Summary
Det här protokollet beskriver en enkel metod för samtidig inspelning av samtidig lokaliserade elektroencefalografi (EEG) och multi-laminar lokala fältet potential i en sövda råtta. Ett burr hål borras i skallen för införande av en mikroelektrod visas att producera försumbar distorsion av EEG signalen.
Abstract
Även om elektroencefalografi (EEG) används allmänt som en icke-invasiv teknik för inspelning av neurala verksamhet av hjärnan, är vår förståelse av neurogenes av EEG fortfarande mycket begränsad. Lokala fältet potentialer (LFPs) spelas in via en multi-laminar mikroelektrod kan ge en mer detaljerad redogörelse för samtidiga neural aktivitet över olika kortikala skikt i hjärnbarken, men tekniken är invasiva. Att kombinera EEG och LFP mätningar i en preklinisk modell kan kraftigt öka förståelsen av de neurala mekanismerna som är involverade i generation av EEG signaler, och underlätta härledningen av en mer realistisk och biologiskt korrekt matematisk modell av EEG. En enkel procedur för att förvärva samtidiga och samtidig lokaliserade EEG och multi-laminar LFP signaler i sövda gnagare presenteras här. Vi undersökte också om EEG signaler påverkades betydligt av ett burr hål borras i skallen för införande av en mikroelektrod. Våra resultat tyder på att burr hålet har en försumbar inverkan på EEG inspelningar.
Introduction
Det är allmänt accepterat att LFPs spelas in via mikroelektroder främst återspeglar den viktade summan av synkroniserade retande och hämmande synaptisk aktiviteter pyramidal neurala lokalbefolkningarna1,2,3 , 4. vår senaste forskning visat att profilera av LFP signalen kunde delas upp i komponenter av excitation och hämning5,6. Dock som LFP mäts normalt via en invasiv förfarande, är det inte lämpad för de flesta studier av den mänskliga hjärnan.
Däremot, är EEG en icke-invasiv teknik för att mäta den elektriska aktiviteten i hjärnan. Det är allmänt används som ett diagnostiskt verktyg för vissa typer av neurologiska sjukdomar som epilepsi, och som ett verktyg för forskning i människans kognitiva studier. Trots sin popularitet är en större begränsning av EEG oförmåga att tolka dess temporal profiler just när det gäller de underliggande neurala signaler7,8,9.
Alltmer, är matematiska modeller av EEG utvecklade för att öka förståelsen av hjärnans funktion10,11,12,13,14,15. De flesta befintliga EEG modeller är utvecklade utifrån passande frekvens domän som kännetecknar modellen förutspådde utgång till EEG data spektrum under spontan aktivitet, och mycket få EEG modeller kan generera realistiska sensoriska evoked potentials. I detta sammanhang ger samtidiga inspelningar av EEG och LFP viktig insikt och begränsningar för att utveckla mer exakta matematiska modeller av EEG.
För att bemöta detta behov för samtidiga inspelningar att ytterligare undersöka neurala beskärningen av EEG, utvecklat vi en metod för att samtidigt registrera EEG och multi-laminar LFP signaler i neocortex sövda råttans. Installationen är liknande föregående samtidiga EEG/LFP-studier som utförts i primater16,17. Vi undersöktes ytterligare effekten av ett burr hål borrat i skallen på EEG inspelningar kring hålet, genom att jämföra bilaterala EEG recordings (dvsena hjärnhalvan med ett burr hål, den andra halvklotet intakt) i avsaknad av sensoriska stimulering. Våra resultat visar att samtidiga EEG/LFP inspelningar kan utföras enkelt och effektivt, med liten EEG signalen förvrängning från burr hål i skallen.
Protocol
Alla experiment utfördes enligt brittiska Home Office föreskrifter (djur (vetenskapliga förfaranden) Act, 1986) och godkänts av en forskningsetisk kommitté vid universitetet i Reading, UK.
