוש.
  12. להחליף את חרוט האף מפלסטיק קשיח עבור ניהול איזופלוריין, מהדק האף עכבר מתאם עם הפסקה microflex מצויד קונוס האף רך שקוף אשר שונה (איור 1 א') כדי לאפשר גירוי קל משערה לצד אחד של משערה פאד מבלי להתפשר על המינהל איזופלוריין.
  13. להוסיף שתי אלקטרודות מגרה פלדת אל-חלד כדי לרפד את שפם שנחשפו על ידי החתך החוצה על ציפור.
  14. להתחבר האלקטרודות מעורר ממריץ הנוכחי מבודד.
  15. הרם את העור של האמצע של הצוואר עם מלקחיים ולעשות 1 ~ חתך 2 ס מ עם מספריים מוכן המיקום של אלקטרודות ייחוס. . שמור על עצמך לא לחתוך את רקמת השריר.

3. שותף מקומי EEG/LFP ההתקנה

  1. נקי ויבש הגולגולת סביב החור burr באמצעות מקלון צמר גפן.
  2. בזהירות המקום הדבק EEG מוליך על צד אחד שטוח של אלקטרודה עכביש EEG. להשאיר חור קטן ברורה של הדבק EEG האלקטרודה עכביש להתיר microelectrode רב-למינריות לעבור דרך החור ללא קשר עם הדבק, האלקטרודה עכביש. פעולה זו מונעת קשר חשמלי בין האלקטרודה EEG של microelectrode.
  3. יישר האלקטרודה עכביש אל החור burr בגולגולת, עם הדבק EEG מול הגולגולת.
  4. בזהירות הקש האלקטרודה עכביש לתוך הגולגולת, ביצירת קשר איתן עם הגולגולת דרך ההדבקה EEG. הסר כל הדבק מסתיר את החור burr באמצעות מחט מזרק.
  5. להסיר את הדבק EEG מוגזם מעבר הפריפריה של האלקטרודה עכביש כך הקשר בין האלקטרודה עכביש הגולגולת במרחב מוגבלת לגודל של האלקטרודה (איור 1B).

Figure 1
איור 1: התקנה כלליות להקלטה הבו-זמניים EEG/LFP. (א) ההתקנה מורכב קונוס האף שונה על מנת להקל על גירוי pad משערה בהרדמה איזופלוריין, שתי אלקטרודות מגרה מוכנס לתוך משערה כרית, אלקטרודה עכביש מוצבים על הגולגולת מעל הקנה קליפת קונטרה-לרוחב כדי האלקטרודות מגרה, של microelectrode רב ערוצית מוכנס לתוך קליפת חבית באמצעות אלקטרודה עכביש, ואלקטרודות ייחוס ממוקמים בתוך חתך בחלק האחורי הצוואר של החולדה. (B) A מבט מבעד למיקרוסקופ של האלקטרודה עכביש בצורה מאובטחת הממוקמים על גבי הגולגולת על ידי EEG הדבק. Microelectrode מוכנס לתוך חור burr הנקדח הגולגולת תחת האלקטרודה עכביש. הקרקפת מתקיים בחזרה על ידי חוט כירורגי (תפר) קשור למסגרת stereotaxic. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

