Denne protokol beskriver en simpel metode til samtidige optagelse af co lokaliserede electroencefalografi (EEG) og multi-laminar lokale felt potentiale i en bedøvede rotte. En burr hul boret i kraniet for indsættelse af en mikroelektrode er vist sig at producere ubetydelig forvrængning af EEG-signalet.
Selvom electroencefalografi (EEG) er udbredt som en non-invasiv teknik til at optage neurale aktiviteter i hjernen, er vores forståelse af neurogenese af EEG stadig meget begrænset. Lokale felt potentialer (LFPs) registreres via en multi-laminar mikroelektrode kan give en mere detaljeret redegørelse for samtidige neurale aktivitet på tværs af forskellige kortikale lag i neocortex, men teknikken er invasive. Kombinere EEG og LFP målinger i en præ-klinisk model kan væsentligt forbedre forståelsen af de neurale mekanismer, der er involveret i generation af EEG-signaler, og lette afledning af en mere realistisk og biologisk præcise matematiske model af EEG. En enkel procedure for at erhverve samtidige og co lokaliserede EEG og multi-laminar LFP signaler i den bedøvede gnaver præsenteres her. Vi undersøgte også, om EEG-signaler var påvirket væsentligt af en burr hul boret i kraniet for indsættelse af en mikroelektrode. Vores resultater tyder på, at burr hul har en ubetydelig indvirkning på EEG optagelser.
Det er generelt accepteret, at LFPs optaget via microelectrodes primært afspejler den vægtede sum af synkroniserede excitatoriske og hæmmende synaptic aktiviteter pyramideformet neurale lokalbefolkningerne1,2,3 , 4. vores nyere forskning påvist, at profilen af LFP signal kunne opdeles i dele af excitation og hæmning5,6. Men LFP er normalt målt via en invasiv procedure, det er ikke egnet til de fleste undersøgelser af den menneskelige hjerne.
På den anden side er EEG en non-invasiv teknik til måling af den elektriske aktivitet i hjernen. Det er almindeligt anvendt som en diagnostisk redskab for visse former for neurologiske sygdomme som epilepsi, og som et analyseværktøj i menneskelige kognitive undersøgelser. På trods af sin popularitet er en stor begrænsning af EEG manglende evne til at fortolke dens tidsmæssige profiler netop med hensyn til de underliggende neurale signaler7,8,9.
I stigende grad er matematiske modeller af EEG udviklet til at forbedre forståelsen af hjernens funktion10,11,12,13,14,15. De fleste af de eksisterende EEG modeller er udviklet på grundlag af passende frekvens domæne Karakteristik af modellen forudsagde output til EEG data spektrum i løbet af spontan aktivitet, og meget få EEG modeller kan generere realistiske sensory evoked potentials. I denne forbindelse vil samtidige optagelser af EEG og LFP give vigtig indsigt og begrænsninger for at udvikle mere præcise matematiske modeller af EEG.
For at imødegå dette behov for samtidige optagelser til at udforske de neurale oprindelsen af EEG, udviklede vi en metode for at registrere samtidig EEG og multi-laminar LFP signaler i neocortex af den bedøvede rotte. Opsætningen er lig tidligere samtidige EEG/LFP undersøgelser udført i primater16,17. Vi yderligere undersøgt effekten af et burr hul boret i kraniet på EEG optagelser omkring hullet, ved at sammenligne bilaterale EEG optagelser (dvs.en halvkugle med en burr hul, den anden halvkugle intakt) i mangel af sensoriske stimulation. Vores resultater viser, at samtidige EEG/LFP optagelser kan udføres enkelt og effektivt, med lille EEG signalforvrængning fra burr hul i kraniet.
Vi har beskrevet en eksperimentel procedure for samtidige optagelse af co lokaliserede EEG og LFP signaler om en isofluran bedøvede rotte i svar til bakkenbart pad stimulation. En mikroelektrode blev indsat i neocortex gennem en åbning i EEG spider elektrode, som var afstemt med et burr hul boret i kraniet. Elektroden blev fastgjort til kraniet af en ledende og selvklæbende EEG indsætte23. Næsen kegle bruges til administration af isofluran blev ændret således at stimulere elektroder kunne indsættes i bakkenbart pad med lethed.
