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Whole Animal Perfusion Fixation for Rodents

The goal of fixation is to rapidly and uniformly preserve tissue in a life-like state. While placing tissue directly in fixative works well for small ...

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Surgical Implantation of Chronic Neural Electrodes for Recording Single Unit Activity and Electrocorticographic Signals

The success of long-term electrophysiological recordings often depends on the quality of the implantation surgery.  Here we provide useful information for ...

The ability to control a prosthetic device directly from the neocortex has been demonstrated in rats, monkeys and humans. Here we investigate whether neural control can be accomplished in situations where (1) subjects have not received prior motor training to control the device (naive user) and (2) the neural encoding of movement parameters in the cortex is unknown to the prosthetic device (naive controller). By adopting a decoding strategy that identifies and focuses on units whose firing rate properties are best suited for control, we show that naive subjects mutually adapt to learn control of a neural prosthetic system. Six untrained Long-Evans rats, implanted with silicon micro-electrodes in the motor cortex, learned cortical control of an auditory device without prior motor characterization of the recorded neural ensemble. Single- and multi-unit activities were decoded using a Kalman filter to represent an audio "cursor" (90 ms tone pips ranging from 250 Hz to 16 kHz) which subjects controlled to match a given target frequency. After each trial, a novel adaptive algorithm trained the decoding filter based on correlations of the firing patterns with expected cursor movement. Each behavioral session consisted of 100 trials and began with randomized decoding weights. Within 7 +/- 1.4 (mean +/- SD) sessions, all subjects were able to significantly score above chance (P < 0.05, randomization method) in a fixed target paradigm. Training lasted 24 sessions in which both the behavioral performance and signal to noise ratio of the peri-event histograms increased significantly (P < 0.01, ANOVA). Two rats continued training on a more complex task using a bilateral, two-target control paradigm. Both subjects were able to significantly discriminate the target tones (P < 0.05, Z-test), while one subject demonstrated control above chance (P < 0.05, Z-test) after 12 sessions and continued improvement with many sessions achieving over 90% correct targets. Dynamic analysis of binary trial responses indicated that early learning for this subject occurred during session 6. This study demonstrates that subjects can learn to generate neural control signals that are well suited for use with external devices without prior experience or training.

Naive coadaptive cortical control.

Naive coadaptive kortikale Kontrolle.

Local field potentials (LFPs) have been proposed for use in controlling neural prosthetic devices because they can provide reliable motor and sensory-related information, and can easily be recorded over long periods of time. While studies have shown that directional information about motor movements can be inferred from LFPs, it is not known at what depth these signals should be recorded from in order to maximize the amount of movement information. Towards this end, we used a directional motor task in Long Evans rats, while sampling LFPs with an electrode consisting of 16 vertical recording sites that were evenly-spaced 100 microm apart. This allowed for simultaneous recording of all layers of the motor cortex. The frequency components of LFPs were then analyzed using k-means clustering to determine directional information as a function of depth. Here we report our initial findings that superficial layers (II/III) of motor cortex may provide more information about movement directions then deeper layers (V).

Laminar analysis of movement direction information in local field potentials of the rat motor cortex.

Lokales Feld Potentiale (LFPs) sind vorgeschlagen worden, f&uuml;r den Einsatz in neuronale Prothesen steuern, denn sie zuverl&auml;ssige motorische und sensorische Informationen bieten und problemlos &uuml;ber l&auml;ngere Zeit aufgezeichnet werden k&ouml;nnen. W&auml;hrend Untersuchungen haben ergeben, dass gerichtete Informationen &uuml;ber motorische Bewegungen abgeleitet werden kann von LFPs, es ist nicht bekannt, in welcher Tiefe diese Signale sollten aus aufgezeichnet werden, um die Menge der Bewegungsinformationen zu maximieren. Zu diesem Zweck haben wir eine direktionale motor Aufgabe bei langen Evans Ratten w&auml;hrend der Probenahme LFPs mit einer Elektrode, bestehend aus 16 vertikale Aufzeichnung-Sites, die gleichm&auml;&szlig;ig 100 Microm auseinander waren. Dies erlaubt gleichzeitige Aufnahme aus allen Schichten der motorischen Kortex. Die Frequenzkomponenten der LFPs wurden dann analysiert mithilfe der k-Means-Algorithmus um gerichtete Informationen als Funktion der Tiefe zu bestimmen. Hier berichten wir &uuml;ber unsere ersten Ergebnisse, dass oberfl&auml;chliche Schichten (II/III) des motorischen Kortex Weitere Informationen zur Bewegung Richtungen dann tieferen Schichten (V) enthalten k&ouml;nnen.

Laminar Analyse Bewegung Richtung Informationen im lokalen Bereich Potentiale der die Ratte motorischen Kortex.

