Summary
Vi utvecklat en teknik som registrerar samtidigt både electrocorticography och lokala fältet potentialer som svar på nociceptiva laser stimuli från fritt rörliga råttor. Denna teknik hjälper upprätta en direkt relation av electrocortical signaler på Mesoskopisk och makroskopisk nivå, vilket underlättar utredningen av nociceptiva informationsbehandling i hjärnan.
Abstract
Electrocortical svar, framkallas av värme laserpulser som selektivt aktiverar nociceptiva fria nervändar, används ofta i många djur- och studier för att undersöka kortikala behandling av nociceptiva information. Dessa laser-framkallat hjärnan potentialer (LEPs) bestå av flera övergående reaktioner som är tid-låst till uppkomsten av laser stimuli. LEP Svaren funktionella egenskaper är dock fortfarande till stor del okänd, på grund av en provtagningsteknik som samtidigt kan registrera neurala verksamhet på ytan av cortex (dvs., electrocorticogram [ECoG] och hårbotten elektroencefalogram [hårbotten EEG]) och inne i hjärnan (dvs, lokala fältet potentiella [LFP]). För att lösa problemet, presenterar vi här en djur-protokollet använder fritt rörliga råttor. Detta protokoll är sammansatt av tre huvudsakliga sätt: (1) animaliska förberedelse och kirurgiska ingrepp, (2) en samtidig inspelning av ECoG och LFP svar på nociceptiva laser stimuli, och (3) data analys och funktionen utvinning. Specifikt, med hjälp av ett 3D-tryckt skyddande skal, var både ECoG och LFP elektroder implanterade på råttans skallen säkert hållit ihop. Under datainsamlingen levererades laserpulser på råttans framtassarna genom luckor i botten av kammaren när djuret var i spontana stillhet. Pågående vitt brus spelas för att undvika aktivering av hörselsystemet av de laser-genererade ultraljud. Följaktligen registrerades selektivt endast nociceptiva svaren. Med hjälp av standard analytiska förfaranden (t.ex., band-pass filtrera, epok utvinning och baslinjekorrektion) att extrahera stimulus-relaterade hjärnan svar, fått vi resultat som visar att LEPs med högt signal-brus-förhållande var samtidigt inspelade från ECoG och LFP elektroder. Denna metod möjliggör samtidig inspelning av ECoG och LFP aktiviteter som ger en bro av electrocortical signaler på makroskopisk nivå, Mesoskopisk och därigenom underlätta utredningen av nociceptiva informationsbehandling i hjärnan.
Introduction
EEG är en teknik för att registrera elektriska potentialer och oscillerande hjärnaktiviteterna genereras av synkroniserade aktiviteter av tusentals nervceller i hjärnan. Det är populärt används i många grundläggande studier och kliniska tillämpningar1,2. Exempelvis EEG Svaren till intensiv laser värma pulser (dvsLEPs) är allmänt antas för att undersöka den perifera och centrala bearbetningen av nociceptiva sensoriska input3,4,5. I människor, LEPs består huvudsakligen av tre distinkta nedtryckning: tidig komponenten (N1) som är somatotopically organiseras och sannolikt att spegla aktiviteten av den primära somatosensoriska cortex (S1)6och de sena komponenter (N2 och P2) som är centralt distribuerad och mer benägna att spegla aktiviteten av den sekundära somatosensoriska cortex, insula och främre cingulum7,8. I tidigare studier9,10, vi visade att råtta LEPs, provtas med ECoG (en typ av intrakraniell EEG) från elektroderna placeras direkt på den exponerade ytan av hjärnan, även bestå av tre distinkta omläggningar ( dvs., somatotopically organiserade N1 och centralt distribuerade N2 och P2). De polaritet, ordning och topografin av råtta LEP komponenter liknar mänskliga LEPs11. Dock på grund av den begränsa rumsliga upplösningen i hårbotten EEG och subdural ECoG inspelningar12, samt felaktiga beskaffenhet EEG källa analys teknik13, neurala verksamhet till de LEP komponenterna detaljerad bidrag mycket är omdebatterad. Exempelvis är det oklart om och i vilken utsträckning som S1 bidrar till den tidiga delen av kortikala svaret (N1) framkallas av laser stimuli6.
