私たちの研究に資金を提供してくれたドイツのForschungsgemeinschaft（DFG）、KFO 247に感謝します。

実験手順は、ドイツの動物福祉法（2014年に最後に改訂された）および欧州の規制（2010/63 / EU）に従って実施された。実験は、地方の動物福祉当局（LaGeSo、Berlin）によって承認され、地方の部門および国際ガイドラインに準拠した。 注：提示された方法では、一次運動皮質（M1）と視床核（STN）および網膜黒質（SNr）を連結するハイパーダイレクト皮質 - 基底核線経路から2つの電極モデルを記録する。硬膜外の電気コルチコグラム（ECoG）には、M1特注の低インピーダンスAg / AgCl電極からの記録が使用される。 STNおよびSNrからの記録は、市販の高インピーダンスタングステン電極を用いて行われる。 1.硬膜外Ag / AgCl硬膜外電極の構築<ol><li>約を取る。直径99.99％の真ちゅう製の銀線を5cm長さのストリップrを200μmとし、必要に応じてコーティングを除去する。 </li><li>チップが融解し始めるまで、チップを軽くまたはろうそくの炎の中に下ろします。先端がボール状で直径が約1 mmになるまで待ちます。ボール状の先端の始めからワイヤの端まで15mmの全長に予備成形された電極を切断する。 </li><li>使用された電気生理学的記録システムに適合するワイヤ端部に精密コネクタを半田付けする。はんだ付けポイントを電線の端からコネクターまで導電性銀ワニスで覆う。これは導電性を助け、より良い信号品質をもたらします。 </li><li>導電性ワニスが乾燥した後、3 mm〜1 mmの熱収縮チューブでハンダ付けポイントを覆います。ウォッチメーカーのハンマーを使用して、ボールの先端を厚さの半分に平らにします。 </li><li>試験手袋を着用し、糸くずの出ない清潔な布を100％エタノールで拭いて汚れや油分を取り除きます。 </li><li>電極を15 mLの遠心チューブまたは細胞培養チューブに入れ、球形の先端が完全に覆われるまで家庭用塩素漂白剤（注意：溶媒100 gあたり2.8 gの次亜塩素酸ナトリウムを含む）で満たしてください。 注意：塩素系漂白剤は腐食性があります。必ずメーカーの安全指示に従ってください。 </li><li> 23分後に電極を取り出し、蒸留水で十分に洗い流す。塩化銀層をうまく適用すると、均質な紫色の変化が現れる。 </li><li>空気中で乾燥させる。完全に乾燥させた後、細かいピンセットで電極を取る。細かい絵筆で液状の電気絶縁を施してください。電極先端のすぐ後ろのワイヤーからスタートし、熱収縮チューブまでのすべてをカバーします。断熱材を少なくとも2時間乾燥させる。 </li><li>品質管理のために、マルチメーターで導電率のチェックを行います。可能であれば、適切なインピーダンスメーターを使用して1 kHzでインピーダンステストを行い、電極とテストプローブを互いに接触することなくH 2 O溶液を含む0.9％NaCl中に一緒に入れる。 1kHzでのインピーダンス値は約8kΩです。 </li></ol> 2.電極を定位固定ホルダーに固定する注：MUAとLFPを同時に記録するには、インピーダンスが1.5MΩのタングステン製マイクロワイヤ電極を使用してください。録音の焦点が単一ユニットの高音質記録にある場合は、より高いインピーダンス（&gt; 5MΩ）のマイクロワイヤ電極を選択します。研究の目的がLFPのみに向けられている場合は、低インピーダンスの電極を使用することができます。 dorsoventral stereotaxic調整がしばしば必要な小さな構造の場合、適切な背側先端の分離（この場合は250μm）の電極対を使用する。さらに、これは、必要に応じて、より局所的な参照電極の利点を提供する。定位座標は常に最下位電極から測定され、ブレグマに関連して計算される。 <ol><li>アクリル製ブロックとクランプを備えた標準的な定位電極ホルダーを使用し、外科用顕微鏡の視界の平坦な表面にしっかりと寝かせます。 </li><li>細いピンセットを使用して粘着テープ（3mm×8mm）でホルダーのアクリルブロックに第1の電極対を緩く固定する。電極はアクリルブロックを突き出す必要があります。 12mm。 </li><li>第2のバイポーラ電極を第1の電極の隣に慎重に固定する。超指向性経路の構造を標的とするために、距離は2mmでなければならない（ 図1 ）。ほとんどの標準的な定位電極ホルダでは、これは隣接する凹部である。確認するには、キャリパーゲージを使用します。異なるネットワークにも同じ方法でアプローチできます。このために、アクリルブロックをある程度回転させてもよい。 </li><li>第2の電極対を、腹側の先端が約200である位置に注意深くスライドさせて調整する（ 図1 ）と比較して窪んでいる。顕微鏡視野でこれを行う。このためには、30Gのカニューレ（外径300μm）を使用して距離をより正確に推定します。 </li><li>接着テープを押し、ホルダの金属クランプで固定します。 </li></ol> 3.手術<ol><li>電気生理学的記録には、麻酔のためにウレタン（CAUTION）を使用する。 注意：ウレタンは有毒で発癌性があります。したがって、物質の製造者が指定した安全規則およびデータシートに常に従ってください。 </li><li> 0.9％NaCl生理食塩水中に200mg / mLウレタンの溶液を調製する。 </li><li> 1.3 g / kg体重のウレタンを腹腔内（IP）投与する。ラット系統によっては、麻酔の安全性を高めるために、注射の間に15分の間隔をおいて用量を2回に分けて投与することが妥当であろう。 </li><li> pを使って麻酔の深さを確認するエダム撤退反射および他の適切な反射が含まれる。麻酔が手術を行うのに十分な深さでない場合は、0.15g / kg体重のウレタンIPを注入し、さらに15分間待つ。 </li><li>角膜脱水を防ぐために眼軟膏を塗布する。 </li><li>麻酔中の呼吸数とペダルの逃避反射を常に監視します。手術中に生理的な体温が維持されるように温度コントロール付きの小さな動物の加熱パッドを使用してください。電気生理学的記録を開始する前に、非電気的代替物（ 例えば 、酢酸ナトリウムヘッドパッド）に変更する。 </li><li>清潔な手術野を達成するために、頭の背側に沿って毛皮を剃ってください。適切な外科用消毒剤で切開部位周辺を消毒する。定位枠で動物を固定する。 </li><li>メスで頭皮の矢状方向に2cmの長さの切開を行う。メスを使用して、頭蓋骨髄膜炎をわずかに掻き取り、頭蓋骨を消毒する。共同使用トントンの芽は、残りの組織を除去するために3％H 2 O 2に浸した。 </li><li>必要に応じて、電気か赤外線サーモスタットを使用して出血を制御してください。出血が1-2分後に自発的に止まり、頭蓋骨を見つけられない場合は、頭蓋骨および皮下脂肪からの出血を止める。 </li><li>頭が平らな頭蓋骨の位置になるまで切歯棒を調整します。これは、定位基準点としてのブレグマとラムダが同じ平面にあることを意味します。これは、高い外科手術精度を達成するために最も重要である。標準的な定位固定ラットアライメントツールを使用し、指定された先端を微視的視力下でブレグマに較正し、ツール上のブレグマおよびラムダの指定点が同時に頭蓋骨に接触するまで切頭を調節する。 注：一方の側からの光が他の側からの光で照らされると、この状態を判断するのに役立ちます。