1. animaliskt förberedelse
Obs: Kvinnliga Lister Hooded råttor användes för alla experiment. Detta är en icke-survival förfarande.
- Spela in råttans vikt på en laboratorieskala.
- Söva råtta i en kammare med 5% isofluran och en syre flöde 1 L/min.
- Placera råtta på en stereotaxic hållare med en pappershandduk under dess kropp och med tänderna vila via bettet bar... Pappershandduk kommer att underlätta införandet av en värme pad (se steg 2,3) och fånga någon avföring från råtta under experimentet.
- Administrera isofluran kontinuerligt via en hård-plast näsan konen monteras på näsan klämman för råtta adapter med en koncentration på 3% med en syre flöde av 0,5 L/min. Connect konen till ett litet djur isofluran narkos system.
2. kirurgiska ingrepp
- Infoga en termostatisk värmedyna under pappershandduk som råtta vilar, säkra råttans huvud med två öron barer och övervaka kroppstemperaturen med en rektal termometer.
- Raka toppen av råttans huvud.
- Tillämpa oftalmologiska salva i ögonen att förebygga korneal torkning.
- Innan utsätta kraniet, applicera lidokain droppar till hårbotten och massera försiktigt in i huden.
- Gör en mittlinjen snitt på ca 2-3 cm i hårbotten med en skalpell för att exponera ytan av skallen.
- Försiktigt separera den temporalis muskel contra-lateralen till whisker pad stimuleras från skallen med en Jacquette Scaler och ett par sågtandade och böjda dissekera pincett. Rensa skallen med bomullspinnar vid behov.
- Använder en flätad siden, icke-resorberbar sutur, knyt separerade muskeln i hårbotten med en stram knut och sedan knyta suturen säkert till stereotaxic ram18.
- Använd stereotaxic koordinater för att lokalisera fat cortex, 2,5 mm kaudalt till bregma och 6 i sidled mm till mittlinjen19. Rita en prick på platsen för den somatosensoriska cortex med hjälp av en penna eller en markör.
-
Borra ett burr hål på den markerade platsen med hjälp av en dental borr. För att förhindra skallen från överhettning under borrning, gäller steril koksaltlösning (natriumklorid 0,9%) för arbetsområdet varje 10-15 s. Borrning processen omfattar följande 3 steg:
- Borra ett hål med < 2 mm diameter i skallen med en borrspets #4 (0,055 i diameter). Se till att inte borra i dura.
- Tunna botten av hålet till genomskinlighet med hjälp av en borr #1/4 (0,019 i diameter).
- Använd en 27 G nål för att genomborra dura för att tillåta införandet av en mikroelektrod.
- Överföring råtta, säkrat på en stereotaxic ram, att en Faradays bur monterad ovanpå en vibrationer isolering arbetsstation.
- Bifoga en oximeter sensor klämman ansluten till en oximeter styrenhet till råttans hind tass att kontinuerligt övervaka följande fysiologiska parametrar: hjärtfrekvens, andningsfrekvens, arteriell syremättnad, puls dilatation och andedräkt dilatation. Dessa parametrar var visas kontinuerligt på en PC monitor, återspeglar fysiologiska tillstånd och anestesidjup råttans.
- Byta hårdplast näsan konen för isofluran administration och näsa klämman för råtta adapter med en microflex paus försedd med en transparent mjuk näsan konen som är modifierad (figur 1A) för att tillåta lätt morrhår stimulering till ena sidan av morrhår pad utan att kompromissa med isofluran administrationen.
- Infoga två rostfria stimulerande elektroder till whisker pad exponeras av cut-out på näsan konen.
- Anslut stimulerande elektroderna till en isolerad nuvarande stimulator.
- Lyfta huden på mittlinjen av halsen med pincett och göra en 1 ~ 2 cm snitt med sax redo för placering av referenselektroder. Se till att inte skära i muskelvävnaden.
3. co lokaliserade EEG/LFP Setup
- Rengör och torka skallen kring burr hålet med en bomullspinne.