Skiljer sig från inspelningsteknik på makroskopisk nivå, direkt intrakraniell inspelningarna använda microwire arrayer med hjälp av en stereotaxic apparat och Microdrive-kort14,15 kunde mäta neurala verksamhet (t.ex., LFPs ) i specifika regioner. LFPs speglar främst summeringen av hämmande eller excitatoriska postsynaptiska potentialer neuronala lokalbefolkningarna16. Eftersom LFP-samplade neurala verksamhet återspeglar neuronala processer som sker inom hundratals mikrometrar runt inspelning elektroden, används denna inspelningsteknik ofta för att undersöka den information som bearbetar i hjärnan på Mesoskopisk nivå. Dock endast fokuserar på exakta lokala ändringar av hjärnaktiviteterna och kan inte svara på frågan om hur signaler från flera regioner är integrerade (t.ex., hur LEP komponenter är integrerade i flera hjärnregioner).
Det är värt att notera att samtidig inspelning av ett ECoG- och kortikal LFPs från fritt rörliga råttor kan underlätta undersökningen av kortikala informationsbehandling vid både makroskopisk och Mesoskopisk nivåer. Denna metod ger dessutom ett utmärkt tillfälle att undersöka i vilken utsträckning som de fördefinierade hjärnregioner neurala verksamhet bidra till LEPs. Faktiskt, flera tidigare studier har utvärderat samstämmigheten mellan spikar, kortikala LFP, och ECoG signaler17,18 och visat att de19,LFP20 intill EEG elektroden bidrar till den bildandet av stimulus-relaterade hjärnan svar. Den befintliga tekniken används dock oftast att registrera hjärnans svaren från sövda djur tack vare den saknar en skyddande skal att förhindra elektroderna skadas av kollision. Med andra ord, saknas fortfarande den teknik som kunde bygga bron av electrocortical signaler på Mesoskopisk (kortikal LFP) och makroskopisk (EEG och ECoG) nivåer i fritt rörliga råttor.
För att lösa problemet, utvecklat vi en teknik som kunde spela in en ECoG- och kortikal LFPs i flera hjärnregioner samtidigt från fritt rörliga råttor. Denna teknik hjälper upprätta det direkta förhållandet av electrocortical signaler på makroskopisk nivå, Mesoskopisk och därmed underlätta utredningen av nociceptiva informationsbehandling i hjärnan.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Vuxna manlig Sprague-Dawley-råttor (väger 400-450 g) användes i försöket. Alla kirurgiska och experimentella procedurer följde guiden för skötsel och användning av laboratoriedjur av National Institutes of Health. Förfaranden som godkändes av en forskningsetisk kommitté vid Institutet för psykologi, kinesiska vetenskapsakademin.
1. elektrod Implantation
- Söva råtta i en kammare med 5% isofluran och ett flöde på 1 L/min innan operationen.
- Använder en stereotaxic apparat, fixa huvudet av råtta med nosen placeras i narkos masken. Administrera isofluran via bedövningsmedel masken vid en koncentration på 2% med ett flöde av 0,5 L/min till upprätthålla bedövningsmedel djupet under operationen. Observera att den kirurgiska toleransen uppnås när råttan inte svarar på tå-klämmande.
- Tillämpa oftalmologiska salva till ögonen att undvika hornhinnan torkar.
- Raka toppen av råtta hårbotten med hjälp av en vanlig rakapparat.
- Sterilisera hårbotten med hjälp av den medicinska iodophor desinficerande lösning och 75% alkoholen ta bort joden.
- Injicera lidokain (2%) i hårbotten för lokal smärtlindring. Administrera atropin (0,2 mL i.p.) för att hämma respiratoriska hypersekretion.
- Gör en mittlinjen snitt på ca 2-3 cm i hårbotten med en skalpell. Klippa och ta bort delen av hårbotten längs mittlinjen och exponera kraniet. Använda electrocoagulator för att stoppa blödningen, när det behövs.
- Markera platserna av ECoG elektroder baserat på fördefinierade stereotaxic koordinater (placeras enligt positionen för Bregma) och platserna för referens och marken elektroderna på mittlinjen (placerad 2 och 4 mm caudally till Lambda, respektive).
- Borra hål (diameter: 0,5 mm) för ECoG skruvarna, använder en kranial borrmaskin på skallen på markerade platser, utan att förstöra dura.
- Kör en rostfria skruv (innerdiameter: 0,6 mm), som ansluter till den isolering-överdragen koppartråden, i hålet för cirka 1 mm djup utan att tränga in i underliggande dura. Dessa skruvar fungera som ECoG, referens och marken elektroder under experimentet.
