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Method Article
* 이 저자들은 동등하게 기여했습니다
여기에서는 쥐와 생쥐의 고밀도 마이크로 전기 피질 검사(μEcoG) 기록을 위한 수술, 이식 및 기록 방법을 포함한 두 가지 프로토콜을 제시합니다. μECoG 기록은 쥐의 청각 피질에서 층류 다원(laminar polytrode) 기록 또는 쥐의 체성 감각 피질(somatosensory cortex)에서 신경 활동의 광유전학적 조작과 함께 수행됩니다.
피질전기검사(ECoG)는 기본 신경 과학과 건강 및 질병에 대한 인간의 뇌 기능에 대한 이해 사이의 방법론적 다리입니다. ECoG는 대뇌피질 조직의 넓은 영역에 걸쳐 밀리초의 시간 해상도와 원주 공간 해상도로 대뇌피질 표면에서 직접 신경생리학적 신호를 기록하여 국소 및 분산된 대뇌피질 계산을 모두 연구할 수 있는 독보적인 위치에 있습니다. 여기에서는 맞춤형 고밀도 마이크로 ECoG(μECoG) 장치의 설계와 그 사용법을 두 가지 절차로 설명합니다. 이 그리드에는 전극 사이에 천공이 있는 투명한 폴리머 기판에 제작된 200μm 간격의 128개의 저임피던스 전극이 있습니다. 이러한 기능을 통해 층류 폴리트로드 기록 및 광유전학적 조작과 동시 μECoG 기록이 가능합니다. 먼저, 유전적으로 정의된 특정 피질 세포 유형의 광유전학적 조작과 마우스의 수염 체성 감각 피질에 대한 경막외 μECoG 기록을 결합하기 위한 프로토콜을 제시합니다. 이를 통해 감각 처리에 대한 다양한 뉴런 집단의 뚜렷한 기여도를 인과 적으로 해부하는 동시에 μECoG 신호에서 특정 서명을 모니터링 할 수 있습니다. 둘째, μECoG 그리드와 층류 폴리트로드를 사용하여 쥐 청각 피질의 신경 활동을 기록하는 급성 실험을 위한 프로토콜을 제시합니다. 이를 통해 피질 표면 전체에 걸쳐 감각 유발 신경 반응의 상세한 지형 매핑과 동시에 피질 깊이에 분포된 여러 신경 단위의 기록이 가능합니다. 이러한 프로토콜은 분산된 대뇌피질 활동을 특성화하는 실험을 가능하게 하고 다양한 신경 장애에 대한 이해와 궁극적인 개입에 기여할 수 있습니다.
감각, 인지 및 행동의 기초가 되는 뇌 기능은 단일 뉴런의 스파이크에서 피질 기둥의 뉴런 집단에 의해 생성된 전기장, 뇌 영역(예: 체성 감각 피질의 체성체성, 1차 청각 피질의 성토피)에 걸친 기둥의 지형적 구성에 이르기까지 광범위한 공간적, 시간적 규모에 걸쳐 조직되고 분포되어 있습니다. 뇌 기능을 이해하려면 이러한 공간 규모1에서 전기 신호를 감지해야 합니다. 신경 과학은 현재 뇌의 활동을 모니터링하기 위해 널리 사용되는 많은 방법을 가지고 있습니다. 전기생리학적으로 층류 다원(예: Neuropixels)을 사용하면 일반적으로 높은 (≥1kHz) 시간 해상도로 멀리 떨어진 소수의 열 내에서 적당한 수(~300)의 단일 뉴런을 모니터링할 수 있습니다. Ca2+ 이미징을 통해 더 낮은(~10Hz) 시간 해상도에서 ~1-2mm 공간 범위 내에서 유전적으로 및 해부학적으로 확인된 중간 수에서 많은 수의 단일 뉴런을 모니터링할 수 있습니다2. fMRI를 사용하면 매우 낮은(~0.2Hz) 시간 해상도에서 전체 뇌에 걸쳐 많은 수의 뉴런(36mm3 볼륨의 ~1M 뉴런)의 대사 상태를 모니터링할 수 있습니다. EEG/MEG를 사용하면 적당한 시간 해상도(<100Hz)와 매우 낮은 공간 해상도(센티미터)3에서 전체 피질 표면/뇌의 전기 활동을 모니터링할 수 있습니다. 이러한 각 방법론은 뇌 기능에 대한 근본적이고 시너지 효과적인 통찰력을 제공했지만, 피질의 넓은 공간 영역에 걸쳐 정확한 해부학적 위치에서 높은 시간 해상도로 전기생리학적 신호를 직접 감지할 수 있는 방법은 아직 초기 단계입니다. 넓은 공간 커버리지의 필요성은 뇌에서 뉴런 기능이 깊이4에 비해 표면 전체에서 훨씬 더 극적으로 변화한다는 사실에 의해 강조됩니다.