  1. תמרחי EEG הדבק על גבי האלקטרודה הפניה עבור EEG ולמקם אותו באופן מאובטח בתוך החתך בחלק האחורי הצוואר של החולדה.
  2. לחבר את אלקטרודות EEG מגבר קדם דרך מפצל אות פסיבי עבור אותות אימפדנס נמוך (איור 2). ודא אימפדנס של האלקטרודה עכביש מתחת 5 kΩ. אם זה לא, בדוק כי ההדבקה EEG הוא בקשר טוב עם הגולגולת והוא האלקטרודה בחוזקה לחצה העיסה EEG. להוסיף עוד EEG הדבק במידת הצורך.
  3. הר זרוע micromanipulator על מסגרת stereotaxic. להתחבר microelectrode 16 ערוצים ליניארי (100 מיקרומטר המרווח, שטח של כל אתר מיקרומטר 1772) headstage חריפה 16 ערוצים, שנחתכו בצורה מאובטחת על גבי הזרוע micromanipulator.
  4. תמרחי EEG העיסה לתוך האלקטרודות הפניה עבור EEG ו- microelectrode ולאחר מכן למקם אותם בצורה מאובטחת בתוך החתך (איור 1 א').
  5. להתאים את הזווית של הזרוע micromanipulator כך microelectrode ניצב למשטח קורטיקלית. זווית זו הוא בדרך כלל בין 25-35 מעלות.
  6. הנמך את microelectrode תחת מיקרוסקופ על-ידי הפעלת בידית micromanipulator כך קצה microelectrode מכוונת הפתח קטן בתחתית הבור burr עד האלקטרודה מעייניו חודר רק פני השטח קורטיקלית. יש לנקוט כדי להימנע מכריח את microelectrode על פני השכבה הקשה של המוח כפי שזה ישבור את האלקטרודה.
  7. כמה microelectrode 16 ערוצים מגבר קדם מחובר ליחידת רכישת נתונים באמצעות כבל סיב אופטי סיבים (איור 2).
  8. הפעל את מגבר קדם, היחידה רכישת נתונים, מחשב המחובר ליחידה. הפעל את תיבת ממריץ.
  9. הוסף את microelectrode בדרך כלל על פני השטח קורטיקלית סובבה באיטיות לידית ציר z micromanipulator עומק מיקרומטר 1,50020.
  10. מיקרו-להתאים העומק על-ידי החלת רכבת של גירוי על משטח דמוי חוט והתבוננות LFP עורר את 16 ערוצים על צג המחשב באמצעות תוכנת ההגדרה של יחידת רכישה נתונים המותקנות על המחשב. בזהירות סובב את ציר z ב- micromanipulator עד משרעת הגבוהה של LFP עורר מתרחשת סביב ערוץ 7 (כמו זה עולה בקנה אחד עם שכבה IV בקליפת המוח).
    הערה: EEG Ipsi-לרוחב אלקטרודה ההתקנה: עבור ניסויים, האלקטרודה השנייה עכביש הונח בצד ipsi-הצד של הגולגולת שלמים מעל קליפת חבית. תוכנית התקנה זו מותרת EEG הדו-צדדיים הקלטה במהלך המדינה מנוחתו לחקור את ההשפעה של החור burr על האות EEG.
    הערה: הליך כירורגי כדי להגדיר את האלקטרודה EEG היא זהה לזו המתוארת לעיל, למעט במהלך שלב 2.6, השריר temporalis בכל צד של הראש היה בקפידה הופרדו הגולגולת, sutured חזרה וקשר בבטחה בצד המתאים של המסגרת stereotaxic.
    הערה: ההגדרה EEG/LFP בו-זמניות תהיה גם זהה לזו המתוארת לעיל, עם צעד נוסף כי האלקטרודה השנייה עכביש הוא טעון עם הדבק EEG, ואז לחצה בחוזקה. הגולגולת מעל קליפת ipsi-לרוחב הקנה.

Figure 2
באיור 2. דיאגרמת זרימת אותות. העכברוש ממוקם בתוך כלוב פאראדיי. האלקטרודות מגרה מקבלים פקודות מתיבת ממריץ נשלט על ידי יחידת רכישה נתונים באמצעות התוכנה שלה מותקן במחשב. האות העצבי נרשם על ידי microelectrode מועבר מגבר קדם בתוך הכלוב פאראדיי. האות העצבי שהוקלט על ידי החללית EEG מועבר קדם מגבר דרך מפצל אות. קדם המגבר מחובר ליחידת רכישת נתונים מחוץ לכלוב פאראדיי באמצעות כבל סיבים אופטיים. הנתונים עצבית אז מאוחסנים בכונן מקומי במחשב, בעוד הם גם יכולים להיות מוצגים על צג המחשב. מערכת ניידת איזופלוריין בעלי חיים קטנים מנהלת איזופלוריין מ מחוץ לכלוב פאראדיי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

4. גירוי חשמלי והקלטות עצבית

הערה: תדירות הדגימות עבור כל הנתונים עצבית היא 24.41 kHz ברזולוציה של 16 סיביות. משפט מורכב גירוי חשמלי יחיד בתחילתו של המשפט. כל ניסיון נמשך 10 s, אשר גם הוא מרווח הזמן בין הגירוי (ISI). כל גירוי זה הדופק מרובע הנוכחי של 1.2 mA שנמשך גב' 0.3 לניסויים דו צדדיות כדי לחקור את ההשפעה של החור בר, רציף נח המדינה של 250 s מוקלטת.

