Wir möchten danken Andrew Cripps und BioResource Einheit an der University of Reading. Diese Forschung wurde finanziert durch die BBSRC (Anzahl zu gewähren: BB/K010123/1). Daten im Zusammenhang mit diesem Werk ist frei von Y.Z (ying.zheng@reading.ac.uk) verfügbar.

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Die Autoren haben nichts preisgeben.

Wir haben ein experimentelles Verfahren zur gleichzeitigen Erfassung von Co lokalisierte EEG und LFP-Signale ein Isofluran narkotisierten Ratte in Reaktion auf die Whisker Pad Stimulation beschrieben. Eine Mikroelektrode wurde in der Großhirnrinde durch eine Öffnung in der EEG-Spinne-Elektrode eingefügt, die mit einem Grat-Loch in den Schädel gebohrt ausgerichtet war. Die Elektrode wurde an den Schädel durch eine leitfähige gesichert und Klebstoff EEG einfügen23. Die Bugnase für die Verwaltung von Isofluran verwendet wurde geändert, so dass stimulierende Elektroden in die Whisker-Pad mit Leichtigkeit eingesetzt werden könnte.
Die EEG-Paste war effektiv bei der Montage der Spider Elektrode fest mit dem Schädel und bietet hervorragende elektrischen Leitfähigkeit experimentelle tagsüber ohne die Notwendigkeit für zusätzliche Anwendung der Paste. Es ersetzt die unerwünschte Verwendung von Leim, die Peripherie der Spider Elektrode an den Schädel zu beheben, wie Kleber nicht leitend ist und die Impedanz der Elektrode zu erhöhen kann, wenn es zwischen dem Schädel und der Elektrode läuft. EEG-Paste hat eine Reihe von Vorteilen gegenüber EEG-Gel, das ist schwierig, Form um des Bohrlochs und im Experiment, was zu schlechten EEG-Signale austrocknen kann.
Da die Ratte in einem Faraday-Käfig platziert wurde, war elektrisches Rauschen aufgrund der Umgebung stark gedämpft. Allerdings war der neuronalen Signal manchmal immer noch ziemlich laut. In den meisten Fällen war dies durch die Bezugselektrode nicht richtig positioniert und musste daher neu eingestellt werden oder mehr EEG verursacht Paste verwendet. Ein weiteres häufiges Problem war, dass die evozierte LFP kleine Amplitude. Dies könnte aufgrund der Mikroelektrode nicht in der Mitte der kortikalen Region aktiviert durch die stimulierenden Elektroden positioniert sein. Statt neu einfügen der Mikroelektrode, die mehr die lokalen Nervenzellen schädigen könnte, haben wir in der Regel die Position der stimulierenden Elektroden in die Whisker-Pad bis eine vernünftige Amplitude von der LFP angepasst (> 3 mV) konnten beobachtet werden.
Eine der Beschränkungen der Technik ist die schlechte räumliche Auflösung von der Spinne-Elektrode, die einen Durchmesser von 6 mm hat. Verglichen mit der Größe des Schädels die Ratte ist groß. Leider ist die Spinne Elektrode verwendet hier den kleinsten zur Verfügung zu erwerben. Es werden wünschenswert, den Durchmesser der Spider Elektrode auf 2-4 mm zu reduzieren, wodurch sich die räumlichen Besonderheiten der EEG-Ableitungen, der Vergleich zwischen das EEG-Signal und die Supragranular LFP signal weniger zweideutig.
Mehrere wichtige Schritte im Protokoll bedürfen besonderer Aufmerksamkeit. Die erste ist die Einfügung der Mikroelektrode durch des Bohrlochs. Wie die Dura ansonsten intakt ist, ist die Genauigkeit der Einfügung entscheidend. Ein leichter Widerstand an der Spitze der Elektrode bedeutet normalerweise, dass die Elektrode nicht korrekt positioniert ist. Es muss angehoben werden, Lage angepasst und wieder eingefügt. Die zweite ist die Position des Kegels Nase auf die Ratte. Es darf nicht zu locker, wie Isoflurane aus dem Konus entweicht. Es muss auch nicht zu eng sein, da dies die Nasenlöcher der Ratte behindern und Atembeschwerden verursachen. Besondere Aufmerksamkeit ist auch erforderlich, um sicherzustellen, dass die Amplitude der EEG-Aufzeichnung viel kleiner ist (in der Regel 5 bis 10 Mal kleiner) als die LFP-Top-Channel-Aufnahme. Wenn sie ähnlich sind, ist es ein Hinweis darauf, dass die EEG-Sonde in direktem oder indirektem Kontakt mit der Mikroelektrode getreten ist. Ein indirekten Kontakt wird in der Regel durch die zerebralen spinalen Flüssigkeit (CSF), die manchmal das Loch füllt in den Schädel gebohrt. Die Leitfähigkeit des CSF ist in der Regel 100 Mal, dass der Schädel24,25. Daher, wenn das Niveau der CSF innerhalb des Bohrlochs hoch genug ist, kann es machen Kontakt mit der Spinne-Elektrode. Um dies zu vermeiden, sollte das Loch mit super saugfähige Baumwolle Schwämme wie Absorption Spears häufig gereinigt werden.
Die Wirkung eines Bohrlochs (Durchmesser < 2 mm) in den Schädel auf das EEG Aufnahmen rund um das Loch wurde untersucht, indem eine andere Spinne-Elektrode auf der intakten Schädel auf Ipsi-Lateral Barrel Cortex damit bilateralen EEG-Ableitungen verglichen werden könnte. Die Ergebnisse in Abbildung 9 und Abbildung 10, schlagen die Wirkung auf das Signifikanzniveau 0,05 unbedeutend sein. Andere Faktoren, die die Amplitude des EEG gehören wie auch die EEG-Paste war in Kontakt mit den Schädel, wie fest die Elektrode, die Paste gedrückt wurde und die räumliche Ausdehnung der EEG-Paste auf dem Schädel.
Es lohnt sich auch zu beachten, dass das Protokoll hier beschriebenen Schädel EEG aufgezeichnet die unterscheidet sich von Scalp EEG in menschlichen EEG-Studien verwendet. Die Kopfhaut wirkt wie ein Widerstand oder ein Tiefpass-Filter, der das Signal-Rausch-Verhältnis des EEG Aufnahme weiter reduzieren wird.
Zu guter Letzt die zeitliche Dynamik des ERP und derjenigen der evozierten LFP über die kortikalen Schichten im Vergleich zufolge somatosensiblen evozierten Potentiale besser widerspiegelt die LFP in der Supragranular Schicht der Rinde als in das Granulat und Infragranular Schichten. Dies ist in Übereinstimmung mit unserer früheren Arbeit6, zeigen, dass das erste Segment (P1) des ERP-im Zusammenhang mit der Rückkehr aktuelle infolge des Zuflusses der erregenden synaptischen aktuelle auftretenden in der Körnerschicht während der anschließenden abnimmt) N1) in ERP kann auf die verspätete Ankunft der Thalamische afferenten zu kortikalen Schichten II/III und/oder Feedforward Signale aus tieferen kortikalen Schichten bezogen werden. Zusammenfassend, gleichzeitige Aufnahmen des EEG/LFP Verständnis der neuronalen Genese des EEG, erleichtern und verbessern die mathematische Modellierung des EEG in Bezug auf neuronale Signale über die kortikalen Schichten.

