Kortikal yerel alan potansiyelleri ve Electrocorticograms fareler serbestçe hareket nosiseptif lazer uyaranlara yanıt olarak eşzamanlı kayıt
Summary
Biz aynı anda hem electrocorticography hem de yerel alan potansiyelleri fareler serbestçe hareket nosiseptif lazer uyaranlara yanıt kaydeder bir teknik geliştirmiştir. Bu teknik araştırma nosiseptif bilgi beyinde işleme kolaylaştırır electrocortical sinyalleri mezoskopik ve makroskopik düzeyde, doğrudan bir ilişki kurmak yardımcı olur.
Abstract
Electrocortical yanıt-e doğru seçerek etkinleştirmek nosiseptif ücretsiz sinir uçları, lazer ısı bakliyat tarafından elde edildi, nosiseptif bilgi kortikal işleme araştırmak için birçok hayvan ve insan çalışmalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu beyin lazer uyarılmış potansiyeller (LEPs) lazer uyaranlara başlaması için zaman kilitli birkaç geçici yanıt oluşur. Ancak, LEP yanıt fonksiyonel özelliklerini hala büyük ölçüde bilinmeyen, aynı anda (yani, electrocorticogram [ECoG] ve kafa derisi korteks yüzeyine sinirsel aktiviteler kaydedebilirsiniz bir örnekleme tekniği eksikliği nedeniyle electroencephalogram [kafa derisi EEG]) ve beyin (yani, yerel alan potansiyel [LFP]) içindeki. Bu sorunu gidermek için burada özgürce hareketli fareler bir hayvan iletişim kuralı’nı mevcut. Bu iletişim kuralı üç ana prosedürleri oluşur: (1) hayvan hazırlık ve cerrahi işlemler, ECoG ve LFP aynı anda (2) bir kayıt nosiseptif lazer uyaranlara ve (3) veri analizi ve özellik çıkarma. Özellikle, 3D baskılı koruyucu bir kabuk sayesinde, sıçan kafatasında implante ECoG ve LFP elektrotlar güvenli bir şekilde birlikte yapıldı. Hayvan spontan sessizlik içinde iken veri toplama sırasında sıçan forepaws arasındaki alt odasının geçitlerden üzerinde lazer bakliyat teslim edildi. Devam eden beyaz gürültü işitme sisteminin aktivasyonu önlemek için lazer tarafından oluşturulan ultrasonlardan tarafından oynandı. Sonuç olarak, yalnızca nosiseptif yanıt seçmeli olarak kaydedildi. Standart analitik işlemleri (Örneğin, bant geçiren filtre, dönem ekstraksiyon ve temel düzeltme) uyarıcı ile ilgili beyin yanıt-e doğru çıkarmak için kullanılarak, yüksek sinyal gürültü oranı ile LEPs olduğunu gösteren bir sonuçları elde aynı anda ECoG ve LFP elektrotlar kaydetti. Bu metodoloji ECoG ve LFP faaliyetleri aynı anda kayıt sağlayan bir köprü electrocortical sinyal mezoskopik ve makroskopik düzeyde, böylece soruşturma nosiseptif bilgi işleme kolaylaştırmak, cihazlarý arasýnda beyinde.
Introduction
EEG elektrik potansiyelleri ve beyindeki nöronların binlerce eşzamanlı etkinlikler tarafından oluşturulan salınım beyin etkinlikleri kaydetmek için bir tekniktir. Halk pek çok temel çalışma ve klinik uygulamaları1,2kullanılır. Örneğin, EEG yanıt için yoğun lazer bakliyat (Örneğin, LEPs) ısı nosiseptif duyusal giriş3,4,5periferik ve merkezi işlem araştırmak için yaygın olarak kabul edilir. İnsanlarda, LEPs esas olarak üç ayrı deplasmanlar oluşur: somatotopically organize ve olası birincil somatosensor korteks (S1)6etkinliği yansıtmak üzere erken bileşen (N1) ve merkezi bir konuma sahip olan geç bileşenleri (N2 ve P2) Dağıtılmış ve büyük olasılıkla ikincil somatosensor korteks, Insula ve anterior singulat korteks7,8etkinliğini yansıtır. Önceki çalışmalar9,10, biz üzerinden doğrudan maruz kalan beyin yüzeyine yerleştirilen elektrotlar Şu sıçanı LEPs, ECoG (EEG intrakraniyal türü) kullanarak örnek gösterdi, ayrıca üç ayrı deplasmanlar ( oluşur Yani, somatotopically organize N1 ve merkezi olarak dağıtılmış N2 ve P2). Polarite, sipariş ve topografya sıçan LEP bileşenlerinin insan LEPs11‘ e benzer. Ancak, nedeniyle sınırlı Uzaysal Çözünürlük kafa derisi EEG ve subdural ECoG kayıtları12, analiz teknikleri13, sinirsel faaliyetleri LEP bileşenleri için detaylı katkısını EEG yanlış doğa yanı sıra kaynak çok tartışılıyor. Örneğin, belirsiz Eğer ve hangi lazer uyaranlara6tarafından elde edildi kortikal yanıt (N1) ilk bölümlerinde S1 katkıda ölçüde olur.