あるいは、精密カニューレを用いて定位ホルダーを取り、ブレグマの背側座標を測定する。顕微鏡下でのラムダ。ブレグマとラムダの背側座標が同じになるまで、前歯バーを調整する。 </li><li>カニューレ付きの定位固定ホルダーを使用し、ブレグマに較正し、頭蓋骨のすべてのドリル穴の位置を計算します。定位固定ホルダーを使用して、頭蓋骨を注意深く引っ掻くか、外科用カラーマーカーを使用して、穴あけする穴の位置をマークします。これに対する座標はターゲットに依存し、ブレグマを参照する座標は、小脳参照電極の示唆された座標を含む、 表1のハイパーダイレクト経路について与えられる。 </li><li>マイクロドリルを使用して、すべての穴を慎重にドリルします。 STNとSNrについては、一般的な穴（約2 mm×3 mmのサイズ）を穿孔します。他のすべてのドリル穴は、約1 mmの直径を持つ必要があります。 </li><li> 2つの微細なカニューレ（少なくとも27G）を持ち、硬い表面またはピンセットを使用して、その先端を曲げて鉤状の形状を形成します。これらを使用してdebriを削除しますsをドリル穴から取り出し、共通のSTN / SNr穴の硬膜を注意深く切断して取り除きます。 </li><li>生理食塩水でドリル穴を洗い流す。脳と硬膜が乾燥しないように、ドリルホールに生理食塩水を15分ごとに滴下します。 </li><li>マイクロドリルと適合するステンレススチール製のマイクロスクリュー（ 例えば 、M 1.2 mm x 2 mmスクリュー）を取り、小脳の上の参照硬膜外電極のドリル穴の間のマイクロスクリューに穴とねじを穿孔し、 M1硬膜外電極。 </li><li>参照電極とM1電極のためのドリル穴に自己構築Ag / AgCl硬膜外電極をスライドさせる。細いピンセットで電極先端をガイドし、ドリル穴に頭蓋骨の真下にそれをスライドさせます。 </li><li>両方の硬膜外電極を2成分の歯科用アクリルで固定する。ブレグマ点を覆わず、共通のSTN / SNrの穴にも影響しないように注意してください。 </li><li>タングステンマイクロワイヤ電極を備えた準備されたホルダーを挿入するesを定位フレームに挿入する。 </li><li> STNを標的とするための最も腹側の電極をブレグマに較正する。一般的なSTN / SNrホールの上に計算された位置に調整し、顕微鏡視力下で脳に電極を下ろします。タングステンマイクロワイヤ電極が脳内をスムーズに通過することを確認してください。 </li></ol> 4.電気生理学的マッピングと記録注：このステップでは、ファラデーケージおよびオンラインフィルタリングおよびオンラインスパイクソートが可能な記録ソフトウェアを備えたマルチチャネル電気生理学的記録システムが必要です。好ましくは、動物の頭の近くに配置されたプリアンプと連動して、電気ノイズおよびアーチファクトを最小限に抑えるシステムを使用する。タングステンマイクロワイヤ電極の他に、少なくとも1つの硬膜外電極および1つの参照電極が、超指向性経路の記録を行うために必要である。硬膜外および参照系を挿入することが推奨される電極が互いに接触することなく対をなすようにすることにより、誤動作の場合に役立ち、データ解析において異なるタイプの参照を可能にする。 <ol><li>定位フレームの上にモバイルファラデーケージを置く。固定式ファラデーケージのみが使用できる場合は、注意深く定位フレームをファラデーケージに移動し、脳の深部の電極が定位フレームが最終位置に来るまで脳内に落とさないように注意してください。 </li><li>電極を電気生理学的セットアップのヘッドステージに接続します。参照電極が適切な参照チャネルに接続されていることを確認します。 </li><li>レコーディングソフトウェアを設定します：バンドパスフィルタ（0.05〜8,000 Hz）と生データ信号を増幅（1,500〜2,000倍のゲイン）します。適切な設定（LFPにはバンドパスフィルタ0.05〜250 Hz、MUAにはバンドパスフィルタ300-8,000 Hz）を使用して、オンラインLFPおよびスパイクフィルタを使用します。すべてのフィルターについては、バターワース型フィルターを使用してください。 </li><li>該当する場合は、onlinにスパイクしきい値を設定します電子スパイクソート。ほとんどのレコーディングソフトウェアは、信号がソフトウェアによってスパイクとしてマークされる振幅値であるスパイクしきい値の設定を可能にします。この閾値は、フィルタリングされたスパイク信号の平均振幅のファクタまたは標準偏差として数学的に決定することができ、または好ましくは、データセグメントを500ms未満の目視検査によって決定し、グラフィカルユーザーインターフェース。 注記：スパイク閾値を設定する意図は、現在記録されているニューロンの数とそのスパイクがどのように形成されているかに関する情報を提供するために、スパイクとソート単位をカウントすることです。 </li><li>タングステンマイクロワイヤ電極をターゲットの背部1mmまでゆっくりと下降させます。これはハイパーダイレクト経路のSTNです。必要に応じて信号が安定するのを待ちます。 </li><li>電気生理学的マッピングのために、100μmのステップで電極を腹側に前進させる。各ステップで、発射パターンを評価し、発射rスパイクの食べ物と形。 図2の典型的な例と比較してください。一般に、密度の高い核は、いくつかの背側ステップにわたって高速かつ連続的にスパイクするが、繊維に富む構造は、その後の腹側ステップでは、発火率が低く、均一なスパイク活動が少ない。 </li><li>ハイパーダイレクト経路では、最も腹側の電極がSTNの内側にあることを確認してください。 注：Zona incertaの腹側でMUAのかなりの増加が検出されると、STNに達します。 STNの腹側では、電極が内部カプセルに到達したためにスパイクがほぼ完全に止まります。最も腹側の電極がSTNにあるとき、タングステン微小電極の構成は、後方の第2の電極がSNr内にあることを保証する。 STNとSNrの典型的なMUAを同時に記録するには、少しずつ微調整する必要があります。 MUAの頻度は、実際に記録されたニューロンの数および脳のレベルに依存することに留意されたい活性化。 </li><li>電極が所望の構造になったら、オンラインフィルタリングとスパイクソートを設定し（ 図4参照）、データの記録を開始します。 LFP記録で識別できる異なる皮質同期状態の典型的な例を図3に示す。 </li></ol> 5.実験の終了<ol><li>記録が終わったら、電極をゆっくりと脳から持ち上げ、生理食塩水で瞬時に洗い流します。電極は、徹底した洗浄および目視検査の後で再使用することができる。放電電極を曲げる。 </li><li>過量のウレタン（2.5g / kg体重）のIP注射によって動物を安楽死させる。 注記：ウレタンは最終的な手順にのみ使用してください。 </li><li>電極の位置または他の組織学的染色手順の組織学的検証が必要な場合は、頭蓋骨から脳を取り出し、適切に組織。 注：目的の染色方法によっては、経心筋灌流が必要な場合があります。電極位置の死後検証のために、標準的なNissl染色では、ほとんどの場合、 例えば冠状脳切片における電極軌道を視覚化するのに十分である。組織学的標的検証を容易にするさらなるアプローチには、記録電極を介して電流を印加することによって、または電極挿入の前に生体適合性染料を適用することによって、電気的に誘導された病変を脳組織に使用することが含まれる16,17 。 </li></ol>

