острый<em> В Виво</em> Электрофизиологические записи локальных полевых потенциалов и многоуровневой активности по пути гиперперспекции у анестезированных крыс
Summary
В этом исследовании представлена методология проведения многофакторных электрофизиологических записей in vivo из гиперректального пути под уретановой анестезией.
Abstract
Сходящиеся данные свидетельствуют о том, что многие нейропсихиатрические болезни следует понимать как расстройства крупномасштабных нейронных сетей. Чтобы лучше понять патофизиологическую основу этих заболеваний, необходимо точно охарактеризовать, каким образом обработка информации нарушается между различными нейронными частями схемы. Используя внеклеточную электрофизиологическую запись in vivo , можно точно определить активность нейронов в нейронной сети. Применение этого метода имеет ряд преимуществ по сравнению с альтернативными методами, например , с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии и визуализации кальция, поскольку оно обеспечивает уникальное временное и пространственное разрешение и не зависит от генетически модифицированных организмов. Однако использование внеклеточных записей in vivo ограничено, поскольку оно является инвазивным методом, который нельзя применять повсеместно. В этой статье представлен простой и простой в использовании метод wС которой можно одновременно записывать внеклеточные потенциалы, такие как локальные потенциалы поля и многоуровневую активность на нескольких сайтах сети. Подробно, как можно добиться точного нацеливания подкорковых ядер с использованием комбинации стереотаксической хирургии и онлайн-анализа многоуровневых записей. Таким образом, показано, как полная сеть, такая как гиперректальная кортико-базальная ганглия-петля, может быть изучена у анестезированных животных in vivo .
Introduction
Недавние кумулятивные данные о различных нейропсихиатрических расстройствах, таких как болезнь Паркинсона (ПД) и шизофрения, свидетельствуют о том, что их патофизиология основана на критической дисфункции удлиненных нейронных схем, которые часто включают корковые и подкорковые структуры 1 , 2 , 3 . Согласно этой теории, клинические проявления заболеваний возникают вследствие нарушения информационной способности обработки сети клеток вместо отдельных клеток или специфических нейронных элементов 1 , 2 , 3 . Чтобы улучшить понимание этой сложной группы нейропсихиатрических заболеваний и найти новые варианты лечения, очень важно охарактеризовать динамику нейронов этих неупорядоченных сетей у пациентов с людьми и на животных моделях. ПревосходныйМетод изучения крупномасштабных сетей у живых существ – многофазная электрофизиологическая запись внеклеточных потенциалов 4 . Используя этот метод, можно одновременно оценить локальные потенциалы поля (LFP), которые в первую очередь представляют временное суммирование возбуждающих и тормозных постсинаптических токов и многоузловой активности (MUA), которая генерируется пресинаптическими потенциалами 5 . Запись внеклеточных потенциалов имеет несколько преимуществ по сравнению с альтернативными методами изучения сетей, например , с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии и визуализации кальция, поскольку она обеспечивает более высокое временное и пространственное разрешение и потому что она не зависит от генетически модифицированных организмов 5 . Однако использование внеклеточных записей in vivo ограничено, поскольку оно является инвазивным методом, который нельзя применять повсеместно.
Электрофизиологическое восстановление in vivoОрдинаты могут выполняться как на спине, так и на животных, подвергшихся анестезии 6 . Оба метода сопровождаются конкретными плюсами и минусами. Исследования на активных животных позволяют регистрировать сигналы мозга во время выполнения определенных поведенческих задач, но подвержены связанным с движением и другим артефактам 7 , 8 . С другой стороны, записи у анестезированных животных дают возможность оценить LFP и MUA с минимальными артефактами в сильно определенных состояниях кортикальной синхронизации, но результаты также в некоторой степени отличаются от того, что можно найти у бодрствующих предметов 9 , 10 , 11 .
В последние годы было продемонстрировано, что выборка LFP особенно полезна для определения патологических изменений сетевой активности. Важным примером этого является исследование патофизиологии ПД у пациентаС и на животных моделях заболевания, где можно было показать, что усиленные бета-колебания в контуре кортико-базальных ганглиев связаны с двигательными симптомами Паркинсона 12 , 13 . Как следствие этой линии исследований, в настоящее время исследуется, могут ли бета-колебания использоваться в качестве онлайн-биомаркера обратной связи для стимуляции глубокого мозга с закрытым контуром 14 , 15 .
В настоящем исследовании представлено подробное описание острой многофакторной электрофизиологической записи LFP и MUA in vivo у крыс, обезболивающих уретан. Показано, как полная сеть, такая как гипердиректный кортико-базальный ганглиевский путь, может быть охарактеризована электрофизиологически с использованием стандартных и настроенных электродов и как эти электроды могут быть построены. Особенно подчеркивается, как точное нацеливание ядер базальных ганглиев может быть достигнуто coMbining стереотаксическая хирургия вместе с онлайн-регистрацией MUA.
