Samtidiga inspelningar av kortikala lokala fältet potentialer, elektrokardiogram, Elektromyogram och andas rytm från en fritt rörliga råtta
Summary
Denna studie införs en metod för samtidig inspelning av lokala fältet potentialer i hjärnan, elektrokardiogram, electromyograms, och andas signaler på en fritt rörliga råtta. Denna teknik, som minskar experimentella kostnaderna och förenklar analysen av data, kommer att bidra till förståelse av samspelet mellan hjärnan och perifera organ.
Abstract
Övervakning fysiologiska dynamiken i hjärnan och perifera vävnader är nödvändig för att ta itu med ett antal frågor om hur kontrollerna hjärnan kroppen funktioner och inre organ rytmer när djur utsätts för känslomässiga utmaningar och förändringar i deras levande miljöer. I allmänhet är experiment, signaler från olika organ, exempelvis hjärnan och hjärtat, inspelade av oberoende inspelning system som kräver flera inspelningsutrustning och olika förfaranden för bearbetning av datafilerna. Denna studie beskriver en ny metod som kan samtidigt övervaka elektriska biosignaler, inklusive tiotusentals lokala fältet potentialer i flera hjärnregioner, elektrokardiogram som representerar hjärtrytmen, electromyograms som representerar vaken / sömn-relaterade muskelkontraktion, och andas signaler, ett fritt rörliga råtta. Inspelning konfigurationen av denna metod är baserad på en konventionell mikro-drive array för kortikala lokala fältet potentiella inspelningar där tiotals elektroder hysas och signalerna från dessa elektroder är integrerade i en enda elektriska styrelsen monterad på djurets huvud. Här, förbättrades denna inspelningssystem så att signaler från de perifera organ överförs också till en elektrisk gränssnittskortet. I en enda operation implanteras först separat elektroder i lämpliga kroppsdelar och hjärnan målområdena. De öppna ändarna på alla dessa elektroder sedan lödas till enskilda kanaler elektriska nämndens ovanför djurets huvud så att alla signalerna som kan integreras i den enda elektriska styrelsen. Ansluta denna styrelse till en inspelningsenhet möjliggör insamling av alla signalerna i en enda enhet, vilket minskar experimentella kostnaderna och förenklar databehandling, eftersom alla data kan hanteras i samma datafilen. Denna teknik kommer att hjälpa förståelsen av de Neurofysiologiska korrelat av anslutningarna mellan centrala och perifera organ.
Introduction
Centrala nervsystemet styr kroppen stater som svar på olika miljöförändringar, och denna kontroll är vanligtvis representeras av förändringar i hjärtfrekvens, andning och muskelsammandragningar. Få studier har dock testat hur perifera fysiologiska faktorer är associerade med kortikal aktivitet. Om du vill åtgärda det här problemet krävs en storskalig inspelning metod för elektriska biosignaler från både centrala och perifera vävnader. I hjärnbarken registreras extracellularly lokala fältet potentiella (LFP) signaler av elektroder som sätts in i det kortikala vävnader1,2,3. För att samtidigt registrera flera LFP signaler från kortikala regioner av små däggdjur, såsom råttor och möss, har ett antal studier utvecklat olika typer av skräddarsydda elektrod sammansättningar som kallas mikro-enheter. En konventionell mikro-enhet består av metall skruvar bifogas de mellersta delarna av elektroderna (som vanligtvis är tetrodes), en core kropp som rymmer skruvar och elektroder och en elektrisk gränssnittskortet (EIB) som rymmer metall hål till Anslut de öppna ändarna på elektroderna (figur 1, figur 2och figur 3). Denna elektrod församling gör att föraren styra djupet av många elektroder infogas i hjärnan under loppet av dagar eller veckor, och att genomförandet av långsiktiga kroniska inspelningar av neuronal aktivitet som djuret utmanas med olika beteendemässiga uppgifter. I perifera organ, hjärtslag signaler bokförs som elektrokardiogram (EKG) av ett par elektroder som implanteras på eller runt hjärtat område4,5,6, och skelettmuskel signaler registreras som electromyograms (EMGs) med elektroder som sätts in i den muskel vävnad7,8,9. Förhållandet mellan elektriskt signalerar av luktbulben och andning (BR) rytm har studerats med enhet recordings10,11. I konventionella inspelning system, har dessa signaler från olika vävnader fångats av oberoende inspelningsenheter, vilket innebär att ytterligare ett experimentella system krävs att just synkronisera dessa flera enheter för samtidiga inspelningar av hjärnan-kroppen signaler. Detta system utvecklades för att lösa detta problem. I detta system integreras alla elektriska signaler som spelats in från de perifera organ, inklusive EKG, EMGs och elektriska signaler från luktbulben som återspeglar andning rytmen, i en enda mikro-drive array1,2 ,3, här kallas en integrativ mikro-drive array. Detta system kräver bara en flerkanalig inspelningsenhet och är tillämplig på alla konventionella mikro-drive array. Fördelarna med denna teknik är att det inte kräver några särskilda anordningar eller utlösa signaler att matcha inspelningstiden för flera enheter, och gör det möjligt för bekvämare databehandling, eftersom alla signalerna registreras som liknande datatyper. Denna teknik kommer att hjälpa förståelsen av de Neurofysiologiska korrelat av anslutningarna mellan centrala och perifera organ. Detta dokument beskriver de förfaranden i samband med tekniken och presenterar representativa datamängder från en råtta.
