Summary
我们已经开发了一个全皮质的电皮质阵列的共同马甲, 连续持续覆盖几乎整个侧表面的皮层, 从枕骨杆到颞叶和额叶杆。该方案描述了在马甲大脑硬膜外空间的阵列的慢性植入程序。
Abstract
电皮质成像 (ecog) 允许监测来自大脑皮层的电场电位, 具有较高的时空分辨率。薄, 柔性 ecog 电极的最新发展使得能够进行大规模皮质活动的稳定记录。我们已经开发了一个全皮质 ecog 阵列的共同马甲。该阵列持续覆盖几乎整个侧向表面的皮质半球, 从枕杆到时间和额叶极点, 它捕获全皮质神经活动在一个镜头。该方案描述了在马甲大脑硬膜外空间的阵列的慢性植入程序。在 ecog 记录方面, 马麦子有两个优点, 一个是人类和猕猴解剖结构的同源组织, 包括额叶、顶叶和时间复合物。另一个优点是, 脑是耳脑, 含有大量的复合物, 在暴露在大脑表面的带有 ecog 的猕猴中更难进入。这些特征允许直接进入大脑表面下的大多数皮质区域。该系统提供了一个机会, 可以研究全球皮质信息处理的高分辨率, 在时间和毫米顺序的时间和毫米顺序在空间。
Introduction
认知需要神经组合在广泛的大脑网络中的协调, 特别是在人类中发育良好并被认为参与更高认知行为的新皮层。然而, 新皮层如何实现这种认知行为是神经科学领域一个尚未解决的问题。薄、柔性电皮质 (ecog) 电极的最新发展使大规模皮质活动1的稳定记录能够传导。藤井和他的同事们已经开发出了一个完整的皮质 ecog 阵列的猕猴 2,3。该阵列持续覆盖几乎整个侧向皮层, 从枕极到颞叶和额叶杆, 并在一次拍摄中捕获全皮质神经活动。我们进一步开发了这个系统, 应用于普通的 4,5, 一个具有遗传可操纵性 6,7的新世界小猴子。与其他物种相比, 这种动物有几个优点。该物种的视觉、听觉、体感、运动和额叶皮质区域以前已经被绘制出来, 并报告有基本的同源组织到人类和猕猴的相同区域8, 9,10,11,12,13,14,15,16. 它们的大脑光滑, 大多数侧向皮质区域暴露在皮层表面, 这在猕猴中使用 ecog 是比较困难的。基于这些特点, 适合于电谱研究。此外, 表现出社会行为, 并被提出作为人类社会行为的候选模式.
该方案描述了在一个常见的马甲的皮层的整个外侧表面的 ecog 阵列硬膜外植入程序。它提供了一个机会来监测灵长类皮质神经科学的大规模皮质活动, 包括感官、运动、更高的认知和社会领域。
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Protocol
该协议已在6个普通虫上实施 (4名男性, 2名女性; 体重 = 3 0-470 克; 年龄 = 14-53个月)。所有程序都是根据《国家卫生研究院动物护理和使用准则》的建议进行的。该议定书得到了 riken 道德委员会的批准 (编号)。H28-2-221(3))。所有的外科手术都是在麻醉下进行的, 并尽一切努力尽量减少使用的动物数量和他们的不适。
1. 准备工作
- 获得每个大脑的结构磁共振图像 (mri)。这将用于通过与马甲大脑图集和计算机断层扫描 (ct) 的注册来识别电极位置。
- 制备 ecog 阵列: 准备自定义的多通道 ecog 阵列 (图 1a)。96ch ecog 阵列由两张具有32和64个电极的板组成。为了适应大脑大小的个体差异, ecog 阵列具有灵活的手臂。手臂可以覆盖时间杆, 这取决于个人的大脑形状。将相对于 ecog 电极的参考电极和面向同一方向的接地电极放置。
- 使用丙烯酸胶将 ecog 阵列与连接器外壳 (图 1b) 组装, 并密封连接器间隙 (图 1B), 以防止手术过程中液体流入。用环氧乙烷气体对阵列进行灭菌。
- 准备和消毒仪器。
请注意:使用的所有仪器都列在材料表中。
2. ecog 阵列的植入
请注意:在手术前4小时内提取大于4小时的食物和液体摄入量。使用消毒手套和仪器, 采用无菌技术执行所有手术步骤。
-
植入前手术
- 阿托品 (0.08 mgkg) 注射5分钟后, 肌肉注射氯胺酮 (15mgkg), 在马莫泰中麻醉。
- 根据动物的生理状态, 使用异氟醚 (用氧/一氧化二氮混合物稀释 1-3%) 进行麻醉和维持麻醉, 应持续监测。确保心率为 130-180 bpm, 并持续监测体温和动脉血氧饱和度 (spo2), 以判断动物的状况。
- 用剪子和脱毛器把动物的头顶剪掉。用湿纱布完全冲洗皮肤上的脱毛霜, 否则会对皮肤造成损害。
- 使用抗生素 (头孢菌素; 16 mg/kg. c.)、抗高血压 (迷迭香; 2.0 mg/kg i. m.) 和抗出血 (氨基葡萄糖铬钠水合物; 0.2 mg/kg i.m.)。
- 将动物放在立体定向框架上。此时, 将2% 的利多卡因果冻涂在耳条和眼药膏上, 以防止干燥和术后疼痛。
- 用碘溶液消毒手术区域, 并用消毒的窗帘覆盖。将2% 的利多卡因果冻涂在皮肤切口的部位。