Es ist allgemein anerkannt, dass drängendere erfasst in erster Linie über Mikroelektroden die gewichtete Summe der synchronisierten exzitatorischen und inhibitorischen synaptischen Aktivitäten von lokalen pyramidale neuronalen Populationen1,2,3 widerspiegeln , 4. unsere neuere Forschungen gezeigt, dass das Profil des LFP-Signals in Komponenten von Hemmung und Erregung5,6getrennt werden könnte. Jedoch wie LFP normalerweise über ein invasives Verfahren gemessen wird, ist es nicht geeignet für die meisten Studien des menschlichen Gehirns.
EEG ist auf der anderen Seite eine nicht-invasive Technik zur Messung der elektrischen Aktivität des Gehirns. Es ist ein Diagnosewerkzeug für bestimmte Arten von neurologischen Erkrankungen wie Epilepsie sowie als Recherche-Tool in menschliche kognitive Studien verbreitet. Trotz seiner Popularität ist eine große Einschränkung des EEG die Unfähigkeit, seine zeitliche Profile genau in Bezug auf die zugrunde liegende neuronale Signale7,8,9zu interpretieren.
Zunehmend werden mathematische Modelle des EEG entwickelt Verständnis vom Gehirn Funktion10,11,12,13,14,15. Die meisten bestehenden EEG-Modelle sind basierend auf passende Domain Frequenzeigenschaften des Modells vorhergesagt Ausgabe auf die EEG-Daten-Bandbreite während der spontanen Aktivität entwickelt, und sehr wenige EEG Modelle erzeugen realistische sensorische evozierte Potentiale. In diesem Zusammenhang bieten gleichzeitige Aufnahmen von EEG und LFP wichtige Erkenntnisse und Einschränkungen, für genauere mathematische Modelle des EEG zu entwickeln.
Um dieses Bedarfs für gleichzeitige Aufnahmen den neuronalen Ursprung des EEG weiter zu erkunden, entwickelten wir eine Methode um EEG und Multi-laminar LFP-Signale gleichzeitig im Neocortex der narkotisierten Ratte zu erfassen. Die Einrichtung ist ähnlich wie bei früheren gleichzeitige EEG/LFP-Studien in Primaten16,17. Wir untersucht die Wirkung eines Bohrlochs gebohrt in den Schädel auf EEG-Ableitungen, die rund um das Loch durch einen bilateralen EEG-Ableitungen (d. h., eine Halbkugel mit einem Grat Loch, die andere Hemisphäre intakt) in Ermangelung von sensorischen Vergleich die Stimulation. Unsere Ergebnisse zeigen, dass gleichzeitige EEG/LFP-Aufnahmen einfach und effektiv mit wenig EEG Signalverzerrung aus dem Grat Loch in den Schädel durchgeführt werden können.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Female Lister Hood rats</td>
			<td>Charles Rivers</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spider electrode</td>
			<td>Unimed Electrode Supplies Ltd</td>
			<td>SCS24-426</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EEG paste: Ten20</td>
			<td>Unimed Electrode Supplies Ltd</td>
			<td>10-20-S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stereotaxic holder with dual micromanipulator arms: Dual Manipulator Stereotaxic Frame with 18&#176; Ear Bars</td>
			<td>WPI (World Precision Instruments)</td>
			<td>502603</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isoflurane</td>
			<td>National Vet Services Limited</td>
			<td>50878</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hard plastic nose cone: Anasthesia Gas Mask for Rat</td>
			<td>WPI</td>
			<td>502054</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Small animal isoflurane anaesthetic system</td>
			<td>WPI</td>
			<td>EZ-B800A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thermostatic heating pad: Rat Blanket System 230V</td>
			<td>Harvard Apparatus UK</td>
			<td>50-7221-F</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ophthalmic ointment: Optixcare eye lube</td>
			<td>Viovet</td>
			<td>203865</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lidocaine Hydrochloride (Injection 2%)</td>
			<td>Larkmead Vets</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Jacquette Scaler #1SSE, 18cm, Hollow</td>
			<td>WPI</td>
			<td>503421</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Serrated and curved dissecting forceps</td>
			<td>WPI</td>
			<td>15915</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Braided silk, non-absorbable suture: Mersilk Suture W502H</td>
			<td>National Vet Services Limited</td>
			<td>153746</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dental drill: BONE MICRO DRILL SYST 230 VAC</td>
			<td>Harvard Apparatus UK</td>
			<td>72-4860</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sterile Saline: Sodium chloride 0.9%</td>
			<td>Animalcare Ltd</td>
			<td>14K26BT</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Drill bit #4 : Ball Mill, Carbide, #4</td>
			<td>Harvard Apparatus UK</td>
			<td>72-4958</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Drill bit #4 : Ball Mill, Carbide, #1/4</td>
			<td>Harvard Apparatus UK</td>
			<td>72-4962</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Faraday cage</td>
			<td>Newport Corporation</td>
			<td>VIS-FDC-3600</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vibration isolation workstation: Vision IsoStation</td>
			<td>Newport Corporation</td>
			<td>M-VIS3660-RG4-325A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oximeter Control Unit and sensor: MouseOxPlus, Starr Life Sciences Corp.</td>
			<td>WPI</td>
			<td>O15001</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Transparent soft nose cone: Microflex Non-Rebreathing Unit with a Rat Nosecone</td>
			<td>WPI</td>
			<td>EZ-103A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stainless steel stimulating electrodes</td>
			<td>PlasticsOne</td>
			<td>E363/1/SPC</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isolated current stimulator</td>
			<td>Made in House</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>16-channel micro-electrode, 100 &#956;m spacing, area of each site 177 &#956;m2</td>
			<td>NeuroNexus</td>
			<td>A1x16-10mm-100-177-A16</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>16-channel acute headstage</td>
			<td>Tucker David Technologies Inc., TDT</td>
			<td>RA16AC-Z</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pre-Amplifier: Z-Series 64-Channel Neuro-Digitizing Preamp</td>
			<td>TDT</td>
			<td>PZ5-64</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Passive signal splitter: 32-Channel Splitter Box for PZ5</td>
			<td>TDT</td>
			<td>S-BOX_PZ5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data acquisition unit: RZ2 BioAmp Processor. Z-Series 4-DSP ultra high performance processor</td>
			<td>TDT</td>
			<td>RZ2-4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Software for Neurophysiology: OpenEX</td>
			<td>TDT</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Matlab</td>
			<td>MathWorks</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Absorption spears</td>
			<td>Fine Sicence Tools</td>
			<td>18105-01</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