전기 피질 조영술(ECoG)은 저임피던스 전극 그리드를 뇌 표면에 이식하고 피질 1,5를 기록하거나 자극할 수 있는 방법입니다. ECoG는 일반적으로 약리학적으로 난치성 간질을 치료하기 위한 임상 정밀 검사의 일환으로 인간 신경외과 환경에 배치됩니다. 그러나 이는 또한 언어 및 감각 지형 매핑(speech and sensory topographic mapping)과 같은 인간의 분산된 피질 처리(transmitted cortical processing)에 대한 독특한 통찰을 제공한다 6,7. 이러한 기능은 원숭이, 쥐 및 생쥐를 포함한 동물 모델에서 사용하도록 동기를 부여했습니다 5,8,9,10,11. 설치류의 경우, 최근 micro-ECoG(μECoG)가 원주 공간 해상도(~200μm)와 넓은 공간 범위(수 밀리미터)로 뉴런 집단의 높은 시간 해상도(~100Hz) 직접 전기 모니터링을 가능하게 하는 것으로 나타났습니다. μECoG를 통해 연구자들은 동물 모델에서 복잡한 감각 처리, 인지 기능 및 운동 행동과 관련된 분산된 신경 역학을 조사할 수 있습니다12,13. 최근의 발전은 μECoG를 광유전학 및 층류 폴리트로드 기록 14,15,16,17,18,19,20 과 통합하여 피질 네트워크에 대한 다중 규모 조사를 가능하게 하고 미시적 규모의 신경 세포 활동과 거시적 피질 역학 사이의 격차를 해소했습니다 21,22. 비판적으로, μECoG 신호는 인간과 비인간 동물 모델에서 매우 유사하기 때문에 μECoG를 사용하면 동물 모델의 결과와 결과를 인간에게 훨씬 더 직접적으로 번역할 수 있습니다23. 따라서 통합적 접근법은 신경 회로에 대한 이해를 진전시키는 데 중요하며 신경 장애에 대한 새로운 치료 개입을 개발할 수 있는 가능성을 가지고 있습니다 5,24,25.
결과적으로, 피질 처리에 대한 포괄적인 다중 스케일 조사를 가능하게 하기 위해 고밀도 μECoG 어레이를 층류 기록 및 광유전학 도구와 통합하는 프로토콜에 대한 필요성이 부상하고 있습니다 8,26. 이러한 간극을 해소하기 위해 당사는 전극 사이에 천공이 있는 유연하고 투명한 폴리머 기판(파릴렌-C 및 폴리이미드)에 40μm 전극 직경과 20μm 전극 간 간격을 가진 128개의 저임피던스 전극을 특징으로 하는 맞춤형 설계 μECoG 장치를 개발하여 광유전학적 조작을 통해 μECoG 및 층류 폴리트로드를 동시에 기록할 수 있습니다13,22. 이 실험 프로토콜의 주요 측면은 다음과 같습니다 : (i) 고밀도 μECoG 어레이를 통한 대뇌 피질 활동의 원주 공간 해상도 및 대규모 커버리지; (ii) μECoG 그리드를 통해 삽입된 층류 폴리트로드를 사용하여 여러 피질층에서 기록하는 능력; (iii) 특정 신경 세포 집단을 선택적으로 활성화하거나 억제하기 위한 광유전학 기술의 통합, 따라서 신경 회로의 인과 해부를 가능하게 함 27,28,29. 고밀도 구성은 높은 공간 해상도 기록을 가능하게 하여 대뇌피질 활동의 "원주형 보기"를 효과적으로 제공하며, 이전 연구에서 μECoG 신호가 설치류 피질 기둥의 직경(~20μm)11에 필적하는 공간 규모에서 활동을 해결할 수 있음을 보여주었습니다. 이 통합 방법론은 신경 활동의 동시 멀티스케일 모니터링 및 조작을 가능하게 하여 잠재적으로 인과 실험을 통해 μECoG 신호의 신경 소스를 결정하고 분산된 피질 처리를 가능하게 합니다. 이러한 목표를 달성하기 위해 이 원고는 고밀도 μECoG 어레이를 두 가지 조합으로 사용하기 위한 자세한 프로토콜을 제공합니다.