- Noggrant placera konduktiv EEG klistra på en plan för en EEG spindel elektrod. Lämna ett litet hål klara av EEG pasta på spindel elektroden att tillåta en multi-laminar mikroelektrod passera genom hålet utan att kontakta pastan och spindel elektroden. Detta förhindrar elektrisk kontakt mellan EEG elektroden och mikroelektrod.
- Justera spindel elektroden till burr hål i skallen, med EEG pastan mot skallen.
- Tryck försiktigt spindel elektroden på skallen, att göra fast kontakt med skallen via EEG pastan. Ta bort eventuella pasta som skymmer den burr hål med en nål på en spruta.
- Ta bort överdriven EEG pasta bortom peripheryen av spider elektroden så att kontakten mellan spider elektroden och skallen är rumsligt begränsad till storleken på elektroden (figur 1B).
Figur 1: allmän inställning för samtidiga EEG/LFP inspelning. (A), installationen består av en modifierad Kona för användarvänlighet morrhår pad stimulering under isofluran anestesi, två stimulerande elektroder infogas i morrhår pad, en spindel elektrod placerad på skallbasen ovan den fat cortex contra-lateralen till stimulerande elektroderna, ett flerkanaligt mikroelektrod infogas i fat cortex genom spindel elektrod och referenselektroder placerade inuti ett snitt på baksidan av råttans hals. (B) en vy genom mikroskopet av spider elektroden säkert placerad på skallen av EEG pasta. Mikroelektrod infogas i ett burr hål borrat i skallen under spindel elektroden. Hårbotten hålls tillbaka av kirurgisk tråd (sutur) bundet till stereotaxic ram. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
- Smutskasta EEG pasta på referenselektroden för EEGEN och placera det säkert inuti snittet på baksidan av råttans hals.
- Anslut EEG elektroderna till förförstärkare via en passiv signal splitter för låg impedans signaler (figur 2). Kontrollera impedansen av spider elektroden är under 5 kΩ. Om det inte är, kontrollera att EEG pastan är i bra kontakt med skallen och elektroden är ordentligt intryckt för att EEG pastan. Lägg till fler EEG klistra in vid behov.
- Montera en micromanipulator arm på stereotaxic ram. Anslut en linjär 16-kanals mikroelektrod (100 µm mellanrum, området varje webbplats 177 µm2) till en 16-kanal akut headstage fast ordentligt på micromanipulator armen.
- Utstryk EEG klistra in på referenselektroder för EEG och mikroelektrod, sedan placera säkert dem inuti snittet (figur 1A).
- Justera vinkeln på micromanipulator armen så att mikroelektrod är vinkelrät mot den kortikala ytan. Denna vinkel är normalt mellan 25-35 °.
- Sänka mikroelektrod under ett Mikroskop genom att vrida micromanipulator vreden så att spetsen på mikroelektrod syftar lilla öppningen längst ned på burr hålet tills den översta elektroden tränger bara kortikala ytan. Var noga med att undvika tvingar mikroelektrod på ytan av dura som detta skulle bryta elektroden.
- Par den 16-kanals mikroelektrod till en förförstärkare ansluten till en dataenhet förvärv via en fiberoptisk kabel (figur 2).
- Slå på förförstärkare, data förvärv enheten och datorn ansluten till enheten. Slå på rutan stimulator.
- Infoga mikroelektrod normalt till kortikala ytan genom att långsamt vrider z-axeln av micromanipulator till ett djup av 1 500 µm20.
- Mikro-Justera djup genom att tillämpa ett tåg av stimulans till whisker pad och observerar den 16-kanals evoked LFP på en datorskärm med hjälp av programvara för data förvärv enheten installerad på datorn. Noggrant Vrid z-knappen på micromanipulator tills den högsta amplituden av den evoked LFP inträffar runt kanal 7 (eftersom detta sammanfaller med lager IV i cortex).
