Summary
Vi udviklet en teknik, der samtidig registrerer både electrocorticography og lokale felt potentialer i respons på nociceptive laser stimuli fra frit flytte rotter. Denne teknik hjælper med at etablere et direkte forhold af electrocortical signaler på mesoskopisk og makroskopisk plan, som letter undersøgelsen af nociceptive informationsbehandling i hjernen.
Abstract
Electrocortical svar, fremkaldes ved varme laserpulser at selektivt aktiverer nociceptive frie nerveender, er meget udbredt i mange dyre- og humane undersøgelser for at undersøge den kortikale behandling af nociceptive oplysninger. Disse laser-fremkaldte hjernen potentialer (LEPs) består af flere forbigående reaktioner, der er tid-låst til udbrud af laser stimuli. De funktionelle egenskaber af LEP svar er imidlertid stadig stort set ukendt, på grund af manglen på en prøveudtagning teknik, der samtidig kan registrere neurale aktiviteter på overfladen af cortex (dvs, electrocorticogram [ECoG] og hovedbund elektroencefalogram [hovedbunden EEG]) og inde i hjernen (dvs.lokalt felt potentielle [LFP]). For at løse dette problem, præsenterer vi her et dyrs protokol bruger frit bevægelige rotter. Denne protokol er sammensat af tre vigtigste procedurer: (1) animalske forberedelse og kirurgiske procedurer, (2) en simultan optagelse af ECoG og LFP svar på nociceptive laser stimuli, og (3) data analyse og funktion udvinding. Specifikt, med hjælp af en 3D-trykt beskyttende skal, var både ECoG og LFP elektroder implanteret i rottens kraniet sikkert holdt sammen. Under dataindsamling, blev laserpulser leveret på rottens forepaws gennem huller i bunden af kammeret, når dyret var i spontane stilhed. Igangværende hvid støj blev spillet for at undgå aktivering af det auditive system af laser-genereret ultralyd. Som følge heraf blev kun nociceptive svar selektivt registreret. Bruger de standard analytiske procedurer (fx, båndpas filtrering, epoke udvinding og baseline korrektion) til at udtrække stimulus-relaterede hjerne svar, opnåede vi resultater viser, at LEPs med en høj signal-støj-forholdet var samtidig optaget fra ECoG og LFP elektroder. Denne metode gør det samtidige optagelse af ECoG og LFP aktiviteter muligt, hvilket giver en bro af electrocortical signaler på mesoskopisk og makroskopisk plan, dermed at lette undersøgelsen af nociceptive informationsbehandling i hjernen.
Introduction
EEG er en teknik til at optage elektriske potentialer og oscillerende hjernen aktiviteter genereret af de synkroniserede aktiviteter af tusindvis af neuroner i hjernen. Det er populært bruges i mange grundlæggende undersøgelser og kliniske anvendelser1,2. For eksempel, EEG svar til intens laser varme pulser (dvs.LEPs) er almindeligt vedtaget for at undersøge de perifere og centrale behandling af nociceptive sensoriske input3,4,5. Hos mennesker er LEPs hovedsageligt består af tre særskilte omlaegninger: den tidlige komponent (N1), der er somatotopically organiseret og tilbøjelige til at afspejle aktiviteten i den primære somatosensoriske cortex (S1)6, og de sene komponenter (N2 og P2), der er centralt distribuerede og mere tilbøjelige til at afspejle aktiviteten af sekundære somatosensoriske cortex, insula og forreste cingulate cortex7,8. I tidligere undersøgelser9,10, vi viste den rotte LEPs, stikprøven ved hjælp af ECoG (en type af intrakranielle EEG) fra elektroder placeret direkte på den udsatte overfladen af hjernen, også består af tre forskellige omlægninger ( dvs., somatotopically organiseret N1 og centralt distribuerede N2 og P2). Polaritet, orden og topografi af rotte LEP komponenter er magen til menneskelige LEPs11. Men på grund af den begrænsede rumlige opløsning af hovedbunden EEG og subduralt ECoG optagelser12, samt den upræcise karakter af EEG kilde analyse teknikker13, den detaljerede bidrag af de neurale aktiviteter til LEP komponenter er omdiskuterede. For eksempel, er det uklart, hvis og i omfang som S1 bidrager til den tidlige del af det kortikale svar (N1) fremkaldes ved laser stimuli6.