The isolation of single units in extracellular recordings involves filtering. Removing lower frequencies allows a constant threshold to be applied in order to identify and extract action potential events. However, standard methods such as Butterworth bandpass filtering perform this frequency excision at a cost of grossly distorting waveform shapes. Here, we apply wavelet decomposition and reconstruction as a filter for electrophysiology data and demonstrate its ability to better preserve spike shape. For the majority of cells, this approach also improves spike signal-to-noise ratio (SNR) and increases cluster discrimination. Additionally, the described technique is fast enough to be applied real-time.

Wavelet filtering before spike detection preserves waveform shape and enhances single-unit discrimination.

Die Isolation der einzelnen Einheiten im extrazellul&auml;ren Aufnahmen umfasst filtern. Entfernen von niedrigere Frequenzen erm&ouml;glicht einen konstanten Schwellenwert angewendet werden, um zu ermitteln und Aktionspotential-Ereignisse extrahieren. Standard-Methoden wie Butterworth Bandpass Filter f&uuml;hren jedoch diese Frequenz Exzision bei Kosten grob verf&auml;lscht Wellenform Formen. Hier gelten wir Wavelet-Zerfall und Wiederaufbau als Filter f&uuml;r Elektrophysiologie Daten und demonstrieren Sie ihre F&auml;higkeit, Spitze Form besser zu bewahren. F&uuml;r die meisten Zellen wird dieser Ansatz auch verbessert Spike-Signal-Rausch-Verh&auml;ltnis (SNR), und die Clusterunterscheidung. Dar&uuml;ber hinaus ist die beschriebene Technik schnell genug, um in Echtzeit angewandt werden.

Wavelet-Filterung vor Spike Erkennung Wellenform Form bewahrt und verbessert die Einzel-Einheit Diskriminierung.

Closed-loop neural interface technology that combines neural ensemble decoding with simultaneous electrical microstimulation feedback is hypothesized to improve deep brain stimulation techniques, neuromotor prosthetic applications, and epilepsy treatment. Here we describe our iterative results in a rat model of a sensory and motor neurophysiological feedback control system. Three rats were chronically implanted with microelectrode arrays in both the motor and visual cortices. The rats were subsequently trained over a period of weeks to modulate their motor cortex ensemble unit activity upon delivery of intra-cortical microstimulation (ICMS) of the visual cortex in order to receive a food reward. Rats were given continuous feedback via visual cortex ICMS during the response periods that was representative of the motor cortex ensemble dynamics. Analysis revealed that the feedback provided the animals with indicators of the behavioral trials. At the hardware level, this preparation provides a tractable test model for improving the technology of closed-loop neural devices.

Development of closed-loop neural interface technology in a rat model: combining motor cortex operant conditioning with visual cortex microstimulation.

Geschlossene neuronale Schnittstellentechnologie, die mit gleichzeitigen elektrischen Microstimulation Feedback kombiniert neuronale Ensembles Decodierung ist Hypothese, um deep Brain Stimulation Techniken, sensomotorische prothetischen Anwendungen und Epilepsie-Behandlung zu verbessern. Hier beschreiben wir unsere iterative Ergebnisse in einem Rattenmodell eines sensorischen und motorischen neurophysiologischen Feedback Control Systems. Drei Ratten wurden chronisch mit Mikroelektroden-Arrays in der motorischen und visuellen Cortices implantiert. Die Ratten wurden anschlie&szlig;end &uuml;ber einen Zeitraum von Wochen ausgebildet, um ihre motorischen Kortex Ensemble Einheit T&auml;tigkeit bei Lieferung des intra-cortical Microstimulation (ICMS) der Sehrinde zu modulieren, um Essen Belohnung zu erhalten. Ratten erhielten kontinuierliches Feedback &uuml;ber die Sehrinde ICMS den Antwort-Zeiten, die Vertreter der motorischen Kortex Ensemble Dynamik war. Analyse ergab, dass das Feedback der Tiere mit Indikatoren der verhaltensbasierten Studien zur Verf&uuml;gung gestellt. Auf Hardwareebene bietet diese Vorbereitung ein steuerbar Testmodell zur Verbesserung der Technologie der geschlossenen neuronale Ger&auml;te.

Entwicklung der geschlossenen neuronale Schnittstellen-Technologie in einem Rattenmodell: Kombination von motorischen Kortex operante Konditionierung mit visuellen Kortex Microstimulation.

