Denne protokollen beskriver en enkel metode for samtidig opptak av samlokalisert Elektroencefalogram (EEG) og multi-laminær lokalt felt i en bedøvet rotte. Burr hull boret på skallen for innsetting av en microelectrode er vist å produsere ubetydelig forvrengning av EEG.
Selv om Elektroencefalogram (EEG) er mye brukt som en ikke-invasiv metode for registrering av nevrale aktiviteter av hjernen, er vår forståelse av neurogenesis av EEG fortsatt svært begrenset. Lokale feltet potensialer (LFPs) registreres via en multi-laminær microelectrode kan gi en mer detaljert redegjørelse for samtidige nevrale aktivitet på tvers av ulike kortikale lag i neocortex, men teknikken er invasiv. Kombinere EEG og LFP målinger i en pre-klinisk modell sterkt øke forståelse av nevrale mekanismene som er involvert i generasjon av EEG signaler, og lette avledning av en mer realistisk og biologisk nøyaktig matematisk modell av EEG. En enkel prosedyre for å skaffe samtidig og samlokalisert EEG og multi-laminær LFP signaler i bedøvet gnagere er presentert her. Vi har også undersøkt om EEG signaler ble betydelig påvirket av et hull i burr i skallen for innsetting av en microelectrode. Våre resultater tyder på at burr hullet har en ubetydelig effekt på EEG innspillinger.
Det er generelt akseptert at LFPs registreres via microelectrodes primært gjenspeiler vektet sum av synkronisert eksitatoriske og inhibitory synaptic aktiviteter pyramideformet nevrale lokalbefolkningen1,2,3 , 4. våre nyere forskning har vist at profilen til LFP signalet kan skilles i komponenter eksitasjon og hemming5,6. Men som LFP måles vanligvis via en invasiv prosedyre, er det ikke egnet for de fleste studier av den menneskelige hjernen.
På den annen side, er EEG en ikke-invasiv metode for å måle elektrisk aktivitet i hjernen. Det er mye brukt som et diagnostisk verktøy for visse typer nevrologiske sykdommer som epilepsi, og som et forskningsverktøy i menneskelige kognitive studier. Til tross for sin popularitet er en stor begrensning av EEG kan tolke timelige profilene nettopp i underliggende nevrale signaler7,8,9.
Økende grad er matematiske modeller av EEG utviklet for å forbedre forståelsen av hjernen funksjonen10,11,12,13,14,15. De fleste av eksisterende EEG modeller er utviklet basert på passende frekvens domene egenskaper av modellen spådd utgang til EEG data spekteret under spontan aktivitet, og svært få EEG modeller kan generere realistiske sensoriske evoked potensial. I denne sammenheng, vil samtidig opptak av EEG og LFP gi viktig innsikt og begrensninger for å utvikle mer nøyaktig matematiske modeller av EEG.
For å løse dette behovet for samtidig opptak å utforske mer nevrale opprinnelsen til EEG, utviklet vi en metode for å samtidig registrere EEG og multi-laminær LFP signaler i neocortex av bedøvet rotte. Er lik tidligere samtidige EEG/LFP studier utført i primater16,17. Vi videre undersøkt virkningen av burr hull bores inn i kraniet på EEG innspillinger rundt hullet, ved å sammenligne bilaterale EEG opptak (dvs.en halvkule med burr hull, den andre halvkulen intakt) i fravær av sensoriske stimulering. Våre resultater viser at samtidige EEG/LFP opptak kan utføres enkelt og effektivt, med lite EEG signalforvrengning fra burr hullet i skallen.
Vi har beskrevet en eksperimentelle prosedyren for samtidig opptak av samlokalisert EEG og LFP signaler i en isoflurane bedøvet rotte svar whisker pad stimulering. En microelectrode ble satt inn i neocortex gjennom en åpning i EEG edderkopp elektroden som ble stilt burr hull bores inn i skallen. Elektroden var sikret til skallen med en ledende og lim EEG lim23. Nesen kjegle brukes til administrasjon av isoflurane ble endret slik at stimulere elektrodene kan settes inn i whisker pute med letthet.
EEG lim var effektiv til montering edderkopp elektroden på skallen, samtidig som det gir utmerket elektrisk ledningsevne hele eksperimentelle dagen uten behov for ekstra program lim. Den erstattet uønsket bruk lim å fastsette utkanten av edderkopp elektroden til skallen, som lim er ikke-ledende og kan øke impedans på elektroden hvis det går mellom skallen og elektroden. EEG lim har mange fordeler over EEG gel, som er vanskelig å form rundt burr hullet og kan tørke ut under eksperimentet, som resulterer i dårlig EEG signaler.
