Samtidig fMRI och elektrofysiologi hos gnagare Brain

Summary

Vi har utvecklat en metod för samtidig funktionell magnetisk resonanstomografi och elektrofysiologiska inspelning i gnagare hjärnan, vilket ger en plattform för undersökning av förhållandet mellan neural aktivitet och blodets syresättning nivåberoende (fetstil) MRT signal.

Abstract

För att undersöka neurala grunden för blodets syresättning nivåberoende (fetstil) magnetisk resonanstomografi (MRT)-signal har vi utvecklat en gnagare modell där funktionell MRI data och

Protocol

1. Detta är en icke-överlevnad kirurgi. Det första steget är implantation av elektroder. I detta exempel kommer elektroder implanteras i framtassarna regioner primära somatosensoriska cortex av båda hjärnhalvorna.

1. Bedöva råtta (hane SD råtta, 200-300 g) med 2% isofluran och fixa på plats på en stereotaktisk operation system. Innan operation, se till att djuret är väl sövda och uppvisar inget svar på en tå nypa. Ta bort pälsen innan du öppnar hårbotten. Separera muskler och annan vävnad ovanför skallen och blockera blödning på benet ytan med en cauterizer.
2. Förbered en pir på skallen ytan (nära mittlinjen främre V-formad korsning) som en fixering punkt för skaftet den implanterade elektroden med hjälp av dentala cement. Ställa in en liten uppsättning nylon skruv i benet innan dentala cement kan öka stabiliteten. Storleken på piren formade med cement bör vara ca 5 mm hög och 3 x 5 mm ² i området vid basen (se figur 1).
3. Använda en fin spets elektrisk borrmaskin, öppna försiktigt skallen och exponera dura över framtassarna representation i primära somatosensoriska cortex varje halvklotet. Diametern på varje hål bör vara cirka 1 mm, placerad 1 mm främre till och 4 mm i sidled från bregma. Under ett mikroskop, skär en liten öppning i dura med ett tips nålen, försiktigt för att undvika fartyg skador.
4. Innan du sätter i varje elektrod, se till att inga blödningar eller sekret finns nära snitt. Glaset microelectrodes bör utarbetas före operation med ungefär 3 ~ 4 cm axel-längd och impedans på 1 ~ 5 Mohm. Fyll kapillära av elektroden med konstgjorda CSF (ACSF) och sätt i varje elektrod snett (~ 45 °, från bakre till främre) till hjärnan ~ 0,4 mm från den öppnade duran med stereotaktisk armen. Innan du fäster på plats, kontrollera den elektriska signalen. Ena änden av en chloridized silvertråd bör doppas i ACSF och den andra änden är ansluten till ingången leder till förstärkaren. En silvertråd, fäst subkutant på baksidan av den öppnade huden, fungerar som referenselektrod.
5. Innan elektrod fixering, dubbelkolla operationsområdet och se till att någon blödning eller exsudation uppstår, och sedan använda tandkräm för att ersätta den borttagna huden och musklerna på skallen. Användningen av tandkräm förbättrar MR bildkvaliteten genom att minska känsligheten obalansen i skallen / luft-gränssnitt. Fäst elektroden axeln till den förberedda piren med dentala cement (se figur 1).
6. Efter dentala cement härdar, överföring djuret till MR vaggan och fixa på plats. Övervaka råtta s fysiologiska tillstånd för återstoden av studien, bland annat kroppstemperatur, andningsfrekvens, SPO ₂ och hjärtfrekvens.
7. Placera en yta spole (sändning / mottagning) över huvudet, med elektroderna sticker ut från mitten av spolen. En ytterligare bågformade hårt lock som ligger ovanpå vaggan fungerar som ett stöd för fixering av elektroden leder för att undvika rörelser som orsakas av djur som andas. De leder som används för samtidig avbildning och inspelning sträcker sig till ~ 5 m (förstärkaren ligger strax utanför magneten rum) och är täckta med ledande plast som fungerar som en passiv sköld.
8. Anestesi kan byta från isofluran till medetomidin för att minska förtryck av neural aktivitet om så önskas. Undersök den elektriska signalen en sista gång innan du överför djuret in i magneten. I våra studier var inspelningen parametrar enligt följande: x 1000 förstärks, 0.1Hz ~ 5 K Hz bandpass-filter, 60 Hz notch-filter, 12 kHz samplingsfrekvens för analog till digital konvertering.

2. Vid denna punkt, är djuret in i magnetkamera för samtidig avbildning och inspelning. Djuren bedövas hela avbildning förfarande.