Interneurons coupled by both electrical gap-junctions (GJs) and chemical GABAergic synapses are major components of forebrain networks. However, their contributions to the generation of specific activity patterns, and their overall contributions to network function, remain poorly understood. Here we demonstrate, using computational methods, that the topological properties of interneuron networks can elicit a wide range of activity dynamics, and either prevent or permit local pattern formation. We systematically varied the topology of GJ and inhibitory chemical synapses within simulated networks, by changing connection types from local to random, and changing the total number of connections. As previously observed we found that randomly coupled GJs lead to globally synchronous activity. In contrast, we found that local GJ connectivity may govern the formation of highly spatially heterogeneous activity states. These states are inherently temporally unstable when the input is uniformly random, but can rapidly stabilize when the network detects correlations or asymmetries in the inputs. We show a correspondence between this feature of network activity and experimental observations of transient stabilization of striatal fast-spiking interneurons (FSIs), in electrophysiological recordings from rats performing a simple decision-making task. We suggest that local GJ coupling enables an active search-and-select function of striatal FSIs, which contributes to the overall role of cortical-basal ganglia circuits in decision-making.

Local dynamics of gap-junction-coupled interneuron networks.

Interneuronen, die zusammen von elektrischen Gap-Junctions (GJs) und chemischen GABAergic Synapsen sind die Hauptkomponenten des Stirnhirns Netzwerke. Ihre Beitr&auml;ge zur Generation der spezifischen Aktivit&auml;tsmustern und ihre gesamten Beitr&auml;ge zur Netzwerkfunktion, bleiben jedoch weitgehend unverstanden. Hier demonstrieren wir, Berechnungsmethoden, dass die topologischen Eigenschaften Interneuron Netzwerke eine Vielzahl hervorrufen k&ouml;nnen Aktivit&auml;t Dynamik und entweder zu verhindern Sie oder erlauben Sie lokale Strukturbildung. Wir systematisch variiert die Topologie des GJ und hemmende chemische Synapsen innerhalb simulierten Netzwerke durch Verbindungstypen von lokalen auf zuf&auml;llige &auml;ndern und &auml;ndern die Gesamtzahl der Verbindungen. Wie bereits beobachtet, wir fanden, dass nach dem Zufallsprinzip gekoppelte GJs zu Global synchrone Aktivit&auml;t f&uuml;hren. Im Gegensatz dazu fanden wir, dass die lokalen GJ-Verbindungen die Bildung der r&auml;umlich sehr heterogenen Aktivit&auml;t Staaten regieren kann. Diese Staaten sind grunds&auml;tzlich zeitlich instabil, wenn die Eingabe gleichm&auml;&szlig;ig zuf&auml;llig ist, aber rasch stabilisiert werden, kann wenn das Netzwerk Korrelationen oder Asymmetrien in den Eingaben erkennt. Wir zeigen eine Entsprechung zwischen dieser Funktion von Netzwerkaktivit&auml;ten und experimentellen Beobachtungen der vor&uuml;bergehende Stabilisierung der Striatale schnell spiking Interneuronen (FSI), elektrophysiologische Aufnahmen von Ratten, die eine einfache Entscheidungsprozesse Aufgabe. Wir schlagen vor, da&szlig; die lokalen GJ-Kupplung erm&ouml;glicht eine aktive Suche und Select-Funktion der Striatale Finanzdienstleister, die die allgemeine Rolle der kortikalen basale Ganglien Schaltungen in der Entscheidungsfindung beitr&auml;gt.

Lokale Dynamik der L&uuml;cke-Kreuzung-gekoppelter Interneuron Netzwerke.

Basal ganglia circuits are essential for the organization and execution of voluntary actions. Within the striatum, fast-spiking interneurons (FSIs) are thought to tightly regulate the activity of medium-spiny projection neurons (MSNs) through feed-forward inhibition, yet few studies have investigated the functional contributions of FSIs in behaving animals. We recorded presumed MSNs and FSIs together with motor cortex and globus pallidus (GP) neurons, in rats performing a simple choice task. MSN activity was widely distributed across the task sequence, especially near reward receipt. By contrast, FSIs showed a coordinated pulse of increased activity as chosen actions were initiated, in conjunction with a sharp decrease in GP activity. Both MSNs and FSIs were direction selective, but neighboring MSNs and FSIs showed opposite selectivity. Our findings suggest that individual FSIs participate in local striatal information processing, but more global disinhibition of FSIs by GP is important for initiating chosen actions while suppressing unwanted alternatives.

Selective activation of striatal fast-spiking interneurons during choice execution.