  1. פתח את תוכנת הקלטה על המחשב נמצא בשימוש.
  2. לטעון את המעגל הנכון עבור הניסוי על-ידי בחירה "פרויקט עומס..." מתוך התפריט הנפתח 'OpenProject'. יופיע חלון חדש ('עבודה, שעליו מונחים') (איור 3).

Figure 3
איור 3. תצוגה של התוכנה GUI עבור ההוראה רכישה נתונים היא מאפשרת את מעגל המתאים להעלאה, גירוי פרמטרים להגדרת ונתונים להיות מוקלט, דמיינו. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

  1. ליצור ספריה חדשה (בשם 'מיכל' על ידי תוכנת) כדי לאחסן את הקלטות עצבית.
    1. לחץ על 'קובץ' מהחלק העליון של החלון ובחר 'ניהול המשימות נתונים'. יופיע חלון חדש ("ניהול טנק").
    2. בחלון 'טנק ניהול', לחץ על הלחצן הימני של העכבר כדי להציג תפריט. בחר 'צור טנק חדש'. יופיע חלון חדש נוסף ("יצירת נתונים מיכל").
    3. בחלון 'ליצור טנק נתונים', בחרו בנתיב שבו בכוונתך ליצור ספריה חדשה נתונים והזן שם ספריה חדשה. לאחר מכן הקש 'אישור'. החלון הזה ייעלם.
    4. ספריה חדשה תופיע בחלון "ניהול טנק" אבל באפור. להירשם בספריה זו על-ידי לחיצה ימנית על זה, ובחר 'טנק לרשום' מהתפריט הנפתח. כוכב אדום חץ ירוק יופיעו מימין השם של ספריה חדשה, אשר כעת בשחור (איור 4).
    5. ביטול רישום של כל ספריות הקודם לא בשימוש על-ידי לחיצה ימנית בחלון 'ניהול טנק' ובחירה באפשרות 'רענון רשימת טנק' בתפריט הנפתח.
    6. לחץ על 'אישור' כדי לצאת את החלון "ניהול טנק".

Figure 4
איור 4: תצוגה של התוכנה GUI מציג מדריך הנתונים רשום. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

  1. רשום במדריך החדש 'היקף' להצגת אותות עצביים במהלך הניסוי.
    1. לחץ על הסמל 'טווח' בחלון 'OpenProject'. יופיע חלון חדש ('טווח').
    2. קליק ימני על העכבר בחלון 'טווח' ובחר 'רענון רשימת טנק' בתפריט הנפתח. השם של הספריה החדשה מופיע באפור.
    3. לחץ על ספריה חדשה. כוכב אדום חץ ירוק יופיעו מימין השם של ספריה חדשה, אשר כעת בשחור.
  2. הגדר את פרמטרי ניסיוני עבור רכישת נתונים בחלון '. 'עבודה, שעליו מונחים על-ידי לחיצה על 'כיוונון' מהחלק העליון של החלון. יופיע חלון חדש. בחר 'לטאטא loop', לקבוע את אורך המשפט ועל מספר הנסיונות שיירשמו.
  3. בדוק כי תיבת ממריץ מופעלת.
  4. לחץ על לחצן 'הקלט' בחלון ". עבודה, שעליו" מונחים. יופיע חלון חדש. הזן את השם של קובץ הנתונים אתה רוצה להציל ניסיוני לרוץ אבל לא להכות לחצן החזרה בשלב זה, כמו EEG הקלטה פרמטרים בצורך להגדיר.
  5. כוונן את הפרמטרים הקלטה EEG באמצעות ממשק משתמש גרפי (GUI) על קדם מגבר. גע במסך (מקום) של מגבר קדם להעיר את המסך. בחר 'ביטול נעילה' כדי לבטל את נעילת התצוגה (איור 5).
    1. הקש על הסמל השמאלי ב- ' 2: EEG' החלונית. תצוגה חדשה תופיע.
    2. הקש 'מצמד' ובחר 'מיזוג אוויר'.
    3. הקש 'Ref מצב' ובחר 'מקומי'.
    4. לחץ על 'Samp קצב' ובחר ' 25 קילוהרץ '.
    5. לחץ על 'אישור' כדי לחזור לתצוגה המקורית.