concurrent recording of co-localized electroencephalography and local field potential in rodent

Obwohl Elektroenzephalographie (EEG) häufig als nicht-invasive Technik zur Erfassung von neuronalen Aktivitäten des Gehirns verwendet wird, ist unser Verständnis von der Neurogenese des EEG noch sehr begrenzt. Lokales Feld Potentiale (drängendere) über eine Multi-laminar Mikroelektrode aufgezeichnet bieten eine detailliertere Darstellung der gleichzeitigen neuronale Aktivität in verschiedenen kortikalen Schichten in der Großhirnrinde, aber die Technik ist invasiv. Kombination von EEG- und LFP-Messungen in einem präklinischen Modell stark Verständnis der neuronalen Mechanismen in der Generation der EEG-Signale, erleichtern und verbessern die Ableitung eines realistischeren und biologisch korrekt mathematischen Modells des EEG. Ein einfaches Verfahren für den Erwerb der gleichzeitigen und Co lokalisierte EEG und Multi-laminar LFP-Signale in den narkotisierten Nager wird hier vorgestellt. Außerdem untersuchten wir, ob EEG-Signale eines Bohrlochs gebohrt in den Schädel für das Einfügen von einer Mikroelektrode erheblich betroffen waren. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Bohrlochs einen vernachlässigbaren Einfluss auf EEG-Ableitungen hat.

