Gelijktijdig fMRI en elektrofysiologie bij knaagdieren Brain

Summary

We hebben een methode ontwikkeld voor gelijktijdige functionele magnetische resonantie imaging en elektrofysiologische opname in het knaagdieren hersenen, een platform te bieden voor het onderzoek van de relatie tussen de neurale activiteit en het bloed zuurstof niveau afhankelijk (BOLD) MRI-signaal.

Abstract

Om te onderzoeken van de neurale basis van de bloedoxygenatie niveau afhankelijk (BOLD) magnetic resonance imaging (MRI)-signaal, hebben we een knaagdier model waarin de functionele MRI-gegevens en

Protocol

1. Dit is een niet-survival chirurgie. De eerste stap is de implantatie van de elektroden. In dit voorbeeld wordt elektroden worden geïmplanteerd in de voorpoot regio's van de primaire somatosensorische cortex van beide hemisferen.

1. Verdoven van de rat (mannelijke SD-rat, 200-300 g) met 2% isofluraan en vast op zijn plaats op een chirurgische stereotactische systeem. Voor het begin van de operatie, ervoor te zorgen dat het dier is goed verdoofd en vertoont geen reactie op een teen knijpen. Verwijder de vacht voor het openen van de hoofdhuid. Scheid de spieren en andere weefsels boven de schedel en blokkeren het bloeden op het bot oppervlak met behulp van een cauterizer.
2. Bereid een pier op de schedel oppervlak (de buurt van de middellijn voorste V-vormige splitsing) als een fixatie punt voor de as van de geïmplanteerde elektrode, met behulp van tandheelkundig cement. Het instellen van een kleine nylon schroef geplaatst in het bot voor het aanbrengen van tandheelkundige cement kan toenemen stabiliteit. De grootte van de pier vorm met cement moet ongeveer 5 mm hoog en 3 x 5 mm ² worden in het gebied aan de basis (zie figuur 1).
3. Met behulp van een fijne tip elektrische boren, voorzichtig openen van de schedel en de dura bloot te leggen over de voorpoot vertegenwoordiging in de primaire somatosensorische cortex van elk halfrond. De diameter van elk gat moet rond de 1 mm, geplaatst 1 mm anterior en 4 mm lateraal van bregma. Onder een microscoop, snij een kleine opening in de dura met behulp van een injectienaald tip, let daarbij goed op een schip schade te voorkomen.
4. Voordat u elke elektrode, zorg ervoor dat er geen bloeden of afscheiding aanwezig is in de buurt van de incisies. Het glas micro-elektroden moeten worden voorbereid voor de operatie met ongeveer 3 ~ 4 cm as-lengte en impedantie van 1 ~ 5 Mω. Vul de capillaire van de elektrode met kunstmatige CSF (ACSF) en schuin steek elke elektrode (~ 45 °, van posterior naar anterior) in de hersenen ~ 0,4 mm van de geopende dura met behulp van de stereotactische arm. Alvorens zijn plaats, het elektrisch signaal. Het ene uiteinde van een chloridized zilveren draad moet worden gedoopt in de ACSF en het andere uiteinde is aangesloten op de ingang leidt naar de versterker. Een zilveren draad, subcutaan bevestigd aan de achterkant van de geopende huid, dient als referentie-elektrode.
5. Voor de elektrode bevestiging, controleer het operatiegebied en zorg ervoor dat er geen bloeden of exudatie optreedt, en vervolgens toe te passen tandpasta op de verwijderde huid en de spieren te vervangen op de schedel. Het gebruik van de tandpasta verbetert de MR de beeldkwaliteit door het verminderen van de vatbaarheid mismatch op de schedel / lucht-interface. Bevestig de elektrode as de geprepareerde pier met tandheelkundige cement (zie figuur 1).
6. Na de tandheelkundige cement kuren, dragen het dier naar de MRI-houder en vast te stellen plaats. Monitor de rat s fysiologische voorwaarde voor de rest van het onderzoek, met inbegrip van de lichaamstemperatuur, ademhaling, SPO ₂ en hart-tarief.
7. Plaats een oppervlakte coil (verzenden / ontvangen) over het hoofd, met de elektroden uitstekende vanuit het centrum van de spoel. Een extra boogvormige harde kaft, dat zit bovenop de wieg dient als een ondersteuning voor de fixatie van de elektrode leidt om beweging veroorzaakt door het dier ademhaling te voorkomen. De leads voor een gelijktijdige imaging en opname uit te breiden tot ~ 5 m (de versterker is gelegen net buiten de magneet kamer) en zijn bedekt met geleidende plastic dat dienst doet als een passief schild.
8. Anesthesie kan worden omgeschakeld van isofluraan tot medetomidine aan de onderdrukking van de neurale activiteit te verminderen indien gewenst. Onderzoek de elektrische signaal een laatste keer alvorens het dier in de magneet. In onze studies, de opname parameters zijn als volgt: x 1000 versterkt, 0.1Hz ~ 5 K Hz bandpass-gefilterd, 60 Hz notch-gefilterd, 12 kHz sample rate van analoog naar digitaal conversie.

