小鼠呼吸状态下晶状皮质层脑电波分析

晶须桶皮质增量振荡和伽玛电在清醒小鼠都与呼吸

现有的证据表明增量振荡（0.5-4赫兹）在大脑中被涉及皮质和丘脑电路固有的网络机制产生。在这里，我们报告说，在尖峰和局部场电位（LFP）的活性清醒小鼠的胡须桶状皮层三角洲波段振荡相位锁定到呼吸。此外，LFP振荡伽马频带（30-80赫兹）是振幅调制的相位与呼吸节律。去除嗅球消除呼吸锁定增量振荡和Δ-γ相振幅耦合。我们的研究结果表明这样的呼吸锁定嗅球活性在清醒状态下的胡须桶皮质三角振荡和伽玛功率调制背后的主要驱动力。

振荡神经元的活动是在哺乳动物大脑皮层的普遍现象，可在局部场电位（LFP）和脑电图（EEG）信号1很容易观察到。振荡发生在广泛的频率范围内，包括慢（0.5-8赫兹）增量/ theta和高频伽马射线波段（30-80赫兹）oscillations2。如何振荡的脑活动产生和控制，特别是在低（三角形，0.5-4赫兹） - 频率范围，以及如何振荡涉及行为仅部分understood3。在增量频率范围（0.5-4赫兹）新皮层神经元的振荡被认为是通过包括两个新皮质和丘脑神经元circuits4,5机制所产生的，并与慢波睡眠在人类和动物的通常相关联。然而，在LFP和尖峰活动三角形带振荡活动中的清醒，头部固定mice6-8.At其余晶须桶皮质中也观察到，小鼠呼吸节奏地在1和3HZ之间的频率，其对应于所述差分频率范围神经元振荡。虽然已经示出在行为水平的呼吸和晶须的流动是动态锁相在这个频率band9-11，在桶皮质神经节律是否与呼吸仍未得到研究。

为了检验清醒小鼠呼吸休息时呼吸频率桶皮质三角振荡之间可能存在的联系，我们同时测量呼吸节奏和神经元的活动在清醒的头固定小鼠的胡须桶状皮层。我们发现，在胡须桶状皮层2的增量带神经元振荡。

图1 |振荡神经元的活动相锁了呼吸。在清醒小鼠呼吸道和局部场电位（LFP）信号sin桶状皮层之间的相关性和一致性。从一个鼠标数据显示，但结果是转载于5出5只小鼠。

（一）呼吸节律（黑色）和两个LFP信号同时记录在晶须桶皮层（红色和蓝色），处于静止状态。拍摄地点是300毫米分开。

（二）自相关函数（左）呼吸和LFP信号和LFP-呼吸交叉相关（右）。曲线的颜色对应于一个。

（三）同作为录音的，反而加速呼吸引起的短暂暴露于缺氧的空气中。

呼吸（四）自相关函数（左）和

LFP信号和LFP-呼吸交叉相关（右）。曲线的颜色对应于一个。（五）瞬时呼吸频率（上）和

LFP-呼吸相关性（底部）在正常加速的呼吸通过暴露于低氧空气引出。呼吸频率和一致性在5-S的时间窗口进行了计算，移动2.5的脚步。相干绘制在右侧显示一个伪彩色代码。在顶部面板灰色背景显示暴露于空气中缺氧时间。在a 和c所示的数据是在电子商务中所示的完整数据且具有两个3-S段（时间轴在a和c共同与1中的E）。

分别为相位锁定到呼吸节律，并主要由嗅球活性驱动。

此外，相位振幅耦合分析表明，LFP振荡伽马频带进行振幅调制的相位与呼吸节律。因此，我们的研究结果表明，呼吸活动直接调制慢（1-4赫兹），有节奏的体感晶须桶状皮层神经元的活动，并通过相位幅度耦合机制间接调节伽玛带电源。几项研究发现，西塔-γPHAS-amplitude耦合，感觉，运动和认知processes12-15。我们的研究结果表明这样一个可能的神经机制，嗅觉和触觉晶须sensation9-11之间的跨模态的相互作用。

结果

呼吸锁定LFP振荡桶皮质。采用多电极细胞外记录技术，我们测得的尖峰和局部场电位（LFP）的活性清醒，头部固定小鼠的体感晶须桶状皮层。同时，呼吸活性通过测量空气温度的波动，在鼻孔的前方（见方法）监测非侵入。 LFP 以及单层和多层单元秒杀活动进行了相关性节奏与呼吸（图1,2）。