Figure 5
איור 5: ה GUI על קדם מגבר. היא מאפשרת EEG הקלטה פרמטרים (למשל, תדירות הדגימות, העדפה המפנה) יש לקבוע. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

  1. בדוק את אימפדנס של probe(s) EEG על-ידי לחיצה על סמל האמצעי ב- ' 2: EEG' החלונית. אם גבוה מדי, להוסיף עוד EEG הדבק המכשיר. לחץ על 'אישור' כדי לחזור לתצוגה המקורית.
  2. חכה 20 s כדי למנוע הקלטה התנודות הראשונית של ההקלטות EEG.
  3. לחזור צג המחשב (לאחר ההמתנה s 20), הקש מקש 'חזרה' בלוח המקשים. א. ג, את האותות LFP יתועדו.

5. ניתוח נתונים

  1. לעבד מראש את אותות ה EEG ו- LFP עורר על בסיס משפט-על ידי-משפט באמצעות השלבים הבאים.
    1. משמרת בחזרה את הנתונים עצבית בזמן על ידי 20 דגימות (שקול ל- 0.82 ms). זהו העיכוב המיוצר על ידי המעגל המשמש לאיסוף נתונים עצבית TDT עצמה. על ידי העברת הנתונים, נקודת זמן אפס מיושרת תחילתה של הגירוי.
    2. הסר את החפץ גירוי על-ידי החלפת את הנתונים עצביים בין 0 ל- 1 ms עם קו ישר המחבר את נתוני הצבע ב- 0 ms עם נקודת הנתונים-1 ms.
    3. אפס-ממוצע בכל ניסוי על-ידי חיסור הערך הממוצע של האות העצבי 200 ms לפני תחילת גירוי.
    4. נמוך לעבור סנן את הנתונים מתחת 800 הרץ באמצעות צוth 4 עיר Butterworth סוג המסנן בשני הכיוונים כדי להימנע מהחדרה כל משמרת העברת הנתונים.
    5. ליישר את הנתונים מולטי-למינריות חיות. לנתונים LFP של כל בעל חיים, החל ההופכי צפיפות המקור הנוכחי (spline iCSD, מקור רדיוס R = 0.5 מ מ) ניתוח21 עם מסנן לפי עקומת גאוס (λ = 50 מיקרומטר) כדי לאתר את השכבה הרביעי כיור1, אשר ניתנת על ידי לשיא שלילי הגדול המתרחשים בקליפת המוח עומק מתחת לפני השטח pial בתוך ms 15 הראשון תחילת גירוי. את CSD ולאחר LFP התואם את, נתונים ואז מיושרים בהתאם למיקומם כיור על פני בעלי חיים. הכיור משותף ממוקם שכבה IV, ~ מיקרומטר 600 מתחת לפני השטח pial.
    6. לאחר יישור, להשתמש בערוצים 2, 7, ו- 12 LFP realigned כנציגים של תגובות עצביות supragranular, גרגרים, ושכבות infragranular, בהתאמה בקליפת חבית.
  2. חישוב שהממוצע עורר LFP ו- EEG על ידי חישוב ממוצע הנתונים מראש מעובד מעל 100 ניסויים.
  3. לחקור את האפקט של החור burr שללואת, למטה-sample EEG אותות 1,000 הרץ, מחשוב הצפיפות ספקטרלי כוח (PSD) עבור קונטרה-לרוחב (עם חור בגולגולת) ו- ipsi-לרוחב (גולגולת שלמה) עכביש אלקטרודה הקלטות על פני תקופה 250 s של נח המדינה. PSD מחושב מ 0.1-100 הרץ ב- Matlab באמצעות הפונקציה 'pmtm' אשר מבוססת על שיטת multitaper22.
  4. לחלק את התדרים הלהקות הבאות ידועים תדר: דלתא (אלפא): 0.1-4 הרץ, (תטא): 4-8 הרץ, אלפא (α): 8-13 הרץ, בטא (β): 13-31 הרץ, גמא (γ): 31-100 הרץ. לחשב את ממוצע PSD בתוך כל הלהקה.
  5. בתוך כל תדרים, חישוב ההפרש מנורמל ב PSD, Pלטעות, בין קונטרה ה - EEG ipsi-צדדי באמצעות המשוואה:
    Equation
    Pc ו- Pאני איפה הממוצע PSD של קונטרה - ו ipsi-לרוחב EEG, בהתאמה בלהקה בתדירות של עניין.
  6. בתוך כל תדרים, לבצע אחד-sample t מבחן כדי לבדוק את ההשערה כי יש הבדל משמעותי (ברמת מובהקות 0.05) בין PSD של האות EEG הוקלט בין שתי האונות.