Forskellig fra den optagelse teknik på makroskopisk plan, direkte intrakraniel optagelser ved hjælp af microwire arrays hjulpet på vej af et stereotaxisk apparatur og microdrives14,15 kunne måle neurale aktiviteter (f.eks.LFPs ) i bestemte regioner. LFPs afspejler hovedsagelig summation af hæmmende eller excitatoriske postsynaptiske potentialer af neuronal lokalbefolkningerne16. Da LFP-stikprøven neurale aktiviteter afspejler neuronal processer, der forekommer inden for hundredvis af mikrometer omkring optagelse elektrode, bruges denne optagelse teknik bredt at undersøge edb i hjernen på niveauet mesoskopisk. Men det kun fokuserer på præcise lokale ændringer af hjernens aktiviteter og kan ikke besvare spørgsmålet om hvordan signaler fra flere regioner er integreret (f.eks., hvordan LEP komponenter integreres på flere områder af hjernen).
Det er værd at bemærke, at den samtidige optagelse af en ECoG og kortikale LFPs fra frit flytte rats kunne lette undersøgelsen af kortikale informationsbehandling på begge makroskopiske og mesoskopisk niveauer. Desuden, giver denne metode en glimrende lejlighed til at undersøge det omfang som de foruddefinerede hjerneregioner neurale aktiviteter bidrager til LEPs. Ja, adskillige tidligere undersøgelser har vurderet sammenhæng mellem pigge, kortikal LFP, og ECoG signaler17,18 og demonstreret, at den LFP19,20 støder op til EEG elektrode bidrager til den dannelsen af stimulus-relaterede hjerne svar. Den eksisterende teknik bruges normalt til at registrere hjernen svar fra bedøvede dyr på grund af manglende i en beskyttende shell til at forhindre, at elektroderne bliver skadet ved kollisionen. Den teknik, der kan bygge bro af electrocortical signaler på mesoskopisk (kortikale LFP) og makroskopiske (EEG og ECoG) niveauer i frit flytte rotter mangler altså stadig.
For at løse dette problem, udviklet vi en teknik, der kan optage en ECoG og kortikale LFPs i flere områder af hjernen samtidig fra frit flytte rotter. Denne teknik hjælper med at etablere det direkte forhold af electrocortical signaler på mesoskopisk og makroskopisk plan, således at lette undersøgelsen af nociceptive informationsbehandling i hjernen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Voksen mandlig Sprague-Dawley rotter (vejer 400-450 g) blev brugt i forsøget. Alle kirurgiske og eksperimentelle procedurer følges vejledningen for pleje og anvendelse af forsøgsdyr af National Institutes of Health. Procedurerne, der blev godkendt af en videnskabsetisk komité på Institut for psykologi, kinesiske Academy of Sciences.
1. elektrode Implantation
- Bedøver rotte i et kammer med 5% isofluran og en strømningshastighed på 1 L/min. før operationen.
- Med et stereotaxisk apparatur, lave lederen af rotten med sin næse, placeret i den bedøvende maske. Administrere isofluran via den bedøvende maske ved en koncentration på 2% med en strømningshastighed på 0,5 L/min. til at opretholde den bedøvende dybde under operationen. Bemærk at den kirurgiske tolerance opnås når rotten undlader at reagere på tå-klemme.
- Anvende oftalmologiske salve på øjnene at undgå hornhinde tørring.
- Barbere toppen af rotte hovedbunden ved hjælp af en standard shaver.
