Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Alle eksperimentene ble utført i henhold til britiske innenriksdepartementet (dyr (vitenskapelig prosedyrer) Act, 1986) og godkjent av den forskning etiske komiteen ved University of Reading, UK.
1. dyr forberedelse
Merk: Kvinnelige Lister Hooded rotter ble brukt for alle eksperimentene. Dette er en ikke-overlevelse prosedyre.
- Registrere rottas vekt i laboratoriet skala.
- Bedøve rotta inne en kammer med 5% isoflurane og en oksygen strømningshastighet på 1 L/min.
- Plass rotta på en stereotaxic holder med et papirhåndkle under kroppen og tenner hviler via baren bite... Tørkepapir vil forenkle innsetting av en heten pute (se trinn 2.3) og fange noen ekskrementer fra rotta under eksperimentet.
- Administrere isoflurane kontinuerlig via en hard-plast nesen kjegle montert på nesen klemmen for rotte adapter i en konsentrasjon av 3% med en oksygen strømningshastighet på 0,5 L/min. Koble membran liten dyr isoflurane bedøvende systemet.
2. kirurgisk prosedyre
- Sette inn en termostatstyrt varmeputen under papirhåndkle som rotta hviler, sikre rottas hode med to øret barer og overvåke kroppstemperaturen bruker en endetarms termometeret.
- Barbere toppen av rottes hodet.
- Ophthalmica salve gjelde øynene for å hindre hornhinnen tørking.
- Før utsette kraniet, lidokain drops gjelder hodebunnen og massasje det forsiktig inn i huden.
- Gjør en midtlinjen snitt på ca 2-3 cm på hodebunnen ved hjelp av en skalpell for å avsløre overflaten av skallen.
- Forsiktig skille temporalis muskel contra-lateral til whisker pad å bli stimulert fra skallen med en Jacquette skalering og et par taggete og buede dissecting tang. Rengjør skallen med bomull vattpinner når det er nødvendig.
- Bruker en flettet silke, ikke-absorberbare Sutur, knytte separerte muskler til å hodebunnen med en stram knute, og deretter slå suture på stereotaxic ramme18.
- Bruke stereotaxic koordinater for å finne fat cortex, 2,5 caudal til bregma og 6 lateral mm til midtlinjen19. Tegne en prikk på plasseringen av somatosensory cortex med en blyant eller en markør.
-
Bore burr hull på den merkede plasseringen med en tannlege bore. For å forhindre skallen overoppheting boring, gjelde sterilt saltvann (natriumklorid 0,9%) for arbeidsområdet hver 10-15-s. I boreprosessen omfatter følgende 3 trinn:
- Bore et hull med diameter < 2 mm i skallen med en borekrone #4 (0.055 i diameter). Ta vare ikke for å bore inn dura.
- Tynn bunnen av hullet til gjennomskinnelighet bruker en borekrone #1/4 (0.019 i diameter).
- Bruk en 27 G nål for å pierce dura å tillate innsetting av en microelectrode.
- Overføre rotte, sikret på en stereotaxic ramme, til Faraday bur tilbyes en vibrasjon isolasjon arbeidsstasjon.
- Knytte en oksymeter sensor klemme koblet til en oksymeter kontrollenhet til rottas bakben pote overvåke kontinuerlig følgende fysiologiske parametere: hjertefrekvens, pusten rate, arteriell oksygenmetning, puls oppblåsthet og pusten oppblåsthet. Parameterne vises kontinuerlig på en PC-skjerm, reflekterer fysiologisk tilstand og anestesigasser dybde av rotte.
- Erstatte hard-plast nesen kjegle for isoflurane administrasjon og nese klemmen for rotte adapter med en microflex pust i bakken med en gjennomsiktig myk nesen membran som er endret (figur 1A) slik at enkelt whisker stimulering til side av whisker pad uten at isoflurane administrasjonen.
- Sett inn to rustfritt stål stimulerende elektroder til whisker pad av cut-out på nesen kjegle.
- Koble stimulerende elektrodene til en isolert gjeldende stimulator.
- Løft huden av midtlinjen av halsen med tang og gjøre en 1 ~ 2 cm snitt med saks klar for plassering av referanse elektroder. Ta vare ikke for å kutte i muskelvev.
3. samlokalisert EEG/LFP oppsett
- Ren og tørr skallen rundt burr hullet med en bomullspinne.