Daten von 4 Ratten wurden gemittelt, um meine Zeitreihen gegebenenfalls zu erhalten. Die Amplitude der evozierten EEG-Reaktion, auch bekannt als das Ereignis im Zusammenhang mit Potenzial (ERP), ist in der Regel viel kleiner als die von der LFP. Abbildung 6 zeigt die durchschnittliche ERP und LFP in Supragranular, körnig, und Infragranular Schichten des Cortex Fass bzw.. Die Fehler-Band in jeder Parzelle ist der entsprechende Standardfehler. Es ist ersichtlich, dass ERP ca. 10 Mal kleiner als die evozierten LFP ist.
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56447/56447fig6.jpg"> Abbildung 6: bedeuten (n = 4) neuronale Signale von ERP, Supragranular, körnig, und Infragranular LFP. Schatten zeigt Standardfehler. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56447/56447fig6large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
Vergleiche die zeitliche Dynamik des ERP- und LFP sind in Abbildung 7gezeigt. Direkte Überlagerung von ERP- und Supragranular LFP in Abbildung 7A zeigt die Reihenfolge der Amplitude Unterschiede zwischen diesen beiden Arten der neuralen Signale. Um die zeitliche Dynamik zu vergleichen, sind ERP- und LFP in Bezug auf ihre negativen Höhepunkt Amplitude normiert. Abbildung 7 b und 7 C zeigen, dass die normalisierten ERP die normalisierte Supragranular LFP und normalisierte granulare LFP, bzw. überlagert.
Es ist aus Abbildung 7 b erkennbar, dass die Gipfel der P1 und N1 für ERP als die entsprechenden Gipfel der LFP in der Supragranular Schicht mehr verzögerte sind. Die zeitliche Profile dieser zwei neuronale Signale sind jedoch ähnlich, mit P1 N1 vor. Auf der anderen Seite, dem zeitlichen Verlauf des ERP unterscheidet sich deutlich von derjenigen der (Körnerschicht IV des Fasses Kortex) LFP (Abbildung 7). Vor allem sind sie keine Spiegelbilder von einander, mit körnigen LFP dominiert durch einen einzigen negativen Spitzenwert (widerspiegelt eine große Waschbecken im kortikalen Schicht IV), während ERP in erster Linie aus zwei Spitzen mit entgegengesetzter Polarität bestand.
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56447/56447fig7.jpg"> Abbildung 7: Vergleich der zeitlichen Dynamik des ERP- und LFP. (A) ERP (durchgezogene Linie) mit Supragranular LFP (gestrichelte Linie) überlagert. Schatten zeigt Standardfehler. (B) normalisiert ERP (durchgezogene Linie) überlagert mit normalisierten Supragranular LFP (gestrichelte Linie). (C) normalisiert ERP (durchgezogene Linie) überlagert mit normalisierten granulare LFP (gestrichelte Linie). <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56447/56447fig7large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
Das ERP-Signal wurde über eine Spinne Elektrode platziert auf den Schädel mit einem Grat Bohrung hinein gemessen. Um die Wirkung des Lochs auf EEG-Ableitungen zu untersuchen, wurde eine weitere Spinne Elektrode auf den intakten Schädel oben Ipsi-Lateral Barrel Cortex platziert. Darauf wurde geachtet, um sicherzustellen, dass die Impedanzen der beiden Spider Elektroden in der Größenordnung vergleichbar waren, durch Anpassung der Höhe der EEG-Paste verwendet. Daten aus vier Ratten (die nicht die gleichen Ratten verwendet wurden oben) werden hier vorgestellt.
Abbildung 8 zeigt die gleichzeitige ruhenden Zustand EEG-Ableitungen von beiden Elektroden eine Ratte mit 100 s in Abbildung 8Aangezeigten Daten und die Daten in den rechteckigen Rahmen (20 s) sind in Abbildung 8 berweitert. Die zwei EEG-Signale variieren Co weitgehend ähnliche Reichweite der Amplitude. Abbildung 9 zeigt die PSD der vier Ratten, mit der oberen Zeile mit einer linearen Skala auf der Frequenzachse und die untere Zeile mit einer logarithmischen Skala auf der Frequenzachse um eine erweiterte Ansicht im unteren Frequenzbereich zu bieten. Aus Abbildung 9scheinen es nicht zu konsistenten Bias in der PSD über Themen. Dies wurde bestätigt durch eine Probe t-Tests auf die normalisierten Unterschiede in der gemittelten PSD in den fünf Frequenzbändern in Abbildung 10dargestellt. Keiner der normalisierten PSD Unterschiede in dieser Frequenzbänder unterschieden sich signifikant von Null (p = 0,32, 0,46 0,85, 0,69 und 0,97, beziehungsweise).
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56447/56447fig8.jpg"> Abbildung 8: bilateralen EEG-Ableitungen. (A) Schädel EEG Aufnahme während der Ruhezustand mit einem Grat-Loch in den Schädel (schwarz) und eine simultane EEG-Aufzeichnung auf der gegenüberliegenden Hemisphäre mit intakten Schädel (grau). (B) erweiterte Anzeigen der Wellenformen innerhalb des rechteckigen Rahmens in (A). <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56447/56447fig8large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56447/56447fig9.jpg"> Abbildung 9: spektrale Leistungsdichte (PSD) die Contra-(blau) und das EEG Ipsi-Lateral (rot). Jede Spalte zeigt die PSD für eine Ratte. Die oberen Platten verwenden lineare Frequenzskala, während die unteren Verkleidungen logarithmischen Frequenzskala verwenden, damit die PSD im unteren Frequenzbereich visualisiert werden. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56447/56447fig9large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56447/56447fig10.jpg"> Abbildung 10: Gruppe Analyse. Unterschied zwischen der Contra- und Ipsi-Lateral PSD mit fünf Frequenzbänder normalisiert: Delta, Theta, Alpha, Beta und Gamma. Jeder Balken zeigt die mittlere normalisierte Unterschiede innerhalb des Frequenzbandes mit der Standardfehler der Fehlerbalken dargestellt. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56447/56447fig10large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>

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Concurrent Recording of Co-localized Electroencephalography and Local Field Potential in Rodent

Dieses Protokoll beschreibt eine einfache Methode zur gleichzeitigen Erfassung von Co lokalisierte Elektroenzephalographie (EEG) und Multi-laminar lokales Feld bei einem anästhesierten Ratte. Eine Grat-Bohrung im Schädel für das Einfügen von einer Mikroelektrode erweist sich vernachlässigbar Verzerrung des EEG Signals zu produzieren.