- Sterilisere hovedbunden ved hjælp af medicinsk iodophor desinficerende løsning og 75% alkohol til at fjerne jod.
- Injicere lidocain (2%) ind i hovedbunden for lokal analgesi. Administrere atropin (0,2 mL i.p.) for at hæmme respiratorisk hypersekretion.
- Gøre en midterlinjen indsnit i ca 2-3 cm på hovedbunden ved hjælp af en skalpel. Skære og fjerne en del af hovedbunden langs midterlinjen og udsætte kraniet. Brug electrocoagulator til at stoppe blødninger, når det er nødvendigt.
- Marker placeringen af ECoG elektroder baseret på foruddefinerede stereotaxisk koordinaterne (indplaceret efter placeringen af Bregma), og placeringen af reference og jorden elektroderne på midterlinjen (placeret 2 og 4 mm caudally til Lambda, henholdsvis).
- Bore huller (diameter: 0.5 mm) bruger en kraniel boremaskine ECoG skruer, på kraniet på de afmærkede steder, uden at ødelægge dura.
- Køre en rustfrit stål skrue (udvendig diameter: 0,6 mm), som forbinder til isolering-belagt kobber tråd, ind i hullet for ca 1 mm dybde uden at trænge ind de underliggende dura. Disse skruer fungere som ECoG, reference og jorden elektroder under eksperimentet.
- Placer en beskyttende shell base på kraniet. Fix basen med dens tilstødende skruer på kraniet ved hjælp af dental akryl. Bruge medicinsk bomuld, der kunne fjernes bagefter for at beskytte det område, der er bestemt til at anvendes til dybde wire implantering fra at være omfattet.
Bemærk: Den beskyttende shell er en specialdesignet 3D-trykt polylactic produkt, der består af tre dele: en base, en væg og en fælles landbrugspolitik. Væggen er omfattet af kobber vokslys til at konstruere som et Faraday bur. - Marker placeringen af dybde wire elektroderne baseret på foruddefinerede stereotaxisk koordinaterne.
- Bore små huller (diameter: 0,2 mm) på kraniet omkring de markerede steder til wire implantation, og fjern forsigtigt knogle klap for at udsætte dura. Vaske kraniotomi ofte, ved hjælp af normale saltvand. Figur 1 beskriver set-up før implantation af dybde wire elektroder.
- Ved hjælp af en nål, løft og skære dura uden at beskadige pia mater, fartøjer og overfladen af neocortex.
- Sænke dybde wire elektroder til overfladen af neocortex, og derefter langsomt trænge igennem hjernen til måldybde. Ofte stoppe flytter ned elektroder til kortikale modstandskraft. I den foreliggende undersøgelse er dybden af wire tip 0,5 mm under den kortikale overflade.
- Forsegle kraniotomi med en blanding af voks og paraffin olie til at sikre, at dybden wire elektroder kan flyttes til efterfølgende eksperimentelle manipulationer.
- Fix elektrode apparatet ved hjælp af dental akryl på kraniet.
- Svejse hver kobber ledning, der forbinder til ECoG skruen til den tilsvarende kanal på modulet stik. Dække de svejsning steder ved hjælp af ler for at undgå potentielle kontakt mellem forskellige kanaler.
- Samle den beskyttende shell væg til basen og svejse elektroder reference og jorden til de tilsvarende kanaler.
- Løse kasket til den beskyttende shell bruger bånd til at undgå forurening.
- Injicere rotten med penicillin (60.000 U, i.p.) umiddelbart efter operation for at forhindre postsurgical infektioner.
- Single-hus rotte i en temperatur - og fugtindhold-kontrolleret bur og holde det i en 12-h dag/nat cyklus efter operationen, med mad og vand ad libitum for mindst en uge før LEP eksperiment.