- Forsiktig plassere ledende EEG lim på en flat side av en EEG edderkopp elektrode. La et lite hull klar på EEG lim på spider elektroden tillate en multi-laminær microelectrode passerer hullet uten kontakter lim og edderkopp elektroden. Dette hindrer elektrisk kontakt mellom EEG elektroden og microelectrode.
- Juster edderkopp elektroden til burr hullet i skallen, med EEG lime overfor skallen.
- Trykk edderkopp elektroden på skallen, gjør fast kontakt med skallen via EEG lim. Fjern alle lim skjule burr hullet med en nål i en sprøyte.
- Fjerne overdreven EEG lim utover utkanten av edderkopp elektroden slik at kontakten mellom edderkopp elektroden og skallen er slik begrenset til størrelsen på elektroden (figur 1B).
Figur 1: generelt oppsett for samtidige EEG/LFP opptak. (A) oppsettet består av en modifisert nesen kjegle for enkel whisker pad stimulering under isoflurane anestesi, to stimulerende elektroder inn whisker pad, en edderkopp elektrode på skallen over fat cortex contra-lateral til stimulerende elektrodene, en flerkanals microelectrode inn fat cortex gjennom edderkopp elektrode og referanse elektroder plassert inne i et snitt på baksiden rottas nakke. (B) en se gjennom mikroskopet av edderkopp elektroden trygt plassert på skallen av EEG pasta. Microelectrode settes inn i et hull i burr i skallen under edderkopp elektroden. Hodebunnen er holdt tilbake av kirurgiske tråd (Sutur) knyttet til stereotaxic rammen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
- Smøre EEG lim på referanse elektrode for EEG og plassere den trygt i snitt på baksiden rottas halsen.
- Koble EEG elektrodene til forforsterker via en passiv signal splitter for lav impedans signaler (figur 2). Kontroller at impedans på spider elektroden under 5 kΩ. Hvis ikke sjekk at EEG lim er i god kontakt med skallen og elektroden er fast trykket til EEG lim. Legge mer EEG pasta eventuelt.
- Montere en micromanipulator arm på stereotaxic ramme. Koble en lineær 16-kanal microelectrode (100 µm avstand, område av hver site 177 µm2) til en 16-kanal akutt headstage avkuttet trygt på micromanipulator armen.
- Smøre EEG lim inn på referanse elektrodene for EEG og microelectrode, og plasser sikkert dem inne i snitt (figur 1A).
- Justere vinkelen på micromanipulator armen slik at microelectrode er vinkelrett til kortikale overflaten. Denne vinkelen er vanligvis mellom 25-35 °.
- Redusere microelectrode under et mikroskop ved å vri på micromanipulator bryterne slik at spissen av microelectrode er rettet mot små åpningen nederst på burr hullet til øverste elektroden bare trenger kortikale overflaten. Hensyn må tas å unngå tvinger microelectrode på overflaten av dura som dette ville bryte elektroden.
- Par 16-kanal microelectrode til en forforsterker koblet til en dataenhet for kjøp via en fiberoptisk kabel (figur 2).
- Slå på forforsterker data oppkjøpet enheten og datamaskinen koblet til enheten. Slå på boksen stimulator.
- Sett inn microelectrode normalt til kortikale overflaten ved langsomt å dreie z knotten på micromanipulator til en dybde på 1500 µm20.
- Mikro-justere dybden ved å bruke et tog av stimulans til whisker pad og observere den 16-kanal vakte LFP på en PC-skjerm ved hjelp av programvaren av data oppkjøpet enhet installert på PCen. Nøye slå på z-bryteren på micromanipulator til høyeste amplituden til den vakte LFP oppstår rundt kanal 7 (som sammenfaller dette med lag IV i cortex).
Merk: Ipsi-lateral EEG elektrode oppsett: For noen eksperimenter, en andre edderkopp elektrode ble plassert på ipsi-lateral side av intakt skallen over fat cortex. Dette oppsettet tillatt bilaterale EEG opptak under hvile staten å undersøke effekten av burr hullet på EEG signalet.
Merk: Den kirurgiske prosedyren sette opp EEG elektroden er identisk beskrevet ovenfor, unntatt i trinn 2.6, temporalis muskelen på hver side av hodet var nøye skilt fra skallen, sutured tilbake og bundet fast til tilsvarende side av stereotaxic rammen.