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著者は何も開示することはない。

本研究では、この方法は、齧歯類のSTNおよびSNrとM1とを連結するハイパーダイレクト大脳基底核節経路の例を用いて、所定のネットワークの複数の部位から同時に細胞外電気生理学的シグナルを記録する方法を示す。 STNのような小さな皮質構造の記録における重要なステップは、記録電極をターゲットに正確に誘導して挿入することである。提示された方法では、2つの重要なステップを考慮して、高い精度のターゲティングを保証する。脳に電極が導入される前に定位装置で動物を準備するときは、頭蓋骨が「平らな頭蓋骨」位置22に来ることを確認することが絶対に必須である。平らな頭蓋骨の位置を達成するために、定位フレームの前歯バーの位置は、ブレグマ及びラムダ参照点の高さo頭蓋骨は同じ背平面21にある 。この位置を保証することによってのみ、定位アトラスに見られる座標は、平坦な頭蓋骨の位置21に基づいているので、個々の実験動物に高精度で適用することができる。また、実験的な証拠は、個別化された平坦な頭蓋骨の位置を使用する標的化の精度が、切頭筋23の固定された調整よりも優れていることを証明する。 dorsoventral平面内の記録電極の位置は、常に複数ユニットの活動を登録することによって微調整する必要があります。電極の軌道に沿った異なる核および白質構造は、特徴的な発火パターン（ 図2 ）を示し、電極9,20の位置を再調整するために使用することができる。 提示された方法のもう1つの重要なステップは、r基準電極。提示されたプロトコルでは、この時点で参照電極が研究の中心点である大脳皮質基底核活動を検出しないため、小脳皮質の上の位置が選択された。容積伝導の影響を受けやすい分析方法への関心がある研究では、より局所的な参照が好まれるべきである5 。 ウレタンは、動物研究におけるニューロンの細胞外電位の記録のために広く使用されている麻酔薬である11,18,24,25,26。その理由は、ウレタンの単回投与は、他の麻酔薬と比較して中枢神経系活動の限られた抑鬱のみで、8〜12時間安定で持続的な麻酔薬を産生することができるからである27 。しかしながら、ウレタン麻酔aはまた、交感神経系を活性化し、 例えば高血糖などの望ましくない副作用を引き起こす可能性がある27 。長時間持続する作用およ​​びその麻酔効果に拮抗する強力な薬物の欠如のために、数時間または数日で隔てられた繰り返し実験にはウレタンを使用すべきではない。同じ動物で複数の記録セッションを予定している場合、またはウレタンを使用しない技術的な理由がある場合は、イソフルランでガス麻酔を行い、ケタミンやキシラジンなどの薬物注射は、電気生理学的インビボ実験28 、 29 。これらの麻薬レジームの欠点は、それらの半減期が短く、薬物の経時的蓄積に起因して、ウレタンの使用よりも頻繁な監視および調整が必要であることである。さらに、ウレタンは生理学的なbにあまり干渉しないという証拠がある<html>他の麻酔薬より雨の活動30 。 ここでの詳細な記録条件は、取得したデータをさらに処理してオフラインで分析する方法を決定するため、すべての設定を計画された分析ステップの要件に合わせることが必須です。多チャンネル細胞外記録の解析には多くのオプションがあるため、利用可能なオープンソースのツールボックスを使用することが有利になる31 。 インビボでの細胞外電位の記録は、機能的磁気共鳴画像法およびカルシウムイメージング5などの他の方法より優れた、脳信号の固有の時間的および空間的分解能を提供する方法である。提示された方法は、ハイパーダイレクト経路の記録に適用することができるだけでなく、様々な他の実験モデルおよび研究課題に容易に調整することができるしかし、それは定位手術を伴うため、適用できない非侵襲的方法を選択すべきである多くの研究設定が存在する。 将来、新たな治療法を見つけるために、神経精神医学的疾患の根底にある網膜機能不全の理解をさらに高めるために、提示された細胞外マルチサイト記録技術とオプソジェネティックツールとの組み合わせを実現する必要がある。