Representative Results

נתונים 4 חולדות היו בממוצע כדי לקבל זמן סדרת ישים. משרעת של התגובה EEG עורר, הידוע גם בשם האירוע הקשורות פוטנציאל (ERP), הוא בדרך כלל קטן בהרבה מזה של LFP. איור 6 מציגה את הממוצע ERP ו LFP ב supragranular, גרגרים, שכבות infragranular של קליפת חבית, בהתאמה. הלהקה שגיאה כל מגרש היא שגיאת התקן המתאים. ניתן לראות כי ה-ERP הוא כ 10 פעמים יותר מאשר LFP עורר.

Figure 6
איור 6: זאת אומרת (n = 4) אותות עצביים של ERP, supragranular, גרגרים, infragranular LFP. צל מציין שגיאה סטנדרטית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

השוואות של הדינמיקות הטמפורלי של ERP ו- LFP מוצגים באיור 7. סופרפוזיציה ישירה של ERP ואת supragranular LFP ב איור 7 א ממחיש את הסדר של משרעת ההבדלים בין שני סוגים אלה של אותות עצביים. כדי להשוות את הדינמיקה הטמפורלי, ERP ו- LFP הם מנורמל ביחס משרעת השיא השלילי שלהם. איור 7 ב וג 7 הצג ש-ERP מנורמל נקודות המגע המוצגים עם supragranular מנורמל LFP, מנורמל LFP פרטנית, בהתאמה.

ניתן לראות מתוך איור 7 ב כי הפסגות של P1 ו N1 עבור ERP הן מעוכבת יותר מאשר הפסגות המקביל של LFP בשכבה supragranular. עם זאת, פרופילים הטמפורלי של שני אותות עצביים אלה דומים, עם P1 שקדמו N1. מצד שני, הפרופיל הזמני של ERP אינו שונה במידה ניכרת מזה של גרגרים (השכבה הרביעי של קליפת חבית) LFP (איור 7C). חשוב הן אינן תמונות מראה אחד את השני, עם גרגרים LFP נשלט על ידי לשיא שלילי יחיד (המשקף כיור מרכזי שכבה קורטיקלית הרביעי), ואילו ERP כללה בעיקר שתי הפסגות עם קוטביות הפוכה.

Figure 7
איור 7: השוואה של ERP ו- LFP הדינמיקות טמפורלית. (א) ERP (קו רציף) נקודות המגע המוצגים עם supragranular LFP (קו מקווקו). צל מציין שגיאה סטנדרטית. (B) מנורמל ERP (קו רציף) נקודות המגע המוצגים עם supragranular מנורמל LFP (קו מקווקו). (ג) מנורמל ERP (קו רציף) נקודות המגע המוצגים עם LFP פרטנית מנורמל (קו מקווקו). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

האות ה-ERP נמדדה באמצעות אלקטרודה עכביש להציב את הגולגולת עם חור burr מסועף זה. כדי לחקור את ההשפעה של החור על הקלטות EEG, אלקטרודה עכביש אחר הונח על הגולגולת שלמים מעל קליפת ipsi-לרוחב הקנה. הוקדשה כדי להבטיח כי impedances של עכביש שתי האלקטרודות היו דומות מאוד בגודלם על-ידי התאמת כמות הדבק EEG בשימוש. נתונים ארבעה עכברים (אשר לא העכברושים באותו שימשו לעיל) מוצגים כאן.