Merk: Samtidige EEG/LFP er også lik som beskrevet ovenfor, med et ekstra trinn at en andre edderkopp elektrode er lastet med EEG lim, så trykkedd fast til skallen over ipsi-lateral fat cortex.
Figur 2. Et signal dataflytskjema. Rotta er plassert inne i en buret. Stimulerende elektrodene mottar kommandoer fra boksen stimulator kontrollert av Data oppkjøpet gjennom programvaren installert på en PC. Neural signal av microelectrode overføres til en pre forsterker inne i buret. Neural signal av EEG sonden overføres til pre forsterkeren gjennom en signal splitter. Pre forsterkeren er koblet til Data oppkjøpet enhet utenfor buret via en fiberoptisk kabel. Nevrale dataene lagres deretter på en lokal stasjon på PC, mens de kan også vises på en datamaskinskjerm. En mobil liten dyr isoflurane system forvalter isoflurane fra utenfor buret. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
4. elektrisk stimulering og nevrale innspillinger
Merk: Samplingfrekvens for alle nevrale data er 24.41 kHz med 16-biters oppløsning. En rettssak består av en enkelt elektrisk stimulering i starten av rettssaken. Hver prøveversjon varer 10 s, som også er mellom stimulans intervallet (ISI). Hver stimulans er en firkantet gjeldende puls 1.2 mA varig 0,3 ms. For bilaterale eksperimenter for å studere effekten av burr hullet, kontinuerlig hvile tilstand av 250 s også er registrert.
- Åpne innspillingen programvare på maskinen i bruk.
- Laste riktig krets for eksperimentet ved å velge "Load Project..." fra rullegardinmenyen av 'OpenProject'. Et nytt vindu ('WorkBench') vises (Figur 3).
Figur 3. En visning av programvaren GUI for Data oppkjøpet enhet Den lar den passende sykkelrute lastes, stimulering parametere angis og data registreres og visualisert. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
-
Opprette en ny mappe (kalt en "Tank" av programvare) for å lagre nevrale innspillinger.
- Klikk på 'Fil' fra toppen av vinduet, og velg 'Data oppgavestyring'. Et nytt vindu (Tank Management) vises.
- I vinduet 'Tank Management' Trykk på høyre knapp på musen for å vise en meny. Velg "Opprett ny Tank". En annen ny vindu ('opprette Data Tank') vises.
- I vinduet 'Opprette Data Tank' Velg banen der du vil opprette en ny datamappe, og angi navnet på den nye katalogen. Trykk 'OK'. Dette vinduet vil forsvinne.
- Den nye katalogen vises i vinduet 'Tank Management' men i grått. Registrere denne mappen ved å høyreklikke den, og velg "Registrere Tank" fra rullegardinmenyen. En rød stjerne og en grønn pil vises til venstre for den nye mappen navnet som nå er i svart (Figur 4).
- Avregistrere noen tidligere kataloger ikke er i bruk ved å høyreklikke i vinduet 'Tank Management' og velge "Oppdater Tank liste" på rullegardinmenyen.
- Klikk på 'OK' for å lukke vinduet 'Tank Management'.
Figur 4: en visning av programvaren GUI viser en registrert datamappen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
-
Registrere den nye katalogen i 'Område' vise nevrale signaler under eksperimentet.
- Klikk på ikonet "Muligheter" i vinduet "OpenProject". Et nytt vindu ("området") vises.
- Høyreklikk musen i vinduet 'Område' og velg "Oppdater Tank liste" på rullegardinmenyen. Den nye katalogen navn vises i grått.
- Klikk på den nye katalogen. En rød stjerne og en grønn pil vises til venstre for den nye mappen navnet som nå er i svart.
- Definere eksperimentelle parametere for datainnsamling i vinduet 'WorkBench' ved å klikke på "Oppsett" fra toppen av vinduet. Et nytt vindu vises. Velg 'Feie loop', stille lengden på prøveperioden og forsøk å bli registrert.
- Sjekk at boksen Stimulator er aktivert.
- Trykk på "Registrer" knappen i vinduet 'WorkBench'. Et nytt vindu vises. Angi navnet på datafilen du vil lagre for den eksperimentelle kjøre men ikke treffer tilbake-knappen på dette stadiet, som EEG opptak parametere må defineres.
-
Angi parametrene EEG opptak ved hjelp av grafisk brukergrensesnitt (GUI) på pre forsterkeren. Trykk på skjermen (sted) av forforsterker våkne opp skjermen. Velg "Låse opp" for å låse opp skjermen (figur 5).