パーキンソン病（PD）および統合失調症などの異なる神経精神障害に関する最近の累積的証拠は、それらの病態生理が、しばしば皮質および皮質下構造1,2,3を含む拡張された神経回路の重大な機能不全に基づくことを強く示唆する。この理論によれば、疾患の臨床症状は、単一細胞または特定の神経細胞要素1,2,3の代わりに、細胞のネットワークの情報処理能力の障害の結果として生じる。神経精神医学的疾患のこの複雑な群の理解を高め、新しい治療法を見つけるためには、ヒト患者および動物モデルにおけるこれらの無秩序なネットワークの神経動態を詳細に特徴づけることが必須である。優れた生存者の大規模ネットワークを研究するための方法は、細胞外電位のマルチサイト電気生理学的記録である4 。この方法を使用すると、シナプス電位5によって生成される、興奮性および抑制性のシナプス後電流およびマルチユニット活性（MUA）の時間的総和を主に表す局所電場電位（LFP）を同時に評価することが可能である5 。細胞外ポテンシャルの記録は、機能的磁気共鳴イメージングやカルシウムイメージングなどのネットワークを研究する代替方法に比べて時間的および空間的分解能が高く、遺伝子操作された生物に依存しないためいくつかの利点があります5 。しかし、細胞外インビボ記録の使用は、普遍的に適用することができない侵襲的技術であるため、限られている。 インビボ電気生理学的記録麻酔した動物だけでなく、目を覚ましても発作を行うことができる6 。どちらの方法も特定の賛否両論を伴います。目覚めた動物の研究は、定義された行動課題の実行中に脳信号を記録することを可能にするが、運動関連および他の人工物に罹りやすい7,8 。一方、麻酔動物での記録は、高度に定義された皮質の同期状態で最小限のアーチファクトを伴うLFPおよびMUAを評価する機会を提供するが、結果はまた、覚醒した被験者9,10,11 において見いだされるものとある程度異なる。 近年、LFPのサンプリングは、ネットワーク活動の病理学的変化を描写するために特に有用であることが実証されている。その顕著な例は、ヒト患者におけるPDの病態生理学に関する研究である皮質基底核節におけるβ振動の増強がパーキンソン病運動症状に関連していることが示された12,13）。この研究の結果、ベータ振動が閉ループ深部脳刺激のためのオンラインフィードバックバイオマーカーとして使用できるかどうかが現在研究されている14,15 。 本研究では、ウレタンで麻酔したラットのLFPおよびMUAの急性多部位インビボ電気生理学的記録の詳細な説明を提供する。ハイパーダイレクトの皮質 - 基底核節経路などの完全なネットワークが、標準およびカスタマイズされた電極を使用して電気生理学的に特徴付けられる方法、およびそれらの電極を構築する方法を実証する。基底核核の正確な標的化がどのようにして共役によって達成され得るかが特に強調されるMUAのオンライン登録と一緒に定位手術を行う。

