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Method Article
* Estes autores contribuíram igualmente
Aqui, apresentamos dois protocolos para registro de microeletrocorticografia de alta densidade (μEcoG) em ratos e camundongos, incluindo métodos cirúrgicos, de implantação e de registro. As gravações de μECoG são realizadas em combinação com a gravação de politrodo laminar no córtex auditivo de ratos ou com a manipulação optogenética da atividade neural no córtex somatossensorial de camundongos.
A eletrocorticografia (ECoG) é uma ponte metodológica entre a neurociência básica e a compreensão da função cerebral humana na saúde e na doença. O ECoG registra sinais neurofisiológicos diretamente da superfície cortical com resolução temporal de milissegundos e resolução espacial colunar em grandes regiões de tecido cortical simultaneamente, tornando-o posicionado de forma única para estudar cálculos corticais locais e distribuídos. Aqui, descrevemos o projeto de dispositivos micro-ECoG (μECoG) personalizados e de alta densidade e seu uso em dois procedimentos. Essas grades têm 128 eletrodos de baixa impedância com espaçamento de 200 μm fabricados em um substrato de polímero transparente com perfurações entre os eletrodos; esses recursos permitem a gravação simultânea de μECoG com gravações de politrodo laminar e manipulações optogenéticas. Primeiro, apresentamos um protocolo para registro epidural combinado de μECoG sobre o córtex somatossensorial do bigode de camundongos com manipulação optogenética de tipos específicos de células corticais geneticamente definidas. Isso permite a dissecação causal das contribuições distintas de diferentes populações neuronais para o processamento sensorial, ao mesmo tempo em que monitora suas assinaturas específicas em sinais μECoG. Em segundo lugar, apresentamos um protocolo para experimentos agudos para registrar a atividade neural do córtex auditivo de ratos usando grades μECoG e politrodos laminares. Isso permite o mapeamento topográfico detalhado das respostas neurais evocadas sensorialmente na superfície cortical simultaneamente com registros de várias unidades neurais distribuídas pela profundidade cortical. Esses protocolos permitem experimentos que caracterizam a atividade cortical distribuída e podem contribuir para a compreensão e eventuais intervenções para diversos distúrbios neurológicos.
As funções cerebrais subjacentes à sensação, cognição e ação são organizadas e distribuídas em vastas escalas espaciais e temporais, variando desde os picos de neurônios individuais até os campos elétricos gerados por populações de neurônios em uma coluna cortical e a organização topográfica de colunas em áreas cerebrais (por exemplo, somatotopia no córtex somatossensorial, tonotopia no córtex auditivo primário). Compreender a função cerebral requer a detecção de sinais elétricos nessas escalas espaciais1. A neurociência atualmente tem muitos métodos amplamente utilizados para monitorar a atividade do cérebro. Eletrofisiologicamente, os politrodos laminares (como os Neuropixels) permitem o monitoramento de um número modesto (~ 300) de neurônios individuais, normalmente dentro de um punhado de colunas distantes, com alta resolução temporal (≥1 kHz). A imagem de Ca2+ permite o monitoramento de um número modesto a grande de neurônios individuais identificados genética e anatomicamente dentro de ~ 1-2 mm de extensão espacial em uma resolução temporal mais baixa (~ 10 Hz)2. A fMRI permite monitorar o estado metabólico de um grande número de neurônios (~ 1 M neurônios em um volume de 36 mm3 ) em todo o cérebro com resolução temporal muito baixa (~ 0,2 Hz). O EEG/MEG permite o monitoramento da atividade elétrica de toda a superfície cortical/cérebro em resolução temporal modesta (<100 Hz) e resolução espacial muito baixa (centímetros)3. Embora cada uma dessas metodologias tenha fornecido insights fundamentais e sinérgicos sobre a função cerebral, os métodos que permitem a detecção direta de sinais eletrofisiológicos em alta resolução temporal a partir de locais anatômicos precisos em amplas regiões espaciais do córtex são incipientes. A necessidade de ampla cobertura espacial é enfatizada pelo fato de que, no cérebro, a função neuronal muda muito mais drasticamente na superfície em comparação com a profundidade4.
A eletrocorticografia (ECoG) é um método no qual grades de eletrodos de baixa impedância são implantadas na superfície do cérebro e permitem o registro ou estimulação do córtex 1,5. O ECoG é normalmente implantado em ambientes neurocirúrgicos humanos como parte da investigação clínica para o tratamento da epilepsia farmacologicamente intratável. No entanto, também fornece informações únicas sobre o processamento cortical distribuído em humanos, como fala e mapeamento topográfico sensorial 6,7. Essas capacidades motivaram seu uso em modelos animais, incluindo macacos, ratos e camundongos 5,8,9,10,11. Em roedores, foi recentemente demonstrado que o micro-ECoG (μECoG) permite o monitoramento elétrico direto de alta resolução temporal (~ 100 Hz) de populações neuronais com resolução espacial colunar (~ 200 μm) e ampla cobertura espacial (muitos milímetros). O μECoG permite que os pesquisadores investiguem a dinâmica neural distribuída associada ao processamento sensorial complexo, funções cognitivas e comportamentos motores em modelos animais12,13. Avanços recentes integraram μECoG com optogenética e registros de politrodos laminares14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 , permitindo investigações multiescala de redes corticais e preenchendo a lacuna entre a atividade neuronal em microescala e a dinâmica cortical em macroescala21 , 22. Criticamente, como o sinal μECoG é muito semelhante em modelos animais humanos e não humanos, o uso de μECoG torna a tradução de resultados e descobertas de modelos animais para humanos muito mais direta23. Como tal, as abordagens integrativas são cruciais para o avanço de nossa compreensão dos circuitos neurais e são promissoras para o desenvolvimento de novas intervenções terapêuticas para distúrbios neurológicos 5,24,25.