Obs: Ipsi-laterala EEG elektrod setup: för några experiment, en andra spider-elektrod placerades på ipsi-laterala sida intakt skallbasen ovan fat cortex. Denna inställning får bilaterala EEG inspelning under vilotillstånd att undersöka effekten av burr hålet på EEG signalen.
Obs: Det kirurgiska ingreppet att ställa in EEG elektroden är densamma som beskrivs ovan, utom att under steg 2,6, temporalis muskeln på varje sida av huvudet var noga skiljas från skallen, sys tillbaka och knuten ordentligt till motsvarande sida av den stereotaxic ramen.
Obs: Den samtidiga EEG/LFP setup är också densamma som beskrivs ovan, med ett ytterligare steg att en andra spider elektrod är laddad med EEG pasta, då tryckte fast till skallbasen ovan ipsi-laterala fat cortex.
Figur 2. En Signalera flödesdiagram. Råttan är placerad inuti en Faradays bur. Stimulerande elektroderna tar emot kommandon från rutan stimulator som kontrolleras av enhetens Data förvärv genom sin programvara installerad på en dator. Den neurala signal registreras av mikroelektrod överförs till en förförstärkare inne i Faraday-buren. Den neurala signal registreras av EEG sonden överförs till före förstärkaren genom en signal splitter. Förförstärkaren är ansluten till enhetens Data förvärv utanför Faraday bur via en fiberoptisk kabel. Neurala data lagras sedan på en lokal enhet på datorn, medan de kan även visas på en datorskärm. Ett mobilt litet djur isofluran system administrerar isofluran från utanför Faraday bur. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
4. elektrisk stimulering och neurala Recordings
Obs: Samplingsfrekvensen för alla neurala data är 24.41 kHz med 16-bitars upplösning. En rättegång består av en enda elektrisk stimulering i början av rättegången. Varje rättegång varar 10 s, som också är intervallet mellan stimulus (ISI). Varje stimulans är en fyrkantig puls 1.2 mA varar 0.3 ms. för bilaterala experiment för att studera effekten av burr hålet, kontinuerlig vilande tillstånd av 250 s registreras också.
- Öppna programvaran inspelning på datorn används.
- Ladda rätt kretsen för experimentet genom att välja 'Load projekt...' från menyn av 'OpenProject'. Ett nytt fönster ('WorkBench') visas (figur 3).
Figur 3. En visning av programvaran GUI för den Data förvärv affärsenhet Det gör den lämplig krets laddas, stimulering parametrar ställas in och data registreras och visualiseras. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
-
Skapa en ny katalog (kallas en ”Tank” av programvara) för att lagra neurala inspelningar.
- Klicka på 'Arkiv' från toppen av fönstret och välj 'Data Task Management'. Ett nytt fönster ('Tank Management') visas.
- I fönstret 'Tank Management', tryck på höger knapp på musen så visas en meny. Välj 'Skapa ny Tank'. Ett annat nytt fönster ('skapa Data Tank') visas.
- I fönstret ”Skapa Data Tank' Välj sökvägen där du planerar att skapa en ny datakatalog och ange namnet på den nya katalogen. Tryck sedan på 'OK'. Detta fönster kommer att försvinna.
- Den nya katalogen visas i fönstret 'Tank Management' men i grått. Registrera denna katalog genom att högerklicka på den och välj 'Registrera Tank' från menyn. En röd stjärna och en grön pil visas till vänster om den nya katalogens namn som nu är i svart (figur 4).
- Avregistrera något tidigare kataloger ej i bruk genom att högerklicka i fönstret 'Tank Management' och välja 'Uppdatera Tank List' i menyn.
- Klicka på 'OK' för att avsluta fönstret 'Tank Management'.
Figur 4: en uppvisning av programvaran GUI visar en registrerade datakatalog. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
-
Registrera den nya katalogen i 'Utrymme' Visa neurala signaler under experimentet.
