대뇌 피 질의 로컬 필드 전위 및 응답 Nociceptive 레이저 자극으로 자유롭게 이동 하는 쥐에서 Electrocorticograms의 동시 녹음
Summary
우리는 동시에 응답 nociceptive 레이저 자극으로 자유롭게 이동 하는 쥐에서 electrocorticography와 로컬 필드 전위를 기록 하는 기술을 개발 했다. 이 기술은 nociceptive 정보를 뇌에서 처리 조사를 용이 하 게 electrocortical 신호는 생체 및 거시적인 수준에서의 직접적인 관계를 설정 하는 데 도움이 됩니다.
Abstract
Electrocortical 응답, nociceptive 무료 신경 엔딩을 선택적으로 활성화 하는 레이저 열 펄스에 의해 elicited nociceptive 정보 대뇌 피 질의 처리를 조사 하는 많은 인간과 동물 연구에서 널리 사용 됩니다. 여러 과도 응답 시간 고정 레이저 자극의 발병에는 이러한 레이저 갖는 뇌 전위 (LEPs)에 의하여 이루어져 있다. 그러나, LEP 응답의 기능 특성 아직도 크게 알려지지 않은, 동시에 피 (즉, electrocorticogram [ECoG]과 두 피 표면에 신경 활동을 기록할 수 있는 샘플링 기법 부족 [두 피 뇌 파] 뇌 파)와 (즉, 로컬 필드 가능성 [LFP]) 뇌 내부. 이 문제를 해결 하려면 선물이 여기 자유롭게 움직이는 쥐를 사용 하 여 동물 프로토콜. 이 프로토콜은 세 가지 주요 절차의 구성: (1) 동물 준비 및 수술 절차, (2) 동시 녹음 ECoG 및 LFP nociceptive 레이저 자극, 그리고 (3) 데이터 분석 및 기능 추출에 대 한 응답에서. 특히, 3D 인쇄 보호 쉘의 도움으로, 쥐의 두개골에서 이식 ECoG와 LFP 전극 함께 안전 하 게 개최 했다. 데이터 수집 하는 동안 레이저 펄스는 때 동물 자발적인 고 요함에 챔버 바닥에 있는 간격을 통해 쥐의 forepaws에 전달 되었다. 지속적인 백색 잡음 청각 시스템의 정품 인증 피하기 위해 레이저에서 생성 된 초음파에 의해 연주 되었다. 결과적으로, nociceptive 응답만 선택적으로 기록 되었다. 우리 LEPs 높은 신호 대 잡음 비율을 보여주는 결과 얻은 (예를 들어, 대역 통과 필터링, epoch 추출, 및 기준선 보정) 두뇌 자극 관련 응답을 추출 하 표준 분석 절차를 사용 하 여, ECoG 및 LFP 전극에서 동시에 기록 했다. 이 방법론 ECoG LFP 활동의 동시 녹음을 가능 하 게, 생체 및 거시적인 수준에서 electrocortical 신호에 따라서 nociceptive 정보 처리의 조사를 촉진의 다리를 제공 하 두뇌.
Introduction
뇌 파 진동 뇌 활동은 뇌에 뉴런의 수천의 동기화 된 활동에 의해 생성 된 전기 잠재력을 기록 하는 기술입니다. 그것은 많은 기초 연구와 임상 응용1,2에 널리 사용 된다. 예를 들어, 뇌 파 응답 강렬한 레이저 펄스 (즉, LEPs) 열 nociceptive 감각 입력된3,,45의 주변 및 중앙 처리 조사에 널리 채택 된다. 인간에서는, LEPs 주로 이루어져 세 가지 심한: somatotopically 조직과 가능성이6기본 somatosensory 피 (S1) 활동을 반영 하는 초기 구성 요소 (N1) 그리고 늦은 구성 요소 (n 2와 P2) 중앙 분산 하 고 보조 somatosensory 피 질, insula, 및 이전 대상 피 질7,8의 활동을 반영 하기 위해 가능성이. 이전 연구9,10, 우리 뇌의 노출된 표면에 전극에서 그 쥐 LEPs, ECoG (intracranial 뇌 파의 일종)를 사용 하 여 샘플링을 시연, 세 가지 심한 ( 의 구성도 즉,, somatotopically 조직 N1 중앙 분산 n 2와 P2). 극성, 순서, 및 쥐 LEP 컴포넌트의 지형 인간의 LEPs11와 유사 하다. 그러나, 때문에 두 피 뇌 파와 경 ECoG 녹음12의 제한 된 공간 해상도, 뇌 파의 부정확 한 특성 뿐만 아니라 소스 분석 기법13, LEP 구성 요소에 신경 활동의 상세한 기여 많은 토론. 예를 들어 그것은 불분명 한 경우와 S1 레이저 자극6elicited 대뇌 피 질의 응답 (N1)의 초기 부분에 기여 하는 정도입니다.