EEG pastaen var effektiv til montering spider elektrode sikkert til kraniet, men samtidig give fremragende elektriske ledningsevne i hele den eksperimenterende dag uden behov for yderligere anvendelse af pasta. Det erstattet uønsket brug af lim til at lave i periferien af spider elektrode til kraniet, som lim er ikke-ledende og kan øge impedans af elektroden, hvis det kører mellem kraniet og elektrode. EEG pasta har en række fordele i forhold til EEG gel, som er vanskeligt at form omkring burr hul og kan tørre ud under eksperimentet, hvilket resulterer i dårlig EEG-signaler.
Da rotten var placeret inde et Faraday bur, var elektrisk støj på grund af miljøet meget svækkede. Men nogle gange de neurale signal var stadig ganske støjende. I de fleste tilfælde, dette var forårsaget af referenceelektrode ikke sikkert placeret og derfor skulle være re justerede eller flere EEG pasta bruges. Et andet fælles problem var, at den evoked LFP var små i amplitude. Dette kan skyldes mikroelektrode ikke placeret i midten af regionen kortikale aktiveres ved at stimulere elektroder. I stedet for at genindsætte mikroelektrode, som kunne forårsage mere skade på de lokale neuroner, vi normalt justeret placeringen af de stimulerende elektroder i bakkenbart pad indtil en rimelig amplitude af LFP (> 3 mV) kunne observeres.
En af begrænsningerne i teknikken er den dårlig rumlige opløsning af spider elektrode, som har en diameter på 6 mm. Det er store sammenlignet med størrelsen af rottens kraniet. Spider elektrode bruges her er desværre den mindste tilgængelige for køb. Det vil være ønskeligt at reducere diameteren af spider elektrode til 2-4 mm, dermed øge EEG optagelser, hvilket gør sammenligningen mellem EEG-signalet og supragranular rumlige specificitet LFP signal mindre flertydig.
Flere kritiske trin i protokollen har brug for særlig opmærksomhed. Først er indsættelsen af mikroelektrode gennem burr hul. Som dura er ellers intakt, præcisionen af indsættelse er afgørende. En mindre modstand i spidsen af elektroden betyder normalt, at elektroden ikke er placeret korrekt. Det skal være rejst, position justeres, og igen indsat. Andet er placeringen af næsen kegle på rotten. Det skal ikke være for løs, som isofluran vil flygte fra kegle. Det må også ikke være for stramt, da dette kan hindre næsebor af rotte og forårsage åndedrætsbesvær. Særlig opmærksomhed er også forpligtet til at sikre, at amplituden af EEG-optagelse er meget mindre (normalt 5-10 gange mindre) end LFP top kanals optagelse. Hvis de er ens, er det en indikation, EEG sonden er kommet i direkte eller indirekte kontakt med mikroelektrode. En indirekte kontakt er normalt gennem den cerebrale spinalvæske (CSF), der undertiden fylder hullet boret i kraniet. Ledningsevne af CSF er typisk 100 gange så kraniet24,25. Således, hvis CSF inde i burr hul er tilstrækkelig høj, kan det gøre kontakt med spider elektrode. For at undgå dette, skal hullet rengøres ofte med super absorberende bomuld svampe såsom absorption spears.
Effekten af et burr hul (diameter < 2 mm) i kraniet på EEG optagelse omkring hullet blev studeret ved at placere en anden spider elektrode på intakt kraniet på toppen ipsi-lateral tønde cortex, således at bilaterale EEG optagelser kan sammenlignes. Resultaterne vist i figur 9 og figur 10, foreslår virkningen at være ubetydelige på 0,05 niveau af betydning. Andre faktorer, der påvirker amplituden af EEG omfatter, hvor godt EEG pastaen var i kontakt med kraniet, hvordan fast elektroden blev trykket til pasta og den rumlige udstrækning af EEG pasta på kraniet.
Det er også værd at bemærke, at protokollen beskrevet her indspillede kraniet EEG, som er forskellig fra hovedbunden EEG anvendes i human EEG undersøgelser. Hovedbunden fungerer ligesom et resistor eller et low-pass filter, som vil reducere signal-støj-forholdet af EEG registrering yderligere.