Gleichzeitige Aufnahme von Co lokalisierte Elektroenzephalographie und lokales Feld Potential in Nagetier

Although electroencephalography (EEG) is widely used as a non-invasive technique for recording neural activities of the brain, our understanding of the ...

concurrent-recording-co-localized-electroencephalography-local-field

Research

JoVE Journal

Neuroscience

12.2K Aufrufe.  University of Reading. Dieses Protokoll beschreibt eine einfache Methode zur gleichzeitigen Erfassung von Co lokalisierte Elektroenzephalographie (EEG) und Multi-laminar lokales Feld bei einem anästhesierten Ratte. Eine Grat-Bohrung im Schädel für das Einfügen von einer Mikroelektrode erweist sich vernachlässigbar Verzerrung des EEG Signals zu produzieren.

Serie: Concurrent Recording of Co-localized Electroencephalography and Local Field Potential in Rodent

Systemic and Local Drug Delivery for Treating Diseases of the Central Nervous System in Rodent Models

Thorough preclinical testing of central nervous system (CNS) therapeutics includes a consideration of routes of administration and agent biodistribution in assessing therapeutic efficacy. Between the two major classifications of administration, local vs. systemic, systemic delivery approaches are often preferred due to ease of administration. However, systemic delivery may result in suboptimal drug concentration being achieved in the CNS, and lead to erroneous conclusions regarding agent efficacy. Local drug delivery methods are more invasive, but may be necessary to achieve therapeutic CNS drug levels. Here, we demonstrate proper technique for three routes of systemic drug delivery: intravenous injection, intraperitoneal injection, and oral gavage. In addition, we show a method for local delivery to the brain: convection-enhanced delivery (CED). The use of fluorescently-labeled compounds is included for in vivo imaging and verification of proper drug administration. The methods are presented using murine models, but can easily be adapted for use in rats.

Thorough preclinical testing of drugs that act in the central nervous system often involves assessing and comparing drug biodistribution in association with specific routes of administration. Here, three commonly used methods of systemic delivery (intravenous, intraperitoneal, and oral) as well as a method for local delivery (convection-enhanced delivery) are demonstrated in mice.

Systemischen und lokalen Drug Delivery zur Behandlung von Erkrankungen des Zentralen Nervensystems in Nagermodellen

Thorough preclinical testing of central nervous system (CNS) therapeutics includes a consideration of routes of administration and agent biodistribution ...

Forschung

Neurowissenschaften

Examining Local Network Processing using Multi-contact Laminar Electrode Recording

Cortical layers are ubiquitous structures throughout neocortex1-4 that consist of highly recurrent local networks. In recent years, significant progress has been made in our understanding of differences in response properties of neurons in different cortical layers5-8, yet there is still a great deal left to learn about whether and how neuronal populations encode information in a laminar-specific manner.
Existing multi-electrode array techniques, although informative for measuring responses across many millimeters of cortical space along the cortical surface, are unsuitable to approach the issue of laminar cortical circuits. Here, we present our method for setting up and recording individual neurons and local field potentials (LFPs) across cortical layers of primary visual cortex (V1) utilizing multi-contact laminar electrodes (Figure 1; Plextrode U-Probe, Plexon Inc).
The methods included are recording device construction, identification of cortical layers, and identification of receptive fields of individual neurons. To identify cortical layers, we measure the evoked response potentials (ERPs) of the LFP time-series using full-field flashed stimuli. We then perform current-source density (CSD) analysis to identify the polarity inversion accompanied by the sink-source configuration at the base of layer 4 (the sink is inside layer 4, subsequently referred to as granular layer9-12). Current-source density is useful because it provides an index of the location, direction, and density of transmembrane current flow, allowing us to accurately position electrodes to record from all layers in a single penetration6, 11, 12.

A fundamental issue in our understanding of cortical circuitry is how networks in different cortical layers encode sensory information. Here we describe electrophysiological techniques utilizing multi-contact laminar electrodes to record single-units and local field potentials and present analyses to identify cortical layers.

Untersuchen Local Network Processing mit Multi-Contact-Laminar Electrode Recording

Cortical layers are ubiquitous structures throughout neocortex1-4 that consist of highly recurrent local networks. In recent years, significant progress ...

