Name: Gleichzeitige fMRI und Elektrophysiologie in der Nager Gehirn (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2010-08-19T17:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 22 s
Description: Erfahren Sie die Methode der simultanen fMRI und Elektrophysiologie im Nagergehirn. Diese Technik ermöglicht die Untersuchung neuronaler Aktivität und BOLD-Signale für tiefe Einblicke in die Hirnfunktion.

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Die Arbeit wurde durch die NIH 1 R21NS057718-01 unterstützt.

1. Dies ist eine Nicht-Überleben Chirurgie. Der erste Schritt ist die Implantation der Elektroden. In diesem Beispiel wird Elektroden in der Vorderpfote Regionen der primären somatosensorischen Kortex beider Hemisphären implantiert werden. <ol><li> Anesthetize der Ratte (männlich SD-Ratte, 200-300 g) mit 2% Isofluran und fix in auf einer stereotaktischen OP-System. Vor Beginn der Operation, sicherzustellen, dass das Tier gut betäubt ist und zeigt keine Reaktion auf einen Zeh kneifen. Entfernen Sie das Fell vor dem Öffnen der Kopfhaut. Trennen Sie die Muskeln und andere Gewebe über dem Schädel und Block eine Blutung auf der Knochenoberfläche mit einem cauterizer. </li><li> Bereiten Sie einen Pier auf der Kopfoberfläche (in der Nähe der Mittellinie vorderen V-förmige Kreuzung) als Fixationspunkt für die Welle der implantierten Elektrode, mit Zahnzement. Einrichten eines kleinen Nylon-Schrauben-Set in den Knochen, bevor Zahnzement kann die Stabilität zu erhöhen. Die Größe der Pier mit Zement geformt sollte etwa 5 mm hoch und 3 x 5 mm 2 Fläche an der Basis (siehe Abbildung 1). </li><li> Mit einem feinen Spitzen elektrische Bohrmaschine, öffnen Sie vorsichtig den Schädel und setzen die Dura über die Vorderpfote Darstellung in primären somatosensorischen Kortex jeder Hemisphäre. Der Durchmesser jedes Loch sollte etwa 1 mm, positioniert 1 mm anterior und 4 mm lateral vom Bregma. Unter einem Mikroskop, schneiden eine winzige Öffnung in der Dura mit einer Spritze Nadelspitze, wobei darauf zu jedem Schiff Schäden zu vermeiden. </li><li> Vor dem Einsetzen jeder Elektrode, stellen Sie sicher, dass keine Blutung oder Exsudation präsentieren in der Nähe der Einschnitte ist. Das Glas-Mikroelektroden sollten vor der Operation mit rund 3 hergestellt werden ~ 4 cm Wellen-Länge und Impedanz von 1 ~ 5 mW. Füllen Sie die Kapillare der Elektrode mit künstlichem CSF (ACSF) und setzen Sie jede Elektrode schräg (~ 45 °, von posterior nach anterior) in das Gehirn ~ 0,4 mm aus dem geöffneten dura mit der stereotaktischen Arm. Vor der Befestigung in Position, überprüfen Sie das elektrische Signal. Ein Ende des chloridisiert Silberdraht sollte in den ACSF und das andere Ende an den Eingang führt zu dem Verstärker getaucht werden. Ein Silberdraht, subkutan an der Rückseite des geöffneten Haut befestigt, dient als Referenz-Elektrode. </li><li> Vor Elektrode Fixierung, überprüfen Sie die OP-Bereich und stellen Sie sicher, dass keine Blutung oder Exsudation auftritt, und dann Auftragen von Zahnpasta auf die entfernt Haut und Muskeln am Schädel zu ersetzen. Die Verwendung der Zahnpasta verbessert die MR-Bildqualität durch die Reduzierung der Anfälligkeit Mismatch an der Schädelbasis / Luft-Grenzfläche. Befestigen Sie die Elektrode Welle auf die vorbereitete Pier mit Zahnzement (siehe Abbildung 1). </li><li> Nach dem Zahnzement Kuren, übertragen das