Samtidig opptak av kortikale lokale feltet potensialer og Electrocorticograms svar på Nociceptive Laser Stimuli fra fritt flytte rotter
Summary
Vi utviklet en teknikk som samtidig registrerer både electrocorticography og lokale feltet potensialer svar på nociceptive laser stimuli fra fritt flytte rotter. Denne teknikken hjelper etablerer et direkte forhold av electrocortical signaler Mesoskopisk og makroskopisk nivåer, som muliggjør etterforskningen av nociceptive informasjonsbehandling i hjernen.
Abstract
Electrocortical svar, skapte av laser varme pulser selektivt aktivere nociceptive gratis nerveender, er utbredt i mange dyr og menneskelige studier undersøke kortikale behandlingen nociceptive informasjon. Disse laser-utløste hjernen potensialene (LEPs) består av flere forbigående svar som er tid-låst til utbruddet av laser stimuli. Funksjonelle egenskaper LEP svarene er imidlertid fortsatt hovedsakelig ukjent, skyldes mangel på en sampling teknikk som kan samtidig spille nevrale aktiviteter på overflaten av cortex (dvs.electrocorticogram [ECoG] og hodebunnen EEG [hodebunnen EEG]) og inne i hjernen (dvs., lokale feltet potensielle [LFP]). For å løse dette problemet, presenterer vi her en dyr fritt bevegelige rotter-protokoll. Denne protokollen er sammensatt av tre viktigste prosedyrer: (1) dyr forberedelse og kirurgiske prosedyrer, (2) en samtidig innspillingen av ECoG og LFP svar nociceptive laser stimuli, og (3) data analyse og funksjonen utvinning. Spesielt med hjelp av en 3D-trykt beskyttende skall, var både ECoG og LFP elektroder implantert i rottes skull sikkert holdt sammen. Under datainnsamlingen, ble laser pulser levert på rat’s forepaws gjennom hullene i bunnen av kammeret når dyret var i spontan stillhet. Pågående hvit støy ble spilt for å unngå aktivering av auditory system av laser-generert ultrasounds. Som en konsekvens, innspilt bare nociceptive svar selektivt. Bruke standard analytisk prosedyrer (f.eks, bånd-pass filtrering, epoken utvinning og planlagte korreksjon) å trekke stimulans-relaterte hjernen svar, fikk vi resultatene viser at LEPs med høy signal-til-støy forholdet var samtidig registrert fra ECoG og LFP elektroder. Denne metoden gjør samtidig opptak av ECoG og LFP mulig, som gir en bro electrocortical signaler Mesoskopisk og makroskopisk nivåer, og dermed tilrettelegge etterforskningen av nociceptive informasjonsbehandling i hjernen.
Introduction
EEG er en teknikk for å spille inn elektriske potensialer og oscillasjon hjernen aktiviteter generert av synkronisert aktiviteter av nerveceller i hjernen. Det er populært brukt i mange grunnleggende studier og klinisk bruk1,2. For eksempel EEG Svar å intens laser varme pulser (i.e.LEPs) er allment vedtatt for å undersøke perifere og sentrale behandlingen nociceptive sensoriske input3,4,5. Hos mennesker, LEPs hovedsakelig består av tre distinkte avvisninger er: tidlig komponenten (N1) som er somatotopically organisert og gjenspeiler aktiviteten til den primære somatosensory cortex (S1)6sannsynligvis og sent komponentene (N2 og P2) som er sentralt distribuert og mer sannsynlig å gjenspeiler aktiviteten til den sekundære somatosensory cortex, insula og anterior cingulate cortex7,8. I tidligere studier9,10, vi viste at rotte LEPs, samplet ved hjelp av ECoG (en type intrakranielt EEG) fra elektroder plassert direkte på utsatte overflaten av hjernen, også bestå av tre forskjellige avvisninger er ( dvs, somatotopically organisert N1 og sentralt distribuert N2 og P2). Polaritet, rekkefølge og topografi rotte LEP komponentene er ligner menneskelige LEPs11. Men på grunn av begrenset romlig oppløsning av hodebunnen EEG og subdural ECoG opptak12, samt unøyaktig natur EEG kilde analyse teknikker13, detaljert bidrag av nevrale aktivitetene til LEP komponenter mye er omdiskutert. For eksempel er det uklart om og i hvilken utstrekning som S1 bidrar til den tidlige del av kortikale respons (N1) skapte av laser stimuli6.
Forskjellig fra opptak teknikken på makroskopisk nivå, direkte intrakranielt innspillinger med microwire matriser hjulpet av en stereotaxic apparat og Microdrive14,15 kunne måle nevrale aktiviteter (f.eksLFPs ) på bestemte områder. LFPs gjenspeiler hovedsakelig summering av hemmende eller eksitatoriske postsynaptic potensialer neuronal lokalbefolkningen16. Siden LFP-samplet nevrale aktiviteter reflekterer neuronal prosesser innenfor hundrevis av mikrometer rundt opptak elektroden, er denne innspillingen teknikken mye brukt å undersøke informasjonen på hjernen på Mesoskopisk nivå. Imidlertid det bare fokuserer på presis lokale endringer av hjernen og kan ikke svare på spørsmålet om hvordan signaler fra flere områder er integrert (f.ekshvordan LEP komponenter er integrert på flere områder av hjernen).
Det er verdt å merke seg at samtidig opptak av en ECoG og kortikale LFPs fra fritt flytte rotter kunne lette etterforskningen av kortikale informasjonsbehandling både makroskopisk og Mesoskopisk. I tillegg gir denne metodikken en utmerket mulighet til å undersøke den grad som neural aktivitetene til de forhåndsdefinerte hjerne regionene bidrar til LEPs. Faktisk flere tidligere studier har vurdert sammenhengen mellom toppene, kortikale LFP, og ECoG signaler17,18 og viste at LFP19,20 tilstøtende EEG elektroden bidrar til den dannelsen av stimulus-relaterte hjernen svar. Eksisterende teknikken brukes imidlertid vanligvis å registrere hjernen svar fra bedøvet dyr på grunn av mangler i et beskyttende skall hindre at elektrodene av kollisjonen. Med andre ord, er teknikken som kunne bygge broen av electrocortical signaler på Mesoskopisk (kortikale LFP) og makroskopisk (EEG og ECoG) i fritt flytte rotter fremdeles mangler.
For å løse dette problemet, utviklet vi en teknikk som kan spille inn en ECoG og kortikale LFPs i flere områder av hjernen samtidig fra fritt flytte rotter. Denne teknikken bidrar til å etablere den direkte sammenhengen i electrocortical signaler Mesoskopisk og makroskopisk nivåer, dermed tilrettelegge etterforskningen av nociceptive informasjonsbehandling i hjernen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Studien beskrev vi en teknikk for å samtidig spille inn ECoGs og kortikale LFP svar brakt frem av nociceptive laser stimuli fra fritt flytte rotter. Resultatene viste at LEP svar kan bli tydelig oppdaget etter utbruddet av laser stimuli i både ECoG og LFP signaler. Samtidig opptak av ECoG og kortikale LFP signaler kan forskere til å undersøke deres forhold for å bedre forstå bidrag neuronal aktiviteter LEP komponentene.
Fem avgjørende skritt i foreslåtte teknikken bør bemerkes. Først…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av CAS nøkkel laboratorium for psykisk helse, Institutt for psykologi, National Natural Science Foundation i Kina (31671141 og 31822025), den 13th fem års Informatization Plan for det kinesiske vitenskapsakademi (XXH13506), og det vitenskapelige grunnlaget prosjektet av Institutt 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).