- Klicka på ikonen ”räckvidd” i fönstret 'OpenProject'. Ett nytt fönster (”räckvidd”) visas.
- Högerklicka musen i fönstret 'Utrymme' och välj 'Uppdatera Tank List' i menyn. Den nya katalogens namn visas i grått.
- Klicka på den nya katalogen. En röd stjärna och en grön pil visas till vänster om den nya katalogens namn som nu är i svart.
- Ställa in experimentella parametrar för datainsamling i fönstret 'WorkBench' genom att klicka på 'Setup' från toppen av fönstret. Ett nytt fönster visas. Välj 'Sopa slinga', ange längden på rättegången och antalet försök som ska registreras.
- Kontrollera att rutan Stimulator är påslagen.
- Tryck på knappen 'Record' i fönstret 'WorkBench'. Ett nytt fönster visas. Ange namnet på datafilen du vill spara för den experimentella köra men slå inte tillbakaknappen i detta skede som EEG inspelning parametrar behöver ställas in.
-
Ställa in EEG inspelning parametrar med hjälp av den grafiska användargränssnitt (GUI) på förförstärkaren. Peka på skärmen (helst) av de förförstärkare att vakna upp på skärmen. Välj 'Låsa upp' för att låsa upp skärmen (figur 5).
- Tryck på den vänstra ikonen i ' 2: EEG' panel. En ny display visas.
- Tryck på 'Koppling' och välj 'AC'.
- Tryck på 'Ref läge' och välj 'Lokal'.
- Tryck på 'Samp pris' och välj ' 25 KHz'.
- Tryck på 'OK' för att återgå till den ursprungliga visningen.
Figur 5: The GUI på förförstärkaren. Det tillåter EEG inspelning parametrar (t.ex., samplingsfrekvens och refererande preferens) ställas in. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
- Kontrollera impedansen hos den EEG-probe(s) genom att trycka på mitten-ikonen i ' 2: EEG' panel. Om alltför hög, lägga till fler EEG pasta till sonden. Tryck på 'OK' för att återgå till den ursprungliga visningen.
- Vänta 20 s för att undvika inspelning av inledande fluktuationer i EEG inspelningarna.
- Gå tillbaka till datorskärm (efter 20 s vänta) och tryck 'Retur'-knappen på tangentbordet. EEGEN och LFP signaler kommer att registreras.
5. dataanalys
-
Förbehandla evoked LFP och EEG signalerna på en rättegång-av-rättegång grund med följande steg.
- Flytta tillbaka de neurala data i tid av 20 prover (motsvarar 0,82 ms). Detta är den fördröjning som produceras av den krets som används för att samla neural data i TDT själv. Genom att flytta data, justeras tidpunkten noll på uppkomsten av stimulans.
- Ta bort stimulans artefakt genom att ersätta neurala data från 0 till 1 ms med en rak linje som förbinder data pekar på 0 ms med datapunkten på 1 ms.
- Noll-medelvärde varje prövning genom att subtrahera medelvärdet av neurala signalen 200 ms före stimulans debut.
- Low-pass filtrerar data under 800 Hz med en 4th order Butterworth IIR typfilter i båda riktningarna för att undvika att införa någon tidsmässig förskjutning i data.
- Justera multi-laminar data över djuren. För varje djur har LFP data, applicera inversen nuvarande källkodspaketet täthet (spline till investerare, källa radien R = 0,5 mm) analys21 med Gaussisk filter (λ = 50 µm) för att hitta lagret sjunker IV1, som ges av den största negativa topp inträffar vid en kortikal djup under pial ytan inom de första 15 ms stimulans debutåldern. CSD och den motsvarande LFP, data justeras sedan enligt deras diskbänk platser över djuren. Gemensamma diskbänken ligger i lager IV, ~ 600 µm under pial ytan.
- Efter justering, Använd kanaler 2, 7 och 12 i den uträtad LFP som företrädare för neurala svaren från supragranular, granulat, infragranular lager, respektive i fat cortex.