<table><tbody><tr><td>Ag/AgCl custom epidural electrodes</td><td>Goodfellow GmbH&lt;br/&gt; D-61213 Bad Nauheim, Germany&lt;br/&gt; info@goodfellow.com</td><td>Product-ID AG005127 for 99.99% silver wire</td><td>Ag/AgCl electrodes will allow for better signal quality, but may only be used in acute experiments. Possible replacement: Stainless steel electrodes</td></tr><tr><td>Stereotaxic holder with acrylic block</td><td>David Kopf Instruments,&lt;br/&gt; 7324 Elmo Street, Tujunga, CA 91042, USA</td><td>Product ID Model 1770 Standard Electrode Holder</td><td>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</td></tr><tr><td>Tungsten microwire electrodes 1.5 M&amp;Omega; impedance</td><td>Microprobes.com&lt;br/&gt; 18247-D Flower Hill Way&amp;nbsp; Gaithersburg, Maryland, 20879 USA</td><td>Product-ID WE3ST31.5A5-250um</td><td>The 1.5 M&amp;Omega; 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.</td></tr><tr><td>Rat alignment tool</td><td>David Kopf Instruments,&lt;br/&gt; 7324 Elmo Street, Tujunga, CA 91042, USA</td><td>Product ID Model 944 Rat Alignment Tool</td><td>Allows the exact orientation of the brain to match stereotaxic atlases. Possible replacement: Stereotaxic holder with a cannula</td></tr><tr><td>Two-component dental acrylic</td><td>Associated Dental Products Ltd.&lt;br/&gt; Kemdent Works, Purton, Swindon&lt;br/&gt; Wiltshire, SN5 4HT, United Kingdom</td><td>Simplex Rapid Powder Clear 225g, Product code: ACR803; Simplex Rapid Liquid 150ml, Product code: ACR920</td><td>Depending in the electrodes used, superglue might be an easy alternative, if the electrodes are small and lightweight. Possible replacement: Superglue (Cyanacrylate-based)</td></tr><tr><td>Faraday cage</td><td>Self-construction</td><td></td><td>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</td></tr><tr><td>Electrophysiological setup with recording software and online spike-sorting capabilities</td><td>OmniPlex&lt;sup&gt;&amp;reg;&lt;/sup&gt; Neural Data Acquisition System&lt;br/&gt; Plexon Inc&lt;br/&gt; 6500 Greenville Avenue, Suite 700&lt;br/&gt; Dallas, Texas 75206&lt;br/&gt; USA</td><td></td><td>Offline sorting software is a potential alternative, multiple scripts and softwares can be found for free in the open source community.</td></tr></tbody></table>

acute in vivo electrophysiological recordings of local field potentials and multi-unit activity from the hyperdirect pathway in anesthetized rats

収斂する証拠は、多くの神経精神病が大規模なニューロンネットワークの障害として理解されるべきであることを示している。これらの疾患の病態生理学的基礎をよりよく理解するためには、回路の異なる神経部分の間で情報の処理がどのように妨害されるかを正確に特徴付けることが必要である。細胞外in vivo電気生理学的記録を用いて、ニューロンネットワーク内のニューロン活動を正確に描写することが可能である。この方法の応用は、機能的磁気共鳴イメージングおよびカルシウムイメージングなどの代替技術に比べて、固有の時間的および空間的分解能を可能にし、遺伝子操作された生物に依存しないため、いくつかの利点を有する。しかし、細胞外インビボ記録の使用は、普遍的に適用することができない侵襲的技術であるため、限られている。この記事では、シンプルで使いやすいメソッドが紹介されています。ネットワークの複数の部位で、局所的な場電位およびマルチユニット活動のような細胞外電位を同時に記録することが可能である。定位手術とマルチユニット記録のオンライン分析を組み合わせて、どのようにして皮質核の正確な標的設定を達成することができるかについて詳述しています。従って、ハイパーダイレクトコルチコ - 基底核節のような完全なネットワークがインビボで麻酔された動物においてどのように研究され得るかが実証される 。

本明細書で使用される記録電極では、STNおよびSNrから一次運動皮質、視床下部核および黒質線維網およびMUAからLFPを採取することが可能である。最初に、LFPと複数ユニットのアクティビティは、広帯域信号で一緒に記録されます。その後、LFPとMUAは帯域通過フィルタ（LFPの場合は0.05〜250 Hz、MUAの場合は300〜4000 Hz）で分離されます。 皮質核、特にSTNのような小さな構造の正確な標的設定のためには、計画された定位座標をオンラインで記録されたMUA信号と整列させることが有利である。 STN特性をターゲットにした電極軌道に対して、MUAパターンを記録することができます（ 図2 ）9,20。 分析の後のステップについては、主成分分析（ 図4 ）によって複数単位活動から単一単位を定義することが義務づけられることが多い。 M1からのLFP記録では、活性化状態（AS）および低速波活動（SWA）状態（ 図3 ）の2つの自然に交互する皮質の同期状態が確認され得る18,19 。 SWA状態は約1Hzの高振幅低速振動によって支配されるが、ASは低振幅でより速い振動を特徴とする（ 図3 ）。 <img alt="図1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55940/55940fig1.jpg" /> 図1：標準的な定位固定ホルダーの深い脳マイクロワイヤー電極のセットアップ。電極間の先端の分離に注意してください。STN、およびBの場合、背側方向のSNrのための電極対は、およそ200μmの前後方向を有する。 2mm。 <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55940/55940fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。</a> <img alt="図2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55940/55940fig2.jpg" /> 図2：STNを対象とした体外電極軌道からの特徴的な多単位活動。 （ A ）腹側後内視鏡核（VPM）、zona incerta（ZI）、視床下部核（STN）および網膜黒質（SNr）の多単位記録。 VPMは、スパースで不規則な間隔の高い振幅スパイクを示します。このスパイクのパターンは、ZIに近づくと停止します。電極がSTNに入ると、中程度の振幅の短いバーストを伴う典型的な高周波発射パターンudeを観察することができる。 SNrは、その高い振幅および規則的な発射パターンによって識別することができる。 （ B）ラットの定位アトラス21からの画像に重ねられたSTN軌道。上部：冠状面。下部：矢状面。 VPMとZIを通る電極先​​端の通過に注意してください。 <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55940/55940fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。</a> <img alt="図3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55940/55940fig3.jpg" /> 図3.ウレタン麻酔中の一次運動皮質からのLFP記録における皮質同期状態。 （ A ）一次運動野の代表的な600秒のLFP記録。活性化状態（i）に対応する高頻度、低振幅活性を有する期間、およびより遅いリズムおよび高期間を有する期間<html>低速波動状態（ii）に対応する振幅を微分することができる。 （ B ）（A）で提示されたLFPの0〜20Hz相対出力を示す、600秒間隔に対応する時間 - 周波数プロット。より温かみのある着色はより高い相対的パワーを示す。 <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55940/55940fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。</a> <img alt="図4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55940/55940fig4.jpg" /> 図4：STNマルチユニット活動からの単一ユニットのソート （ A ）主成分分析後の特徴空間における単位クラスタの三次元図。各クラスタは、推定単一ユニットを表します。 （ B ）（A）のクラスタに対応するスパイク波形とスパイク波形平均。0fig4large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt;この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。 <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td> ブレグマの座標 </td><td> STN </td><td> SNr </td><td> M1 </td><td> リファレンス1 </td><td> リファレンス2 </td></tr><tr><td>前部 - 後部</td><td> -3.6 </td><td> -4.8 </td><td> +3.0 </td><td> -10.0 </td><td> -10.0 </td></tr><tr><td>内側 - 外側</td><td> +2.5 </td><td> +2.5 </td><td> +3.0 </td><td> +3.0 </td><td> -3.0 </td></tr><tr><td>背腹</td><td> -8.0 </td><td>ナ</td><td>ナ</td><td>ナ</td><td>ナ</td></tr></tbody></table> 表1：Hyperdirect Coの録音のための定位座標rtico-basal Ganglia Pathway。すべての点は頭蓋骨上のブレグマ基準点からmm単位で測定されます。該当なし。

