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Distinct neural activities of the cortical layer 2/3 across isoflurane anesthesia: A large-scale simultaneous observation of neurons - 29/05/24

Doi : 10.1016/j.biopha.2024.116751 
Zilin Wang a, 1, Kunsha Chen a, 1, Xiaodong Wu a, 1, Pengchang Zheng b, Ao Li a, Yongxin Guo a, Xingzheng Gu a, Guihua Xiao b, Hao Xie b, ChaoWei Zhuang b, , Jiangbei Cao a,
a Department of Anesthesiology, The First Medical Centre, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China 
b Department of Automation, Tsinghua University, Beijing 100084, China 

Corresponding authors.

Abstract

Anesthesia inhibits neural activity in the brain, causing patients to lose consciousness and sensation during the surgery. Layers 2/3 of the cortex are important structures for the integration of information and consciousness, which are closely related to normal cognitive function. However, the dynamics of the large-scale population of neurons across multiple regions in layer 2/3 during anesthesia and recovery processes remains unclear. We conducted simultaneous observations and analysis of large-scale calcium signaling dynamics across multiple cortical regions within cortical layer 2/3 during isoflurane anesthesia and recovery in vivo by high-resolution wide-field microscopy. Under isoflurane-induced anesthesia, there is an overall decrease in neuronal activity across multiple regions in the cortical layer 2/3. Notably, some neurons display a paradoxical increase in activity during anesthesia. Additionally, the activity among multiple cortical regions under anesthesia was homogeneous. It is only during the recovery phase that variability emerges in the extent of increased neural activity across different cortical regions. Within the same duration of anesthesia, neural activity did not return to preanesthetic levels. To sum up, anesthesia as a dynamic alteration of brain functional networks, encompassing shifts in patterns of neural activity, homogeneousness among cortical neurons and regions, and changes in functional connectivity. Recovery from anesthesia does not entail a reversal of these effects within the same timeframe.

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Graphical abstract




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Highlights

Innovative simultaneous observation of cortical neuron ensemble dynamics across brain regions in vivo.
Cortical layer 2/3 neuron ensembles exhibit different classification features across states of consciousness.
Homogeneous activity among cortical regions under anesthesia contrasts with increased variability during recovery.
Large-scale neural activity shows that cortical connectivity changes dynamically during anesthesia and recovery.

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Keywords : Anesthesia, Cortical layer2/3, High-resolution wide-field microscopy, In vivo imaging, Calcium fluorescence


Plan


 This work was supported by the grants of the National Natural Science Foundation of China (Grant no. 82271213).


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Vol 175

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