-
植入术程序
- 用手术刀将皮肤通过头皮的中线约4厘米。用刮刀从头骨上分离颞肌, 直到所有手术区域都暴露出来。清理颅骨表面的组织, 并完全停止出血与压力止血, 并与骨蜡, 如有必要。用湿润的纱布包裹皮肤和肌肉的边缘。在手术过程中保持纱布湿润。
- 将阵列的正面边缘放在额极的边缘。用无菌铅笔在颅骨上标记一个计划中的开颅、缝隙和孔。开颅手术的位置将取决于阵列的设计 (图 2)。
- 沿着标记1钻开颅手术, 如图 2所示。在钻骨头时, 在尖端吹气, 让外科医生保持清晰的视野。接下来, 在标记2周围一直切割骨头, 因为骨头块仍将连接到中心的硬脑膜上。将一块轻轻地从一个边缘抬起来, 用铲子剥去硬脑膜。这个过程必须缓慢而仔细地进行, 否则很容易撕裂硬脑膜。
- 从骨头上取下骨头尖, 用湿纱布包住一块, 因为这一块在植入阵列后将被归还。
- 执行开颅手术3和 4, 如图 2所示。这些允许电极插入到轨道的正面和枕部的区域, 分别。
- 钻在标记5上的缝隙, 如图 2所示。这些缝隙允许检查阵列, 以确保它被正确插入。
- 杜拉现在将被曝光。如有必要, 用盐水清洗该部位, 并在必要时使用压力止血和明胶海绵止血。开放开颅手术的边缘可能需要用刮刀或骨龙骨清洗。
- 使参考电极放置在其中的缝隙 (标记为图2中的 6)。将参考电极放置在硬膜外空间的对侧感受器和枕部区域。位置应根据具体的实验需要确定。
- 用 1.0 mm 的螺钉在连接器的每个阀杆周围的四个点钻出螺丝孔 (交叉在图2中)。为了防止对硬脑膜物质的损害, 在头骨下面插入一把铲子。这些洞应该与头骨正交。然后, 安装 peek 螺钉 (1.4 x 2.5 mm) 作为锚, 将连接器固定到头骨上。
- 将 ecog 阵列插入硬膜外空间。使用平头钳来固定阵列。
请注意:阵列应插入而不弯曲。如果阵列弯曲, 则通过在头骨和硬脑膜之间插入铲子来创建适当的空间。如果弯曲是由大脑相对较小的尺寸引起的, 那就切断一些电极。 - 用牙科丙烯酸修复参考电极和接地电极。将参考电极放置在硬膜外空间, 将地面电极放置在颅表面。两个触点都应该面对头骨。
- 把骨头块放回去, 固定连接器和头部柱, 贴在头骨上, 在螺丝上安装丙烯酸牙。
- 用6-0 尼龙缝合皮肤的额头和后头, 并固定皮肤连接器的两侧使用皮肤封闭。
-
植入后程序
- 将动物从立体定向框架中取出。在以下步骤中, 确保动物保持温暖并获得氧气。
- 手术后, 立即给动物注射美洛昔康 (0.3 mg/kg i.), 以减少术后疼痛。使用抗炎皮质类固醇 (地塞米松; 2.0 mg/kg i.) 和皮下输液 (乳酸林格溶液; 5.0 ml), 包括法莫替丁 (0.5 mg kg) 作为胃保护剂。
注: 同时使用非甾体抗炎药与类固醇有可能胃肠道副作用。 - 动物恢复后 (经心率和 spo2 确认), 取出生命体征监测, 将动物转移到 icu 2-3天。
3. 术后治疗
请注意:动物通常需要5天的时间才能从手术中完全恢复。
- 为防止脑肿胀, 在手术后的第一天每天服用两次抗炎皮质类固醇地塞米松 (2.0 mg/kg)。然后, 在第二天和第三天将剂量减少到每天两次, 在第四天将剂量减少到每天两次, 将剂量减少到 1 mg kg。
- 手术后 5天, 服用止痛药 (美洛昔康; 0.1 mg kg 口服; 每天一次) 和抗出血性 (卡巴唑铬磺酸钠水合物; 0.2 mg kg. m. m. m. m./每天两次)。
请注意:在我们的情况下, 手术后 1-2天, 一些 (6 人中有3人) 变得不那么活跃, 呕吐。这可能是由于血块引起的颅内压升高造成的。当马甲出现这些症状时, 我们重新打开头部, 在全身麻醉下 (阿法西酮) 将血块取出。如果在植入过程中没有 ecog 阵列弯曲, 血块很可能出现在阵列和骨头被归还的地方之间的空间。在这种情况下, 血块可以通过使用导管将盐水跑到太空中冲走。这个做法通常导致恢复在动物。 -
电极位置的识别
- 手术后1周左右, 对动物头部进行计算机断层扫描 (ct) 扫描。
请注意:这是一个很好的机会, 检查信号是否可以正确记录。打开连接器外壳, 并删除所有血块, 如果它们存在。 - 使用 abni 软件18 (https://afni.nimh.nih.gov) 将 t2 加权 mri 与立体定向坐标对齐 (图 3a)。将 ct 图像与 t2 加权解剖磁共振图像与 afni 对齐 (图 3b)。用 afni 和 ants19注册一个马甲大脑图集 (图 3c)。
- 手术后1周左右, 对动物头部进行计算机断层扫描 (ct) 扫描。
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Representative Results