איור 8 מראה בו-זמניות מנוחתו המדינה EEG ההקלטות של שתי אלקטרודות של עכבר אחד, עם 100 s הנתונים המוצגת באיור 8A, ואת הנתונים במסגרת מלבנית (20 s) מורחבות ב איור 8 ב'. שני אותות EEG במידה רבה במשותף להשתנות בטווח דומה של משרעת. איור 9 מציג את PSD של החולדות ארבע, עם השורה העליונה באמצעות סרגל ליניארי על ציר התדר, ואת השורה התחתונה באמצעות לוגריתמי בציר התדר מספק תצוגה מורחבת בטווח תדר נמוך יותר. איור 9, שם אינו מופיע להיות הטיה עקבית ב PSD לרוחב כל הנבדקים. זה אושר על-ידי ביצוע אחת-sample t-בדיקות על ההבדלים המנורמל PSD בממוצע בתדירות חמש הלהקות, המוצגת באיור10. אף אחד ההבדלים PSD מנורמל הלהקות תדר היו שונים באופן משמעותי מאפס (p = 0.32 נקודות, 0.46, 0.85, 0.69 ו- 0.97, בהתאמה).

Figure 8
איור 8: הקלטות EEG הדו-צדדיים. EEG הגולגולת (א) הקלטה בזמן מנוחה המדינה עם חור burr הגולגולת (שחור) והקלטה EEG בו זמנית על הכדור מול עם שלם הגולגולת (אפור). (B) מורחב תצוגה של ואת בתוך מסגרת מלבנית (A). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 9
איור 9: כוח ספקטרלי צפיפות (PSD) של קונטרה-(כחול), ipsi-לרוחב (אדום) א. ג. כל עמודה מראה את PSD של עכבר אחד. הלוחות המובילים להשתמש מידה תדירות ליניארי, ואילו הלוחות התחתון להשתמש בקנה מידה לוגריתמי תדר כדי לאפשר את PSD בטווח תדר נמוך יותר כך ניתן לאבחן. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 10
איור 10: הקבוצה ניתוח. מנורמל לבין קונטרה - PSD את ipsi-צדדי עם הלהקות בתדר 5: דלתא, תטא, אלפא, בטא וגמא. כל בר מציג את ההבדלים מנורמל רשע בתוך הלהקה תדר, עם השגיאה הסטנדרטית כמוצג הבר שגיאה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Discussion

תארנו ניתוח ניסיוני עבור הקלטה בו זמנית של אותות EEG ו- LFP משותפת לשפות אחרות של עכברוש anesthetized איזופלוריין בתגובה משערה pad גירוי. Microelectrode הוכנס לתוך קליפת ומעבר בפתח האלקטרודה עכביש EEG אשר היה מיושר עם חור burr תרגלנו את הגולגולת. האלקטרודה היה מאובטח בגולגולת מאת מוליכי חשמל ולהדביק דבק EEG23. קונוס האף המשמש עבור המינהל איזופלוריין שונתה כך מגרה אלקטרודות יכול להיות מוכנס אל תוך כרית משערה בקלות.

הדבק EEG היה יעיל הרכבה האלקטרודה עכביש בצורה מאובטחת לגולגולת, תוך מתן מוליכות חשמלית מעולה לאורך כל היום ניסיוני ללא צורך יישומים נוספים של הדבקה. זה מוחלף השימוש בדבק כדי לתקן את הפריפריה של האלקטרודה עכביש בגולגולת, כמו דבק הלא מוליך יכול להגדיל את אימפדנס של האלקטרודה אם היא נמשכת בין הגולגולת האלקטרודה לא רצויים. EEG הדבק יש מספר יתרונות על פני EEG ג'ל, אשר קשה הצורה סביב החור burr יכול להתייבש במהלך הניסוי, וכתוצאה מכך אותות EEG המסכן.