Simultaneous Electroencephalography, Real-time Measurement of Lactate Concentration and Optogenetic Manipulation of Neuronal Activity in the Rodent Cerebral Cortex

Although the brain represents less than 5% of the body by mass, it utilizes approximately one quarter of the glucose used by the body at rest1. The function of non rapid eye movement sleep (NREMS), the largest portion of sleep by time, is uncertain. However, one salient feature of NREMS is a significant reduction in the rate of cerebral glucose utilization relative to wakefulness2-4. This and other findings have led to the widely held belief that sleep serves a function related to cerebral metabolism. Yet, the mechanisms underlying the reduction in cerebral glucose metabolism during NREMS remain to be elucidated.
	One phenomenon associated with NREMS that might impact cerebral metabolic rate is the occurrence of slow waves, oscillations at frequencies less than 4 Hz, in the electroencephalogram5,6. These slow waves detected at the level of the skull or cerebral cortical surface reflect the oscillations of underlying neurons between a depolarized/up state and a hyperpolarized/down state7. During the down state, cells do not undergo action potentials for intervals of up to several hundred milliseconds. Restoration of ionic concentration gradients subsequent to action potentials represents a significant metabolic load on the cell8; absence of action potentials during down states associated with NREMS may contribute to reduced metabolism relative to wake.
	Two technical challenges had to be addressed in order for this hypothetical relationship to be tested. First, it was necessary to measure cerebral glycolytic metabolism with a temporal resolution reflective of the dynamics of the cerebral EEG (that is, over seconds rather than minutes). To do so, we measured the concentration of lactate, the product of aerobic glycolysis, and therefore a readout of the rate of glucose metabolism in the brains of mice. Lactate was measured using a lactate oxidase based real time sensor embedded in the frontal cortex. The sensing mechanism consists of a platinum-iridium electrode surrounded by a layer of lactate oxidase molecules. Metabolism of lactate by lactate oxidase produces hydrogen peroxide, which produces a current in the platinum-iridium electrode. So a ramping up of cerebral glycolysis provides an increase in the concentration of substrate for lactate oxidase, which then is reflected in increased current at the sensing electrode. It was additionally necessary to measure these variables while manipulating the excitability of the cerebral cortex, in order to isolate this variable from other facets of NREMS.
	We devised an experimental system for simultaneous measurement of neuronal activity via the elecetroencephalogram, measurement of glycolytic flux via a lactate biosensor, and manipulation of cerebral cortical neuronal activity via optogenetic activation of pyramidal neurons. We have utilized this system to document the relationship between sleep-related electroencephalographic waveforms and the moment-to-moment dynamics of lactate concentration in the cerebral cortex. The protocol may be useful for any individual interested in studying, in freely behaving rodents, the relationship between neuronal activity measured at the electroencephalographic level and cellular energetics within the brain.

A procedure is described for manipulating the activity of cerebral cortical pyramidal neurons optogenetically while the electroencephalogram, electromyogram, and cerebral lactate concentration are monitored. Experimental recordings are performed on cable-tethered mice while they undergo spontaneous sleep/wake cycles. Optogenetic equipment is assembled in our laboratory; recording equipment is commercially available.

Gleichzeitige Elektroenzephalographie, Real-time Messung der Laktat-Konzentration und optogenetische Manipulation der neuronalen Aktivität in der Nagetier Cerebral Cortex

Although the brain represents less than 5% of the body  by mass, it utilizes approximately one quarter of the glucose used by the body  at rest1. The ...

Intracellular Recording, Sensory Field Mapping, and Culturing Identified Neurons in the Leech, Hirudo medicinalis

The freshwater leech, Hirudo medicinalis, is a versatile model organism that has been used to address scientific questions in the fields of neurophysiology, neuroethology, and developmental biology. The goal of this report is to consolidate experimental techniques from the leech system into a single article that will be of use to physiologists with expertise in other nervous system preparations, or to biology students with little or no electrophysiology experience. We demonstrate how to dissect the leech for recording intracellularly from identified neural circuits in the ganglion. Next we show how individual cells of known function can be removed from the ganglion to be cultured in a Petri dish, and how to record from those neurons in culture. Then we demonstrate how to prepare a patch of innervated skin to be used for mapping sensory or motor fields. These leech preparations are still widely used to address basic electrical properties of neural networks, behavior, synaptogenesis, and development. They are also an appropriate training module for neuroscience or physiology teaching laboratories.

Intracellular Recording, Sensory Field Mapping, and Culturing Identified Neurons in the Leech, Hirudo medicinalis

This article describes three nervous system preparations using leeches: intracellular recording from neurons in ventral ganglia, culturing neurons from ventral ganglia, and recording from a patch of innervated skin to map sensory fields.

Die intrazelluläre Aufnahme, Sinnes Field Mapping und Kultivierung identifizierten Neuronen in der Leech, Hirudo medicinalis</i

The freshwater leech, Hirudo medicinalis, is a versatile model organism that has been used to address scientific questions in the fields of ...

Measuring Spinal Presynaptic Inhibition in Mice By Dorsal Root Potential Recording In Vivo

Presynaptic inhibition is one of the most powerful inhibitory mechanisms in the spinal cord. The underlying physiological mechanism is a depolarization of primary afferent fibers mediated by GABAergic axo-axonal synapses (primary afferent depolarization). The strength of primary afferent depolarization can be measured by recording of volume-conducted potentials at the dorsal root (dorsal root potentials, DRP). Pathological changes of presynaptic inhibition are crucial in the abnormal central processing of certain pain conditions and in some disorders of motor hyperexcitability. Here, we describe a method of recording DRP in vivo in mice. The preparation of spinal cord dorsal roots in the anesthetized animal and the recording procedure using suction electrodes are explained. This method allows measuring GABAergic DRP and thereby estimating spinal presynaptic inhibition in the living mouse. In combination with transgenic mouse models, DRP recording may serve as a powerful tool to investigate disease-associated spinal pathophysiology. In vivo recording has several advantages compared to ex vivo isolated spinal cord preparations, e.g. the possibility of simultaneous recording or manipulation of supraspinal networks and induction of DRP by stimulation of peripheral nerves.