整个皮质 ecog 阵列可以同时捕获整个半球的神经元活动。图 4显示了清醒马甲内多个听觉区域的听觉诱发电位 (aep) 的例子。ecog 记录是在被动听力条件下进行的。每个都暴露在听觉刺激下, 其中包括具有20种频率的随机纯音调。然后, 我们通过平均 ecog 与一组音调对齐来计算 aep。从较低和较高的听觉区域观察到不同的波形, 这表明我们的 ecog 阵列的空间分辨率可以捕获不同皮质区域的不同信息处理。
图 1: ecog 阵列的准备.(a) 32 和 64 ecog 阵列 (左下角和右下角)、连接器外壳 (左上角) 和录制系统的前端 (右上角)。每个阵列的 "g" 和 "r" 分别表示大电极和参考电极。(b) 组装 ecog 阵列。(c) 所有缝隙 (红色矩形) 都应密封。请点击这里查看此图的较大版本.
图 2: 开颅手术的一个例子.(a) 薄薄的灰色和厚厚的黑线分别表示 ecog 阵列的轮廓和计划的开颅区域。十字架对应于锚孔。圆圈数表示钻井顺序。(b) 开颅术的 ct 图像实例。请点击这里查看此图的较大版本.
图 3: 每个电极的本地化.(a) t2 加权 mri、(b) ct 和 (c) 地图集上的电极位置。本手稿中使用的地图集是基于 hashikawa-to集20的伍德沃德三维版本, 这是一张 mri-细胞-建筑学地图。请点击这里查看此图的较大版本.
图 4: 听觉诱发电位的例子.(a) 猴子 j. (b) aep 的听觉范围。位于不同听觉区域的电极显示不同的波形。请点击这里查看此图的较大版本.
| 上午9:00 | 开始准备工作 |
| 上午10:00 | 切割性皮肤 |
| 头骨暴露 (10分钟) | |
| 颅骨切开术 (30分钟) | |
| 上午11:00 | 开始插入数组 |
| 插入阵列 (60分钟) | |
| 中午12:30 | 闭合的皮肤 |
表 1: 手术的建议时间过程。
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Discussion
为了成功植入, 应在手术前后为动物提供充足的营养。短的操作时间对于优化动物的恢复也很重要。准备工作应在手术前至少一天完成。为了减少手术时间, 建议在终止的动物中插入电极阵列进行以前的开颅训练, 以达到其他实验目的。表 1显示了此协议的时间过程的示例。
我们在个案基础上修改了麻醉程序和术后治疗。在这个视频协议中, 这些动物被麻醉并通过气管插管提供的异氟烷和氧气的混合物进行了麻醉和维护。异氟醚可以用七氟醚代替, 气管插管可以用面罩代替。在其他情况下, 我们用肌肉注射氯胺酮和美托米定的混合物麻醉动物。在这种情况下, 动物最初用布托非醇 (0.2 mg/kg ·m.) 镇静剂, 手术麻醉是通过氯胺酮 (30 mg m.) 和 medetomidine (0.35 mg m.) 的混合物进行的。
由于 ecog 直接记录电场的变化, 因此其时间分辨率受到记录系统的限制。我们的录音系统的最大时间分辨率为 30 khz。我们通常以 1 khz 采样率采样信号, 发现这足以提取传感器/电机信息。
空间分辨率取决于电极设计。在该协议中, 每个电极接触的直径为0.8 毫米, 电极间距离为 2.5 mm。我们观察到三个电极的不同波形位于不同的听觉区域, 并以 2.5 mm (图4中的ch18, ch18, ch18) 隔开。因此, 我们的电极的空间分辨率估计小于2.5 毫米。在某些情况下, 电极触点之间的位置更加紧密。在这些情况下, 空间分辨率更高。
我们成功地记录了长期的神经元信号与良好的质量。在一个案例中, 连接器和丙烯酸牙分离从头骨, 电极被打破4个月后的手术。这是由于手术中丙烯酸牙和颅骨之间的血液所导致的组织生长引起的。另一种在手术后5个月内因实验要求而终止。四种动物仍在参与实验 (分别为手术后1年、7个月、4个月和 4个月)。
ecog 阵列通常被植入人类和猕猴的硬膜下空间。然而, 侵入性较小的硬膜外植入更适合, 因为它们是娇嫩的动物。薄的物质让我们能够监测高频大脑信号, 即使 ecog 阵列被植入硬脑膜上。硬膜外植入术的缺点之一是难以进入中线皮层和沟内的任何皮层。接近这些皮质需要硬脑膜物质的切口。此外, 由于 ecog 阵列是表面电极, 因此很难根据皮质深度来指定信号源。为了了解皮层中的精确信息处理, 有必要采用其他方法, 如深度电极或光学成像。尽管存在这些限制, 我们的方法可以为皮质信息处理提供新的见解。例如, 感觉代理被认为是通过正面和感觉区域之间的快速相互作用而出现的;然而, 它们的机制仍然不清楚, 因为如果没有这里提出的方法, 这种快速、大规模、皮质的信息流就很难监测。
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Disclosures
mk 正在申请一项专利的全皮质 ecog 阵列, 她已在本协议中使用 (编号 2018-210975)。
Acknowledgments