먼저, 마우스의 1차 체감각 피질(S1)에서 레이어 5(L5) 피라미드 세포의 조작과 결합된 μECoG에 대해 설명합니다. 마우스에서 μECoG 어레이는 경막외로 배치됩니다(마우스에서 공막절개술의 외과적 난치로 인해). 광섬유는 그리드 위에 배치되거나 렌즈와 결합되어 피질 표면의 작은 목표 영역에 광유전학적 빛을 집중시킵니다. 광유전학 전략은 레이어 5 흥분성 뉴런의 억제를 위해 여기에 설명되어 있지만 해당 집단 특이적 Cre 발현 마우스 라인과 함께 제공되는 모든 뉴런 집단에 쉽게 적용할 수 있습니다. 둘째, 쥐의 청각 피질(A1)에서 피질층을 가로지르는 여러 뉴런의 피질 표면 전위(CSEP)와 단일 단위 스파이킹 활동을 동시에 기록하기 위해 μECoG와 실리콘 층류 폴리트로드를 함께 사용하는 방법을 설명합니다. 어레이에는 전극 사이에 천공이 있어 그리드를 통해 다채널 층류 폴리트로드를 삽입하여 서로 다른 피질층에 걸친 뉴런 활동을 기록할 수 있습니다. 개두술 절차 동안 μECoG 어레이는 청각 피질 위에 경막하 위치에 배치되고 층류 니트로드는 천공을 통해 삽입됩니다. μECoG 및 층류 프로브의 신경 신호는 디지털 신호 프로세서에 광학적으로 연결된 증폭기 시스템을 사용하여 각각 6kHz 및 24kHz로 샘플링되어 동시에 기록됩니다.
두 프로토콜 모두 동일한 주요 단계(마취, 고정, 개두술, μECoG 기록)를 따르지만 눈에 띄는 차이점이 있습니다. 다음 설명에서는 공유 단계가 병합되고 각 프로토콜의 세부 사항에 주석이 추가됩니다. 아래 단계는 광유전학을 사용한 μECoG 기록(마우스) 또는 층류 프로브(Rat)를 사용한 μECoG 기록에 해당합니다. 여기에 설명된 모든 절차는 현지 윤리 또는 법적 기관(IACUC 또는 윤리 위원회)에 따라 수행되었습니다. 사용되는 약물은 승인된 윤리 프로토콜에 따라 달라질 수 있습니다.
1. 마우스 및 랫트 절차를 위한 준비 및 프로토콜
2. 수술
3. 녹음
우리는 광유전학적 방법 및 층류 기록과 결합된 전기 피질 신호 기록을 위한 프로토콜에 대해 설명했습니다. 여기에서는 쥐의 체성 감각 피질(그림 1, 그림 2 및 그림 3)과 감각 자극에 대한 반응으로 쥐의 청각 피질(그림 4, 그림 5 및 그림 6
여기에 설명된 프로토콜을 통해 고밀도 마이크로 전기 피질검사(μECoG) 어레이를 층류 프로브 및 광유전학 기술과 통합할 수 있습니다. 설치류 모델에서 이 프로토콜의 사용이 용이하기 때문에 피질 역학 조사를 위한 강력한 도구가 되며 피험자 수를 쉽게 늘릴 수 있습니다. 고밀도 μECoG 그리드는 생쥐와 쥐의 여러 영역에 걸쳐 피질 지형을 효율적이고 공간적으로 정밀하?...
저자는 경쟁하는 재정적 이해관계가 없다고 선언합니다.
이 작업은 로렌스 버클리 국립 연구소 LDRD for the Neural Systems and Machine Learning Lab (K.E.B.), NINDSR01 NS118648A (K.E.B.& D.E.F.) 및 NINDS R01 NS092367 (D.E.F.)의 지원을 받았습니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1 disposable #11 blade | Swann Morton | 303 | For surgical procedures |
2 disposable #10 blades | Swann Morton | 3901 | For surgical procedures |
30 mm cage bars | Thorlabs | ER | cage components |
30 mm cage plate | Thorlabs | CP33T | holding the lenses |
70% ethanol | Decon Labs | V1016 | Cleaning / Disinfectant (diluted to 70%) |
Amalgambond PLUS Adjustable Precision Applicator Brush Teal 200/Bx | Henry Schein | 1869563 | precision applicator for the cement |
Amalgambond PLUS Catalyst 0.7 mL Syringe Ea | Henry Schein | 1861119 | cement component |
Amplifier (Tucker-Davis Technologies) | Tucker-Davis Technologies | PZ5M-512 | Used for auditory stimulus and recording software. |
Articulated arm | Noga | DG60103 | for holding the fine adjustment screw system |
Aspheric lenses for light collection (and one for focusing the light) | Thorlabs | ACL25416U-B | for collecting LED light |
Auditory equipment | Tucker-Davis Technologies, Sony, Cortera | RP2.1 Enhanced Real-Time Processor/HB7 Headphone Drive | Used for auditory stimulus and recording software. |
Buprenorphine | Sterile Products LLC | #42023017905 | General analgesia |
C&B Metabond Base Cement Ea | Henry Schein | 1864477 | cement component |
C&B Metabond L-Powder Cement Clear 3 g | Henry Schein | 1861068 | cement component |
Chlorprothixene hydrochloride (mouse) | Sigma Aldrich | Cat. No. C1671 | For sedation, must be prepared the same day and kept at 4 |
Custom-designed 128-channel micro-electrocorticography (μECoG) grids | Neuronexus | E128-200-8-40-HZ64 | For neurophysiology recordings. Placed onto the cortex. |
Dengofoam gelatin sponges | Dengen dental | 600034 (SKU) | can be used dry or wet, saturated with sterile sodium chloride solution |
Drill bit, size 5 to 9 (Mouse) | Fine Science Tools | 19007-XX | XX is the size of the drill bit e.g. 05 or 09. For mouse procedures |
Drill bitSteel Round Bur (5.5 mm/7.5 mm) | LZQ Tools | Dental Bar Drill Bit Stainless Steel Bur | For rat procedures |