2. Op dit punt, is het dier ingebracht in de MRI-scanner voor een gelijktijdige beeldvorming en opname. De dieren worden verdoofd in de beeldvorming procedure.

1. Een 9,4 T MRI-systeem voor kleine dieren (Bruker, Duitsland) werd gebruikt in onze studies. Voorafgaand aan de opname, moet imaging parameters worden vastgesteld. Een drie vliegtuig scout afbeelding wordt gebruikt om de fMRI scans positie. Ter verbetering van de homogeniteit van het magnetisch veld, is het volume van belang opgevuld met behulp van FASTMAP ^1. Voor fMRI studies werd een coronale imaging slice geselecteerd, die onder bilaterale voorpootje primaire somatosensorische gebieden, waar de elektroden werden geïmplanteerd. Het EPI imaging parameters waren FOV, 1,92 x 1,92 cm ^2; matrix formaat, 64 x 64, in-plane resolutie, 0,3 x 0,3 mm ^2, slice dikte van 2 mm; TR / TE, 500 / 15 ms.
2. Na de beeldvorming installatie is voltooid, gelijktijdig opnemen en fMRI kan beginnen. Figuur 2 toont een vertegenwoordiger van EPI imago en ruwe opnames tijdens de beeldvorming. De snelle omschakeling van de hellingen tijdens beeldacquisitie resulteert in een verzadigde opnames, die blijven bestaan ​​voor slechts een klein gedeelte van elke scan cyclus (22 / 500 ms). Na beeldacquisitie, het elektrisch signaal returns naar de uitgangssituatie, een vorm van non-verzadigde oscillatie (zie figuur 3). Gecombineerde fMRI en opname kan worden uitgevoerd tijdens de rust staat (zoals aangetoond in dit onderzoek) of tijdens de stimulatie. Voor de stimulus studies, de beeldvorming parameters zijn hetzelfde als voor de toestand van rust studie, met elektrische stimulatie van de voorpoot die met behulp van 9 Hz, 1 ~ 4 mA stroom. De rat is geëuthanaseerd na de laatste scan.

3. Na gelijktijdige beeldvorming en het opnemen, moeten de gegevens worden voorafgaand aan de definitieve analyse pre-verwerkt.