- Placera ett skyddande skal på kraniet. Fast basen med dess intilliggande skruvarna på kraniet med dental akryl. Använd medicinska bomull som kunde tas bort efteråt för att skydda det område som är avsett att användas för djup tråd implantation från att omfattas.
Obs: Det skyddande skalet är en specialdesignad 3D-tryckt polylactic produkt, som består av tre delar: en bas, en vägg och en mössa. Väggen är täckt av koppar paraffinljus att konstruera som en Faradays bur. - Markera platserna av de djup trådelektroder baserat på fördefinierade stereotaxic koordinater.
- Borra små hål (diameter: 0,2 mm) på skallen runt de markerade platserna för wire implantation, och ta försiktigt bort ben luckan för att exponera dura. Tvätta kraniotomi ofta, med hjälp av fysiologisk koksaltlösning. Figur 1 beskriver upplägget före implantation av djup tråd elektroderna.
- Med hjälp av en nål, lyft och skär dura utan att skada den pia mater, fartyg och ytan av hjärnbarken.
- Lägre djup tråd elektroderna på ytan av hjärnbarken, och sedan, långsamt penetrera hjärnan att målet djupet. Ofta sluta röra ned elektroderna för kortikala motståndskraft. I den aktuella studien är djupet av tråd spets 0,5 mm under kortikala ytan.
- Försegla kraniotomi med en blandning av vax och paraffin olja för att säkerställa att djup tråd elektroderna kan flyttas för efterföljande experimentella manipulationer.
- Fixa elektrod apparaten använder dental akryl på skallen.
- Svetsa varje koppartråd som ansluter till ECoG skruven till motsvarande kanal på connector modul. Täcka svetsning fläckarna med lera för att undvika potentiella kontakt mellan olika kanaler.
- Montera väggens skyddande skal till basen och svetsa referens och marken elektroderna till motsvarande kanaler.
- Fixa locket till det skyddande skalet med band för att undvika kontaminering.
- Injicera råtta med penicillin (60.000 U, i.p.) omedelbart efter operationen för att förhindra postsurgical infektioner.
- Singel-hus råtta i en temperatur och luftfuktighet kontrollerade bur och hålla den i en 12-h dag/natt cykel efter operationen, med mat och vatten ad libitum för minst en vecka före LEP experimentet.
Obs: För att samtidigt registrera ECoG och kortikala LFP aktiviteter, en apparat användes här som var ihop med två typer av elektroder kopplade till en kontakt-modul, som innehöll flera Microdrive-kort bifogas de volfram tråd arrayer. Guld stiften användes att ansluta volfram kablarna till elektroden gränssnittskortet (EIB) i modulen kontakten genom att trycka på trådarna i små metall hål på EIB. Två metall hål på EIB var lödda med belagda koppartrådar, och den öppna änden av varje koppartråd var lödda med motsvarande koppartråden ansluten till ECoG skruv. Detaljerna i fabrication har varit beskrivs på annan plats21.
2. datainsamling
- Kittla råtta minst 1 x en dag för tre eller fler på varandra följande dagar innan experimentet att säkerställa att råttan blir bekant med de experimenter22.
- Placera råtta i beteende kammaren för minst 1 h innan experimentet att säkerställa råtta acclimatizes inspelning miljön.
Obs: Kammaren är en plast kub med en sida längd 30 cm. I kammarens botten är gjord av ett järn gallerdurk med ~ 8 mm mellanrum. - Anslut den inspelning headstage med elektrod modulen försiktigt, för att undvika skrämma råttan och skada modulen elektrod.
- Ställa in laser generatorn, Anslut den optiska fibern och justera lasern enligt utrustning bruksanvisningen spot storlek. Anslut den digitala utgången från trigger generatorn till den digital videoingång styrelsens inspelning.
Obs: ta hand inte för att krypa på optisk fiber överdrivet för att undvika att bryta av fibern. Innan inspelningen, kontrollera att utlösa signaler visas och inspelad av inspelningsprogrammet. I detta protokoll, strålande värme stimuli genereras av en infraröd neodymium yttrium aluminium perovskit (Nd: YAP) laser med en våglängd på 1.34 μm. Diametern på laser spot storlek ligger på ca 5 mm fokus linser. En han-Ne laser pekade på området stimuleras, vilket definieras beroende på syftet med experimentet. Dessutom bestäms stimulans energi laser pulserna enligt experimentell design. Den laser pulslängd är 4 ms. - Ställ in video kameran under hörnet av experimentella kammaren att kontinuerligt registrera nociceptiva beteenden av råtta när dess tass mottar nociceptiva laser stimuli. Justera position och riktning på kameran för att kontrollera de nociceptiva beteenden är helt inspelade i hela experimentet.