Bemærk: Hvis du vil samtidig registrere ECoG og kortikale LFP aktiviteter, et apparat blev brugt her der var samlet med to typer af elektroder knyttet til en connector modul, som indeholdt flere microdrives knyttet til wolfram wire arrays. Guld benene blev brugt til at forbinde wolfram ledninger til elektrode grænsefladekredsløb (EIB) af modulet connector ved at trykke på ledningerne til små metal huller på EIB. To metal huller på EIB blev loddet med belagt kobber ledninger, og den åbne ende af hver kobbertråd var loddet med den tilsvarende kobbertråd tilsluttet ECoG skrue. Detaljerne i fabrikation har været beskrevet andetsteds21.
2. dataindsamling
- Kildre rotte mindst 1 x om dagen for tre eller flere på hinanden følgende dage før forsøget til at sikre, at rotten får kendskab til eksperimentatoren22.
- Placere rotten i adfærd kammer i mindst 1 time før forsøget at sikre rat acclimatizes til optagelse miljø.
Bemærk: Salen er en plastik terning med en sidelængde på 30 cm. Kammerets bund er lavet af en jern rist med ~ 8 mm huller. - Tilslut optagelse headstage med modulet elektrode forsigtigt, for at undgå at skræmme rotten og beskadige modulet elektrode.
- Opsætning af lasergenerator, Tilslut den optiske fiber, og tilpasse den spot størrelse af laser efter operatoren udstyr manual. Tilslut den digitale udgang fra udløser generator til den digitale indgang port bestyrelsens optagelse.
Bemærk: Sørg for ikke for at krølle den optiske fiber overdrevent for at undgå at bryde ud af fiber. Før optagelse, Sørg for signalerne, der udløser vises og registreres af optagelse software. I denne protokol, strålevarme-varme stimuli er genereret af en infrarød neodym yttrium aluminium perovskite (Nd: YAP) laser med en bølgelængde på 1,34 μm. Diameteren af den laser spot størrelse er fastsat til ca 5 mm af fokus linser. En He-Ne laser pegede på området stimuleret, som er defineret målsætning for eksperimentet. Også, stimulus energi af laserpulser er bestemt efter forsøgets udformning. Laser puls varighed er 4 ms. - Indstil videokamera under hjørne af den eksperimentelle kammer til løbende Optag nociceptive adfærd af rotten når sin pote modtager nociceptive laser stimuli. Justere positionen og retning af kameraet for at sikre de nociceptive adfærd registreres helt gennem hele eksperimentet.
Bemærk: Et højhastigheds charge - sammen enhed (CCD) kamera er stærkt anbefales, da det kan levere de operationelle signaler til hovedbestyrelsen af registreringssystem at indspille debut tid og varighed af det nociceptive opførsel netop. Nociceptive adfærd er vurderet af eksperimentatoren efter hver laser stimulus, tidligere definerede kriterier baseret på flytning af dyr23,24, som følger: ingen bevægelse (score = 0), hoved-drejning (herunder ryster eller Højdeindstillelige hovedet; score = 1), blinke (dvs., en lille brat krop spjætter bevægelse; score = 2), tilbagetrækning (dvs., pote retraktion laser stimuli; score = 3), slikke og hele kroppen bevægelse (score = 4). - Levere løbende hvid støj (50 dB SPL) via en højttaler øverst i salen.
Bemærk: Som vist i foregående undersøgelser10,25, laser stimulation leveret på huden genererer ultralyd, der kan registreres af rotte auditive system. Derfor spilles løbende hvid støj i hele eksperiment at undgå aktivering af det auditive system i svar til laser-genereret ultralyd. Denne procedure giver mulighed for selektiv optagelsen af hjernen svar relateret til aktivering af det nociceptive system. - Indsamle den elektrofysiologiske data fra både ECoG og dybde wire elektroder, ved hjælp af registreringssystem efter operatoren udstyr manual.