- Trykk på venstre ikonet i ' 2: EEG' panel. En ny visning vises.
- Trykk "Kobling" og velg "AC".
- Trykk "Ref-modus" og velg "Lokal".
- Trykk 'Samp Rate' og velg ' 25 KHz ".
- Trykk "OK" for å gå tilbake til den opprinnelige visningen.
Figur 5: The GUI på pre forsterkeren. Den lar EEG opptaket parameterne (f.eks, samplingsfrekvens og henviser preferanse) angis. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
- Sjekk impedans på EEG probe(s) ved å trykke på ikonet midt i ' 2: EEG' panel. Hvis det er for høyt, kan du legge til mer EEG pasta i sonden. Trykk "OK" for å gå tilbake til den opprinnelige visningen.
- Vent 20 s å unngå opptak første svingninger i EEG opptakene.
- Gå tilbake til PC-skjerm (etter 20 s ventetiden) og trykk på "Return"-tasten på tastaturet. Registrert EEG og LFP signaler.
5. analyse
-
Forhåndsbehandle vakte LFP og EEG signalene på prøve-av-prøve basis benytter det fulgte skritt.
- Skifte tilbake nevrale dataene i tid av 20 eksemplar (tilsvarer 0,82 ms). Dette er antall produsert av kretsen brukes til å samle nevrale data i TDT selv. Av skiftende dataene, justeres tidspunkt null utbruddet av stimulans.
- Fjerne stimulans gjenstand ved å erstatte nevrale dataene fra 0 til 1 ms med en rett linje koble dataene peker på 0 ms med datapunktet 1 ms.
- Null-betyr hvert forsøk ved å trekke middelverdien av neural signal 200 ms før stimulans utbruddet.
- Low pass filtrere dataene under 800 Hz ved hjelp av en 4th rekkefølge Butterworth IIR typen filter i begge retninger for å unngå introdusere noen tidsforskyvning i dataene.
- Juster multi-laminær dataene over dyrene. For hvert dyr LFP data, gjelder inverse gjeldende kilde tetthet (spline iCSD, kilde radius R = 0,5 mm) analyse21 med et Gaussian filter (λ = 50 µm) til å finne laget IV synke1, som er gitt av den største negative toppen på en kortikale dybde under pial overflaten innenfor de første 15 ms av stimulans utbruddet. CSD, og den tilsvarende LFP, data justeres deretter etter vask plasseringene over dyrene. Vanlige vasken ligger i lag IV ~ 600 µm under pial overflaten.
- Etter justering, bruk kanaler 2, 7 og 12 av de realigned LFP som representanter for neural svar av supragranular, granulat, og infragranular lag, henholdsvis i fat cortex.
- Beregn gjennomsnittet fremkalt LFP og EEG av pre behandlet i snitt over 100 forsøk.
- For å undersøke effekten av burr hullet på EEG, signaler ned utvalg EEG til 1000 Hz, og Beregn spectral tetthet (PSD) for contra-lateral (med et hull i skallen) og ipsi-lateral (intakt skallen) spider elektrode opptak over en 250 s periode for hvile tilstand. PSD er beregnet fra 0,1-100 Hz i Matlab funksjonen 'pmtm' som er basert på det multitaper metode22.
- Dele frekvensområdet i følgende velkjente frekvensbånd: Delta (ses): 0,1-4 Hz, Theta (): 4-8 Hz, Alpha (α): 8-13 Hz, Beta (β): 13-31 Hz, Gamma (γ): 31-100 Hz. beregne gjennomsnittlig PSD innenfor hvert band.
- Innenfor hver frekvensbånd, beregne normalisert forskjellen i PSD, Pfeile, contra- og ipsi-lateral EEG ved hjelp av formelen:
hvor Pc og Pjeg er gjennomsnittlige PSD av contra - og ipsi-sideveis EEG, henholdsvis i frekvensbåndet rundt. - Innenfor hver frekvensbånd, utføre en utvalg med en t-test for å teste hypotesen at det er ingen vesentlig forskjell (på 0,05 signifikansnivået) mellom PSD av EEG innspilt fra de to halvkulene.
Representative Results
Data fra 4 rotter var gjennomsnitt for å få mellomtiden serien der det er aktuelt. Amplituden av evoked EEG respons, også kjent som hendelsen knyttet potensial (ERP), er vanligvis mye mindre enn LFP. Figur 6 viser gjennomsnittlig ERP og LFP i supragranular, granulat, og infragranular lag på fat cortex, henholdsvis. Feil bandet hver tomten er tilsvarende standardfeilen. Det kan sees at ERP er omtrent 10 ganger mindre enn den vakte LFP.