Tier auf die MRT-Station und fixieren. Überwachen Sie die Ratte s physiologischen Zustand für den Rest der Studie, einschließlich Körpertemperatur, Atemfrequenz, SPO 2 und Herzfrequenz. </li><li> Position einer Oberflächenspule (Senden / Empfangen) über den Kopf, mit den Elektroden ragen aus der Mitte der Spule. Eine weitere bogenförmige hard cover, dass oben auf der Wiege sitzt dient als Unterstützung für die Fixierung der Elektrode führt, um Bewegung durch das Tier atmen zu vermeiden. Das führt zur gleichzeitigen Abbildung und Aufnahme verwendet erweitern, um ~ 5 m (der Verstärker ist nur außerhalb des Magneten Raum befindet) und sind mit leitfähigen Kunststoff, der als passiver Schild dient abgedeckt. </li><li> Anästhesie kann von Isofluran geschaltet werden, um Medetomidin zur Unterdrückung der neuronalen Aktivität zu reduzieren, falls gewünscht. Untersuchen Sie das elektrische Signal ein letztes Mal vor der Übertragung des Tieres in den Magneten. In unseren Studien, die Aufnahme-Parameter wie folgt waren: x 1000 verstärkt, 0,1 Hz ~ 5 K Hz Bandpass-gefiltert, 60 Hz Notch-gefiltert, 12 kHz Abtastrate für Analog-Digital-Wandlung. </li></ol> 2. Zu diesem Zeitpunkt ist das Tier in den MRI-Scanner für die gleichzeitige Bildgebung und die Aufnahme eingefügt. Die Tiere werden betäubt in der bildgebenden Verfahren. <ol><li> A 9.4 T Kleintier-MRT-System (Bruker, Deutschland) wurde in unseren Untersuchungen verwendet. Vor der Aufnahme müssen Bildgebungsparameter eingerichtet werden. Ein drei Ebenen scout Bild wird verwendet, um die fMRI Scans Position. Zur Verbesserung der Homogenität des Magnetfeldes ist das Volumen von Interesse unterlegt mit FastMap 1. Für fMRI-Studien wurde eine koronalen Segment ausgewählt, die neben den bilateralen Vorderpfote primären somatosensorischen Bereiche, in denen die Elektroden implantiert wurden. Die EPI-Bildgebung Parameter wurden FOV, 1,92 x 1,92 cm 2; Matrix Größe 64 x 64; in-plane-Auflösung, 0,3 x 0,3 mm 2; Schichtdicke, 2 mm; TR / TE, 500/15 ms. </li><li> Nach dem Imaging-Setup abgeschlossen ist, gleichzeitige Aufnahme und fMRI kann beginnen. Abbildung 2 zeigt eine repräsentative EPI Bild-und Rohstoff-Aufnahmen während der Bildgebung. Der rasche Wechsel der Gradienten während der Bildaufnahme Ergebnisse in gesättigten Aufnahmen, die nur einen kleinen Teil eines jeden Zyklus (22/500 ms) bestehen. Nach der Bildaufnahme, das elektrische Signal returns zur Grundlinie mit einer Form der nicht-gesättigten Schwingung (siehe Abbildung 3). Kombinierte fMRI und Aufzeichnung kann während der Ruhezustand (wie in dieser Studie gezeigt) oder während der Stimulation durchgeführt werden. Für Reiz-Studien werden die Aufnahmeparameter das gleiche wie für den Ruhezustand Studie, mit elektrischer Stimulation der Vorderpfote versorgt mit 9 Hz, 1 ~ 4 mA Strom. Die Ratte ist nach dem endgültigen Scan eingeschläfert. </li></ol> 3. Nach der gleichzeitigen Abbildung und Aufnahme müssen die Daten vor der endgültigen Analyse werden vorverarbeitet. <ol><li> Wir beginnen mit der Entfernung des Gradienten Artefakte aus der elektrophysiologischen Ableitungen (siehe Abbildung 3). <ol><li> Der Lärm Struktur durch Scannen kann durch Mittelung all ~ 500 ms (TR) Abschnitte, die jeweils auf das Intervall zwischen zwei aufeinander folgenden fMRI Bildern entspricht extrahiert werden. </li><li> Subtrahieren Sie die durchschnittliche