1. We beginnen met de verwijdering van het verloop voorwerpen uit de elektrofysiologische opnames (zie figuur 3).
   1. Het lawaai structuur te wijten aan het scannen kan worden gewonnen door het gemiddelde te alle ~ 500 ms (TR) secties, die elk overeenkomt met het interval tussen twee opeenvolgende fMRI beelden.
   2. Trek de gemiddelde geluidsniveau structuur van de originele opnames. Deze methode corrigeert alleen de onverzadigde opname segmenten.
   3. Elke verzadigd segment die overeenkomt met gradient afwisseling tijdens beeldacquisitie wordt vervangen door een lijn, die loopt tussen het tijdstip vóór en de tijd die punt na verloop-geïnduceerde verzadiging.
2. De denoised opnames van lokale veld potentialen (LFP's) worden vervolgens omgezet in de macht verloop in de tijd, die dezelfde temporele resolutie als de fMRI tijdsverloop zal hebben. Het gemiddelde vermogen in een twee-seconden bin wordt gebruikt voor het berekenen van de laagste frequenties (delta-band, 1 ~ 4 Hz), met een 1 seconde bak voor theta band (4 ~ 8 Hz) frequenties, en een bak van ~ 0,5 s tussen aangrenzende verzadigd signalen voor hogere frequenties (> 8 Hz, alfa tot gamma banden). Het schuifraam voor alle frequentiebanden werd verplaatst in 0,5 s stappen, het afstemmen van de TR van de fMRI gegevens.
3. Voor de beeldgegevens, is standaard fMRI preprocessing uitgevoerd, inclusief hoofd-motion correctie, vloeiend beeld met 0,5 mm FWHM, en lineaire drift verwijdering.
4. Cross correlatieanalyse wordt gevoerd door de LFP power tijd cursussen en het tijdsverloop van elk voxel van beeldgegevens. Variërende vertragingen toe het onderzoek van de tijd-afhankelijke correlatie (zie figuur 4).

Representatieve resultaten:

Als voorbeeld, kan deze techniek worden gebruikt om de relatie tussen de spontane neurale activiteit en BOLD fluctuaties te onderzoeken. Figuur 4 toont de correlatie tussen de kaarten LFP macht en de BOLD signaal op tijdsverschillen tussen de -2,5 en 9,5 s van een rat. De lage frequentie BOLD schommelingen (<0,1 Hz) van corticale gebieden in de buurt van de elektrode worden gecorreleerd met LFP vermogen veranderingen (<0,1 Hz) op een vertraging van 2 ~ 6 s.

Figuur 1. Schematische configuratie van de elektrode implantatie en imaging regio met een oppervlakte spoel.

Figuur 2. Een vertegenwoordiger coronale EPI afbeelding, inclusief de elektrode tips, wordt weergegeven in het linker paneel. Het rechter paneel toont ruwe elektrofysiologische opnames voor en tijdens de beeldvorming.

Figuur 3. Door in te zoomen op een scan cyclus, is te zien dat het artefact (groen) tijdens de beeldvorming kan worden verwijderd van originele opnames (blauw). De denoised tijd cursussen (rood) werden gebruikt voor verdere analyse.

Figuur 4. Coronale kaarten (vanaf een typisch rat) van correlatie tussen de kracht van de spontane band delta-activiteit van de ene elektrode en de rust-state BOLD signaal op tijdsvertragingen -2,5 tot 9,5 s. Maximale correlatie wordt waargenomen in de bilaterale SI op ongeveer 4 ~ 5 s in de isofluraan-verdoofde rat. Kleurbalk vertegenwoordigt Pearson r.

Discussion

Zowel elektrofysiologische opname en BOLD fMRI worden afzonderlijk goed ontwikkelde technieken. Echter, gelijktijdig opnemen en beeldvorming is het gevolg van de onderlinge interferentie ^twee van de twee modaliteiten uitdagend. Hier bieden wij een mogelijke oplossing voor gecombineerde experimenten in het knaagdier. De gewijzigde methode van elektrode implantatie minimaliseert invloed op de beeldkwaliteit, en het artefact verwijderen voor de elektrische opnames nodig is om het geluid veroorzaakt door beeldacquisitie te verwijderen. Gelijktijdig beeldvorming en opname in het knaagdier zal een krachtig platform voor verdere onderzoeken van de koppeling tussen de spontane neurale activiteit en de BOLD-signaal, naast andere toepassingen in de neurowetenschappen die gebruik maken van de gecombineerde kracht van de elektrofysiologie en functionele beeldvorming van de hersenen ^3.