Summary

Одновременной записи корковых местных потенциалов поля и Electrocorticograms в ответ на раздражители ноцицептивных лазера от свободно перемещающихся крысы

Published: January 07, 2019
doi:

Summary

Мы разработали технику, которая одновременно записывает как electrocorticography, так и местных потенциалов поля в ответ на раздражители ноцицептивных лазера от свободно перемещающихся крыс. Эта техника помогает установить прямую связь electrocortical сигналов на мезоскопических и макроскопических уровнях, которая облегчает расследование ноцицептивных обработки информации в головном мозге.

Abstract

Electrocortical ответы, вызвал лазерных импульсов тепла, которые выборочно активировать ноцицептивных бесплатно нервных окончаний, широко используются во многих исследованиях на животных и человека расследовать корковых обработки ноцицептивных информации. Эти потенциалы лазер вызвала мозга (Лепс) состоят из нескольких переходных ответов, которые заблокированы время до наступления лазерной раздражителей. Однако функциональные свойства ЛЭП ответов по-прежнему в значительной степени неизвестными, из-за отсутствия техники выборки, что можно одновременно записывать нейронная деятельности на поверхности коры (то есть, electrocorticogram [ECoG] и волосистой части головы Электроэнцефалограмма [скальпа ЭЭГ]) и внутри мозга (т.е., потенциальных местах [LFP]). Для решения этой проблемы, мы представляем здесь животных протокол, используя свободно движущихся крыс. Этот протокол состоит из трех основных процедур: подготовка (1) животных и хирургических процедур, (2 одновременная запись ECoG и LFP в ответ на раздражители ноцицептивных лазерной и (3) данных анализа и функция извлечения. В частности с помощью 3D-печати защитные оболочки, ЭГ и LFP электродов имплантирован на череп крыса надежно держались вместе. Во время сбора данных лазерные импульсы были доставлены на передних лапах крыс через пробелы в нижней части камеры, когда животное было в спонтанное Тишина. Чтобы избежать активации слуховой системы сыграл текущих белый шум лазер генерируется ультразвук. Как следствие избирательно были записаны только ноцицептивных реакций. С использованием стандартных аналитических процедур (например, полосовая фильтрация, эпоха добыча и коррекция базовой линии) для извлечения связанных с стимул мозга ответов, мы получили результаты показывают, что были Лепс с высоким соотношением сигнал шум одновременно записан с ЭГ и LFP электродов. Эта методология позволяет одновременной записи ECoG и LFP деятельности, которая обеспечивает мост electrocortical сигналов на мезоскопических и макроскопических уровнях, способствуя тем самым расследования обработки ноцицептивных информации в головном мозге.

Introduction

ЭЭГ — это метод для записи электрических потенциалов и колебательных мозга мероприятий, порожденных синхронизированную деятельность тысяч нейронов в головном мозге. Он широко используется во многих основных исследований и клинического применения1,2. Например, ЭЭГ ответы интенсивного лазерного нагрева импульсов (т.е., Лепс) широко принят расследовать периферической и Центральной обработки ноцицептивных сенсорного ввода3,4,5. В организме человека, Лепс главным образом состоят из трех различных прогибов: компонент раннего (N1), который somatotopically организованной и, вероятно отразить деятельность первичной соматосенсорной коры (S1)6и конце компоненты (N2 и P2), которые находятся в центре города распределенные и более вероятно отразить деятельность вторичных соматосенсорной коры, insula и передней поясной коры7,8. В предыдущих исследованиях9,10мы показали, что крысы Лепс, отобранных с помощью ЭГ (тип внутричерепных ЭЭГ) от электродов, расположенных прямо на внешней поверхности мозга, также состоит из трех отдельных прогибов ( т.е., somatotopically организовал N1 и централизованно распределенных N2 и P2). Полярности, порядок и топографии крыса ЛЭП компоненты похожи на человека Лепс11. Однако из-за ограниченного пространственного разрешения скальпа ЭЭГ и субдуральные ECoG записи12, а также неточные характер ЭЭГ исходный анализ методов13, подробные вклад нейронных деятельности компонентов ЛЭП много обсуждается. Например это неясно, если и степени способствует S1 в начале корковых ответа (N1) с лазерной раздражители6.