거시적인 수준, 직접 intracranial 녹음 stereotaxic 기구 및 microdrives14,에 의해 원조 하는 microwire 배열을 사용 하 여에 기록 기술에서 다른15 신경 활동 (예를 들어, LFPs 측정 수 있습니다. )의 특정 지역. LFPs는 주로 로컬 신경 인구16의 금지 또는 흥분 성의 postsynaptic 잠재력의 합계를 반영합니다. LFP 샘플링 신경 활동 기록 전극 주위 마이크로미터의 수백에 내에서 발생 하는 신경 과정을 반영, 이후 생체 수준에서 뇌에서 처리 하는 정보를 조사 하이 녹음 기술은 널리 이용 된다. 그러나, 그것은 단지 뇌 활동의 정확한 지역 변화에 초점을 맞추고 및 여러 영역에서 신호는 통합 하는 방법의 질문에 대답 수 없습니다 (예를 들어, 여러 뇌 영역에 LEP 구성 요소는 통합 하는 방법).
ECoG 및 자유롭게 이동 하는 쥐에서 피 질 LFPs의 동시 녹음 거시적인 모두에서 처리 하는 대뇌 피 질의 정보 조사를 촉진 수 주목할 만한 생체 수준. 또한,이 방법론 조사 범위를 미리 정의 된 뇌 영역의 신경 활동은 LEPs 기여할 수 있는 좋은 기회를 제공 합니다. 실제로, 스파이크, 대뇌 피 질의 LFP 사이의 일관성을 평가 하는 몇몇 이전 학문 그리고 ECoG17,18 신호 시연 LFP19,20 EEG 전극에 인접 한에 기여는 자극-관련 된 뇌 반응의 형성입니다. 그러나, 기존 기술은 전극 충돌에 의해 손상 되지 않도록 보호 껍질의 부족으로 인해 마 취 동물에서 두뇌 응답을 일반적으로 사용 됩니다. 즉, 쥐를 자유롭게 이동 생체 (대뇌 피 질의 LFP) 및에서 거시적인 (뇌 파와 ECoG) 수준에서 electrocortical 신호의 다리를 구축할 수 있는 기술은 아직 부족 한.
이 문제를 해결 하려면 우리는 ECoG 및 대뇌 피 질의 LFPs 자유롭게 이동 하는 쥐에서 동시에 여러 뇌 영역에 기록 수 있는 기술을 개발 했다. 이 기술은 nociceptive 정보를 뇌에서 처리 조사 촉진 생체 및 거시적인 수준에서 electrocortical 신호의 직접적인 관계를 설정 하는 데 도움이 됩니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
현재 연구에서 우리는 ECoGs 및 대뇌 피 질의 LFP 응답 nociceptive 레이저 자극에서 쥐를 자유롭게 이동 하 여 elicited 동시에 기록 하는 기법을 설명. 결과 LEP 응답 ECoG 및 LFP 신호에 레이저 자극의 발병 후 명확 하 게 검출 될 수는 나타났다. ECoG 및 대뇌 피 질의 LFP 신호 동시 녹음에는 더 나은 이해 LEP 구성 요소에 신경 활동의 기여에 대 한 그들의 관계를 조사 하는 과학자 수 있게 된다.
<p class="jove_con…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 CA 키 실험실의 정신 건강, 심리학의 연구소, 중국 (31671141 및 31822025)의 국가 자연과학 기초에 의해 지원 되었다, 13회 (XXH13506), 과학의 중국 아카데미의 정보화 5 개 년 계획 그리고 심리학의 연구소, 중국 과학 아카데미 (Y6CX021008)의 과학 재단 프로젝트.
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
- 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).
- Peng, W., et al. Brain oscillations reflecting pain-related behavior in freely moving rats. Pain. 159 (1), 106-118 (2018).
- Treede, R. D. Neurophysiological studies of pain pathways in peripheral and central nervous system disorders. Journal of Neurology. 250 (10), 1152-1161 (2003).
- 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).
- Bromm, B., Treede, R. D. Nerve fibre discharges, cerebral potentials and sensations induced by CO2 laser stimulation. Human Neurobiology. 3 (1), 33-40 (1984).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Mouraux, A., Iannetti, G. D. Across-trial averaging of event-related EEG responses and beyond. Magnetic Resonance Imaging. 26 (7), 1041-1054 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bruyns-Haylett, M., et al. The neurogenesis of P1 and N1: A concurrent EEG/LFP study. NeuroImage. 146, 575-588 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hu, L., et al. Was it a pain or a sound? Across-species variability in sensory sensitivity. Pain. 156 (12), 2449-2457 (2015).
- 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).
- Polterovich, A., Jankowski, M. M., Nelken, I. Deviance sensitivity in the auditory cortex of freely moving rats. PLoS One. 13 (6), e0197678 (2018).
- 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).
- 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).