- Beräkna medelvärdet frammanade LFP och EEG av genomsnitt förbearbetade data över 100 prövningar.
- För att undersöka effekten av burr hålet på EEGEN, signaler down-prov EEGEN till 1000 Hz, och beräkna den spektrala effekttätheten (PSD) för contra-laterala (med ett hål i skallen) och ipsi-laterala (intakt skalle) spindel elektrod inspelningar under en 250 s i vilande tillstånd. PSD är uträknade från 0,1-100 Hz i Matlab med hjälp av funktionen 'pmtm' som bygger på den multitaper metod22.
- Dela upp frekvensområdet i följande välkända frekvensband: Delta (δ): 0,1-4 Hz, Theta (): 4-8 Hz, Alpha (α): 8-13 Hz, Beta (β): 13-31 Hz, Gamma (γ): 31-100 Hz. beräkna den genomsnittliga PSD inom varje band.
- Inom varje frekvensband, beräkna normaliserade skillnaden i PSD, Pfela, mellan det contra- och ipsi-laterala EEGEN med hjälp av ekvation:
där Pc och Pjag är Genomsnittligt PSD av contra - och ipsi-laterala EEG, respektive i frekvensbandet sevärdheter. - Inom varje frekvensband, utför du ett one-sample t-test för att testa hypotesen att det finns ingen signifikant skillnad (på 0,05 signifikansnivå) mellan PSD av EEG signalen inspelade från de två hjärnhalvorna.
Representative Results
Data från 4 råttor var i genomsnitt för att få tiden serien tillämpliga. Amplituden av evoked EEG svar, även känd som händelsen med potential (ERP), är vanligtvis mycket mindre än LFP. Figur 6 visar den genomsnittliga ERP och LFP i supragranular, granulat, och infragranular lager av fat hjärnbarken, respektive. Fel bandet i varje tomt är motsvarande standardfel. Det kan ses att ERP är ungefär 10 gånger mindre än den evoked LFP.
Figur 6: menar (n = 4) neurala signaler av ERP, supragranular, granulat, och infragranular LFP. Shadow anger standardavvikelsen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Jämförelser av tidsmässiga dynamiken i ERP och LFP visas i figur 7. Direkta överlagring av ERP- och supragranular LFP i figur 7A illustrerar ordningen på amplitud skillnader mellan dessa två typer av neurala signaler. För att jämföra tidsmässiga dynamiken, är både affärssystem och LFP normaliserade med avseende på deras negativa maximal amplitud. Figur 7B och 7 C visar normaliserade ERP överlagrade med den normaliserade supragranular LFP och normaliserade granulat LFP, respektive.
Det kan ses från figur 7B att toppar i P1 och N1 för ERP är mer försenade än motsvarande topparna av LFP i supragranular lager. Men de temporal profilerna av dessa två neurala signaler är liknande, med P1 föregår N1. Däremot, ERP temporal profil skiljer sig markant från av granulat (lagret IV av fat cortex) LFP (figur 7 c). Ännu viktigare är de inte spegelbilder av varandra, med granulat LFP domineras av en enda negativa topp (avspeglar en större diskbänk i kortikala skikt IV), medan ERP bestod av två toppar med motsatt polaritet.
Figur 7: jämförelse av tidsmässiga dynamiken i ERP och LFP. (A) ERP (heldragen linje) ovanpå med supragranular LFP (streckad linje). Shadow anger standardavvikelsen. (B) normaliserad ERP (heldragen linje) ovanpå med normaliserade supragranular LFP (streckad linje). (C) normaliserad ERP (heldragen linje) ovanpå med normaliserade granulat LFP (streckad linje). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
ERP signalen mättes via en spindel elektroden placeras på skallen med ett burr hål borras in i den. För att undersöka effekten av hålet på EEG inspelningar, placerades en annan spindel elektrod på intakt skallbasen ovan ipsi-laterala fat cortex. Var försiktig att garantera att impedanser av två spindel elektroderna var jämförbara i storlek genom att justera mängden EEG pasta används. Data från fyra råttor (som inte samma råttorna användes ovan) som presenteras här.