Отличается от метода записи на макроскопического уровня, прямой внутричерепных записи, с помощью микропровода массивов с помощью стереотаксического аппарата и диски Microdrive14,15 может измерить нервной деятельности (например, LFPs ) конкретных регионов. LFPs главным образом отражают суммирование тормозящий или возбуждающих постсинаптических потенциалов местных нейрональных популяций16. Поскольку LFP-пробы нервной деятельности отражают нейрональные процессы, происходящие в течение сотен микрометров вокруг электрода записи, эта техника записи широко используется для изучения информации, обработка в головном мозге на уровне мезоскопических. Однако, он только фокусируется на точные локальные изменения деятельности мозга и не может ответить на вопрос как интегрированные сигналы от нескольких областей (например, как ЛЭП компоненты интегрируются в нескольких регионах мозга).

Стоит отметить, что одновременная запись ECoG и корковых LFPs от свободно перемещающихся крыс может облегчить расследование обработки как на макроскопическом корковых информации и мезоскопических уровней. Кроме того эта методология обеспечивает прекрасную возможность для изучения степени, нервной деятельности предопределенные мозга регионов содействовать Лепс. Действительно, ряд предыдущих исследований получили оценку согласованности между шипами, корковые LFP, и ЭГ сигналов17,18 и продемонстрировал, что способствует19,LFP20 , прилегающих к электрода ЭЭГ Формирование мозга стимул ответов. Однако существующий метод обычно используется для записи мозга ответов от наркотизированных животных из-за отсутствия защитной оболочки для предотвращения электродов от повреждения от столкновения. Другими словами метод, который может построить мост electrocortical сигналов в мезоскопических (корковых LFP) и макроскопических уровнях (ЭЭГ и ЭГ) свободно перемещающихся крысы по-прежнему отсутствует.

Для решения этой проблемы, мы разработали технику, которая может записывать ECoG и корковых LFPs в нескольких регионах мозга одновременно, от свободно перемещающихся крыс. Эта техника помогает установить прямую связь electrocortical сигналов на мезоскопических и макроскопических уровнях, способствуя тем самым расследование ноцицептивных обработки информации в головном мозге.

Protocol

Взрослых самцов крыс Sprague-Dawley (весом 400-450 г) были использованы в эксперименте. Все хирургические и экспериментальной процедуры руководства для ухода и использования лабораторных животных национальных институтов здоровья. Процедуры были одобрены Комитет по этике исследований в инстит?…

Representative Results

Представитель эксперимента электрофизиологических данных из пяти крыс были записаны. Лазер стимулы были доставлены в правой лапы каждой крыса в 20 раз с > 40 s interstimulus интервалы. Лазер вызвала мозга, ответы были записаны с помощью ECoG винты и глубины провода и провода глуб?…

Discussion

В настоящем исследовании мы описали технику, чтобы одновременно записывать ECoGs и корковые LFP ответы, вызвал ноцицептивных лазерной стимулы от свободно перемещающихся крыс. Результаты показали, что ЛЭП ответы могут быть четко обнаружены после начала лазерного раздражителей в ЭГ и LFP сиг…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа была поддержана CAS ключ Лаборатория психического здоровья, Институт психологии, Национальный фонд естественных наук Китая (31671141 и 31822025), 13й информатизации пятилетний план Китайской академии наук (XXH13506), и научный фонд проекта Института психологии, Китайской академии наук (Y6CX021008).