Lärmbelastung Struktur aus den Originalaufnahmen. Diese Methode behebt nur das ungesättigte Aufnahme Segmenten. </li><li> Jeder gesättigten Segment entsprechend Gradienten Wechsel während der Bildaufnahme wird durch eine Linie, die zwischen dem Zeitpunkt vor und der Zeitpunkt, nachdem Gradienten-induzierten Sättigung geht ersetzt. </li></ol></li><li> Die entrauscht Aufnahmen von lokalen Feldpotentiale (LFPs) werden dann an die Macht der Zeit Kurse, die die gleiche zeitliche Auflösung wie das fMRI zeitlichen Verlauf haben, werden umgesetzt. Die durchschnittliche Leistung in einem 2-Sekunden-bin ist für die Berechnung der tiefsten Frequenzen (delta Band 1 ~ 4 Hz), mit einer 1 Sekunde bin für Theta-Band (4 ~ 8 Hz) Frequenzen und einen bin von ~ 0,5 s zwischen verwendet benachbarte gesättigte Signale bei höheren Frequenzen (&gt; 8 Hz, Alpha zu Gamma-Bands). Das Automatik-Fenster für alle Frequenzbänder in 0,5 s-Schritten bewegt, passend zu den TR der fMRI-Daten. </li><li> Für Bilddaten, ist Standard fMRI Vorverarbeitung durchgeführt, ua als Leiter Bewegungskorrektur, Bildglättung mit 0,5 mm FWHM und lineare Drift Entfernung. </li><li> Kreuz Korrelationsanalyse zwischen den LFP Macht Zeitverläufe und der zeitliche Verlauf von jedem Voxel der Bilddaten durchgeführt. Unterschiedliche zeitliche Verzögerungen erlauben die Untersuchung der zeitabhängigen Korrelation (siehe Abbildung 4). </li></ol> Repräsentative Ergebnisse: Als Beispiel kann diese Technik eingesetzt, um die Beziehung zwischen spontaner neuronaler Aktivität und BOLD Schwankungen zu untersuchen. Abbildung 4 zeigt die Korrelation zwischen Karten LFP Macht und der BOLD-Signal an Zeitverzögerungen zwischen -2,5 und 9,5 s von einer Ratte. Die niedrige Frequenz BOLD Schwankungen (&lt;0,1 Hz) aus kortikalen Arealen in der Nähe der Elektrodenspitze mit LFP Macht Veränderungen (&lt;0,1 Hz) bei einer Verzögerung von 2 ~ 6 s. korreliert <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig1.jpg" alt="Abbildung 1" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Abbildung 1"> Abbildung 1. Schematischer Aufbau Elektrodenimplantation-und Imaging-Region mit einer Oberflächenspule. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig2.jpg" alt="Abbildung 2" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Abbildung 2"> Abbildung 2. Ein Vertreter koronalen EPI Bild, einschließlich der Elektrodenspitzen, ist im linken Fenster angezeigt. Das rechte Bild zeigt raw elektrophysiologischen Ableitungen vor und während der Bildgebung. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig3.jpg" alt="Abbildung 3" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Abbildung 3"> Abbildung 3. Durch Zoomen auf einen Zyklus, ist ersichtlich, dass das Artefakt (grün) während der Bildgebung von Original-Aufnahmen (blau) kann entfernt werden. Die entrauscht Zeitverläufe (rot) wurden zur weiteren Analyse verwendet. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig4.jpg" alt="Abbildung 4" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Abbildung 4"> Abbildung 4. Coronal Karten (von einem typischen Ratte) der Korrelation zwischen der Macht der spontanen Delta-Band-Aktivität von einer Elektrode und der Ruhe-Zustand BOLD-Signal an Zeitverzögerungen von -2,5 bis 9,5 s. Maximale Korrelation ist in bilateralen SI bei etwa 4 ~ 5 s in der Isofluran-Narkose Ratten beobachtet. Farbbalken stellt Pearson r.