1. En 9,4 T litet djur MR-systemet (Bruker, Tyskland) har använts i våra studier. Innan inspelningen måste bildhantering parametrar fastställas. En tre plan scout bilden används för att placera fMRI genomsökningar. För att förbättra homogeniteten i det magnetiska fältet, är volymen av intresse shimsas använda FASTMAP ^1. För fMRI studier var en koronalt imaging skiva valt, vilket ingår bilaterala framtassarna primära somatosensoriska områden, där elektroder inopererade. Sammanslutningen imaging parametrar var FOV, 1,92 x 1,92 cm ^2, matris storlek, 64 x 64, i-planet upplösning, 0,3 x 0,3 mm ^2, slice tjocklek, 2 mm, TR / TE, 500/15 ms.
2. Efter bildbehandling installationen är klar, samtidig inspelning och fMRI kan börja. Figur 2 visar ett representativt EPI bild och råa inspelningar under avbildning. Den snabba byte av gradienter under resultaten bild förvärv i mättade inspelningar som kvarstår för endast en liten del av varje skanning cykel (22/500 ms). Efter bilden förvärvet, den elektriska signalen returns med baslinjen med en form av icke-mättade svängning (se figur 3). Kombinerad fMRI och inspelning kan utföras under vilotillstånd (vilket framgår i denna studie) eller under stimulering. För stimulans studier, bildbehandling parametrar är samma som för vilande tillstånd studien, med elektrisk stimulering av framtassarna levereras med 9 Hz, 1 ~ 4 mA. Råttan är avlivas efter att den slutliga skanningen.

3. Efter samtidig avbildning och inspelning, måste uppgifterna före bearbetning före den slutliga analysen.

1. Vi börjar med borttagningen av övertoning artefakter från elektrofysiologiska inspelningar (se figur 3).
   1. Bullret struktur på grund av scanning kan utvinnas som genomsnittet av alla ~ 500 ms (TR) sektioner som var och en motsvarar intervallet mellan två på varandra följande fMRI bilder.
   2. Subtrahera den genomsnittliga bullret struktur från de ursprungliga inspelningarna. Denna metod korrigerar bara omättade inspelningen segment.
   3. Varje mättade segment motsvarande gradient växling under bilden förvärvet ersätts av en linje, som går mellan den tidpunkt före och tiden punkt efter gradient-inducerad mättnad.
2. Den denoised inspelningar av lokala fält potentialer (LFPs) omvandlas sedan till kurser makten tid, vilket kommer att ha samma tidsmässig upplösning som fMRI tiden kursen. Den genomsnittliga effekten i en 2-sekunders bin används för att beräkna de lägsta frekvenserna (Delta-bandet, 1 ~ 4 Hz), med en 1 sekund bin för theta-bandet (4 ~ 8 Hz) frekvenser, och en papperskorg på ~ 0,5 s mellan angränsande mättade signaler för högre frekvenser (> 8 Hz, alfa till gamma-banden). Luckan för alla frekvensband flyttades 0,5 s steg, matchar TR av fMRI-data.
3. För bilddata, är standard fMRI förbehandling utförs, inklusive huvud rörelse korrigering, bildutjämning med 0,5 mm FWHM, och linjär drift borttagning.
4. Cross korrelationsanalys sker mellan LFP kurser makten tid och tidsförloppet från varje Voxel av bilddata. Varierande tidsfördröjning tillåta undersökning av tidsberoende korrelation (se diagram 4).

Representativa resultat:

Som ett exempel kan denna teknik användas för att undersöka sambandet mellan spontan neural aktivitet och djärva svängningar. Figur 4 visar korrelationen kartorna mellan LFP makt och BOLD signal vid tidsfördröjningar mellan -2,5 och 9,5 s från en råtta. Den låga frekvensen BOLD fluktuationer (<0,1 Hz) från kortikala områden nära elektrodspetsen är korrelerade med LFP effekt förändringar (<0,1 Hz) vid en fördröjning på 2 ~ 6 S.

Figur 1. Schematisk konfiguration av elektrod implantation och bildhantering region med en yta spole.

Figur 2. En representant koronalt EPI bild, inklusive elektroden tips, visas i den vänstra panelen. Den högra panelen visar rå elektrofysiologiska inspelningar före och under avbildning.

Figur 3. Genom att zooma in på en skanning cykel, kan man se att artefakten (grön) under avbildning kan avlägsnas från originalinspelningen (blå). Den denoised tid kurser (röd) användes för vidare analys.

Figur 4. Coronal kartor (från en typisk råtta) av sambandet mellan kraften i spontana delta bandet aktivitet från en elektrod och den vilar state BOLD signal vid tidsfördröjningar från -2,5 till 9,5 s. Maximal korrelation har observerats i bilaterala SI vid ca 4 ~ 5 s på isofluran-sövd råtta. Färg stapel representerar Pearson r.

Discussion

Både elektrofysiologiska inspelning och fet fMRI separat välutvecklade tekniker. Men samtidigt inspelning och bildbehandling är utmanande på grund av den ömsesidiga påverkan ² av de två formerna. Här erbjuder vi en möjlig lösning för kombinerade experiment i gnagare. Den modifierade metoden för elektrod implanteras minimerar påverkan på bildkvalitet och artefakter tas bort för den elektriska inspelningar är nödvändigt att ta bort brus som orsakas av bilden förvärvet. Samtidig avbildning och registreringen i den gnagare kommer att ge en kraftfull plattform för vidare undersökningar av kopplingen mellan spontan neural aktivitet och de djärva signalen, i tillägg till andra program inom neurovetenskap som utnyttjar den kombinerade styrkan av elektrofysiologi och funktionell hjärnavbildning ^3.