Measuring Spinal Presynaptic Inhibition in Mice By Dorsal Root Potential Recording In Vivo

GABAergic presynaptic inhibition is a powerful inhibitory mechanism in the spinal cord important for motor and sensory signal integration in spinal cord networks. Underlying primary afferent depolarization can be measured by recording of dorsal root potentials (DRP). Here we demonstrate a method of in vivo recording of DRP in mice.

Mess Spinal Präsynaptische Hemmung bei Mäusen durch Spinalgan Mögliche Aufnahme<em&gt; In Vivo</em

Presynaptic inhibition is one of the most powerful inhibitory mechanisms in the spinal cord. The underlying physiological mechanism is a depolarization of ...

Simultaneous Electrophysiological Recording and Micro-injections of Inhibitory Agents in the Rodent Brain

Here we describe a method for the construction of a single-use &#8220;injectrode&#8221; using commercially accessible and affordable parts. A probing system was developed that allows for the injection of a drug while recording electrophysiological signals from the affected neuronal population. This method provides a simple and economical alternative to commercial solutions. A glass pipette was modified by combining it with a hypodermic needle and a silver filament. The injectrode is attached to commercial microsyringe pump for drug delivery. This results in a technique that provides real-time pharmacodynamics feedback through multi-unit extracellular signals originating from the site of drug delivery. As a proof of concept, we recorded neuronal activity from the superior colliculus elicited by flashes of light in rats, concomitantly with delivery of drugs through the injectrode. The injectrode recording capacity permits the functional characterization of the injection site favoring precise control over the localization of drug delivery. Application of this method also extends far beyond what is demonstrated here, as the choice of chemical substance loaded into the injectrode is vast, including tracing markers for anatomic experiments.

Here, we craft a glass pipette with dual functions: inhibition of deep brain structures by microinjections of drugs and real-time monitoring of their effects through simultaneous electrophysiological recordings.

Gleichzeitige Elektrophysiologische Aufzeichnung und Micro-Injektionen von Hemmstoffe im Gehirn von Nagetieren

Here we describe a method for the construction of a single-use &#8220;injectrode&#8221; using commercially accessible and affordable parts. A probing ...

Acute In Vivo Electrophysiological Recordings of Local Field Potentials and Multi-unit Activity from the Hyperdirect Pathway in Anesthetized Rats

Converging evidence shows that many neuropsychiatric diseases should be understood as disorders of large-scale neuronal networks. To better understand the pathophysiological basis of these diseases, it is necessary to precisely characterize in which way the processing of information is disturbed between the different neuronal parts of the circuit. Using extracellular in vivo electrophysiological recordings, it is possible to accurately delineate neuronal activity within a neuronal network. The application of this method has several advantages over alternative techniques, e.g., functional magnetic resonance imaging and calcium imaging, as it allows a unique temporal and spatial resolution and does not rely on genetically engineered organisms. However, the use of extracellular in vivo recordings is limited since it is an invasive technique that cannot be universally applied. In this article, a simple and easy to use method is presented with which it is possible to simultaneously record extracellular potentials such as local field potentials and multiunit activity at multiple sites of a network. It is detailed how a precise targeting of subcortical nuclei can be achieved using a combination of stereotactic surgery and online analysis of multi-unit recordings. Thus, it is demonstrated, how a complete network such as the hyperdirect cortico-basal ganglia loop can be studied in anesthetized animals in vivo.

Acute In Vivo Electrophysiological Recordings of Local Field Potentials and Multi-unit Activity from the Hyperdirect Pathway in Anesthetized Rats

In this study, the methodology is presented on how to perform multi-site in vivo electrophysiological recordings from the hyperdirect pathway under urethane anesthesia.

Akut<em&gt; In vivo</em&gt; Elektrophysiologische Aufzeichnungen von lokalen Feldpotentialen und Multi-Unit-Aktivitäten von der Hyperdirect-Pathway in anästhesierten Ratten

Converging evidence shows that many neuropsychiatric diseases should be understood as disorders of large-scale neuronal networks. To better understand the ...