Figur 8 visar de samtidiga vilande tillstånd EEG inspelningarna från båda elektroderna av en råtta, med 100 s-data som visas i figur 8A, och data i rektangulär ram (20 s) byggs ut i figur 8B. De två EEG-signalerna varierar till stor del Co inom liknande utbud av amplitud. Figur 9 visar PSD fyra råttor, med den översta raden med en linjär skala på frekvens axeln, och den nedersta raden med hjälp av en logaritmisk skala på frekvens axeln för att tillhandahålla en expanderad vy i det lägsta frekvensområdet. Från figur 9verkar det inte vara konsekvent bias i PSD över ämnen. Detta bekräftades genom att utföra one-sample t-test på normaliserade skillnaderna i genomsnitt PSD i fem frekvensbanden, visas i figur 10. Ingen av de normaliserade PSD skillnaderna i dessa frekvensband var signifikant från noll (p = 0,32 0,46, 0,85, 0,69 och 0,97, respektive).
Figur 8: bilaterala EEG inspelningar. (A) skalle EEG inspelning under vila stat med ett burr hål i skallen (svart) och en samtidig EEG-inspelning på den motsatta halvklotet med skallen intakt (grå). (B) utvidgad syn på vågformer inom den rektangulär ram (A). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 9: Power spektraltäthet (PSD) av contra-(blå) och ipsi-laterala (röd) EEGEN. Varje kolumn visar PSD för en råtta. Översta panelerna använda linjär frekvens skala, medan nedre panelerna använd logaritmisk frekvens skala för att tillåta PSD i det lägsta frekvensområdet att visualiseras. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 10: grupp analys. Normaliserade skillnaden mellan det contra- och ipsi-laterala PSD med fem frekvensband: Delta, Theta, alfa, Beta och Gamma. Varje stapel visar genomsnittlig normaliserad skillnaderna inom frekvensbandet, med standardfel visas som fel bar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Discussion
Vi har beskrivit en experimentell förfarande för samtidig inspelning av samtidig lokaliserade EEG och LFP signaler av en isofluran sövda råtta som svar på morrhår pad stimulering. En mikroelektrod infogades i neocortex genom en öppning i EEG spindel elektroden som var i linje med ett burr hål borrat i skallen. Elektroden säkrades till skallen av en ledande och självhäftande EEG klistra in23. Näsan konen används för administrering av isofluran ändrades så att stimulera elektroder kunde införas i morrhår pad med lätthet.
EEG pastan var effektivt vid montering spindel elektroden säkert till skallen, samtidigt som den ger utmärkt elektrisk ledningsförmåga hela experimentella dagen utan behov av ytterligare tillämpning av pasta. Den ersatte oönskad användning av lim fixar peripheryen av spider elektroden till skallen, lim är icke-ledande och kan höja impedansen hos elektroden om det löper mellan skallen och elektroden. EEG pasta har ett antal fördelar jämfört med EEG gel, som är svårt att forma runt burr hålet och kan torka ut under experimentet, vilket resulterar i dålig EEG signaler.
Som råttan placerades inuti en Faradays bur, var elektriska störningar på grund av miljön kraftigt försvagade. Ibland var neurala signalen dock fortfarande ganska bullriga. I de flesta fall detta orsakades av referenselektroden inte säkert placerad och behövde därför justeras eller mer EEG pasta används. Ett annat vanligt problem var att den evoked LFP var små i amplitud. Detta kan bero på den mikroelektrod inte placerad i mitten av regionen kortikala aktiveras av stimulerande elektroderna. I stället för att återinföra den mikroelektrod, som kan orsaka mer skada på den lokala nervceller, vi brukar anpassas stimulerande elektroderna position i morrhår pad tills en rimlig amplituden av LFP (> 3 mV) kunde observeras.