我们感谢尤里·希诺莫托提供动物护理、训练和清醒录音。ecog 阵列由 cir-tech (www.cir-tech.co.jp) 制造。此外, 我们要感谢 editage (www.editage.jp) 的英文编辑。这项工作得到了疾病综合神经技术 (brain/minds)、日本医学研究与发展署 (jp18dm0207001)、新科学倡议中心大脑科学项目的支持;cnsi)、国家自然科学研究所 (nins) (bs291004, m. k.) 和日本科学促进学会 (jpps) kakenhi (jph06034, m. k.)。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Beaker (100 cc) | Outocrave | ||
| Cotton ball | Outocrave | ||
| Absorption triangles | Fine Science Tools Inc. | 18105-03 | Outocrave |
| Cotton swab with fine tip | Clean Cross Co., Ltd. | HUBY340 BB-013 | Outocrave |
| Gauze | Outocrave | ||
| Towel forceps | Outocrave | ||
| Scalpel handle | Outocrave | ||
| Needle Holder | Outocrave | ||
| Iris Scissor | Outocrave | ||
| Micro-Mosquito Forceps | Outocrave | ||
| Adson, 1x2 teeth | Outocrave | ||
| Bone Curette | Outocrave | ||
| Micro spatura | Fine Science Tools Inc. | 10091-12 | Outocrave |
| Needle Holders, 12.5 cm, Curved, Smooth Jaws | World Precision Instruments | 14132 | Outocrave |
| Vessel Dilator, 12 cm, 0.1 mm tip | Fine Science Tools Inc. | 18131-12 | Outocrave |
| Vessel Dilator, 12 cm, 0.2 mm tip | Fine Science Tools Inc. | 18132-12 | Outocrave |
| Fine-tipped rongeur | Fine Science Tools Inc. | 16221-14 | Outocrave |
| Manipurator of a stereotaxic frame | Gas sterilization | ||
| Wrench for the manipurator | Gas sterilization | ||
| Hand-made fixture for the connector | Gas sterilization | ||
| Silicon cup for dental acril | Gas sterilization | ||
| Silicon cup hlder | Gas sterilization | ||
| Paintbrush | Gas sterilization | ||
| Pencil | Gas sterilization | ||
| Micro screw, 1.4 mm x 2.0 mm | Nippon Chemical Screw Co., Ltd. | PEEK/MPH-M1.4-L2 | Gas sterilization |
| Screw driver for the micro screw | Gas sterilization | ||
| Micromotor handpiece of a drill | Gas sterilization | ||
| Stainless steel burr, 1.4 mm | Gas sterilization | ||
| Stainless steel burr, 1.0 mm | Gas sterilization | ||
| Drill bit, 1.2 mm | Gas sterilization | ||
| Rubber air blower | Gas sterilization |
References
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