Samtidiga inspelningar av kortikala lokala fältet potentialer och Electrocorticograms svar på nociceptiva Laser Stimuli från fritt rörliga råttor
Summary
Vi utvecklat en teknik som registrerar samtidigt både electrocorticography och lokala fältet potentialer som svar på nociceptiva laser stimuli från fritt rörliga råttor. Denna teknik hjälper upprätta en direkt relation av electrocortical signaler på Mesoskopisk och makroskopisk nivå, vilket underlättar utredningen av nociceptiva informationsbehandling i hjärnan.
Abstract
Electrocortical svar, framkallas av värme laserpulser som selektivt aktiverar nociceptiva fria nervändar, används ofta i många djur- och studier för att undersöka kortikala behandling av nociceptiva information. Dessa laser-framkallat hjärnan potentialer (LEPs) bestå av flera övergående reaktioner som är tid-låst till uppkomsten av laser stimuli. LEP Svaren funktionella egenskaper är dock fortfarande till stor del okänd, på grund av en provtagningsteknik som samtidigt kan registrera neurala verksamhet på ytan av cortex (dvs., electrocorticogram [ECoG] och hårbotten elektroencefalogram [hårbotten EEG]) och inne i hjärnan (dvs, lokala fältet potentiella [LFP]). För att lösa problemet, presenterar vi här en djur-protokollet använder fritt rörliga råttor. Detta protokoll är sammansatt av tre huvudsakliga sätt: (1) animaliska förberedelse och kirurgiska ingrepp, (2) en samtidig inspelning av ECoG och LFP svar på nociceptiva laser stimuli, och (3) data analys och funktionen utvinning. Specifikt, med hjälp av ett 3D-tryckt skyddande skal, var både ECoG och LFP elektroder implanterade på råttans skallen säkert hållit ihop. Under datainsamlingen levererades laserpulser på råttans framtassarna genom luckor i botten av kammaren när djuret var i spontana stillhet. Pågående vitt brus spelas för att undvika aktivering av hörselsystemet av de laser-genererade ultraljud. Följaktligen registrerades selektivt endast nociceptiva svaren. Med hjälp av standard analytiska förfaranden (t.ex., band-pass filtrera, epok utvinning och baslinjekorrektion) att extrahera stimulus-relaterade hjärnan svar, fått vi resultat som visar att LEPs med högt signal-brus-förhållande var samtidigt inspelade från ECoG och LFP elektroder. Denna metod möjliggör samtidig inspelning av ECoG och LFP aktiviteter som ger en bro av electrocortical signaler på makroskopisk nivå, Mesoskopisk och därigenom underlätta utredningen av nociceptiva informationsbehandling i hjärnan.
Introduction
EEG är en teknik för att registrera elektriska potentialer och oscillerande hjärnaktiviteterna genereras av synkroniserade aktiviteter av tusentals nervceller i hjärnan. Det är populärt används i många grundläggande studier och kliniska tillämpningar1,2. Exempelvis EEG Svaren till intensiv laser värma pulser (dvsLEPs) är allmänt antas för att undersöka den perifera och centrala bearbetningen av nociceptiva sensoriska input3,4,5. I människor, LEPs består huvudsakligen av tre distinkta nedtryckning: tidig komponenten (N1) som är somatotopically organiseras och sannolikt att spegla aktiviteten av den primära somatosensoriska cortex (S1)6och de sena komponenter (N2 och P2) som är centralt distribuerad och mer benägna att spegla aktiviteten av den sekundära somatosensoriska cortex, insula och främre cingulum7,8. I tidigare studier9,10, vi visade att råtta LEPs, provtas med ECoG (en typ av intrakraniell EEG) från elektroderna placeras direkt på den exponerade ytan av hjärnan, även bestå av tre distinkta omläggningar ( dvs., somatotopically organiserade N1 och centralt distribuerade N2 och P2). De polaritet, ordning och topografin av råtta LEP komponenter liknar mänskliga LEPs11. Dock på grund av den begränsa rumsliga upplösningen i hårbotten EEG och subdural ECoG inspelningar12, samt felaktiga beskaffenhet EEG källa analys teknik13, neurala verksamhet till de LEP komponenterna detaljerad bidrag mycket är omdebatterad. Exempelvis är det oklart om och i vilken utsträckning som S1 bidrar till den tidiga delen av kortikala svaret (N1) framkallas av laser stimuli6.
Skiljer sig från inspelningsteknik på makroskopisk nivå, direkt intrakraniell inspelningarna använda microwire arrayer med hjälp av en stereotaxic apparat och Microdrive-kort14,15 kunde mäta neurala verksamhet (t.ex., LFPs ) i specifika regioner. LFPs speglar främst summeringen av hämmande eller excitatoriska postsynaptiska potentialer neuronala lokalbefolkningarna16. Eftersom LFP-samplade neurala verksamhet återspeglar neuronala processer som sker inom hundratals mikrometrar runt inspelning elektroden, används denna inspelningsteknik ofta för att undersöka den information som bearbetar i hjärnan på Mesoskopisk nivå. Dock endast fokuserar på exakta lokala ändringar av hjärnaktiviteterna och kan inte svara på frågan om hur signaler från flera regioner är integrerade (t.ex., hur LEP komponenter är integrerade i flera hjärnregioner).
Det är värt att notera att samtidig inspelning av ett ECoG- och kortikal LFPs från fritt rörliga råttor kan underlätta undersökningen av kortikala informationsbehandling vid både makroskopisk och Mesoskopisk nivåer. Denna metod ger dessutom ett utmärkt tillfälle att undersöka i vilken utsträckning som de fördefinierade hjärnregioner neurala verksamhet bidra till LEPs. Faktiskt, flera tidigare studier har utvärderat samstämmigheten mellan spikar, kortikala LFP, och ECoG signaler17,18 och visat att de19,LFP20 intill EEG elektroden bidrar till den bildandet av stimulus-relaterade hjärnan svar. Den befintliga tekniken används dock oftast att registrera hjärnans svaren från sövda djur tack vare den saknar en skyddande skal att förhindra elektroderna skadas av kollision. Med andra ord, saknas fortfarande den teknik som kunde bygga bron av electrocortical signaler på Mesoskopisk (kortikal LFP) och makroskopisk (EEG och ECoG) nivåer i fritt rörliga råttor.
För att lösa problemet, utvecklat vi en teknik som kunde spela in en ECoG- och kortikal LFPs i flera hjärnregioner samtidigt från fritt rörliga råttor. Denna teknik hjälper upprätta det direkta förhållandet av electrocortical signaler på makroskopisk nivå, Mesoskopisk och därmed underlätta utredningen av nociceptiva informationsbehandling i hjärnan.
Protocol
Representative Results
Discussion
I den aktuella studien beskrev vi en teknik för att samtidigt registrera ECoGs- och kortikal LFP svar framkallas av nociceptiva laser stimuli från fritt rörliga råttor. Resultaten visade att LEP svaren kunde tydligt identifieras efter debuten av laser stimuli i både ECoG och LFP signaler. Samtidig inspelning av ECoG och kortikala LFP signaler gör det möjligt för forskare att undersöka deras relation för att bättre förstå ett bidrag av neuronala till de LEP komponenterna.
Fem kriti…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöds av CAS Key Laboratory of Mental Health, Institutet för psykologi, National Natural Science Foundation Kina (31671141 och 31822025), den 13: e femåriga Informatization planerar av den kinesiska vetenskapsakademin (XXH13506), och projektet vetenskaplig grund av Institute of Psychology, kinesiska vetenskapsakademin (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).