Bir stereotaksik aparatı ve Micro14,destekli microwire dizileri kullanma makroskopik düzeyde, doğrudan intrakraniyal recordings, kayıt tekniği farklı15 sinirsel Etkinlikler (Örneğin, LFPs ölçmek ), özel bölgelerin. LFPs esas olarak yerel nöron popülasyonları16inhibitör veya eksitatör postsinaptik potansiyelleri toplamı yansıtır. Sinirsel faaliyetleri LFP örneklenmiş mikrometre kayıt elektrot çevresinde yüzlerce içinde meydana gelen nöronal süreçleri yansıtan bu yana, bu kayıt teknik bilgi mezoskopik düzeyinde beyindeki işlem araştırmak için yaygın olarak kullanılır. Ancak, sadece beyin faaliyetleri kesin yerel değişiklikler üzerinde odaklanan ve birden fazla bölgeye gelen sinyalleri nasıl entegre soruya cevap veremez (Örneğin, nasıl LEP bileşenleri birden çok beyin bölgeleri entegre edilmiştir).
Bu bir ECoG ve fareler serbestçe hareket kortikal LFPs aynı anda kayıt soruşturma kortikal bilgi makroskopik her ikisini de işleme kolaylaştırabilir dikkati çekiyor ve mezoskopik düzeyleri. Buna ek olarak, bu yöntem için önceden tanımlanmış beynin sinirsel faaliyetleri için LEPs katkıda ölçüde araştırmak için mükemmel bir fırsat sağlar. Nitekim, birkaç önceki çalışmalarda sivri, kortikal LFP arasında tutarlılık değerlendirildi var ve ECoG ve17,18 sinyalleri LFP19,20 EEG elektrot bitişik katkıda gösterdi uyarıcı ile ilgili beyin yanıt oluşumu. Ancak, mevcut teknik genellikle beyin yanıt elektrotlar çarpışma tarafından zarar görmesini önlemek için koruyucu bir kabuk eksik nedeniyle imzalat hayvanlardan kaydetmek için kullanılır. Başka bir deyişle, köprünün mezoskopik (kortikal LFP) ve makroskobik (EEG ve ECoG) düzeylerinin electrocortical sinyallerin fareler serbestçe hareket inşa edebileceğini tekniği hala eksik.
Bu sorunu gidermek için bir ECoG ve kortikal LFPs fareler serbestçe hareket üzerinden aynı anda birden çok beyin bölgelerinde kayıt olabilir bir teknik geliştirdi. Bu teknik, böylece soruşturma nosiseptif bilgi beyinde işleme kolaylaştırmak electrocortical sinyalleri mezoskopik ve makroskopik düzeyde, doğrudan ilişki kurmak yardımcı olur.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu da çalışmanın, biz aynı anda ECoGs ve kortikal LFP yanıt-e doğru serbestçe hareket fareler nosiseptif lazer uyaranlara tarafından elde edildi kaydetmek için bir teknik nitelendirdi. Sonuçlar LEP yanıt açıkça ECoG ve LFP sinyalleri lazer uyaranların başlangıcından sonra tespit edilemedi gösterdi. ECoG ve kortikal LFP sinyalleri aynı anda kayıt ilişkilerine katkı LEP bileşenlerine nöronal faaliyetlerinin daha iyi anlamak için araştırmak bilim adamları sağlayacaktır.
<p class="jove_con…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu eser desteklenen CA anahtar laboratuvar ruh sağlığı, psikoloji Enstitüsü, Çin (31671141 ve 31822025) Ulusal Doğal Bilim Vakfı tarafından 13inci beş yıllık Informatization Plan Bilimler (XXH13506), Çin Akademisi ve bilimsel proje psikoloji Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi (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
- 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).