כמו החולדה הוטמן בתוך כלוב פאראדיי, רעש חשמלי עקב הסביבה היה במידה רבה הקלוש. עם זאת, לפעמים האות העצבי היה עדיין די רועש. ברוב המקרים, זה נגרם על ידי האלקטרודה הפניה לא מאובטחת מוצבים, לכן צריך להיות מותאם מחדש או יותר EEG הדבקה בשימוש. בעיה נפוצה נוספת היתה LFP עורר היה קטן משרעת. זה יכול להיות בגלל microelectrode אינו ממוקם במרכז של אזור בקליפת המוח מופעל על ידי האלקטרודות מגרה. במקום להכניס מחדש את microelectrode, אשר יכול לגרום נזק הנוירונים המקומי, מותאמות אנחנו בדרך כלל את מיקום האלקטרודות מגרה בלוח משערה עד משרעת סבירה של LFP (> 3 mV) יכול להיות שנצפו.

אחת המגבלות של הטכניקה היא הרזולוציה המרחבית המסכן של האלקטרודה עכביש, אשר יש קוטר 6 מ מ. זה גדול לעומת גודל הגולגולת של החולדה. למרבה הצער, האלקטרודה עכביש המשמש כאן הוא הקטן ביותר ניתן לרכוש. זה יהיה רצוי לצמצם את הקוטר של האלקטרודה עכביש 2-4 מ מ, ובכך מגדילים יחודיות המרחבי של הקלטות EEG, ביצוע ההשוואה בין האות EEG supragranular את LFP אות פחות חד משמעיים.

מספר שלבים קריטיים בפרוטוקול צריך תשומת לב מיוחדת. הראשון הוא החדרת microelectrode דרך החור בר. כמו השכבה הקשה של המוח אחרת ללא פגע, הדיוק של ההוספה היא קריטית. בהתנגדות קלה בקצה האלקטרודה בדרך כלל אומר שהאלקטרודה אינו ממוקם כראוי. זה חייב להיות מורמות, מיקום מותאם, ונוסף מחדש. השני הוא המיקום של קונוס האף על החולדה. זה לא יכול להיות רפוי מדי, כפי איזופלוריין ימלט מן קונוס. זה גם אינו יכול להיות חזק מדי, כמו זה יכול להכשיל את הנחיריים של העכברוש ולגרום קשיי נשימה. תשומת לב מיוחדת נדרשת גם כדי להבטיח משרעת של EEG ההקלטה הרבה יותר קטן (בדרך כלל פי 5 או 10 קטנים יותר) מאשר LFP העליון ערוץ ההקלטה. אם הם דומים, זה אינדיקציה כי החללית EEG בא במגע ישיר או עקיף עם microelectrode. איש קשר עקיף בדרך כלל דרך לנוזל חוט השדרה (CSF) הממלא לפעמים החור נבלם בתוך הגולגולת. מוליכות CSF הוא בדרך כלל 100 פעמים של הגולגולת24,25. לפיכך, אם רמת נוזל מוחי-שדרתי בתוך החור burr הוא מספיק גבוה, זה יכול להפוך קשר עם האלקטרודה עכביש. כדי למנוע זאת, החור צריך לעתים קרובות לנקות עם סופר סופג כותנה ספוגים כגון החניתות הקליטה.

ההשפעה של חור בר (קוטר < 2 מ מ) בתוך הגולגולת שללואת הקלטה סביב החור נחקר על-ידי הצבת אלקטרודה עכביש אחר על הגולגולת שלם על גבי קליפת ipsi-לרוחב הקנה כך בהשוואה הקלטות EEG הדו-צדדיים. התוצאות שמוצג באיור 9 , איור 10, מציע שהאפקט יהיה חסר חשיבות-המשמעות של רמת 0.05. גורמים אחרים המשפיעים על משרעת של EEG כוללים כמה טוב העיסה EEG היה בקשר עם הגולגולת, באיזה האלקטרודה היה לחוץ כדי הדבק, ואת מידת המרחבי הדבק EEG על הגולגולת.