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

急性<em&gt;インビボ</em&gt;麻酔ラットにおけるHyperdirect経路からの局所場ポテンシャルとマルチユニット活性の電気生理学的記録

この研究では、方法論は、ウレタン麻酔下での超指向経路からのマルチサイトインビボ電気生理学的記録をどのように行うかについて提示されている。

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

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Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

15.5K ビュー.  Charité University Medicine Berlin. この研究では、方法論は、ウレタン麻酔下での超指向経路からのマルチサイトインビボ電気生理学的記録をどのように行うかについて提示されている。 

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A Wireless, Bidirectional Interface for In Vivo Recording and Stimulation of Neural Activity in Freely Behaving Rats

In vivo electrophysiology is a powerful technique to investigate the relationship between brain activity and behavior at a millisecond and micrometer scale. However, current methods mostly rely on tethered cable recordings or only use unidirectional systems, allowing either recording or stimulation of neural activity, but not at the same time or same target. Here, a new wireless, bidirectional device for simultaneous multichannel recording and stimulation of neural activity in freely behaving rats is described. The system operates through a single portable head stage that both transmits recorded activity and can be targeted in real-time for brain stimulation using a telemetry-based multichannel software. The head stage is equipped with a preamplifier and a rechargeable battery, allowing stable long-term recordings or stimulation for up to 1 h. Importantly, the head stage is compact, weighs 12 g (including battery) and thus has minimal impact on the animal&#180;s behavioral repertoire, making the method applicable to a broad set of behavioral tasks. Moreover, the method has the major advantage that the effect of brain stimulation on neural activity and behavior can be measured simultaneously, providing a tool to assess the causal relationships between specific brain activation patterns and behavior. This feature makes the method particularly valuable for the field of deep brain stimulation, allowing precise assessment, monitoring, and adjustment of stimulation parameters during long-term behavioral experiments. The applicability of the system has been validated using the inferior colliculus as a model structure.

A Wireless, Bidirectional Interface for In Vivo Recording and Stimulation of Neural Activity in Freely Behaving Rats

A wireless, bidirectional system for multi-channel neural recordings and stimulation in freely behaving rats is introduced. The system is light and compact, thus having minimal impact on the animal&#180;s behavioral repertoire. Moreover, this bidirectional system provides a sophisticated tool to assess causal relationships between brain activation patterns and behavior.

ワイヤレス、 In Vivo記録そして自由行動下ラットにおける神経活動の刺激のための双方向インタ フェース

In vivo electrophysiology is a powerful technique to investigate the relationship between brain activity and behavior at a millisecond and micrometer ...

行動学

Simultaneous Recordings of Cortical Local Field Potentials and Electrocorticograms in Response to Nociceptive Laser Stimuli from Freely Moving Rats

Electrocortical responses, elicited by laser heat pulses that selectively activate nociceptive free nerve endings, are widely used in many animal and human studies to investigate the cortical processing of nociceptive information. These laser-evoked brain potentials (LEPs) consist of several transient responses that are time-locked to the onset of laser stimuli. However, the functional properties of the LEP responses are still largely unknown, due to the lack of a sampling technique that can simultaneously record neural activities at the surface of the cortex (i.e., electrocorticogram [ECoG] and scalp electroencephalogram [scalp EEG]) and inside the brain (i.e., local field potential [LFP]). To address this issue, we present here an animal protocol using freely moving rats. This protocol is composed of three main procedures: (1) animal preparation and surgical procedures, (2) a simultaneous recording of ECoG and LFP in response to nociceptive laser stimuli, and (3) data analysis and feature extraction. Specifically, with the help of a 3D-printed protective shell, both ECoG and LFP electrodes implanted on the rat&#39;s skull were securely held together. During data collection, laser pulses were delivered on the rat&#39;s forepaws through gaps in the bottom of the chamber when the animal was in spontaneous stillness. Ongoing white noise was played to avoid the activation of the auditory system by the laser-generated ultrasounds. As a consequence, only nociceptive responses were selectively recorded. Using the standard analytical procedures (e.g., band-pass filtering, epoch extraction, and baseline correction) to extract stimulus-related brain responses, we obtained results showing that LEPs with a high signal-to-noise ratio were simultaneously recorded from ECoG and LFP electrodes. This methodology makes the simultaneous recording of ECoG and LFP activities possible, which provides a bridge of electrocortical signals at the mesoscopic and macroscopic levels, thereby facilitating the investigation of nociceptive information processing in the brain.