Figur 6: mener (n = 4) nevrale signaler ERP, supragranular, granulat, og infragranular LFP. Skygge angir standardfeil. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Sammenligninger av timelige dynamikken i ERP og LFP vises i figur 7. Direkte superposisjon av ERP og supragranular LFP i figur 7A illustrerer rekkefølgen på amplituden forskjellene mellom disse to typene nevrale signaler. Hvis du vil sammenligne timelige dynamikken, normalisert både ERP og LFP med hensyn til deres negative peak amplitude. Figur 7B og 7 C viser den normaliserte ERP lagt med den normaliserte supragranular LFP og normalisert detaljert LFP, henholdsvis.
Det kan sees fra figuren 7B at fjelltoppene P1 og N1 for ERP er mer forsinket enn tilsvarende topper LFP i supragranular laget. Imidlertid er timelige profiler av disse to nevrale signaler lignende, med P1 foran N1. På den annen side, timelige profilen av ERP er markert forskjellig fra detaljert (laget IV av fat cortex) LFP (figur 7C). Viktigere er de ikke speil bilder av hverandre, med detaljert LFP dominert av en enkelt negative topp (som reflekterer en stor vask i kortikale lag IV), mens ERP besto hovedsakelig av to toppene med motsatt polaritet.
Figur 7: sammenligning av timelige dynamikken i ERP og LFP. (A) ERP (heltrukket linje) lagt med supragranular LFP (stiplet linje). Skygge angir standardfeil. (B) normalisert ERP (heltrukket linje) lagt med normalisert supragranular LFP (stiplet linje). (C) normalisert ERP (heltrukket linje) lagt med normalisert detaljert LFP (stiplet linje). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
ERP signalet ble målt via en edderkopp elektrode plassert på skallen med en burr hull bores inn i det. For å undersøke effekten av hullet på EEG innspillinger, ble en annen edderkopp elektrode plassert på intakt skallen over ipsi-lateral fat cortex. Omsorg ble tatt for å sikre at impedances av to edderkopp elektrodene var sammenlignbare i omfanget ved å justere mengden EEG lim brukes. Data fra fire rotter (som var ikke den samme rotter anvendt over) presenteres her.
Figur 8 viser de samtidige hvile tilstand EEG opptakene fra begge elektrodene i en rotte, med 100 s dataene som vises i figur 8Aog dataene i rammen (20 s) er utvidet i figur 8B. To EEG signalene variere hovedsakelig co, innenfor lignende amplitude. Figur 9 viser PSD av fire rotter, med den øverste raden med en lineær skala på frekvensen aksen og nederste rad bruker en logaritmisk skala på frekvensen aksen for å gi en utvidet visning i de lavere frekvensområdene. Figur 9synes det ikke å være konsekvent skjevhet i PSD over fag. Dette ble bekreftet ved å utføre en utvalg t-tester på normalisert forskjellene i gjennomsnitt PSD i de fem frekvensbånd, som vist i Figur 10. Ingen normalisert PSD forskjellene på disse frekvensbånd var signifikant forskjellig fra null (p = 0,32, 0.46, 0,85, 0.69 og 0,97, henholdsvis).
Figur 8: bilaterale EEG innspillinger. (A) Skull EEG opptak under hvile tilstand med burr hull i skallen (svart) og en samtidig EEG innspillingen på den motsatte halvkulen med skallen intakt (grå). (B) utvidet visning av bølgeformer i rektangulære rammen i (A). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 9: Power spectral tetthet (PSD) contra-(blå) og ipsi-lateral (rød) EEG. Hver kolonne viser PSD for ettall rotten. Toppen panelene bruker lineær frekvens skala, mens bunnen panelene bruker logaritmisk frekvens skala tillate PSD i de lavere frekvensområdene å bli visualisert. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 10: gruppere analyse. Normalisert forskjellen contra- og ipsi-lateral PSD med de fem frekvensbånd: Delta, Theta, alfa, Beta og Gamma. Hver viser mener normalisert forskjellene innenfor frekvensbåndet, med standard feil vises som feilen baren. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Discussion
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.
Disclosures
Forfatterne ikke avsløre.
Acknowledgments
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).
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).
