حاد<em> في فيفو</em> تسجيلات الكهربية للميكانيات الميدانية المحلية والنشاط متعدد الوحدات من مسار هيبيرديركت في الفئران تخدير
Summary
في هذه الدراسة، يتم تقديم منهجية حول كيفية تنفيذ متعدد المواقع في الجسم الحي التسجيلات الكهربية من مسار هيبيرديركت تحت يوريتان التخدير.
Abstract
وتظهر الأدلة المتقاربة أن العديد من الأمراض العصبية والنفسية ينبغي أن يفهم على أنه اضطرابات في شبكات الخلايا العصبية واسعة النطاق. لفهم أفضل الأساس الفيزيولوجي المرضي لهذه الأمراض، فمن الضروري أن يميز بدقة في الطريقة التي يتم فيها انزعاج معالجة المعلومات بين الأجزاء العصبية المختلفة من الدائرة. باستخدام خارج الخلية في الجسم الحي التسجيلات الكهربية، فمن الممكن أن تحدد بدقة نشاط الخلايا العصبية داخل شبكة الخلايا العصبية. تطبيق هذا الأسلوب له العديد من المزايا على التقنيات البديلة، على سبيل المثال ، التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي والتصوير الكالسيوم، كما أنه يسمح القرار الزماني والمكاني الفريد ولا تعتمد على الكائنات المعدلة وراثيا. ومع ذلك، فإن استخدام خارج الخلية في التسجيلات الجسم الحي محدودة لأنها تقنية الغازية التي لا يمكن تطبيقها عالميا. في هذه المقالة، يتم تقديم طريقة بسيطة وسهلة الاستخدام ثإيث التي من الممكن أن تسجل إمكانات خارج الخلية في وقت واحد مثل إمكانيات الحقل المحلية والنشاط مولتيونيت في مواقع متعددة من الشبكة. ومن المفصل كيف يمكن تحقيق استهداف دقيق من نوى تحت القشرية باستخدام مزيج من الجراحة المجسم والتحليل على الانترنت من تسجيلات متعددة الوحدات. وهكذا، يتضح، كيف يمكن دراسة شبكة كاملة مثل حلقة العقد القاعدية القاعدية هيبيرديركت في الحيوانات تخدير في الجسم الحي .
Introduction
الأدلة التراكمية الأخيرة على مختلف الاضطرابات العصبية والنفسية مثل مرض باركنسون (بد) والفصام تشير بقوة إلى أن الفيزيولوجيا المرضية الخاصة بهم على أساس اختلال وظيفي حرج في الدوائر العصبية الموسعة التي غالبا ما تنطوي على الهياكل القشرية والقشرية تحت القشرية 1 ، 2 ، 3 . وفقا لهذه النظرية، المظاهر السريرية للأمراض تنشأ نتيجة ضعف القدرة على معالجة المعلومات من شبكة من الخلايا بدلا من خلايا واحدة أو العناصر العصبية محددة 1 ، 2 ، 3 . من أجل تعزيز فهم هذه المجموعة المعقدة من الأمراض العصبية والنفسية وإيجاد خيارات جديدة للعلاج، فمن إلزامي لتوصيف ديناميات الخلايا العصبية من تلك الشبكات المختللة في المرضى البشريين وفي النماذج الحيوانية بتفصيل كبير. امتيازطريقة لدراسة الشبكات واسعة النطاق في الكائنات الحية هو تسجيلات الكهربية متعددة المواقع من إمكانيات خارج الخلية 4 . وباستخدام هذه الطريقة، من الممكن تقييم إمكانات المجال المحلي في نفس الوقت، والتي تمثل في المقام الأول التجميد الزمني للتيارات المشبكية المثبطة والتثبيطية والنشاط المتعدد الوحدات (موا)، الذي يتم توليده من خلال إمكانيات ما قبل المشبكية 5 . تسجيل إمكانات خارج الخلية لديه العديد من المزايا على الطرق البديلة لدراسة الشبكات، على سبيل المثال ، التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي والتصوير الكالسيوم، لأنه يوفر أعلى القرار الزماني والمكاني ولأنه لا يعتمد على الكائنات المعدلة وراثيا 5 . ومع ذلك، فإن استخدام خارج الخلية في التسجيلات الجسم الحي محدودة لأنها تقنية الغازية التي لا يمكن تطبيقها عالميا.
في الجسم الحي ريك الكهربيةيمكن تنفيذ الأوامر في مستيقظا وكذلك في الحيوانات تخدير 6 . ويرافق كلتا الطريقتين من إيجابيات وسلبيات محددة. الدراسات في الحيوانات مستيقظا تسمح بتسجيل إشارات الدماغ أثناء أداء المهام السلوكية محددة، ولكن عرضة للحركة ذات الصلة وغيرها من التحف 7 ، 8 . التسجيلات في الحيوانات تخدير من ناحية أخرى توفر الفرصة لتقييم اللاعبين ذوي الإعاقة و موا مع الحد الأدنى من التحف في حالات تزامن القشرية محددة للغاية، ولكن النتائج تختلف أيضا إلى حد ما إلى ما يمكن العثور عليها في المواضيع مستيقظا 9 ، 10 ، 11 .
وقد ثبت في السنوات الأخيرة أن أخذ عينات من الأطراف الفاعلة الحرجية مفيد بوجه خاص لتحديد التغيرات المرضية في نشاط الشبكة. مثال بارز على ذلك هو البحث في الفيزيولوجيا المرضية بد في المريض البشريs والنماذج الحيوانية للمرض، حيث يمكن أن تظهر أن التذبذبات بيتا معززة في حلقة العقد القاعدية القاعدية ترتبط أعراض السيارات باركنسوني 12 ، 13 . ونتيجة لهذا الخط البحثي، يتم التحقيق حاليا إذا كان يمكن استخدام التذبذبات بيتا باعتبارها المؤشرات الحيوية ردود الفعل على الانترنت لتحفيز حلقة عميقة الدماغ العميق 14 ، 15 .
في هذه الدراسة، يتم تقديم وصفا تفصيليا من موقع متعدد الحادة في الجسم الحي التسجيلات الكهربية من مركبات القوى العاملة و موا في الفئران تخدير مع يوريتان. ويتبين كيف يمكن لشبكة كاملة، مثل هيبيرديركت كورتيكو-باسال العقد العقد يمكن وصف الكهربية باستخدام أقطاب القياسية والمخصصة وكيف يمكن لتلك الأقطاب أن تكون بناء. ويؤكد بشكل خاص كيف يمكن أن يكون الهدف الدقيق لاستهداف نوى العقد القاعدية من قبل المشتركوربط الجراحة المجسمة جنبا إلى جنب مع تسجيل مواس.
Protocol
Representative Results
Discussion
في هذه الدراسة، وتظهر طريقة كيفية تسجيل الإشارات الكهربية خارج الخلية في وقت واحد من مواقع متعددة من شبكة معينة باستخدام مثال هيبيرديركت القشرية القاعدية مسار العقد الذي يربط M1 مع ستن و شنر في القوارض.
وهناك خطوة حاسمة في تسجيل ا…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر دويتشه فورسشونغزجيمينشافت (دفغ)، كفو 247، لتمويل دراستنا.
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. |
References
- 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. Neuroscience. 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).