Basalganglien-Schaltungen sind essentiell f&uuml;r die Organisation und Durchf&uuml;hrung von freiwilligen Aktionen. Im Striatum werden schnell spiking Interneuronen (FSI) gedacht, um eng die T&auml;tigkeit von Medium-stacheligen Projektion Neuronen (MSN) durch Hemmung der Feed-Forward, Regeln, und doch nur wenige Studien die funktionale Beitr&auml;ge der Finanzdienstleister im Verhalten der Tiere untersucht haben. Zusammen mit motorischen Kortex und Globus Pallidus (GP) Neuronen, bei Ratten eine einfache Wahl Aufgabe verzeichneten wir vermuteten MSN und Finanzdienstleister. MSN-Aktivit&auml;t wurde weitgehend auf die Tasksequenz, vor allem in der N&auml;he von Lohn-Eingang verteilt. Im Gegensatz dazu zeigten Finanzdienstleister einen koordinierten Puls erh&ouml;hter Aktivit&auml;t wie gew&auml;hlte Aktionen, in Verbindung mit einem drastischen R&uuml;ckgang der GP-Aktivit&auml;t eingeleitet wurden. MSN und Finanzdienstleister waren Richtung selektiv, aber benachbarten MSN und Finanzdienstleister zeigte entgegengesetzte Selektivit&auml;t. Unsere Ergebnisse weisen, dass die einzelnen Finanzdienstleister in lokalen Striatale Informationsverarbeitung teilnehmen, aber globaler Enthemmung der Finanzdienstleister von GP ist wichtig f&uuml;r die Einleitung der gew&auml;hlten Aktionen w&auml;hrend unterdr&uuml;ckt unerw&uuml;nschte Alternativen.

Selektive Aktivierung Striatale schnell spiking Interneuronen w&auml;hrend der Wahl-Ausf&uuml;hrung.

Beta oscillations in cortical-basal ganglia (BG) circuits have been implicated in normal movement suppression and motor impairment in Parkinson's disease. To dissect the functional correlates of these rhythms we compared neural activity during four distinct variants of a cued choice task in rats. Brief beta (âˆ¼20Â Hz) oscillations occurred simultaneously throughout the cortical-BG network, both spontaneously and at precise moments of task performance. Beta phase was rapidly reset in response to salient cues, yet increases in beta power were not rigidly linked to cues, movements, or movement suppression. Rather, beta power was enhanced after cues were used to determine motor output. We suggest that beta oscillations reflect a postdecision stabilized state of cortical-BG networks, which normally reduces interference from alternative potential actions. The abnormally strong beta seen in Parkinson's Disease may reflect overstabilization of these networks, producing pathological persistence of the current motor state.

Basal Ganglia Beta oscillations accompany cue utilization.

Beta-Schwingungen in kortikalen basale Ganglien (BG)-Schaltungen haben in normalen Bewegung Unterdr&uuml;ckung und Motor Beeintr&auml;chtigung bei Parkinson-Krankheit verwickelt. Um die funktionale korreliert diese Rhythmen zu sezieren verglichen wir die neuronale Aktivit&auml;t w&auml;hrend vier unterschiedliche Varianten eines Vorgangs Stichnoten Wahl bei Ratten. Kurze Beta (&sim;20 Hz) Schwingungen trat gleichzeitig im gesamten Netzwerk kortikale-BG, sowohl spontan als auch auf pr&auml;zise Momente der Aufgabendurchf&uuml;hrung. Beta-Phase wurde schnell zur&uuml;ckgesetzt, als Antwort auf die wichtigsten Hinweise, aber Anstieg der Beta macht wurden Hinweise, Bewegungen oder Bewegung Unterdr&uuml;ckung nicht starr verbunden. Vielmehr wurde die Beta macht verbessert, nachdem Hinweise verwendet wurden, um zu bestimmen, Motorleistung. Wir schlagen vor, da&szlig; Beta-Oszillationen ein postdecision stabilisierte kortikale-BG-Netzwerke, spiegeln die normalerweise St&ouml;rungen durch alternative m&ouml;glichen Aktionen reduziert. Die ungew&ouml;hnlich starke Beta gesehen bei Parkinson-Krankheit kann Overstabilization dieser Netze produzieren pathologische Persistenz der aktuellen motor widerspiegeln.

ArticleTotal : 2	Year
Publication title Cited by 528	2012
Publication title Cited by 34	2012

Article	Year
Naive coadaptive cortical control. Journal of neural engineering\| PubMed ID: 15928412	2005
Laminar analysis of movement direction information in local field potentials of the rat motor cortex. Conference proceedings : ... Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. Conference\| PubMed ID: 17946968	2006
Conference proceedings : ... Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. Conference\| PubMed ID: 18003063	2007
Wavelet filtering before spike detection preserves waveform shape and enhances single-unit discrimination. Journal of neuroscience methods\| PubMed ID: 18597853	2008
Development of closed-loop neural interface technology in a rat model: combining motor cortex operant conditioning with visual cortex microstimulation. IEEE transactions on neural systems and rehabilitation engineering : a publication of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society\| PubMed ID: 20144922	2010
Local dynamics of gap-junction-coupled interneuron networks. Physical biology\| PubMed ID: 20228446	2010
Selective activation of striatal fast-spiking interneurons during choice execution. Neuron\| PubMed ID: 20696383	2010
Basal Ganglia Beta oscillations accompany cue utilization. Neuron\| PubMed ID: 22325204	2012
PloS one\| PubMed ID: 22470415	2012

Gregory J. Gage

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