Bemærk: De operationelle signaler af kameraet og udløse signaler af laserpulser er samplet samtidigt med den elektrofysiologiske data på samme samplingfrekvens (alle data forstærkes og digitaliseret, ved hjælp af en samplingfrekvens på 20.000 Hz), hvilket sikrer, at alle data er tid-synkroniseret. - Levere laserpulser til plantar af rottens forpoteknogler gennem hullerne i bunden af salen.
Bemærk: Laser stimulus er kun leveret når rotten er spontane stilhed for mere end 2 s baseret på den eksperimentatoren observation, at minimere signal forurening af bevægelse-relaterede artefakter. For at undgå nociceptor træthed eller overfølsomhed, målet for laserstrålen er fordrevet manuelt efter hver stimulus, og den interstimulus interval er aldrig kortere end 40 s. ECoG og LFP signaler kan være optaget flere gange fra hver rotte. Rotten skal sættes i den eksperimentelle kammer 1 h før hver optagelse session. Efter at alle indspilningerne, rotten var dybt bedøvede og perfunderet transcardially med iskold fosfatbufferet saltopløsning efterfulgt af 4% PARAFORMALDEHYD. Hjernen var fjernet fra kraniet og snit for at identificere elektrode positioner.
3. dataanalyse
- Filtrere de løbende data med et båndpas filter mellem 1 og 30 Hz.
- Epoke data ved hjælp af en analyse vindue 3 s, udvidet fra 1 s før til 2 s efter debut af laser stimuli. Baseline korrektion udføres ved at fratrække den gennemsnitlige amplitude inden for den prestimulus interval.
- Manuelt Afvis de epoker, der er forurenet med grov artefakter.
- Beregne gennemsnit LEP kurveformer, der er tid-låst til udbrud af laser stimuli for hver eksperimentelle betingelse.
- Beregne wavelet transform sammenhæng (WTC) af LEP waveforms optaget fra ECoGs og dybde wire elektroder.
Bemærk: WTC er en teknik til at udføre sammenhængen mellem par elektroder som en funktion af tid og frekvens. WTC mellem to signaler kan beregnes til enhver tid-frekvens punkt, som har fordelen at generere sammenhæng værdier for den hele tid-frekvensspektrum. Nærmere oplysninger om metoden, der har været beskrevet andetsteds26.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
I de repræsentative eksperiment, blev de elektrofysiologiske data fra fem rotter optaget. Laser stimuli blev leveret til den rigtige forpoteknogler af hver rotte for 20 gange med > 40 s interstimulus intervaller. Laser-fremkaldte hjernen svar blev registreret ved hjælp af både ECoG skruer og dybde ledninger og dybde ledninger blev implanteret i bilaterale primære somatosensoriske cortex (S1) og primære motor cortex (M1).
Som sammenfattet i figur 1, wire to ECoGs (markeret i sort) og dybde elektroder (markeret med farve, fem ledninger for hver af de fire regioner) var indplaceret efter stereotaxisk koordinater i følgende punkter (udtrykt i forhold til Bregma, i mm; positive værdier for X og Y-aksen angiver højre og forreste placeringer, henholdsvis): i den venstre ECoG, X =-1.5 og Y = 1,75; i den rigtige ECoG, X = 1,5 og Y = 1,75; i den venstre S1, X = -4 og Y = 0,5; i den rigtige S1, X = 4 og Y = 0,5; i den venstre M1, X = -3 og Y = 3; i den rigtige M1, X = 3 og Y = 3.
Figur 2 viser den elektrofysiologiske rådata fra alle elektroder (to ECoG skruer plus fire af fem wolfram ledninger, fem wolfram ledninger i hvert område af hjernen), med debut af laser stimulus præget af en lodret dot linje. Bemærk venligst at klare LEP svar er påviselige efter debut af laser stimulus.