We developed a technique that simultaneously records both electrocorticography and local field potentials in response to nociceptive laser stimuli from freely moving rats. This technique helps establish a direct relationship of electrocortical signals at the mesoscopic and macroscopic levels, which facilitates the investigation of nociceptive information processing in the brain.

大脳皮質の局所電界電位と自由行動ラットから侵害受容のレーザー刺激への応答で Electrocorticograms の同時録音

Electrocortical responses, elicited by laser heat pulses that selectively activate nociceptive free nerve endings, are widely used in many animal and ...

Induction of an Isoelectric Brain State to Investigate the Impact of Endogenous Synaptic Activity on Neuronal Excitability In Vivo

The way neurons process information depends both on their intrinsic membrane properties and on the dynamics of the afferent synaptic network. In particular, endogenously-generated network activity, which strongly varies as a function of the state of vigilance, significantly modulates neuronal computation. To investigate how different spontaneous cerebral dynamics impact single neurons&#39; integrative properties, we developed a new experimental strategy in the rat consisting in suppressing in vivo all cerebral activity by means of a systemic injection of a high dose of sodium pentobarbital. Cortical activities, continuously monitored by combined electrocorticogram (ECoG) and intracellular recordings are progressively slowed down, leading to a steady isoelectric profile. This extreme brain state, putting the rat into a deep comatose, was carefully monitored by measuring the physiological constants of the animal throughout the experiments. Intracellular recordings allowed us to characterize and compare the integrative properties of the same neuron embedded into physiologically relevant cortical dynamics, such as those encountered in the sleep-wake cycle, and when the brain was fully silent.

Induction of an Isoelectric Brain State to Investigate the Impact of Endogenous Synaptic Activity on Neuronal Excitability In Vivo

This procedure performs long-lasting in vivo intracellular recordings from single neurons during physiologically relevant cerebral states and after complete abolition of ongoing electrical activities, resulting in an isoelectric brain state. The physiological constants of the animal are carefully monitored during the transition to the artificial comatose condition.

等電点電気泳動脳の状態の誘導は、神経細胞の興奮に内因性シナプス活性の影響を調査するために、<em&gt;インビボ</em

The way neurons process information depends both on their intrinsic membrane properties and on the dynamics of the afferent synaptic network. In ...

神経科学

Extracellular Recording of Neuronal Activity Combined with Microiontophoretic Application of Neuroactive Substances in Awake Mice

Differences in the activity of neurotransmitters and neuromodulators, and consequently different neural responses, can be found between anesthetized and awake animals. Therefore, methods allowing the manipulation of synaptic systems in awake animals are required in order to determine the contribution of synaptic inputs to neuronal processing unaffected by anesthetics. Here, we present methodology for the construction of electrodes to simultaneously record extracellular neural activity and release multiple neuroactive substances at the vicinity of the recording sites in awake mice. By combining these procedures, we performed microiontophoretic injections of gabazine to selectively block GABAA receptors in neurons of the inferior colliculus of head-restrained mice. Gabazine successfully modified neural response properties such as the frequency response area and stimulus-specific adaptation. Thus, we demonstrate that our methods are suitable for recording single-unit activity and for dissecting the role of specific neurotransmitter receptors in auditory processing.
The main limitation of the described procedure is the relatively short recording time (~3 hr), which is determined by the level of habituation of the animal to the recording sessions. On the other hand, multiple recording sessions can be performed in the same animal. The advantage of this technique over other experimental procedures used to manipulate the level of neurotransmission or neuromodulation (such as systemic injections or the use of optogenetic models), is that the drug effect is confined to the local synaptic inputs to the target neuron. In addition, the custom-manufacture of electrodes allows adjustment of specific parameters according to the neural structure and type of neuron of interest (such as the tip resistance for improving the signal-to-noise ratio of the recordings).

We present methods for the construction of electrodes to simultaneously record extracellular neural activity and release multiple neuroactive substances at the vicinity of the recording sites in awake mice. This technique allows the detailed analysis of putative local synaptic inputs to the neuron of interest.

覚醒マウスにおける神経活性物質のMicroiontophoreticアプリケーションと組み合わせることで神経活動の細胞外記録

Differences in the activity of neurotransmitters and neuromodulators, and consequently different neural responses, can be found between anesthetized and ...

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

Although electroencephalography (EEG) is widely used as a non-invasive technique for recording neural activities of the brain, our understanding of the neurogenesis of EEG is still very limited. Local field potentials (LFPs) recorded via a multi-laminar microelectrode can provide a more detailed account of simultaneous neural activity across different cortical layers in the neocortex, but the technique is invasive. Combining EEG and LFP measurements in a pre-clinical model can greatly enhance understanding of the neural mechanisms involved in the generation of EEG signals, and facilitate the derivation of a more realistic and biologically accurate mathematical model of EEG. A simple procedure for acquiring concurrent and co-localized EEG and multi-laminar LFP signals in the anesthetized rodent is presented here. We also investigated whether EEG signals were significantly affected by a burr hole drilled in the skull for the insertion of a microelectrode. Our results suggest that the burr hole has a negligible impact on EEG recordings.

This protocol describes a simple method for concurrent recording of co-localized electroencephalography (EEG) and multi-laminar local field potential in an anesthetized rat. A burr hole drilled in the skull for the insertion of a microelectrode is shown to produce negligible distortion of the EEG signal.