Protocol
Representative Results
Discussion
För att förstå hur hjärnan modulerar perifera aktivitetsnivåer, och vice versa, storskaliga inspelning metoder för att samtidigt fånga elektriska biosignaler från flera organ områden är nödvändiga. Denna studie beskrivs ett kirurgiskt ingrepp, och en inspelningssystem för övervakning av cerebral lokala fältet potentialer, hjärtfrekvens, omfattningen av muskel uppbyggnad och andningsfrekvenser, som har förbättrats på en inspelningssystem som används för extracellulära inspelningar i hjärnvävnaden. …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöds av Kak-Hej 17 H 05939; 17 H 05551, Nakatomi stiftelsen och stiftelsen Suzuken Memorial.
Materials
| FEP Hookup Wire Stranded Stainless Steel | Cooner Wire Company, Chatsworth, CA | AS 633 | Bioflex wire |
| EIB-36-PTB | Neuralynx, Inc., Bozeman, MT | EIB-36-PTB | EIB |
| Cereplex M | Blackrock Microsystems, Salt Lake City, UT | Digital headstage | |
| Cereplex Direct | Blackrock Microsystems, Salt Lake City, UT | Data acquisition system | |
| UEW polyurethane magnet wire | Oyaide.com, Tokyo, Japan | UEW 0.14mm 20m | Enamel wire |
| SD-102 | Narishige, Tokyo, Japan | SD-102 | High-speed drill |
| Minimo ONE SERIES ver.2 | Minitor Co.,Ltd, Tokyo, Japan | C2012 | High-peed drill Power Supply |
| Provinice 250 mL | Shofu Inc., Kyoto, Japan | 213620136 | Dental cement |
| Small Animal Anesthetizer | Biomachinery, Chiba, Japan | TK-7 | Anesthetizer |
| Buprenorphine hydrochloride | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO | B7536-1ML | Analgesic |
| Isoflurane | DS Pharma Animal Health, Osaka, Japan | Isoflu 250mL | |
| Vaseline, White | Wako Pure Chemical Industries, Ltd., Osaka, Japan | 224-00165 | Vet ointment |
| Sodium alginate | Nacalai tesque, Kyoto, Japan | 31131-85 | |
| Calcium Chloride Dihydrate | Wako Pure Chemical Industries, Ltd., Osaka, Japan | 031-00435 | |
| Stainless steel screw M1.0×4.0 | MonotaRO, Hyogo, Japan | 42617504 | Stainless steel screw for BR electrodes |
| Stainless steel screw M1.4×3.0 | MonotaRO, Hyogo, Japan | 42617687 | Stainless steel screw for g/r electrodes and anchors |
References
- Kloosterman, F., et al. Micro-drive Array for Chronic in vivo Recording: Drive Fabrication. JoVE. (26), e1094 (2009).
- Nguyen, D. P., et al. Micro-drive Array for Chronic in vivo Recording: Tetrode Assembly. Journal of Visualized Experiments : JoVE. (26), e1098 (2009).
- Jog, M. S., et al. Tetrode technology: advances in implantable hardware, neuroimaging, and data analysis techniques. J Neurosci Methods. 117 (2), 141-152 (2002).
- Fenske, S., et al. Comprehensive multilevel in vivo and in vitro analysis of heart rate fluctuations in mice by ECG telemetry and electrophysiology. Nat Protoc. 11 (1), 61-86 (2016).
- Rossi, S., et al. The effect of aging on the specialized conducting system: a telemetry ECG study in rats over a 6 month period. PLoS One. 9 (11), 112697 (2014).
- Cesarovic, N., Jirkof, P., Rettich, A., Arras, M. Implantation of radiotelemetry transmitters yielding data on ECG, heart rate, core body temperature and activity in free-moving laboratory mice. JoVE. (57), (2011).
- Zeredo, J. L., Kumei, Y., Shibazaki, T., Yoshida, N., Toda, K. Measuring biting behavior induced by acute stress in the rat. Behav Res Methods. 41 (3), 761-764 (2009).
- Young, G. A., Khazan, N. Electromyographic power spectral changes associated with the sleep-awake cycle and with diazepam treatment in the rat. Pharmacol Biochem Be. 19 (4), 715-718 (1983).
- Oishi, Y., et al. Polygraphic Recording Procedure for Measuring Sleep in Mice. JoVE. (107), e53678 (2016).
- Chaput, M. A. Respiratory-phase-related coding of olfactory information in the olfactory bulb of awake freely-breathing rabbits. Physiol Behav. 36 (2), 319-324 (1986).
- Ravel, N., Pager, J. Respiratory patterning of the rat olfactory bulb unit activity: Nasal versus tracheal breathing. Neurosci Lett. 115 (2-3), 213-218 (1990).
- Okada, S., Igata, H., Sakaguchi, T., Sasaki, T., Ikegaya, Y. A new device for the simultaneous recording of cerebral, cardiac, and muscular electrical activity in freely moving rodents. J Pharmacol Sci. 132 (1), 105-108 (2016).
- Sasaki, T., Nishimura, Y., Ikegaya, Y. Simultaneous Recordings of Central and Peripheral Bioelectrical Signals in a Freely Moving Rodent. Biol Pharm Bull. 40 (5), 711-715 (2017).