<ol><li>Gruetter, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Automatic%2C+localized+in+vivo+adjustment+of+all+first-+and+second-order+shim+coils%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Automatic, localized in vivo adjustment of all first- and second-order shim coils.</a> Magn Reson Med. 29 (6), 804-804 (1993).</li>
<li>Logothetis, N. K., Pauls, J., Augath, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neurophysiological+investigation+of+the+basis+of+the+fMRI+signal%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Neurophysiological investigation of the basis of the fMRI signal.</a> Nature. 412 (6843), 150-150 (2001).</li>
<li>Nir, Y., Fisch, L., Mukamel, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coupling+between+neuronal+firing+rate%2C+gamma+LFP%2C+and+BOLD+fMRI+is+related+to+interneuronal+correlations%5BTitle%5D)+AND+%22Curr+Biol%22%5BJournal%5D)">Coupling between neuronal firing rate, gamma LFP, and BOLD fMRI is related to interneuronal correlations.</a> Curr Biol. 17 (15), 1275-1275 (2007).</li>
</ol>

Beide elektrophysiologischen Aufzeichnung und BOLD fMRI werden separat gut entwickelten Techniken. Doch gleichzeitig Aufnahme-und Imaging ist auf die gegenseitige Beeinflussung 2 der beiden Modalitäten Herausforderung. Hier bieten wir eine mögliche Lösung für kombinierte Experimente in der Nager. Die modifizierte Methode der Elektrodenimplantation minimiert Einfluss auf die Bildqualität und das Artefakt Entfernung für die Elektro-Aufnahmen ist notwendig, um den Lärm von der Bildaufnahme induzierte entfernen. ...

gleichzeitige fmri und elektrophysiologie in der nager gehirn

Simultaneous fMRI and Electrophysiology in the Rodent Brain

Zur Untersuchung der neuronalen Grundlagen der Blutoxygenierung level dependent (BOLD) Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT)-Signal, haben wir ein Nagetier-Modell in die funktionelle MRT-Daten entwickelt und<em&gt; In vivo</em&gt; Intrakortikale Aufnahme kann gleichzeitig durchgeführt werden. Die Kombination von MRT und elektrische Aufnahme ist technisch anspruchsvoll, da die Elektroden für die Aufzeichnung verwendet verzerren die MRT-Bilder und die MRT Akquisition induziert Lärm in der Elektro-Aufnahme. Zur Minimierung der gegenseitigen Beeinflussung der beiden Modalitäten wurden Glas-Mikroelektroden als Metall und benutzte eine Rauschunterdrückung Algorithmus wurde für die Elektrophysiologie Daten implementiert. In unseren Studien wurden zwei Mikroelektroden separat in bilateralen primären somatosensorischen Kortex (SI) der Ratte implantiert und fixiert. Eine koronare Schicht für den Elektrodenspitzen wurde für die funktionelle Kernspintomografie ausgewählt. Elektrodenschäfte und Fixierung Positionen wurden nicht in das Bild Slice Bildartefakte zu vermeiden enthalten. Die entnommenen Kopfhaut wurde mit Zahnpasta auf die Anfälligkeit Missverhältnis zu reduzieren und zu verhindern, Gibbs Ringing-Artefakten in den Bildern ersetzt. Das Artefakt-Struktur in der Elektro-Aufnahmen von sich schnell schaltenden Magnetfelder während der Bildaufnahme induziert wurde durch Mittelung aller Zyklen von Scans für jeden Lauf aus. Der Lärm Struktur während der Bildgebung wurde dann aus Originalaufnahmen abgezogen. Die entrauscht Zeitverläufe wurden dann zur weiteren Analyse in Kombination mit der fMRI-Daten verwendet. Als Beispiel wurde die gleichzeitige Erfassung verwendet werden, um die Beziehung zwischen spontaner fMRI BOLD-Signale und bandbegrenzt intrakortikale elektrische Aktivität zu bestimmen. Gleichzeitige fMRI und elektrophysiologischen Aufnahme in das Nagetier wird eine Plattform für viele spannende Anwendungen in den Neurowissenschaften bieten neben der Aufklärung der Beziehung zwischen dem fMRI BOLD-Signal und neuronaler Aktivität.

