Effect of anesthetics on neural activity and functional connectivity in the rat

Abstract

Objective: The purpose of this study was to investigate the resting state neural activity in the rat cortex using bi-hemispheric laminar electrophysiological recordings of local field potential (LFP) as well as how varying types and doses of anesthetics (i.e., isoflurane and α-chloralose) influence the LFP activity and functional connectivity in comparison with the awake state.

Method: Adult male Sprague-Dawley rats were used for the electrophysiology experiment. The areas of skull and dura matter overlying the bilateral primary somatosensory cortices (S1) were removed for electrophysiological recordings. The electrophysiological recordings were performed in the forelimb region of the bilateral primary somatosensory cortices (S1fl) using two linear multi-electrode arrays. The extracellular recording signals were amplified and filtered between 0.1 and 500 Hz to record LFP. Recording of evoked response and resting state activity was conducted more than 10 min after anesthetic condition was changed. All data analyses for the LFP signal were conducted using a custom-written MATLAB code (The Mathworks; Natick, MA). The spectral power of the LFP signals at each channel was calculated by the Fast Fourier Transform algorithm in MATLAB for 5 minutes of resting state activity in each anesthetic condition. Principal Component Analaysis (PCA) was conducted to characterize a common signal component of spontaneous activity in bilateral cortices.

Result: Slow wave in delta/theta bands increased as the dose of isoflurane increased regardless of the magnitude of increase, while the burst suppression pattern of activity emerged only when the isoflurane dose was high (1.5% or higher). Such burst-suppression might be associated with the neural inhibition/disinhibition mechanisms and could induce rapid habituation of sensory-evoked responses. On the other hand, the spontaneous LFP activity under anesthesia with α-chloralose was characterized by continuous large, slow oscillations. Under anesthesia with α-chloralose, sensory-evoked response intensified, resulting in more visible response in the ipsilateral somatosensory cortex than the awake state. Interhemispheric correlation of the resting state activity was lowest during the awake state, particularly between upper layers in bilateral cortices. α-chloralose tended to increase the interhemispheric correlation in a layer-specific manner, but isoflurane induced nonspecific global correlation.

Conclusion: The effects of different types and doses of anesthetics on the spontaneous neural activity should be taken into account when studying the resting state brain activity and functional connectivity of anesthetized animals. |목적: 이 연구에서는 양반구 층상에서의 LFP 전기 생리학적 기록을 이용하여 쥐의 피질에서 휴식 상태에서의 신경 활성을 확인하고자 한다. 뿐만 아니라 마취제의 종류와 용량의 변화가 깨어있는 상태와 비교하여 LFP 활성과 기능적 연결성에 영향을 미치는지 알아보고자 한다.

방법: 수컷SD 쥐를 사용하였고, 전기 생리학적 기록을 위해 두개골과 양측 일차체성감각 피질 바로 위의 경막을 제거하였다. 전기 생리학적 기록은 2개의 가느다란 멀티 전극 전지판을 이용하여 양측 일차체성감각 피질의 앞다리 영역에서 수행하였다. 세포 외 기록 신호는 0.1 ~500 Hz사이의 LFP기록을 증폭 및 여과 시켰다. 유발 반응과 휴식기 전위의 기록은 마취 상태가 변화된 후 10분 이상 수행하였다. LFP 신호의 모든 데이터 분석은 매틀랩 코드를 이용하여 수행하였다. 각각의 채널에서 LFP 신호의 스펙트럼 출력 밀도는 각 마취 상태에서의 휴식기 활성 상태 5분 동안 매틀랩의 Fast Fourier Transform algorithm 에 의해 측정되었다. 주성분 분석은 양측 피질에서 자발적 전위의 공통 신호 성분 특징을 위해 실행하였다.

결과: 델타파/세타파에서 완서파는 증가의 강도에 상관없이 이소플루레인의 농도에 따라 증가하였고, 반면에 전위의 파열억제패턴은 이소플루레인 농도가 1.5% 이상일 때만 나타났다. 파열억제패턴은 신경 억제/탈억제 메커니즘과 관련 있는 것으로 보이며, 감각유발반응의 빠른 습관화 작용을 유도하는 것으로 보인다. 반면에, 알파-클로랄로즈 마취 하에서의 자발적인 LFP 전위(활성)는 계속적인 크고 느린 진동으로 특징 지어진다. 알파-클로랄로즈 마취 하에서 강화된 감각유발반응은 깨어있는 상태보다 동측의 체성감각피질에서의 더 많은 가시응답을 보였다. 휴식기 전위의 양반구 상관성은 깨어있는 상태 동안 특히 양측 피질의 위층 사이에서 가장 낮았다. 알파-클로랄로즈는 층 특이적 방식 으로 양반구 연관성이 증가하는 경향을 보였으나, 이소플루레인은 비특이적인 포괄적 연관성이 감소하는 경향을 보였다.

결론: 휴식기 상태의 뇌 활성과 마취된 동물의 기능적 연결성 연구를 할 때 자발적인 신경 활성에 대한 다양한 유형의 마취제의 효과를 고려해야 한다..