影响对振荡嗅觉bulbectomy的。 Respirationlocked神经元活动已知会发生在啮齿动物嗅球，通过嗅觉感觉神经元的激活与从动

每次呼吸通过nose16,17。 Fontanini等al.18,19已经表明，这些振动可以传播到嗅觉梨状皮质。在休息的平均呼吸率C57BL / 6J小鼠是165呼吸min_1或2.75赫兹（参考文献20）。因此，小鼠呼吸在静息率位于神经元oscillations1定义的1-4 Hz的频率变化范围内。我们问是否在感官晶须筒呼吸锁定神经元三角波段振荡可以通过嗅球活动的推动。作为第一个实验性的方法，我们手术切除嗅球（以N？6）小鼠。嗅觉bulbectomies消除桶皮质增量带振荡和呼吸和个LFP（图3）之间的相关性。我们在呼吸频率的连贯性方面量化这种降低呼吸和LFP之间的锁定。这是由于bulbectomy减少了LFP-呼吸相干对应于平均减少了91％（图3），因此，高度显著减少（Po0.001（二侧），曼 - 惠特尼U检验）。

LFP振荡与鼻腔气流。要控制，如果不涉及到呼吸等作用是负责呼吸和LFP之间的一致性的bulbectomized小鼠的损失，我们执行了完整的，麻醉的小鼠气管切开术（N？3）通过鼻子呼吸消除。这个操纵选择性地阻止激活嗅球通过鼻气流，同时使灯泡完好无损。 LFP的活动被记录在晶须桶皮质和呼吸活动是通过胸部的运动监测。此外，我们产生通过独立于自发呼吸气管（图4）的鼻子的人工节奏气流。这是在三个不同的气流的频率和受控的体积中进行的

模仿的B0.15毫升（见法）鼠标的休息潮气量。被选择的频率为人工鼻气流要低（0.8HZ），高（3.2Hz）或相同（1.6Hz）作为平均

麻醉的小鼠自发性呼吸频率。在气管切开小鼠，呼吸和桶皮质LFP活性之间的相关性弱（图4b，D，F，右，绿色），但LFP活性强烈的节奏鼻气流（图

4b，D，F相关，右，黑色）在所有三种测试的频率。

图2 |秒杀活动的节奏与相关呼吸。单（N？3）和多单元（N？9）秒杀活动被记录在两个清醒小鼠的胡须桶状皮层。互相关值与呼吸尖峰活动是为三分之三单个单元和九分之八多组录音显著。单机秒杀活动（一）跨尖峰时间间隔直方图记录了在清醒小鼠的胡须桶状皮层10分钟。插图示出了第一（左）和最后一个（右）10的动作电位的波形的叠加。（二）互相关的单单元尖峰活性与呼吸（发病吸气周期的时间）。蓝线代表了原始的互相关。黑线代表代理相关的分布的中值。顶部和底部的红色线条描绘的代孕相关分配的第5和第95百分位数分别为（见方法或细节）。生的相关性被认为是显著如果互相关值超过了代理相关的分布的5或95百分位边界。

鼻腔气流和LFP活动之间的相关性最高的发生在鼻腔气流的1.6 Hz的节奏。这可能是由于产生共振皮层主要神经元，其中已示出的现象，以具有优选的亚阈值频率接近1.6Hz（参见21页）。

LFP活动如下电嗅球刺激。通过鼻子有节奏的气流可能会产生小的机械力对嗅球可能导致由于对记录电极的脑组织小运动神经元的反应。因此，我们又进行对照实验中，我们通过进行气管切开术消除鼻腔气流，但现在调节神经元活动在嗅球通过电刺激，同时记录皮层每桶LFP活动。我们使用有节奏的电刺激，包括当前步骤简要列车激活同侧嗅球在用于人工鼻气流刺激（0.8，1.6和3.2赫兹），在以前的实验中相同的频率。这些刺激引起的桶皮质个LFP（图5）的刺激锁定的节奏波动，确认有节奏的嗅球活动节奏调节在晶须桶皮质神经元的活动。

图3 |嗅球活动带动皮质振荡。减少记录在清醒，头部固定条件不变，嗅觉bulbectomized小鼠呼吸和局部场电位（LFP）信号之间的连贯性。（一）呼吸（黑色）测量为在小鼠的鼻孔前的温度和同时记录LFP信号（红色和蓝色）的bulbectomized鼠标的筒皮质。该呼吸信号进行归一化的平均的减法和除法由