Figur 3 viser de gruppe-niveau-gennemsnit LEP waveforms fra seks elektroder (to ECoG skruer plus fire wolfram ledninger på en repræsentativ wolfram tråd i hvert område af hjernen) af fem rotter. Uanset webstedet optagelse består LEP svar af en dominerende negativ afbøjning (N1 bølge). Ventetid og amplitude af N1 wave er som følger (gennemsnit ± SEM): for den venstre ECoG, 143 ± 9 ms og-51 ± 4 µV; for den rigtige ECoG, 145 ± 9 ms og-47 ± 4 µV; til venstre S1, 149 ± 9 ms og-86 ± 7 µV; for den rigtige S1, 168 ± 10 ms og-71 ± 6 µV; til venstre M1, 179 ± 12 ms og -74 ± 7 µV; for den rigtige M1, 185 ± 11 ms og-63 ± 6 µV. vigtigere, er N1 ventetid i de bilaterale ECoG og LFP signaler registreres fra de kontralaterale S1 lignende, som er tydeligt kortere end dem, der registreres fra den ipsilaterale S1 og bilaterale M1. Derimod er N1 amplituder største i kontralaterale S1 og mindste i bilaterale ECoGs.
Figur 4 viser WTC mellem LEPs stikprøven ved hjælp af ECoG skruerne (signaler fra to ECoG skruer var gennemsnit) og dybde ledninger på forskellige hjerneregioner (højre M1, rigtige S1, venstre M1 og venstre S1). Bemærk at de kontralaterale (venstre) S1 og M1 viste en højere sammenhæng end ipsilaterale (højre) S1 og M1 på gamma-frekvensbåndet (50-100 Hz).
Figur 1: elektrode implantation set-up. Før implantation af dybde wire elektroder, en beskyttende shell base er placeret på kraniet, og skruerne bruges som ECoG elektroder er drevet ind i foruddefinerede hullerne og fastsættes af dental akryl. Fire huller er boret til implantation af dybde wire elektroder (fx, wolfram wire arrays) på positionerne øverst på den venstre og højre S1 og M1, henholdsvis. Skruer anvendes som reference og jorden elektroder er placeret 2 og 4 mm caudally til Lambda og fast med beskyttende shell base. Panelet til venstre viser billede af kirurgi efter implantation af en beskyttende skal base. Panel til højre viser diagram af kirurgi, som viste den generelle form af beskyttende shell base. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: en repræsentativ rotte elektrofysiologiske rådata. Viste signaler registreres fra en repræsentativ rat med to ECoGs og 20 dybde wire elektroder (fem elektroder i hvert område af hjernen), ved hjælp af elektrode placeret 2 mm caudally til Lambda som reference. Udbrud af laser stimulus er markeret ved hjælp af en lodret dot linje. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: gruppe-niveau-gennemsnit LEP bølgeformer. De viste gennemsnit signaler registreres fra fem rotter med to ECoGs og fire dybde wire elektroder (én repræsentant elektrode i hvert område af hjernen), ved hjælp af elektrode placeret 2 mm caudally til Lambda som reference. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: wavelet transform sammenhæng. De viste resultater viser wavelet transform sammenhæng mellem LEPs stikprøven ved hjælp af ECoG skruer og dybde ledninger på forskellige hjerneregioner (højre M1, rigtige S1, venstre M1 og venstre S1). Sammenhængen var normaliseret til de respektive baseline (0,5 s før laser stimulus debut). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I den foreliggende undersøgelse beskrev vi en teknik til at samtidig registrere ECoGs og kortikale LFP svar fremkaldt af nociceptive laser stimuli fra frit flytte rotter. Resultaterne viste, at LEP svar kunne påvises klart efter debut af laser stimuli i både ECoG og LFP signaler. Den samtidige optagelse af ECoG og kortikale LFP signaler vil gøre det muligt for forskere at undersøge deres forhold til bedre forståelse af neuronal aktiviteter til LEP komponenter bidrag.