En av begränsningarna av tekniken är den fattiga rumsliga upplösningen av spider elektrod, som har en diameter på 6 mm. Detta är stor jämfört med storleken på råttans skalle. Tyvärr, spider elektroden används här är den minsta tillgängliga att köpa. Det skulle vara önskvärt att minska diametern på spindel elektroden till 2-4 mm, vilket ökar den rumsliga specificiteten av EEG inspelningar, att göra jämförelsen mellan EEG signalen och supragranular LFP signal mindre tvetydig.
Flera kritiska steg i protokollet behöver särskild uppmärksamhet. Först är införandet av mikroelektrod genom burr hål. Som dura är annars intakt insättningspunkten precision är avgörande. Ett lätt motstånd på spetsen av elektroden betyder oftast elektroden inte är rätt placerad. Det måste höjas, position justeras och återinföras. Andra är positionen av näskotten på råtta. Det måste inte vara för lös, som isofluran kommer att fly från konen. Det måste också inte vara alltför snäv, eftersom detta kan hindra näsborrarna av råttan och orsaka andningssvårigheter. Särskild uppmärksamhet krävs också för att säkerställa att amplituden av EEG inspelningen är mycket mindre (vanligtvis 5 till 10 gånger mindre) än LFP top kanal inspelningen. Om de är lika, är det en indikation på att EEG sonden kommit i direkt eller indirekt kontakt med mikroelektrod. En indirekt kontakt är oftast genom cerebral spinalvätskan (CSF) som ibland fyller hålet borras i skallen. Conductivityen av CSF är vanligtvis 100 gånger i skallen24,25. Således, om CSF inuti burr hålet är tillräckligt hög, kan det göra kontakt med spindel elektroden. Undvik detta genom bör hålet rengöras ofta med super absorberande bomull svampar såsom absorption spjut.
Effekten av ett burr hål (diameter < 2 mm) i skallen på EEGEN inspelning som omger hålet studerades genom att placera en annan spindel elektrod på intakt skallen ovanpå ipsi-laterala fat cortex så att bilaterala EEG inspelningar kunde jämföras. Resultaten visas i figur 9 och figur 10, föreslå effekten vara obetydliga på den 0,05 signifikansnivå. Andra faktorer som påverkar amplituden av EEGEN inkluderar hur väl EEG pastan var i kontakt med skallen, hur fast elektroden trycktes till pastan och den rumsliga utsträckning av EEG pasta på skallen.
Det är också värt att notera att protokollet beskrivs här registreras skalle EEG, som skiljer sig från hårbotten EEG används i EEG humanstudier. Hårbotten agerar som en resistor eller en lågpassfilter, vilket kommer att minska signal-brus-förhållandet av EEGEN inspelning ytterligare.
Jämförelse av den temporal dynamiken ERP och som av den evoked LFP olika kortikala lager föreslår slutligen att somatosensoriska evoked potential bättre återspeglar LFP i det supragranular lagret av cortex än i den granulat och infragranular lager. Detta är överens med vårt tidigare arbete6, visar att det första segmentet (P1) ERP är relaterad till återvändande nuvarande uppstå från inflödet av de excitatoriska synaptic nuvarande som förekommer i den korniga lagret, medan den efterföljande minska) N1) i ERP kan relateras till den försenade ankomsten av thalamic afferenta till kortikala skikt II/III eller återkoppling signaler från djupare kortikala skikt. Sammanfattningsvis, kan samtidiga inspelningar av EEG/LFP öka förståelsen av neurala uppkomsten av EEG, och underlätta matematisk modellering av EEG när det gäller neurala signaler över kortikala skikt.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Vi vill tacka Andrew Cripps och BioResource Unit vid universitetet i Reading. Forskningen finansierades av BBSRC (bevilja nummer: BB/K010123/1). Data som är associerade med detta arbete är fritt tillgängligt från 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).