Materials

Male Sprague-Drawley rats Vital River
Isoflurane RWD Life Science
Small animal isoflurane anaesthetic system RWD Life Science Including the anesthesia gas mask for rats
Stereotaxic apparatus RWD Life Science
The apparatus with combined ECoG and LFP electrodes The apparatus is home-made, which assembles the ECoG and depth wire electrodes to a connector module
3D-printed protective shell The texture of shell is polylactic, and the shell is home-made and contains three parts: a base, a wall and a cap. The wall is covered by copper tapers to construct as a Faraday cage
Tungsten wires (diameter: 50 mm) California Fine Wires Company The electrodes for cortical LFP recording
 Stainless steel screws
(diameter: 0.6 mm)
The electrodes for ECoG recording
Electric cranial drill RWD Life Science
 Drill bit (diameter: 0.5 mm) RWD Life Science The drill is used for drilling the holes of ECoG screws
 Drill bit (diameter: 0.2 mm) RWD Life Science The drill is used for drilling the holes of depth wires 
Dental arylic powder SNC dental
Dental arylic liquid SNC dental
Paraffin Fisher Scientific The mixture is used for seal the craniotomy to ensure the following movement of micro-wire arrays
Mineral Oil Fisher Scientific
Electrocoagulator  Bovie medical Corporation
RHD2132 Amplifier Boards  Intan Technologies A 32-channel headstage
RHD2000 systerm Intan Technologies The data acquisition systerm
Infrared neodymium yttrium aluminum perovskite (Nd:YAP) laser generator Electronical Engineering
Matlab R2016b The MathWorks 