Wir haben eine Methode zur gleichzeitigen funktionellen Kernspintomographie und elektrophysiologischen Aufnahme in das Nagetier Gehirn entwickelt, eine Plattform für die Untersuchung der Beziehung zwischen neuronaler Aktivität und der Blutoxygenierung level dependent (BOLD) MRT-Signal.

Gleichzeitige fMRI und Elektrophysiologie in der Nager Gehirn

Um die neuronalen Grundlagen des BOLD-Signals (blood oxygenation level dependent) der Magnetresonanztomografie (MRT) zu untersuchen, haben wir ein Nagetiermodell in ... entwickelt.

Hallo, ich bin JI Pan vom Magnetic Residency Imaging of Neurodynamics Laboratory der Abteilung für biomedizinische Technik an der Emory University in Georgia Tech. Und ich bin Garth Thompson, ebenfalls vom Mind Lab. Heute zeigen wir Ihnen ein Verfahren zur gleichzeitigen Durchführung von Elektrophysiologie und fMRT bei Nagetieren.Wir verwenden diese Technik in unserem Labor, um die neuronale Grundlage des funktionellen MRT-Signals zu untersuchen. Die funktionelle MRT ist empfindlich gegenüber Änderungen der Blutoxygenierung, die mit Schwankungen der neuronalen Aktivität verknüpft sind. Wir versuchen festzustellen, ob bestimmte Merkmale des neuronalen Signals aus den MRT-Daten extrahiert werden können.Beginnen wir also. Zunächst erfolgt die Implantation einer Mikroelektrode. Fixieren Sie zunächst eine mit ISO-Fluoranästhetikum anästhesierte Ratte auf einem stereotaktischen Chirurgiesystem.Rasieren Sie das Fell von der Kopfoberseite des Tieres mit einer Haarschneidemaschine und tragen Sie einen Augensalbe auf die Augen auf, um Austrocknung zu verhindern. Stellen Sie vor Beginn der Operation sicher, dass das Tier ausreichend anästhesiert ist und nicht auf einen Zehenquetschreiz reagie

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Research

Forschung

JoVE Journal

Neuroscience

Neurowissenschaften

Das Video demonstriert die gleichzeitige elektrophysiologische Aufzeichnung von mehreren Gehirnregionen bei einer Ratte unter Verwendung eines integrativen Mikroantriebsarrays. Aufzeichnungselektroden werden im Riechkolben platziert, Referenzelektroden im frontalen Kortex und Mikroantriebs-Array-Elektroden im Hippocampus. Die Ratte kann frei nach Futter suchen, und die gleichzeitige Aufzeichnung von allen implantierten Elektroden wird mit dem Array aufgezeichnet.

Eine Micro-Drive-Array-Methode zur elektrophysiologischen Aufzeichnung von mehreren Hirnregionen

Dieses Video zeigt das Verfahren zur gleichzeitigen Aufzeichnung von kolokalisierter Elektroenzephalographie (EEG) und lokalen Feldpotentialen (LFPs) bei einer anästhesierten Ratte. Bei diesem Prozess wird die Ratte vorbereitet und Stimulationselektroden an ihren Schnurrhaarpolstern befestigt. Eine EEG-Spinnenelektrode wird für Oberflächen-EEG-Messungen auf den Schädel der Ratte gelegt. Gleichzeitig wird eine Mehrkanal-Mikroelektrode durch ein Bohrloch im Schädel in eine bestimmte Hirnregion...

Gleichzeitige elektroenzephalographische und lokale Feldpotentialaufzeichnungen bei einer anästhesierten Ratte

Hemmung der neuronalen Aktivität und deren elektrophysiologischer Nachweis bei einer Ratte

Dieses Protokoll beschreibt eine Standardmethode für den Nagetieren gleichzeitigen funktionellen Magnetresonanztomographie und der tiefen Hirnstimulation. Die kombinierte Verwendung dieser experimentellen Werkzeuge ermöglicht die Erforschung des globalen abwärts Aktivität in Reaktion auf eine elektrische Stimulation an praktisch jeder Gehirnziel.