Obs: En höghastighets laddning – tillsammans enhet (CCD) kamera rekommenderas starkt, eftersom det kan leverera de operativa signalerna till moderkortet inspelningen systemet att registrera debut tid och varaktighet av nociceptiva beteende just. Nociceptiva beteenden bedöms av experimenter efter varje laser stimulans, enligt tidigare definierade kriterier baserade på djurförflyttningar23,24, enligt följande: ingen rörelse (Poäng = 0), huvud-vändningen (inklusive skakningar eller upphöja huvudet; Poäng = 1), blinka (dvs, en liten abrupt kropp jerking rörelsen; Poäng = 2), uttag (dvstass dementi från laser stimulans; Poäng = 3), Slickande och hela kroppen rörelse (Poäng = 4). - Leverera pågående vitt brus (50 dB SPL) via en högtalare längst upp i kammaren.
Obs: Som framgår i tidigare studier10,25, laser stimulering levereras på huden genererar ultraljud som kan upptäckas av råtta hörselsystemet. Av denna anledning spelas pågående vitt brus under hela försöket att undvika aktivering av hörselsystemet svar på laser-genererade ultraljud. Detta förfarande möjliggör selektiv inspelningen av hjärnan svar relaterade till aktiveringen av det nociceptiva systemet. - Samla de elektrofysiologiska data från både ECoG och djup tråd elektroderna, använda inspelningssystem enligt utrustning bruksanvisningen.
Obs: De operativa signalerna kameran och utlösaren signalerar av laserpulser provtas samtidigt med elektrofysiologiska data på samma samplingsfrekvens (alla data förstärks och digitaliserade med en samplingsfrekvens på 20.000 Hz), som säkerställer att alla uppgifter är tid-synkroniseras. - Leverera laserpulser till den plantar av råttans framtassen genom luckorna i botten av kammaren.
Obs: Laser stimulans levereras endast när råttan är spontana stillhet för mer än 2 s utifrån de experimenter's observation, att minimera signal föroreningen av de rörelserelaterade artefakterna. För att undvika nociceptor trötthet eller sensibilisering, målet av laserstrålen är fördrivna manuellt efter varje stimulans och interstimulus intervall är aldrig kortare än 40 s. ECoG och LFP signaler kan spelas flera gånger från varje råtta. Råttan måste sättas i experimentell kammare 1 h innan varje inspelningssession. Efter alla inspelningarna, råttan var djupt sövda och perfusion transcardially med iskall fosfatbuffrad saltlösning följt av 4% PARAFORMALDEHYD. Hjärnan var bort från skallen och sektioneras för att identifiera de elektrod positionerna.
3. dataanalys
- Filtrera kontinuerlig data med ett band-passera filter mellan 1 och 30 Hz.
- Epoken data med hjälp av ett fönster av 3 s, förlängas från 1 s innan 2 s efter debuten av laser stimuli. Baslinjejustering utförs genom att subtrahera betyder amplituden inom intervallet prestimulus.
- Manuellt avvisa de epoker som är förorenat av brutto artefakter.
- Beräkna den genomsnittliga LEP vågformer som är tid-låst till uppkomsten av laser stimuli för varje experimentella villkor.
- Beräkna wavelet transform samstämmigheten (WTC) i LEP vågformer inspelade från ECoGs och djup trådelektroder.
Obs: WTC är en teknik att utföra samstämmigheten mellan par elektroder som funktion av tid och frekvens. WTC mellan två signaler kan beräknas för varje tidsfrekvens punkt, som har fördelen av att generera konsekvent värden för hela tiden-frekvensspektrum. Uppgifter om metoden som har varit beskrivs på annan plats26.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
I representativa experimentet registrerades elektrofysiologiska data från fem råttor. De laser stimuli levererades till den högra framtassen av varje råtta för 20 gånger med > 40 s interstimulus intervall. Laser-framkallat hjärnan Svaren spelades in med hjälp av både ECoG skruvar djup ledningar och djup trådarna var implanteras i bilaterala primära somatosensoriska cortices (S1) och primära motor cortices (M1).