Protocol
Representative Results
Discussion
В настоящем исследовании продемонстрирован способ регистрации внеклеточных электрофизиологических сигналов одновременно с нескольких сайтов данной сети с использованием примера гиперточечного кортико-базального ганглиозного пути, который соединяет M1 с STN и SNr у грызунов.
<p class="jov…Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), KFO 247, за финансирование нашего исследования.
Materials
| Ag/AgCl custom epidural electrodes | Goodfellow GmbH D-61213 Bad Nauheim, Germany info@goodfellow.com |
Product-ID AG005127 for 99.99% silver wire | Ag/AgCl electrodes will allow for better signal quality, but may only be used in acute experiments. Possible replacement: Stainless steel electrodes |
| Stereotaxic holder with acrylic block | David Kopf Instruments, 7324 Elmo Street, Tujunga, CA 91042, USA |
Product ID Model 1770 Standard Electrode Holder | Make sure the acrylic block has recesses which suit the electrode setup for the desired target. Acrylic blocks can easily be modified with a file to obtain the desired configuration. Possible replacement: Self-constructed electrode holders |
| Tungsten microwire electrodes 1.5 MΩ impedance | Microprobes.com 18247-D Flower Hill Way Gaithersburg, Maryland, 20879 USA |
Product-ID WE3ST31.5A5-250um | The 1.5 MΩ is necessary to record MUA and LFP at the same time. Possible replacement: Microelectrodes of different materials can be used. The electrodes have to be straight, robust and as thin as possible. |
| Rat alignment tool | David Kopf Instruments, 7324 Elmo Street, Tujunga, CA 91042, USA |
Product ID Model 944 Rat Alignment Tool | Allows the exact orientation of the brain to match stereotaxic atlases. Possible replacement: Stereotaxic holder with a cannula |
| Two-component dental acrylic | Associated Dental Products Ltd. Kemdent Works, Purton, Swindon Wiltshire, SN5 4HT, United Kingdom |
Simplex Rapid Powder Clear 225g, Product code: ACR803; Simplex Rapid Liquid 150ml, Product code: ACR920 | Depending in the electrodes used, superglue might be an easy alternative, if the electrodes are small and lightweight. Possible replacement: Superglue (Cyanacrylate-based) |
| Faraday cage | Self-construction | A proper Faraday cage will be the best protection from electromagnetic artifacts, but everything which can be formed into a box shape or applied to a frame and is made of conductive material may help. Possible replacement: Aluminum foil or copper mesh | |
| Electrophysiological setup with recording software and online spike-sorting capabilities | OmniPlex® Neural Data Acquisition System Plexon Inc 6500 Greenville Avenue, Suite 700 Dallas, Texas 75206 USA |
Offline sorting software is a potential alternative, multiple scripts and softwares can be found for free in the open source community. |
Referencias
- Lozano, A. M., Lipsman, N. Probing and regulating dysfunctional circuits using deep brain stimulation. Neuron. 77 (3), 406-424 (2013).
- Mathalon, D. H., Sohal, V. S. Neural Oscillations and Synchrony in Brain Dysfunction and Neuropsychiatric Disorders: It’s About Time. JAMA Psychiatry. 72 (8), 840-844 (2015).
- Uhlhaas, P. J., Singer, W. Neuronal dynamics and neuropsychiatric disorders: toward a translational paradigm for dysfunctional large-scale networks. Neuron. 75 (6), 963-980 (2012).
- Buzsaki, G. Large-scale recording of neuronal ensembles. Nat Neurosci. 7 (5), 446-451 (2004).
- Buzsaki, G., Anastassiou, C. A., Koch, C. The origin of extracellular fields and currents–EEG, ECoG, LFP and spikes. Nat Rev Neurosci. 13 (6), 407-420 (2012).
- Brazhnik, E., Novikov, N., McCoy, A. J., Cruz, A. V., Walters, J. R. Functional correlates of exaggerated oscillatory activity in basal ganglia output in hemiparkinsonian rats. Exp Neurol. 261, 563-577 (2014).
- Avila, I., et al. Beta frequency synchronization in basal ganglia output during rest and walk in a hemiparkinsonian rat. Exp Neurol. 221 (2), 307-319 (2010).
- Javor-Duray, B. N., et al. Early-onset cortico-cortical synchronization in the hemiparkinsonian rat model. J Neurophysiol. 113 (3), 925-936 (2015).
- Beck, M. H., et al. Short- and long-term dopamine depletion causes enhanced beta oscillations in the cortico-basal ganglia loop of parkinsonian rats. Exp Neurol. 286, 124-136 (2016).