Deep Brain Stimulation mit gleichzeitiger fMRT in Nagetiere

Hier stellen wir eine Glaspipette mit doppelter Funktion her: Hemmung tiefer Hirnstrukturen durch Mikroinjektionen von Medikamenten und Echtzeitüberwachung ihrer Wirkung durch gleichzeitige elektrophysiologische Aufzeichnungen.

Gleichzeitige Elektrophysiologische Aufzeichnung und Micro-Injektionen von Hemmstoffe im Gehirn von Nagetieren

Anweisungen für die kostengünstige Konstruktion und chirurgische Implantation einer chronischen transkraniellen Elektroenzephalographie-Montage mit hoher Dichte in Mäuse werden bereitgestellt. Techniken zur Aufzeichnung, Extraktion und Verarbeitung von Signalen werden ebenfalls beschrieben.

Mit hoher Dichte Elektroenzephalographische Acquisition in einem Nagetiermodell unter Verwendung von Low-Cost-und Open-Source-Ressourcen

Transkranielle Wechselstromstimulation (tACS) ist ein vielversprechendes Werkzeug für die nichtinvasive Untersuchung von Hirnschwingungen, obwohl ihre Wirkungen nicht vollständig verstanden werden. Dieser Artikel beschreibt einen sicheren und zuverlässigen Aufbau für die Anwendung von tACS gleichzeitig mit funktioneller Magnetresonanztomographie, die das Verständnis der oszillatorischen Hirnfunktion und die Effekte von tACS erhöhen kann.

Gleichzeitige transkranielle Wechselstromstimulation und funktionelle Magnetresonanztomographie

Dieses Protokoll beschreibt eine einfache Methode zur gleichzeitigen Erfassung von Co lokalisierte Elektroenzephalographie (EEG) und Multi-laminar lokales Feld bei einem anästhesierten Ratte. Eine Grat-Bohrung im Schädel für das Einfügen von einer Mikroelektrode erweist sich vernachlässigbar Verzerrung des EEG Signals zu produzieren.

Gleichzeitige Aufnahme von Co lokalisierte Elektroenzephalographie und lokales Feld Potential in Nagetier

Diese Studie stellt eine Methode für die gleichzeitige Aufzeichnung von lokales Feld Potenziale im Gehirn, EKG, Elektromyogrammen und Signale einer frei beweglichen Ratte zu atmen. Diese Technik, die experimentelle Kosten reduziert und vereinfacht die Analyse der Daten, wird zum Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Gehirn und periphere Organe beitragen.

Gleichzeitige Aufnahmen der kortikalen lokales Feld Potentiale, Elektrokardiogramm, Elektromyogramm und Atemrhythmus aus einem frei beweglichen Ratte

Dieser Artikel bietet ein einfaches Protokoll für die Erfassung hochwertiger Elektroenzephalographie-Daten (EEG) während der gleichzeitigen EEG- und funktionellen Magnetresonanztomographie unter Verwendung leicht verfügbarer Medizinprodukte.

Zuverlässige Erfassung von Elektroenzephalographiedaten während der simultanen Elektroenzephalographie und funktionellen MRT

Hier stellen wir zwei Protokolle für die Aufzeichnung von Mikro-Elektrokortikographie (μEcoG) mit hoher Dichte bei Ratten und Mäusen vor, einschließlich chirurgischer, Implantations- und Aufzeichnungsmethoden. μECoG-Aufzeichnungen werden entweder in Kombination mit laminarer Polytrodenaufzeichnung im auditorischen Kortex der Ratte oder mit optogenetischer Manipulation der neuronalen Aktivität im somatosensorischen Kortex der Maus durchgeführt.

Multiskalige Untersuchungen der kortikalen Prozessierung durch Integration laminarer Polytroden und Optogenetik mit Mikroelektrokortikographie bei Nagetieren

Erfahren Sie die Methode der simultanen fMRI und Elektrophysiologie im Nagergehirn. Diese Technik ermöglicht die Untersuchung neuronaler Aktivität und BOLD-Signale für tiefe Einblicke in die Hirnfunktion.

Gleichzeitige fMRI und Elektrophysiologie in der Nager Gehirn

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