Одновременное МРТ и электрофизиологии в мозг грызунов

Summary

Мы разработали метод одновременного функциональной магнитно-резонансной томографии и электрофизиологические записи в грызун мозга, предоставляя платформу для исследования взаимоотношений между нейронной активности и уровня оксигенации крови зависимых (жирным шрифтом) МРТ сигнала.

Abstract

Для изучения нейронных основе уровня оксигенации крови зависимых (жирным шрифтом) магнитно-резонансной томографии (МРТ) сигнала, мы разработали грызунов модель, в которой функциональной МРТ данных и

Protocol

1. Это не является выживание хирургии. Первым шагом является имплантация электродов. В этом примере, электроды будут имплантированы в передней лапой регионах первичной соматосенсорной коры обоих полушарий.

1. Обезболить крыс (самцов крыс SD, 200-300 г) с 2% изофлуран и закрепить на место на стереотаксической хирургической системы. Перед началом операции, убедитесь, что животное хорошо наркозом и не проявляет ответ на ноги крайнем случае. Удалить меха перед открытием кожи головы. Отдельные мышцы и другие ткани выше черепа и блокировать любое кровотечение на поверхности кости использованием cauterizer.
2. Подготовка пирс на поверхности черепа (возле средней линии передней V-формы перехода) в качестве точки фиксации на валу имплантированных электродов, с помощью стоматологического цемента. Настройка небольшой винт нейлона в кость перед применением стоматологического цемента может увеличить стабильность. Размер пирса форме с цементом должны быть примерно на 5 мм в высоту и 3 х 5 мм ² в область у основания (см. Рисунок 1).
3. Использование тонкой наконечником электрические дрели, осторожно откройте черепа и твердой мозговой оболочки выставить на передней лапой представительство в первичной соматосенсорной коре каждого полушария. Диаметр каждого отверстия должна быть около 1 мм, расположенных 1 мм впереди и 4 мм от боковых брегмы. Под микроскопом, вырезать крошечные отверстия в твердой мозговой оболочки использовании кончик иглы шприца, соблюдая осторожность, чтобы избежать любых повреждений судна.
4. Перед установкой каждого электрода, убедитесь, что нет кровотечения или экссудации присутствует возле разрезов. Стекло микроэлектродов должны быть подготовлены до операции примерно с 3 ~ 4 см длины вала и импеданс 1 ~ 5 МОм. Заполните капилляр электрода с искусственным CSF (ACSF) и вставьте каждый электрод косо (~ 45 °, от задней к передней) в мозг ~ 0,4 мм от длительности использования открыл стереотаксической руку. Перед установкой на место, проверьте электрический сигнал. Один конец chloridized серебряной проволоки должна быть погружают в ACSF, а другой конец соединен с входом приводит к усилителю. Серебряной проволоки, придает подкожно в задней части открыт кожу, служит в качестве электрода сравнения.
5. Перед фиксацией электродов, дважды проверьте хирургическое области и убедитесь, что нет кровотечения или экссудации происходит, а затем применить зубную пасту, чтобы заменить удалить кожу и мышцы на черепе. Использование зубной пасте улучшает качество изображения MR за счет снижения чувствительности на несоответствие черепа / воздух. Прикрепите электрод вала на подготовленную пирс с зубным цементом (см. Рисунок 1).
6. После стоматологического лечения цемента, передача животного МРТ колыбели и исправить на месте. Монитор физиологическое состояние крыс с для остальной части исследования, включая температуру тела, частоту дыхания, SPO ₂ и частоты сердечных сокращений.
7. Позиция поверхностной катушки (передача / прием) по голове, с электродами выступающие от центра катушки. Дополнительные арочной твердом переплете, которая сидит на вершине колыбелью служит опорой для фиксации электрода приводит во избежание движение, вызванное животное дышит. Приводит служит для одновременной визуализации и регистрации распространяется на ~ 5 м (усилитель расположен в непосредственной близости магнит комната) и покрыты проводящего пластика, который служит пассивный щит.
8. Анестезия может переключаться с изофлуран к medetomidine уменьшить подавление нейронной активности при желании. Изучите электрический сигнал в последний раз перед передачей животного в магнит. В наших исследованиях параметров записи были следующие: 1000 х усиливается, 0,1 Гц ~ 5 К Гц полосового фильтра, 60 Гц паз-фильтром, 12 кГц частотой дискретизации для аналого-цифрового преобразования.

2. На данный момент, животного вставляется в магнитно-резонансной томографии для одновременного отображения и записи. Животных под наркозом всей процесс создания образа.