- Magill, P. J., Bolam, J. P., Bevan, M. D. Relationship of activity in the subthalamic nucleus-globus pallidus network to cortical electroencephalogram. J Neurosci. 20 (2), 820-833 (2000).
- Magill, P. J., et al. Changes in functional connectivity within the rat striatopallidal axis during global brain activation in vivo. J Neurosci. 26 (23), 6318-6329 (2006).
- Brown, P. Abnormal oscillatory synchronisation in the motor system leads to impaired movement. Curr Opin Neurobiol. 17 (6), 656-664 (2007).
- Stein, E., Bar-Gad, I. beta oscillations in the cortico-basal ganglia loop during parkinsonism. Exp Neurol. 245, 52-59 (2013).
- Little, S., Brown, P. What brain signals are suitable for feedback control of deep brain stimulation in Parkinson’s disease?. Ann N Y Acad Sci. 1265, 9-24 (2012).
- Priori, A., Foffani, G., Rossi, L., Marceglia, S. Adaptive deep brain stimulation (aDBS) controlled by local field potential oscillations. Exp Neurol. , 77-86 (2013).
- Brozoski, T. J., Caspary, D. M., Bauer, C. A. Marking multi-channel silicon-substrate electrode recording sites using radiofrequency lesions. J Neurosci Methods. 150 (2), 185-191 (2006).
- Schjetnan, A. G., Luczak, A. Recording large-scale neuronal ensembles with silicon probes in the anesthetized rat. J Vis Exp. (56), (2011).
- Mallet, N., et al. Disrupted dopamine transmission and the emergence of exaggerated beta oscillations in subthalamic nucleus and cerebral cortex. J Neurosci. 28 (18), 4795-4806 (2008).
- Steriade, M. Corticothalamic resonance, states of vigilance and mentation. Neurociencias. 101 (2), 243-276 (2000).
- Maesawa, S., et al. Long-term stimulation of the subthalamic nucleus in hemiparkinsonian rats: neuroprotection of dopaminergic neurons. J Neurosurg. 100 (4), 679-687 (2004).
- Paxinos, G., Watson, C. . The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. , (1998).
- Oliveira, L. M. O., Dimitrov, D., Nicolelis, M. A. L. . Methods for Neural Ensemble Recordings Frontiers in Neuroscience. , (2008).
- Torres, E. M., et al. Increased efficacy of the 6-hydroxydopamine lesion of the median forebrain bundle in small rats, by modification of the stereotaxic coordinates. J Neurosci Methods. 200 (1), 29-35 (2011).
- Hadar, R., et al. Rats overexpressing the dopamine transporter display behavioral and neurobiological abnormalities with relevance to repetitive disorders. Sci Rep. 6, 39145 (2016).
- Parr-Brownlie, L. C., Poloskey, S. L., Bergstrom, D. A., Walters, J. R. Parafascicular thalamic nucleus activity in a rat model of Parkinson’s disease. Exp Neurol. 217 (2), 269-281 (2009).
- Steriade, M., Nunez, A., Amzica, F. A novel slow (< 1 Hz) oscillation of neocortical neurons in vivo: depolarizing and hyperpolarizing components. J Neurosci. 13 (8), 3252-3265 (1993).
- Maggi, C. A., Meli, A. Suitability of urethane anesthesia for physiopharmacological investigations in various systems. Part 1: General considerations. Experientia. 42 (2), 109-114 (1986).
- Goldberg, J. A., Kats, S. S., Jaeger, D. Globus pallidus discharge is coincident with striatal activity during global slow wave activity in the rat. J Neurosci. 23 (31), 10058-10063 (2003).
- Karain, B., Xu, D., Bellone, J. A., Hartman, R. E., Shi, W. X. Rat globus pallidus neurons: functional classification and effects of dopamine depletion. Synapse. 69 (1), 41-51 (2015).
- Paasonen, J., et al. Comparison of seven different anesthesia protocols for nicotine pharmacologic magnetic resonance imaging in rat. Eur Neuropsychopharmacol. 26 (3), 518-531 (2016).
- Mahmud, M., Vassanelli, S. Processing and Analysis of Multichannel Extracellular Neuronal Signals: State-of-the-Art and Challenges. Front Neurosci. 10, 248 (2016).
- Hadar, R., et al. Altered neural oscillations and elevated dopamine levels in the reward pathway during alcohol relapse. Behav Brain Res. 316, 131-135 (2017).
- Voget, M., et al. Altered local field potential activity and serotonergic neurotransmission are further characteristics of the Flinders sensitive line rat model of depression. Behav Brain Res. 291, 299-305 (2015).