Dumont No. 5 forceps | Fine Science Tools | 11251-10 | For surgical procedures |
Dumont tweezers #5 bent 45° | World precision instruments | 14101 | for removing craniotomy window |
DVD Player (Sony) | Sony | CDP-C345 | System used to accept and play back stimulus sets |
Electrostatic Speaker | Sony | XS-162ES | Used for auditory stimulus and recording software. Located within the rig, plays sound to the sedated rodent |
Enzymatic detergent (Enzol) | Advanced sterilization products | 2252 | Cleaning/Disinfectant |
EverEdge 2.0 Scaler Sickle Double End H6/H7 #9 | Henry Schein | 6011862 | for scrubing the skull |
Fine adjustment screw system in 3 dimension | Narishige | U-3C | for precise positioning of the optical fiber end |
Gold pin | Harwin Inc | G125-1020005 | Used for contact reference in mouse Soldered to the silver wire |
Gripping forceps | Fine Science Tools | 00632-11 | For surgical procedures |
Isoflurane | Covetrus | 11695067772 | require a vaporizer |
Ketamine (Hydrochloride Injection) (Rat) | Dechra | 17033-101-10 | Anesthesia/Analgesic |
LED | New Energy | LED XLAMP XPE2 BLUE STARBOARD | Blue LED light source |
LED driver | Thorlabs | LEDD1B | LED driver |
Lidocaine | Covetrus | VINB-0024-6800 | to be diluted to 1% in saline |
Meloxicam | Covetrus | 6451603845 | Anti-inflammatory used for general analgesia |
Micromanipulator | Narishige (Stereotaxic Rig) | SR-6R + SR-10R-HT components | Used to manipulate ECoG and rodent with fine movements |
No. 2 forceps | Fine Science Tools | 91117-10 | For surgical procedures |
No. 55 forceps | Fine Science Tools | 1129551 | For surgical procedures |
Ophtalmic lubricant (Artificial tears) | Akorn | 17478-062-35 | Used to protect eyes from dessication during surgical procedures |
Optical fiber 200µm Core diameter | Thorlabs | M133L02 | FC/PC connector 2 m long |
Pentobarbital (Rat) | Covetrus / Dechra | VINV-C0II-0008 | Anesthesia/Analgesic |
Platinum Black | Sigma | 205915-250MG | For neurophysiology recordings (Used for electroplating the contacts on the μECoG grids). |
Povidone Iodine 10% | Betadine | https://betadine.com/medical-professionals/betadine-solution/ | no catalog number ( not retail ) |
Powder detergent (Contrex AP) | Decon Labs | 5204 | Cleaning / Disinfectant |
Pre-cut tape for oxygen tube | ULINE (Various Providers) | S-14726 | Used to attach oxygen tube to the nose-cone of the rodent stereotaxic rig |
Scalpel handle # 3 | World precision instruments | 500236-G | for blades # 10, #11 and #15 |
Scraper | Fine Science Tools | 1007516 | For surgical procedures |
Short 30 G needles | ExelInt | 26437 | For surgical procedures and injections |
Silver Wire | Warner Instruments | 63-1319 | For neurophysiology recordings (Used for grounding and as a reference electrode). |
Sterilized saline (0.9% sodium chloride for injection) | Hospira | 00409-7101-67 (NDC) | For dilution of injectable, and replacement of body fluids |
Stoelting Hopkins Bulldog | Fine Science Tools | 10-000-481 | For surgical procedures |
Surface disinfectant (Coverage Plus NDP Disinfectant) | Steris life science | 638708 | Cleaning/Disinfectant |
TDT ZIF-clip connectors for acquisition. | Tucker-Davis Technologies | ZIF-Clip Analog Headstages | Connects ECoG with outside acquisition equipement |
Two-pronged holding fork | Tucker-Davis Technologies | Z-ROD128 | Used to connect the TDT-clips with the micromanipulator |
Xylazine (Rat) | Covetrus | 1XYL006 | Anesthesia/Analgesic |
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