Consequentemente, há uma necessidade emergente de protocolos que integrem matrizes μECoG de alta densidade com registros laminares e ferramentas optogenéticas para permitir investigações abrangentes em várias escalas do processamento cortical 8,26. Para resolver essa lacuna, desenvolvemos dispositivos μECoG personalizados com 128 eletrodos de baixa impedância com diâmetro de eletrodo de 40 μm e espaçamento entre eletrodos de 20 μm em um substrato de polímero flexível e transparente (parileno-C e poliimida) com perfurações entre eletrodos, permitindo gravações simultâneas de μECoG e politrodo laminar com manipulações optogenéticas13,22. Os principais aspectos deste protocolo experimental incluem: (i) resolução espacial colunar e cobertura em larga escala da atividade cortical por meio de matrizes μECoG de alta densidade; (ii) a capacidade de registrar a partir de várias camadas corticais usando politrodos laminares inseridos através da grade μECoG; e (iii) a incorporação de técnicas optogenéticas para ativar ou inibir seletivamente populações neuronais específicas, permitindo assim a dissecção causal de circuitos neurais 27,28,29. A configuração de alta densidade permite registros de alta resolução espacial, fornecendo efetivamente uma "visão colunar" da atividade cortical, pois estudos anteriores mostraram que os sinais μECoG podem resolver a atividade em uma escala espacial comparável ao diâmetro da coluna cortical do roedor (~ 20 μm) 11 . Essa metodologia integrada permite o monitoramento e a manipulação simultâneos em várias escalas da atividade neural, potencialmente permitindo experimentos causais para determinar as fontes neuronais de sinais μECoG, bem como o processamento cortical distribuído. Para atingir esses objetivos, este manuscrito fornece protocolos detalhados para o uso de matrizes μECoG de alta densidade em duas combinações.
Primeiro, descrevemos μECoG combinado com a manipulação de células piramidais da camada 5 (L5) no córtex somatossensorial primário de camundongos (S1). No camundongo, a matriz μECoG é colocada por via peridural (devido à intratabilidade cirúrgica da durotomia em camundongos). Uma fibra óptica é posicionada sobre a grade ou combinada com uma lente para focalizar a luz optogenética sobre uma pequena área-alvo da superfície cortical. A estratégia optogenética é descrita aqui para a inibição dos neurônios excitatórios da camada 5, mas pode ser prontamente adaptada a qualquer população de neurônios fornecida com a linha de camundongo correspondente, específica da população e que expressa Cre. Em segundo lugar, descrevemos o uso combinado de μECoG com politrodos laminares de silício para registrar simultaneamente potenciais elétricos de superfície cortical (CSEPs) e atividade de pico de unidade única de vários neurônios através das camadas corticais do córtex auditivo de ratos (A1). A matriz possui perfurações entre os eletrodos, permitindo a inserção de politrodos laminares multicanais através da grade para registrar a atividade neuronal em diferentes camadas corticais. Durante o procedimento de craniotomia, a matriz μECoG é colocada subduralmente sobre o córtex auditivo e o politrodo laminar é inserido através das perfurações. Os sinais neurais do μECoG e da sonda laminar são gravados simultaneamente, amostrados a 6 kHz e 24 kHz, respectivamente, usando um sistema amplificador conectado opticamente a um processador de sinal digital.
Ambos os protocolos seguem as mesmas etapas principais (anestesia, fixação, craniotomia, registro de μECoG), mas têm diferenças notáveis. Na descrição a seguir, as etapas compartilhadas são mescladas, enquanto as especificidades de cada protocolo são anotadas. Essas etapas abaixo correspondem ao registro μECoG com optogenética (Mouse) ou registro μECoG com uma sonda laminar (Rat). Todos os procedimentos aqui descritos foram conduzidos em conformidade com as autoridades éticas ou legais locais (IACUC ou Comitês de Ética). Os medicamentos utilizados podem variar de acordo com o protocolo ético aprovado.
1. Preparação e protocolo para procedimentos em camundongos e ratos
2. Cirurgia
3. Gravação
Descrevemos os protocolos de registro de sinais eletrocorticográficos combinados com métodos optogenéticos e registros laminares. Aqui, são apresentados sinais típicos obtidos do córtex somatossensorial do camundongo (Figura 1, Figura 2 e Figura 3) e dentro do córtex auditivo de ratos em resposta à estimulação sensorial (Figura 4, Figura 5...
Os protocolos descritos aqui permitem a integração de matrizes de microeletrocorticografia de alta densidade (μECoG) com sondas laminares e técnicas optogenéticas. A facilidade de uso deste protocolo em modelos de roedores o torna uma ferramenta poderosa para a investigação da dinâmica cortical, e o número de indivíduos pode ser facilmente aumentado. A grade μECoG de alta densidade permite um mapeamento eficiente e espacialmente preciso da topografia cortical em várias áreas...
Os autores declaram não haver interesses financeiros concorrentes.
Este trabalho foi apoiado pelo Lawrence Berkeley National Laboratory LDRD para o Laboratório de Sistemas Neurais e Aprendizado de Máquina (K.E.B.), NINDSR01 NS118648A (K.E.B.& D.E.F.) e NINDS R01 NS092367 (D.E.F.).
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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