Som sammanfattas i figur 1, tråd två ECoGs (markerat med svart) och djup elektroder (markerade i färg, fem ledningar för var och en av de fyra regionerna) placerades enligt stereotaxic koordinater i följande positioner (uttryckt med hänvisning till Bregma, i mm. positiva värdena för X och Y-axeln anger rätt och främre platser, respektive): i den vänstra ECoG, X = -1,5 och Y = 1,75; i den högra ECoG, X = 1.5 och Y = 1,75; i vänster S1, X = -4 och Y = 0,5; i den högra S1, X = 4 och Y = 0,5; i den vänstra M1, X = -3 och Y = 3; i rätt M1, X = 3 och Y = 3.
Figur 2 visar elektrofysiologiska rådata från alla elektroder (två ECoG skruvar plus fyra av fem tungsten ledningar, fem volfram kablar i varje region i hjärnan), med uppkomsten av laser stimulans präglas av en vertikal dot linje. Vänligen observera att rensa LEP Svaren kan påvisas efter debuten av laser stimulans.
Figur 3 visar den grupp-nivå-i genomsnitt LEP vågformer från sex elektroder (två ECoG skruvar plus fyra volfram tråd, en representativ volframtråd i varje region i hjärnan) av fem råttor. Oavsett vilken inspelning plats består LEP Svaren av en dominerande negativa nedböjning (N1 wave). Den latens och amplituden av N1 vågen är enligt följande (medelvärde ± SEM): för den vänstra ECoG, 143 ± 9 ms och -51 ± 4 µV; för den högra ECoG, 145 ± 9 ms och -47 ± 4 µV; för vänster S1, 149 ± 9 ms och -86 ± 7 µV; för rätt S1, 168 ± 10 ms och -71 ± 6 µV; för vänster M1, 179 ± 12 ms och -74 ± 7 µV; för rätt M1, 185 ± 11 ms och -63 ± 6 µV. viktigast av allt, är N1 latenser i de bilaterala ECoG och LFP signaler som spelats in från kontralaterala S1 liknande, som är klart kortare än de inspelade från den ipsilaterala S1 och bilaterala M1. Däremot är N1 amplituder största i kontralaterala S1 och minsta i bilaterala ECoGs.
Figur 4 visar WTC mellan LEPs provtas med ECoG skruvarna (signalerna från två ECoG skruvarna var i genomsnitt) och djup ledningar på olika hjärnregioner (rätt M1, rätt S1, vänster M1 och vänster S1). Observera att den kontralaterala (vänster) S1 och M1 visade en högre samstämmighet än ipsilaterala (höger) S1 och M1 på gamma-frekvensbandet (50-100 Hz).
Figur 1: elektroden implantation set-up. Innan implantation av djup tråd elektroderna, en skyddande skal bas är placerad på kraniet, och de skruvar som används som ECoG elektroder är driven in i fördefinierade hål och fastställs av dental akryl. Fyra hål borras för implantation av djup trådelektroder (t.ex., volfram tråd matriser) vid positioner på toppen av den vänstra och högra S1 och M1, respektive. De skruvar som används som referens och marken elektroder placeras 2 och 4 mm caudally till Lambda och fast med det skyddande skalet som bas. Panelen till vänster visar foto av kirurgi efter implantation av ett skyddande skal bas. Panelen till höger visar diagrammet av kirurgi, som visade den allmänna formen av skyddande skal bas. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: elektrofysiologiska rådata på en representativ råtta. Visas signaler registreras från en representativ råtta med två ECoGs och trådelektroder för 20 djup (fem elektroder i varje region i hjärnan), använda elektroden ligger 2 mm caudally till Lambda som referens. Uppkomsten av laser stimulans är markerad med en lodrät dot-linje. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: grupp-nivå-i genomsnitt LEP vågformer. Visas i genomsnitt signalerna registreras från fem råttor vid två ECoGs och fyra djup trådelektroder (en representativ elektrod i varje region i hjärnan), använda elektroden ligger 2 mm caudally till Lambda som referens. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: wavelet transform samstämmigheten. Visade resultaten visar wavelet transform samstämmigheten mellan LEPs provtas med ECoG skruvar och djup ledningar på olika hjärnregioner (rätt M1, rätt S1, vänster M1 och vänster S1). Samstämmigheten var normaliserade till respektive baslinjen (0,5 s innan laser stimulans). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I den aktuella studien beskrev vi en teknik för att samtidigt registrera ECoGs- och kortikal LFP svar framkallas av nociceptiva laser stimuli från fritt rörliga råttor. Resultaten visade att LEP svaren kunde tydligt identifieras efter debuten av laser stimuli i både ECoG och LFP signaler. Samtidig inspelning av ECoG och kortikala LFP signaler gör det möjligt för forskare att undersöka deras relation för att bättre förstå ett bidrag av neuronala till de LEP komponenterna.