Som rotta er plassert innenfor en Faraday bur, var elektrisk støy som skyldes miljø sterkt svekket. Men var noen ganger nevrale signalet fortsatt helt larmende. I de fleste tilfeller var dette forårsaket av referanse elektroden ikke trygt plassert og derfor måtte re-justert eller mer EEG lim brukes. Et annet vanlig problem var at den vakte LFP var liten i amplitude. Dette kan skyldes microelectrode ikke plassert i midten av regionen kortikale aktivert av stimulerende elektrodene. I stedet for å sette microelectrode, som kan forårsake mer skade på lokale neurons, vi vanligvis justert plasseringen av stimulerende elektrodene i whisker pad til en rimelig amplituden til LFP (> 3 mV) kan observeres.
En av begrensningene av teknikken er dårlig romlig oppløsning edderkopp elektroden, som har en diameter på 6 mm. Dette er stor sammenlignet med størrelsen på rat’s skallen. Dessverre er edderkopp elektroden her den minste tilgjengelig for kjøp. Vil det være ønskelig å redusere diameteren på spider elektroden 2-4 mm, dermed øker romlige spesifisitet av EEG innspillinger, gjør sammenligningen mellom EEG signalet og supragranular LFP signal mindre tvetydig.
Flere kritiske trinn i protokollen trenger spesiell oppmerksomhet. Først er innsetting av microelectrode gjennom burr hullet. Dura er ellers intakt, er presisjonen for innsettingspunktet avgjørende. En liten motstand på spissen av elektroden betyr vanligvis elektroden ikke er riktig plassert. Det må være høynet, plasser justert, og settes inn på nytt. Andre er plasseringen av nesen kjegle på rotta. Det må ikke være for løs, som isoflurane vil flykte fra membran. Det må også ikke være for stramt som kan hindre neseborene av rotte og forårsaker pustevansker. Spesiell oppmerksomhet er også nødvendig for å sikre at amplituden til EEG innspillingen er mye mindre (vanligvis 5 til 10 ganger mindre) enn LFP topp kanal innspillingen. Hvis de er like, er det en indikasjon at EEG sonden har kommet i direkte eller indirekte kontakt med microelectrode. En indirekte kontakt er vanligvis gjennom de hjerne spinalvæske (CSF) som noen ganger fyller hullet boret i skallen. Ledningsevne CSF er vanligvis 100 ganger at av skallen24,25. Dermed, Hvis nivået av CSF inne burr hullet er tilstrekkelig høy, kan det gjøre kontakt med spider elektroden. Du kan unngå dette bør hullet ofte rengjøres med super absorberende bomullsklut svamper som absorpsjon spears.
Effekten av burr hull (diameter < 2 mm) i skallen på EEG opptak rundt hullet ble studert ved å plassere en annen edderkopp elektrode på intakt skallen på toppen av ipsi-lateral fat cortex slik at bilaterale EEG innspillinger kunne sammenlignes. Resultatene som vises i figur 9 og Figur 10, foreslår at effekten skal være ubetydelig på 0,05 nivå av betydningen. Andre faktorer som påvirker amplituden av EEG er hvor godt den EEG lim var i kontakt med skallen, hvordan fast elektroden ble presset til lim og romlig omfanget av EEG lim på skallen.
Det er også verdt å merke seg at protokollen beskrevet her registrert skallen EEG, som er forskjellig fra hodebunnen EEG brukt i menneskelige EEG studier. Hodebunnen fungerer som en motstand eller et low pass-filteret, noe som vil redusere signal-til-støy forholdet mellom EEG opptak ytterligere.
Til slutt, sammenligning av timelige dynamikken i ERP og for den vakte LFP hele kortikale lag foreslår at somatosensory evoked potensial gjenspeiler bedre LFP i supragranular lag på cortex enn i den detaljerte og infragranular lag. Dette er i tråd med våre tidligere arbeidet6, viser at den første delen (P1) av ERP er knyttet til den tilbake gjeldende oppstår fra tilførsel av den eksitatoriske synaptic gjeldende skjer i granulat laget, mens den påfølgende redusere ( N1) i ERP kan være relatert til forsinket ankomst av thalamic afferente til kortikale lag II/III og/eller feedforward signaler fra dypere kortikale lag. Som konklusjon, samtidig opptak av EEG/LFP øke forståelse av nevrale genesis av EEG, og lette matematisk modellering av EEG i nevrale signaler over kortikale lag.
The authors have nothing to disclose.
Vi vil gjerne takke Andrew Cripps og BioResource enheten på University of Reading. Denne forskningen ble finansiert av BBSRC (gi nummer: BB/K010123/1). Data knyttet til dette arbeidet er fritt tilgjengelig fra 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 |