Endelig, sammenligning af den tidsmæssige dynamics af ERP og af den evoked LFP på tværs af kortikale lag tyder på, at somatosensoriske evoked potentiale bedre afspejler LFP i de supragranular lag af cortex end i den kornede og infragranular lag. Dette er i overensstemmelse med vores tidligere arbejde6, viser, at det første segment (P1) af ERP er relateret til den retur aktuelle som følge af tilstrømningen af den excitatoriske synaptic nuværende indtræder i den granulerende lag, mens de efterfølgende falde) N1) i ERP kan være relateret til den forsinkede ankomst af thalamic afferente til kortikale lag II/III og/eller feedforward signaler fra dybere kortikale lag. Afslutningsvis kan samtidige optagelser af EEG/LFP øge forståelsen af neurale tilblivelsen af EEG, og lette matematisk modellering af EEG med hensyn til neurale signaler på tværs af kortikale lag.
The authors have nothing to disclose.
Vi vil gerne takke Andrew Cripps samt enhedens BioResource på University of Reading. Denne forskning er finansieret af BBSRC (giver nummer: BB/K010123/1). Data i forbindelse med dette arbejde er frit tilgængelig fra Y.Z. (ying.zheng@reading.ac.uk).
Female Lister Hood rats | Charles Rivers | ||
Spider electrode | Unimed Electrode Supplies Ltd | SCS24-426 | |
EEG paste: Ten20 | Unimed Electrode Supplies Ltd | 10-20-S | |
Stereotaxic holder with dual micromanipulator arms: Dual Manipulator Stereotaxic Frame with 18° Ear Bars | WPI (World Precision Instruments) | 502603 | |
Isoflurane | National Vet Services Limited | 50878 | |
Hard plastic nose cone: Anasthesia Gas Mask for Rat | WPI | 502054 | |
Small animal isoflurane anaesthetic system | WPI | EZ-B800A | |
Thermostatic heating pad: Rat Blanket System 230V | Harvard Apparatus UK | 50-7221-F | |
Ophthalmic ointment: Optixcare eye lube | Viovet | 203865 | |
Lidocaine Hydrochloride (Injection 2%) | Larkmead Vets | ||
Jacquette Scaler #1SSE, 18cm, Hollow | WPI | 503421 | |
Serrated and curved dissecting forceps | WPI | 15915 | |
Braided silk, non-absorbable suture: Mersilk Suture W502H | National Vet Services Limited | 153746 | |
Dental drill: BONE MICRO DRILL SYST 230 VAC | Harvard Apparatus UK | 72-4860 | |
Sterile Saline: Sodium chloride 0.9% | Animalcare Ltd | 14K26BT | |
Drill bit #4 : Ball Mill, Carbide, #4 | Harvard Apparatus UK | 72-4958 | |
Drill bit #4 : Ball Mill, Carbide, #1/4 | Harvard Apparatus UK | 72-4962 | |
Faraday cage | Newport Corporation | VIS-FDC-3600 | |
Vibration isolation workstation: Vision IsoStation | Newport Corporation | M-VIS3660-RG4-325A | |
Oximeter Control Unit and sensor: MouseOxPlus, Starr Life Sciences Corp. | WPI | O15001 | |
Transparent soft nose cone: Microflex Non-Rebreathing Unit with a Rat Nosecone | WPI | EZ-103A | |
Stainless steel stimulating electrodes | PlasticsOne | E363/1/SPC | |
Isolated current stimulator | Made in House | ||
16-channel micro-electrode, 100 μm spacing, area of each site 177 μm2 | NeuroNexus | A1x16-10mm-100-177-A16 | |
16-channel acute headstage | Tucker David Technologies Inc., TDT | RA16AC-Z | |
Pre-Amplifier: Z-Series 64-Channel Neuro-Digitizing Preamp | TDT | PZ5-64 | |
Passive signal splitter: 32-Channel Splitter Box for PZ5 | TDT | S-BOX_PZ5 | |
Data acquisition unit: RZ2 BioAmp Processor. Z-Series 4-DSP ultra high performance processor | TDT | RZ2-4 | |
Software for Neurophysiology: OpenEX | TDT | ||
Matlab | MathWorks | ||
Absorption spears | Fine Sicence Tools | 18105-01 |