References

  1. Klimesch, W., Doppelmayr, M., Schwaiger, J., Winkler, T., Gruber, W. Theta oscillations and the ERP old/new effect: independent phenomena?. Clinical Neurophysiology. 111 (5), 781-793 (2000).
  2. Peng, W., et al. Brain oscillations reflecting pain-related behavior in freely moving rats. Pain. 159 (1), 106-118 (2018).
  3. Treede, R. D. Neurophysiological studies of pain pathways in peripheral and central nervous system disorders. Journal of Neurology. 250 (10), 1152-1161 (2003).
  4. Iannetti, G. D., et al. Evidence of a specific spinal pathway for the sense of warmth in humans. Journal of Neurophysiology. 89 (1), 562-570 (2003).
  5. Bromm, B., Treede, R. D. Nerve fibre discharges, cerebral potentials and sensations induced by CO2 laser stimulation. Human Neurobiology. 3 (1), 33-40 (1984).
  6. Valentini, E., et al. The primary somatosensory cortex largely contributes to the early part of the cortical response elicited by nociceptive stimuli. NeuroImage. 59 (2), 1571-1581 (2012).
  7. Valeriani, M., et al. Parallel spinal pathways generate the middle-latency N1 and the late P2 components of the laser evoked potentials. Clinical Neurophysiology. 118 (5), 1097-1104 (2007).
  8. Kuo, C. C., Yen, C. T. Comparison of anterior cingulate and primary somatosensory neuronal responses to noxious laser-heat stimuli in conscious, behaving rats. Journal of Neurophysiology. 94 (3), 1825-1836 (2005).
  9. Hu, L., et al. The primary somatosensory cortex and the insula contribute differently to the processing of transient and sustained nociceptive and non-nociceptive somatosensory inputs. Human Brain Mapping. 36 (11), 4346-4360 (2015).
  10. Xia, X. L., Peng, W. W., Iannetti, G. D., Hu, L. Laser-evoked cortical responses in freely-moving rats reflect the activation of C-fibre afferent pathways. NeuroImage. 128, 209-217 (2016).
  11. Jin, Q. Q., et al. Somatotopic Representation of Second Pain in the Primary Somatosensory Cortex of Humans and Rodents. The Journal of Neuroscience. 38 (24), 5538-5550 (2018).
  12. Lenkov, D. N., Volnova, A. B., Pope, A. R., Tsytsarev, V. Advantages and limitations of brain imaging methods in the research of absence epilepsy in humans and animal models. Journal of Neuroscience Methods. 212 (2), 195-202 (2013).
  13. Mouraux, A., Iannetti, G. D. Across-trial averaging of event-related EEG responses and beyond. Magnetic Resonance Imaging. 26 (7), 1041-1054 (2008).
  14. Li, X., et al. Extracting Neural Oscillation Signatures of Laser-Induced Nociception in Pain-Related Regions in Rats. Frontiers in Neural Circuits. 11, 71 (2017).
  15. Zhao, Z. F., Li, X. Z., Wan, Y. Mapping the Information Trace in Local Field Potentials by a Computational Method of Two-Dimensional Time-Shifting Synchronization Likelihood Based on Graphic Processing Unit Acceleration. Neuroscience Bulletin. 33 (6), 653-663 (2017).
  16. Buzsaki, G., Anastassiou, C. A., Koch, C. The origin of extracellular fields and currents–EEG, ECoG, LFP and spikes. Nature Reviews. Neuroscience. 13 (6), 407-420 (2012).
  17. Bimbi, M., et al. Simultaneous scalp recorded EEG and local field potentials from monkey ventral premotor cortex during action observation and execution reveals the contribution of mirror and motor neurons to the mu-rhythm. NeuroImage. 175, 22-31 (2018).
  18. Musall, S., von Pfostl, V., Rauch, A., Logothetis, N. K., Whittingstall, K. Effects of neural synchrony on surface EEG. Cerebral Cortex. 24 (4), 1045-1053 (2014).
  19. Bruyns-Haylett, M., et al. The neurogenesis of P1 and N1: A concurrent EEG/LFP study. NeuroImage. 146, 575-588 (2017).
  20. Kang, S., Bruyns-Haylett, M., Hayashi, Y., Zheng, Y. Concurrent Recording of Co-localized Electroencephalography and Local Field Potential in Rodent. Journal of Visualized Experiments. (129), e56447 (2017).
  21. Shikano, Y., Sasaki, T., Ikegaya, Y. Simultaneous Recordings of Cortical Local Field Potentials, Electrocardiogram, Electromyogram, and Breathing Rhythm from a Freely Moving Rat. Journal of Visualized Experiments. (134), e56980 (2018).
  22. Cloutier, S., LaFollette, M. R., Gaskill, B. N., Panksepp, J., Newberry, R. C. Tickling, a Technique for Inducing Positive Affect When Handling Rats. Journal of Visualized Experiments. (135), e57190 (2018).
  23. Fan, R. J., Kung, J. C., Olausson, B. A., Shyu, B. C. Nocifensive behaviors components evoked by brief laser pulses are mediated by C fibers. Physiology & Behavior. 98 (1-2), 108-117 (2009).
  24. Fan, R. J., Shyu, B. C., Hsiao, S. Analysis of nocifensive behavior induced in rats by CO2 laser pulse stimulation. Physiology & Behavior. 57 (6), 1131-1137 (1995).
  25. Hu, L., et al. Was it a pain or a sound? Across-species variability in sensory sensitivity. Pain. 156 (12), 2449-2457 (2015).
  26. Catarino, A., et al. Task-related functional connectivity in autism spectrum conditions: an EEG study using wavelet transform coherence. Molecular Autism. 4 (1), 1 (2013).
  27. Polterovich, A., Jankowski, M. M., Nelken, I. Deviance sensitivity in the auditory cortex of freely moving rats. PLoS One. 13 (6), e0197678 (2018).
  28. Li, G., Baker, C. L. Functional organization of envelope-responsive neurons in early visual cortex: organization of carrier tuning properties. The Journal of Neuroscience. 32 (22), 7538-7549 (2012).
  29. Fujita, S., Toyoda, I., Thamattoor, A. K., Buckmaster, P. S. Preictal activity of subicular, CA1, and dentate gyrus principal neurons in the dorsal hippocampus before spontaneous seizures in a rat model of temporal lobe epilepsy. The Journal of Neuroscience. 34 (50), 16671-16687 (2014).

Play Video

Cite This Article
Yue, L., Zhang, F., Lu, X., Wan, Y., Hu, L. Simultaneous Recordings of Cortical Local Field Potentials and Electrocorticograms in Response to Nociceptive Laser Stimuli from Freely Moving Rats. J. Vis. Exp. (143), e58686, doi:10.3791/58686 (2019).

View Video