Samtidige optagelser af kortikale lokale felt potentialer og Electrocorticograms svar på Nociceptive Laser Stimuli fra frit flytte rotter
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.
Protocol
Representative Results
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 …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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).