Fem kritiske trin i de foreslåede teknik skal bemærkes. For det første er det vigtigt at sikre, at overfladen af kraniet er rene og tørre før om fastsættelse af den beskyttende shell base for det, ved hjælp af dental akryl. Dette trin giver mulighed for, at den beskyttende shell base er stabilt fast. For det andet, da diameteren af ECoG skruer er lidt større end at af huller, den første skrue drivende vil forstørre hul for at danne gevind. I den foreliggende undersøgelse, afstanden mellem hul for wolfram ledninger og hul til ECoG skrue er meget små (f.eks.mindre end 0,3 mm). Hvis alle huller er boret før ECoG skrue kørsel og dybde wire indsættelse, skull omkring ECoG huller ville være skrøbelige, og det ville ikke bære den mekaniske belastning af hul udvidelsen under skruen køre. Af denne grund skal ECoG skruer føres ind i hullerne til at danne gevind før hul boring for wolfram wire indsættelse. Hvis de indsatte ECoG skruer blokere visningen Når bore huller for wolfram ledninger, anbefales det, at blive drevet ud og kørt i igen efter trin 1,14 protokollens. For det tredje, når du indsætter dybde wire elektroder, eksperimentatoren er meningen for at være opmærksom på modstanden på spidsen af wolfram ledninger, som normalt indikerer at dybde ledningerne er blokeret af hul kanten på kraniet eller dura, der ikke har helt fjernet. Hvis dette er tilfældet, dybde ledninger skal hæves, og de mulige hindringer bør rengøres før genindførte elektroder20. Fjerde, når du udfylder kraniotomi huller med en blanding af voks og paraffin olie efter elektrode implantation, implanterede ledningerne bør ikke blive presset af eksterne kræfter. Derfor er det at foretrække at smelte i nærheden placeret blandingen ved hjælp af electrocoagulator. For det femte er det vigtigt at sikre, at afstanden mellem laser endestykke og målwebstedet på rotten holdes på ca 1 cm til at garantere, at de opfattede laser energier er konsekvent blandt forskellige forsøg10,25.
Faktisk, for at sikre, at den beskyttende shell kan dække og beskytte hele apparatet, størrelsen af skallen er designet til at være relativt store (en terning med en sidelængde på 3,5 mm) i forhold til rottes hoved. For at minimere påvirkning af over-the-head enheden rottens bevægelse, anbefaler vi at bruge rotter, som vejede mere end 400 g i eksperimentet. Derfor, denne teknik kan ikke bruges til at studere sofistikerede adfærd i den rotte model og bør ikke vedtages i andre modeller af mindre dyr (fx, mus). Navnlig kan den foreslåede teknik bruges til at kombinere med andre teknikker dermed udvides til mange andre programmer. For eksempel, denne teknik let kan anvendes til at registrere hjernen svar fremkaldt af stimuli af forskellige fornemmelser (f.eks., auditive og visuelle)27,28 og anvendt i identificerende hjerne funktioner af psykiatriske sygdomme ( fx, epilepsi)29 frit flytte rotter, som vil fremme undersøgelsen af deres respektive neurale mekanismer. Derudover kan elektrode implantation modstå test for omkring en måned, som giver mulighed for at udføre en langsgående undersøgelse i fremtiden.
Helt, vi leverer en gyldig teknik til samtidig registrere ECoG og LFP aktiviteter fra frit flytte rotter. Denne teknik gør det muligt for os at undersøge edb i hjernen både mesoskopisk og makroskopisk plan. Dette er vigtigt for Translationel undersøgelser til dokument eksperimentelle dyr resultater for en bedre forståelse af menneskets fysiologi og patofysiologi.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at erklære.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af CAS nøglen laboratorium for Mental sundhed, Institut for psykologi, National Natural Science Foundation i Kina (31671141 og 31822025), 13th femårige Informatization planlægge af den kinesiske Academy of Sciences (XXH13506), og projektets videnskabelige fundament af Institut for psykologi, kinesiske Academy of Sciences (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).