1. 9,4 T маленькое животное МРТ система (Bruker, Германия) был использован в наших исследованиях. До записи, работы с изображениями параметры должны быть установлены. Три самолета разведчика изображение используется для позиционирования МРТ сканирования. Для повышения однородности магнитного поля, объем интерес подкладками использованием FASTMAP ^1. Для МРТ исследования, корональные часть изображения была выбрана, в который вошли двусторонние передней лапой первичной соматосенсорной областях, в которых были имплантированы электроды. EPI визуализации параметров FOV, 1,92 х 1,92 см ^2, размер матрицы, 64 х 64, а в плоскости разрешение, 0,3 х 0,3 мм ^2, толщина среза, 2 мм; TR / TE, 500/15 мс.
2. После визуализации завершения установки одновременной записи и МРТ может начаться. На рисунке 2 показан образ представителя EPI и сырьевых записи во время съемки. Быстрое переключение градиентов во время получения изображения результатов в насыщенных записях, которые сохраняются только для небольшой части каждого цикла сканирования (22/500 мс). После захвата изображений, электрические Ретур сигналнс до базовой линии с формой ненасыщенные колебаний (см. Рисунок 3). Комбинированная МРТ и записи могут быть проведены в течение состоянии покоя (как показано в этом исследовании) или во время стимуляции. Для стимула исследования, визуализации параметров такие же, как для отдыха исследование состояния, при электрической стимуляции передней лапой поставляется с использованием 9 Гц, 1 ~ 4 мА. Крыса эвтаназии после окончательной проверки.

3. После одновременного отображения и записи, данные должны быть предварительно обработаны до окончательного анализа.

1. Начнем с удаления артефактов из градиент электрофизиологические записи (см. Рисунок 3).
   1. Шум структуры за счет сканирования могут быть извлечены путем усреднения всех ~ 500 мс (TR) разделов, каждый из которых соответствует интервал между двумя последовательными МРТ изображений.
   2. Вычтите средней структуры шум от оригинальной записи. Этот метод исправляет только ненасыщенных сегментов записи.
   3. Каждый насыщенный сегмент соответствующий градиент чередование во время получения изображения заменяется линии, которая проходит между момент времени до и после момента времени градиент вызванной насыщением.
2. Denoised записи локальных потенциалов поля (LFPs) затем преобразуется к власти время курсов, которые будут иметь такие же временное разрешение, как МРТ конечно времени. Средняя мощность в течение 2-секундной бен используется для расчета низких частот (дельта-диапазона, 1 ~ 4 Гц), с 1 секунду бен для тета группы (4 ~ 8 Гц) частот, а бен ~ 0,5 с между соседних насыщенных сигналов для более высоких частот (> 8 Гц, альфа-гамма-диапазонах). Скользящего окна для всех диапазонов частот была перенесена в 0,5 шагом с, соответствующий ТР из МРТ данных.
3. Для графических данных, стандартные предварительной обработки МРТ осуществляется, в том числе глава движения коррекция, сглаживание изображения с 0,5 мм FWHM и линейный удаления дрейф.
4. Крест корреляционного анализа проводится между властью LFP время курсов и времени курс от каждого воксела обработки изображений данных. Варьируя лаги время разрешить осмотр, зависящих от времени корреляции (см. рисунок 4).

Представитель Результаты:

В качестве примера, этот метод может быть использован для исследования взаимоотношений между спонтанной нейронной активности и смелые колебаний. На рисунке 4 показана корреляция между картами LFP власти и BOLD сигнала на временные лаги между -2,5 и 9,5 с от одной крысы. Низкая частота колебаний BOLD (<0,1 Гц) от областей коры возле электрода коррелируют с LFP власти изменения (<0,1 Гц) при задержке 2 ~ 6 с

Рисунок 1. Схема конфигурации имплантации электродов и визуализации региона с поверхности катушки.

Рисунок 2. Представителем короны EPI изображений, в том числе электрода советы, показано на левой панели. Правая панель показывает сырья электрофизиологических записей до и во время съемки.

Рисунок 3. По зуммирование на одного цикла, можно видеть, что артефакт (зеленый) во время съемки могут быть удалены из оригинальных записей (синий). Denoised курсы времени (красного цвета) были использованы для дальнейшего анализа.

Рисунок 4. Корональные карты (от одного типичного крыса) корреляции между силой спонтанной активности группы дельта от одного электрода и отдыха состояние BOLD сигнала на временные лаги от -2,5 до 9,5 s. Максимальная корреляция наблюдается в двусторонних СИ примерно в 4 ~ 5 с, в ИФ-под наркозом крысы. Цвет бар представляет Пирсона r.

Discussion

Оба электрофизиологические записи и BOLD МРТ отдельно хорошо разработанных методик. Тем не менее, одновременной записи и обработки изображений является сложной задачей из-за взаимных помех ² из двух режимов. Здесь мы предлагаем одно из возможных решений для комбинированного эксперименты в грызуна. Модифицированный метод имплантации электродов сводит к минимуму влияние на качество изображения и удаления артефактов для электрической записи необходимо удалить шумы индуцированного захвата изображений. Одновременная визуализация и запись в грызун обеспечит мощную платформу для дальнейших исследований связи между спонтанной нейронной активности и BOLD сигнала, в дополнение к другим приложениям в области неврологии, которые используют комбинированные сильные электрофизиологии и функциональной визуализации мозга ^3.