Fem kritiska steg i den föreslagna tekniken bör noteras. Först, är det viktigt att se till att ytan av kraniet är rena och torra före fixering det skyddande skalet bas på den, med dental akryl. Detta steg gör att basen skyddande skal är stabilt fixerad. Andra, eftersom diametern på ECoG skruvarna är något större än att av hål, inledande skruv köra kommer att förstora hålet för att bilda skruv-tråden. I den aktuella studien, avståndet mellan hålet för volfram kablar och hålet för ECoG skruven är mycket liten (t.ex., mindre än 0,3 mm). Om alla hål borras innan ECoG skruva körning och djup tråd införande, skallen runt ECoG hålen skulle vara bräcklig, och det skulle inte bära den mekaniska belastningen av hål utvidgningen under den skruvdragning. Av denna anledning behöver ECoG skruvarna drivas i hålen att bilda skruv-tråden innan hålet borrning för volfram tråd införande. Om de infoga ECoG skruvarna blockera vyn när du borrar hålen för volfram kablar, rekommenderas de är att vara drivande ut och drivande i igen efter steg 1.14 i protokollet. För det tredje, när du sätter de djup trådelektroder, experimenter är tänkt för att uppmärksamma motståndet på spetsen av volfram trådarna, som indikerar vanligtvis att djup trådarna är blockerade av hålkanten på skallen eller dura som inte har bort helt. Om så är fallet, djup ledningarna måste höjas och de eventuella hinder bör rengöras innan du sätter elektroder20. För det fjärde, när du fyller kraniotomi hålen med en blandning av vax och paraffin olja efter elektrod implantation, implanterade trådarna ska inte vara intryckt av yttre krafter. Därför är det att föredra att smälta i närheten placerade blandningen med electrocoagulator. För det femte, är det viktigt att se till att avståndet mellan laser ändstycket och målplatsen på råtta hålls på ca 1 cm att garantera att de upplevda laser energierna är konsekvent mellan olika prövningar10,25.
Faktiskt, för att se till att det skyddande skalet kan täcka och skydda hela apparaten, storleken på skalet är utformat för att vara relativt stor (en kub med sidan längd 3,5 mm) jämfört med råttans huvud. För att minimera påverkan av over-the-head enheten på råttans rörelse, rekommenderar vi att du använder råttor som vägde mer än 400 g i experimentet. Av denna anledning, denna teknik inte kan användas för att studera sofistikerade beteenden i råtta modellen och bör inte antas i andra modeller av mindre djur (t.ex., möss). Särskilt kan den föreslagna tekniken användas för att kombinera med andra tekniker som därigenom förlänga till många andra program. Exempelvis denna teknik kan tillämpas enkelt på rekord hjärnan Svaren frammanade av stimuli av olika förnimmelser (t.ex., auditiva och visuella)27,28 och tillämpad i hjärnan-identifieringsfunktioner av psykiatriska sjukdomar ( t.ex., epilepsi)29 i fritt rörliga råttor, vilket skulle främja utredningen av deras respektive Neurala mekanismer. Dessutom tål elektrod implantation testet för ungefär en månad, vilket ger möjlighet att utföra en longitudinell studie i framtiden.
Sammantaget ger vi en giltig teknik samtidigt spela in ECoG och LFP aktiviteter från fritt rörliga råttor. Denna teknik gör det möjligt för oss att undersöka den information som bearbetar i hjärnan både Mesoskopisk och makroskopisk nivå. Detta är viktigt för translationella studier till fynden av dokument för experimentella djur för en bättre förståelse av människans fysiologi och patofysiologi.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att deklarera.
Acknowledgments
Detta arbete stöds av CAS Key Laboratory of Mental Health, Institutet för psykologi, National Natural Science Foundation Kina (31671141 och 31822025), den 13: e femåriga Informatization planerar av den kinesiska vetenskapsakademin (XXH13506), och projektet vetenskaplig grund av Institute of Psychology, kinesiska vetenskapsakademin (Y6CX021008).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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).