共局在脳波および齧歯動物のローカル フィールド電位の同時記録

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

Construction of an Improved Multi-Tetrode Hyperdrive for Large-Scale Neural Recording in Behaving Rats

Monitoring the activity patterns of a large population of neurons over many days in awake animals is a valuable technique in the field of systems neuroscience. One key component of this technique consists of the precise placement of multiple electrodes into desired brain regions and the maintenance of their stability. Here, we describe a protocol for the construction of a 3D-printable hyperdrive, which includes eighteen independently adjustable tetrodes, and is specifically designed for in vivo extracellular neural recording in freely behaving rats. The tetrodes attached to the microdrives can either be individually advanced into multiple brain regions along the track, or can be used to place an array of electrodes into a smaller area. The multiple tetrodes allow for simultaneous examination of action potentials from dozens of individual neurons, as well as local field potentials from populations of neurons in the brain during active behavior. In addition, the design provides for simpler 3D drafting software that can easily be modified for differing experimental needs.

We present the construction of a 3D-printable hyperdrive with eighteen independently adjustable tetrodes. The hyperdrive is designed to record brain activity in freely behaving rats over a period of several weeks.

ラットの行動で大規模な神経細胞記録向上のマルチ ・ テトロード ハイパー ドライブの構築

Monitoring the activity patterns of a large population of neurons over many days in awake animals is a valuable technique in the field of systems ...

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.

記録と電極アレイに結合された齧歯動物の脳スライスにおけるてんかん活動の変調

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

<meta charset="utf8"></head><body>マウス脳深部構造のための角度付きシリコン多電極記録

Acute Single-Unit Multi-Electrode Recordings from the Brainstem of Head-Fixed Mice

Silicon multielectrode-based recordings are increasingly popular for studying neuronal activity at the temporal resolution of action potentials in many brain regions. However, recording neuronal activity from deep caudal structures like the brainstem using multi-channel probes remains challenging. A significant concern is finding a trajectory for probe insertion that avoids large blood vessels, such as the superior sagittal venous sinus and the transverse venous sinus. Injuring these large veins can cause extensive bleeding, damage to the underlying brain tissue, and potentially death. This approach describes targeting brainstem structures by coupling anterior coordinates with an angled approach, allowing the recording probe to penetrate the brain below high-risk vascular structures. Compared to a strictly vertical approach, the angled approach maximizes the number of brain regions that can be targeted. Using this strategy, the ventrolateral periaqueductal gray (vlPAG), a brainstem region associated with REM sleep, can be reproducibly and reliably accessed to obtain single-unit, multi-electrode recordings in head-fixed mice before and during sevoflurane anesthesia. The ability to record neuronal activity in the vlPAG and surrounding nuclei with high temporal resolution is a step forward in advancing the understanding of the relationship between REM sleep and anesthesia.

<meta charset="utf8"></head><body>著者スポットライト:マウスにおける麻酔誘発睡眠経路とニューロン興奮性の調査

This protocol describes a method to obtain in vivo, high-density single-neuron recordings from the brainstem of head-fixed mice. This approach is deployed to measure the action potential firing of neurons in the ventrolateral periaqueductal gray - a brainstem region inactive during Rapid Eye Movement (REM) sleep - before and during general anesthesia.

頭部固定マウスの脳幹からの急性単一ユニット多電極記録

Silicon multielectrode-based recordings are increasingly popular for studying neuronal activity at the temporal resolution of action potentials in many ...

急性

要約

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ワイヤレス、 In Vivo記録そして自由行動下ラットにおける神経活動の刺激のための双方向インタフェース

大脳皮質の局所電界電位と自由行動ラットから侵害受容のレーザー刺激への応答で Electrocorticograms の同時録音

等電点電気泳動脳の状態の誘導は、神経細胞の興奮に内因性シナプス活性の影響を調査するために、

覚醒マウスにおける神経活性物質のMicroiontophoreticアプリケーションと組み合わせることで神経活動の細胞外記録

共局在脳波および齧歯動物のローカルフィールド電位の同時記録

ラットの行動で大規模な神経細胞記録向上のマルチ・テトロードハイパードライブの構築

記録と電極アレイに結合された齧歯動物の脳スライスにおけるてんかん活動の変調

頭部固定マウスの脳幹からの急性単一ユニット多電極記録

頭部固定マウスの脳幹からの急性単一ユニット多電極記録

頭部固定マウスの脳幹からの急性単一ユニット多電極記録

急性

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ワイヤレス、 In Vivo記録そして自由行動下ラットにおける神経活動の刺激のための双方向インタ フェース

大脳皮質の局所電界電位と自由行動ラットから侵害受容のレーザー刺激への応答で Electrocorticograms の同時録音

等電点電気泳動脳の状態の誘導は、神経細胞の興奮に内因性シナプス活性の影響を調査するために、

覚醒マウスにおける神経活性物質のMicroiontophoreticアプリケーションと組み合わせることで神経活動の細胞外記録

共局在脳波および齧歯動物のローカル フィールド電位の同時記録

ラットの行動で大規模な神経細胞記録向上のマルチ ・ テトロード ハイパー ドライブの構築

記録と電極アレイに結合された齧歯動物の脳スライスにおけるてんかん活動の変調

頭部固定マウスの脳幹からの急性単一ユニット多電極記録

頭部固定マウスの脳幹からの急性単一ユニット多電極記録

頭部固定マウスの脳幹からの急性単一ユニット多電極記録

ワイヤレス、 In Vivo記録そして自由行動下ラットにおける神経活動の刺激のための双方向インタフェース

共局在脳波および齧歯動物のローカルフィールド電位の同時記録

ラットの行動で大規模な神経細胞記録向上のマルチ・テトロードハイパードライブの構築