זה גם ראוי לציין כי הפרוטוקול המתואר כאן הוקלט EEG הגולגולת, לכן הוא שונה הקרקפת EEG בשימוש במחקרים EEG בבני אדם. הקרקפת מתנהג כמו הנגד או מסנן נמוך לעבור, אשר תפחית את יחס אות לרעש של EEG הקלטה נוספת.

בסופו של דבר, השוואה של הדינמיקות הטמפורלי של ERP ושל LFP עורר פני שכבות בקליפת המוח מראים כי הפוטנציאל עורר המגע משקף יותר את LFP שכבה supragranular של קליפת המוח מאשר ב- פרטנית ו infragranular שכבות. . זה מסכים עם שלנו קודמת עבודה6, הממחיש הקטע הראשוני (P1) של ERP. קשור את החזרה הנוכחי הנובעים בתנאיי סינאפסות סינפטית הנוכחי המתרחשים ברובד פרטנית, בעוד עוקבות להנמיך ( N1) ב- ERP עשויה להיות קשורה הגעתו מושהית של אותות II/III ו/או feedforward שכבות מביא כדי קורטיקלית דפנות התלמוס משכבות קורטיקלית עמוק יותר. לסיכום, הקלטות בו-זמניות של EEG/LFP יכול לשפר את ההבנה של תחילתו עצבית של EEG ולהקל על מודלים מתמטיים של EEG במונחים של אותות עצביים של השכבות קורטיקלית.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

ברצוננו להודות אנדרו קריפס, יחידת BioResource מאוניברסיטת רדינג. מחקר זה מומן על ידי BBSRC (להעניק מספר: BB/K010123/1). נתונים המשויכים עבודה זו זמינה בחופשיות מן Y.Z. (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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Logothetis, N. K. The Underpinnings of the BOLD Functional Magnetic Resonance Imaging Signal. J Neurosci. 23 (10), 3963-3971 (2003).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Zheng, Y., et al. Balanced excitation and inhibition: Model based analysis of local field potentials. Neuroimage. 63 (1), 81-94 (2012).
  6. Bruyns-Haylett, M., et al. The neurogenesis of P1 and N1: A concurrent EEG/LFP study. Neuroimage. 146, 575-588 (2017).
  7. Nunez, P. L. Electric Fields of the Brain: The Neurophysics of EEG. , Oxford University Press. (1981).
  8. 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).
  9. Cohen, M. X. Where Does EEG Come From and What Does It Mean? Trends Neurosci. 40 (4), 208-218 (2017).
  10. 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).
  11. Coombes, S. Large-scale neural dynamics: Simple and complex. Neuroimage. 52 (3), 731-739 (2010).
  12. 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).
  13. Pinotsis, D. A., Friston, K. J. Neural fields, spectral responses and lateral connections. Neuroimage. 55 (1), 39-48 (2011).
  14. Riera, J. J., et al. Pitfalls in the dipolar model for the neocortical EEG sources. J Neurophysiol. 108 (4), 956-975 (2012).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Paxinos, G., Watson, C. The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. , Elsevier Academic Press. (2005).
  20. Martindale, J., et al. The hemodynamic impulse response to a single neural event. J Cereb Blood Flow Metab. 23 (5), 546-555 (2003).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Wendel, K., et al. The Influence of Age and Skull Conductivity on Surface and Subdermal Bipolar EEG Leads. Computational Intelligence and Neuroscience. 2010, (2010).
  26. 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).

Tags

אלקטרואנצפלוגרם פוטנציאל שדה מקומי neuroscience גיליון 129 אירועים הקשורים פוטנציאל במקביל הקלטה חור burr לשפה משותפת הקנה בקליפת המוח גירוי משערה מכרסם
הקלטה בו זמנית של שותף מקומי אלקטרואנצפלוגרם ופוטנציאל שדה מקומי במכרסם
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kang, S., Bruyns-Haylett, M.,… More

Kang, S., Bruyns-Haylett, M., Hayashi, Y., Zheng, Y. Concurrent Recording of Co-localized Electroencephalography and Local Field Potential in Rodent. J. Vis. Exp. (129), e56447, doi:10.3791/56447 (2017).

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