Recording and Modulation of Epileptiform Activity in Rodent Brain Slices Coupled to Microelectrode Arrays

Temporal lobe epilepsy (TLE) is the most common partial complex epileptic syndrome and the least responsive to medications. Deep brain stimulation (DBS) is a promising approach when pharmacological treatment fails or neurosurgery is not recommended. Acute brain slices coupled to microelectrode arrays (MEAs) represent a valuable tool to study neuronal network interactions and their modulation by electrical stimulation. As compared to conventional extracellular recording techniques, they provide the added advantages of a greater number of observation points and a known inter-electrode distance, which allow studying the propagation path and speed of electrophysiological signals. However, tissue oxygenation may be greatly impaired during MEA recording, requiring a high perfusion rate, which comes at the cost of decreased signal-to-noise ratio and higher oscillations in the experimental temperature. Electrical stimulation further stresses the brain tissue, making it difficult to pursue prolonged recording/stimulation epochs. Moreover, electrical modulation of brain slice activity needs to target specific structures/pathways within the brain slice, requiring that electrode mapping be easily and quickly performed live during the experiment. Here, we illustrate how to perform the recording and electrical modulation of 4-aminopyridine (4AP)-induced epileptiform activity in rodent brain slices using planar MEAs. We show that the brain tissue obtained from mice outperforms rat brain tissue and is thus better suited for MEA experiments. This protocol guarantees the generation and maintenance of a stable epileptiform pattern that faithfully reproduces the electrophysiological features observed with conventional field potential recording, persists for several hours, and outlasts sustained electrical stimulation for prolonged epochs. Tissue viability throughout the experiment is achieved thanks to the use of a small-volume custom recording chamber allowing for laminar flow and quick solution exchange even at low (1 mL/min) perfusion rates. Quick MEA mapping for real-time monitoring and selection of stimulating electrodes is performed by a custom graphic user interface (GUI).

We illustrate how to perform recording and electrical modulation of 4-aminopyridine-induced epileptiform activity in rodent brain slices using microelectrode arrays. A custom recording chamber maintains tissue viability throughout prolonged experimental sessions. Live electrode mapping and selection of stimulating pairs are performed by a custom graphical user interface.

Aufnahme und Modulation der Epileptiformen Aktivität in Nagetier Gehirnscheiben gekoppelt mit Mikroelektrode Arrays

Temporal lobe epilepsy (TLE) is the most common partial complex epileptic syndrome and the least responsive to medications. Deep brain stimulation (DBS) ...

Evaluation of Hemisphere Lateralization with Bilateral Local Field Potential Recording in Secondary Motor Cortex of Mice

This article demonstrates complete, detailed procedures for both in vivo bilateral recording and analysis of local field potential (LFP) in the cortical areas of mice, which are useful for evaluating possible laterality deficits, as well as for assessing brain connectivity and coupling of neural network activities in rodents. The pathological mechanisms underlying Alzheimer&#39;s disease (AD), a common neurodegenerative disease, remain largely unknown. Altered brain laterality has been demonstrated in aging people, but whether or not abnormal lateralization is one of the early signs of AD has not been determined. To investigate this, we recorded bilateral LFPs in 3-5-month-old AD model mice, APP/PS1, together with littermate wild type (WT) controls. The LFPs of the left and right secondary motor cortex (M2), specifically in the gamma band, were more synchronized in APP/PS1 mice than in WT controls, suggesting a declined hemispheric asymmetry of bilateral M2 in this AD mouse model. Notably, the recording and data analysis processes are flexible and easy to carry out, and can also be applied to other brain pathways when conducting experiments that focus on neuronal circuits.

We present in vivo electrophysiological recording of the local field potential (LFP) in bilateral secondary motor cortex (M2) of mice, which can be applied to evaluate hemisphere lateralization. The study revealed altered levels of synchronization between the left and right M2 in APP/PS1 mice compared to WT controls.

Bewertung der Hemisphärenlateralisierung mit bilateraler lokaler Feldpotentialaufzeichnung im sekundären Motorcortex von Mäusen

This article demonstrates complete, detailed procedures for both in vivo bilateral recording and analysis of local field potential (LFP) in the cortical ...

Investigating Long-term Synaptic Plasticity in Interlamellar Hippocampus CA1 by Electrophysiological Field Recording

The study of synaptic plasticity in the hippocampus has focused on the use of the CA3-CA1 lamellar network. Less attention has been given to the longitudinal interlamellar CA1-CA1 network. Recently however, an associational connection between CA1-CA1 pyramidal neurons has been shown. Therefore, there is the need to investigate whether the longitudinal interlamellar CA1-CA1 network of the hippocampus supports synaptic plasticity.
We designed a protocol to investigate the presence or absence of long-term synaptic plasticity in the interlamellar hippocampal CA1 network using electrophysiological field recordings both in vivo and in vitro. For in vivo extracellular field recordings, the recording and stimulation electrodes were placed in a septal-temporal axis of the dorsal hippocampus at a longitudinal angle, to evoke field excitatory postsynaptic potentials. For in vitro extracellular field recordings, hippocampal longitudinal slices were cut parallel to the septal-temporal plane. Recording and stimulation electrodes were placed in the stratum oriens (S.O) and the stratum radiatum (S.R) of the hippocampus along the longitudinal axis. This enabled us to investigate the directional and layer specificity of evoked excitatory postsynaptic potentials. Already established protocols were used to induce long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD) both in vivo and in vitro. Our results demonstrated that the longitudinal interlamellar CA1 network supports N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptor-dependent long-term potentiation (LTP) with no directional or layer specificity. The interlamellar network, however, in contrast to the transverse lamellar network, did not present with any significant long-term depression (LTD).

We used recording and stimulation electrodes in longitudinal hippocampal brain slices and longitudinally positioned recording and stimulation electrodes in the dorsal hippocampus in vivo to evoke extracellular postsynaptic potentials and demonstrate long-term synaptic plasticity along the longitudinal interlamellar CA1.