Name: IRMf simultanées et lélectrophysiologie dans le cerveau de rongeurs (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2010-08-19T17:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 22 s
Description: Découvrez l'enregistrement simultané d'IRMf et d'électrophysiologie dans le cerveau de rongeurs. Cette méthode innovante permet d'étudier la relation entre l'activité neuronale et le signal BOLD pour mieux comprendre la fonction cérébrale.

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1. Il s'agit d'une chirurgie non-survie. La première étape est l'implantation des électrodes. Dans cet exemple, les électrodes seront implantées dans les régions du cortex somatosensoriel patte primaires des deux hémisphères. <ol><li> Anesthésier le rat (mâle chez les rats SD, 200-300 g) avec 2% d'isoflurane et fixer en place d'un système stéréotaxique chirurgicale. Avant de commencer la chirurgie, s'assurer que l'animal est bien anesthésié et ne présente pas de réponse à un pincement de l'orteil. Enlever les poils avant l'ouverture du cuir chevelu. Séparez les muscles et autres tissus au-dessus du crâne et de bloquer tout saignement sur la surface de l'os en utilisant un cauterizer. </li><li> Préparer une jetée sur la surface du crâne (à proximité de la ligne médiane antérieure en forme de V de jonction) comme un point de fixation pour l'arbre de l'électrode implantée, en utilisant du ciment dentaire. Réglage d'un ensemble de nylon petite vis dans l'os avant d'appliquer le ciment dentaire peut augmenter la stabilité. La taille de la jetée en forme avec du ciment devrait être d'environ 5 mm de haut et de 3 x 5 mm 2 de surface à la base (voir figure 1). </li><li> Utiliser une perceuse électrique fines pointes, ouvrir avec précaution le crâne et exposer la durée au cours de la représentation des pattes de devant dans le cortex somatosensoriel primaire de chaque hémisphère. Le diamètre de chaque trou doit être d'environ 1 mm, positionné à 1 mm en avant de 4 mm et latéral de bregma. Sous un microscope, couper une petite ouverture dans la durée en utilisant une aiguille de seringue, en veillant à éviter tout dommage navire. </li><li> Avant d'insérer chaque électrode, assurez-vous qu'aucun saignement ou suintement est présent près des incisions. Les microélectrodes de verre doit être préparée avant la chirurgie, avec environ 3 ~ 4 cm de longueur d'arbre et l'impédance de 1 ~ 5 MW. Remplir le capillaire de l'électrode avec le LCR artificiel (ACSF) et insérez chaque électrode oblique (~ 45 °, d'arrière en avant) dans le cerveau ~ 0,4 mm de la durée a ouvert en utilisant le bras stéréotaxique. Avant de fixer en place, vérifiez le signal électrique. Une extrémité d'un fil argent chloruré devrait être plongé dans l'ACSF et l'autre extrémité reliée à l'entrée mène à l'amplificateur. Un fil d'argent, attaché sous-cutanée à l'arrière de la peau ouverte, sert d'électrode de référence. </li><li> Avant de fixation de l'électrode, vérifiez la zone chirurgicale et assurez-vous qu'aucun saignement ou suintement se produit, et ensuite appliquer le dentifrice pour remplacer la peau enlevée et les muscles sur le crâne. L'utilisation du dentifrice améliore la qualité de l'image IRM en réduisant l'inadéquation susceptibilité à l'interface crâne / air. Fixez l'arbre électrode à l'embarcadère préparés avec du ciment dentaire (voir Figure 1). </li><li> Après les cures de ciment dentaire, le transfert de l'animal au berceau IRM et fixer en place. Surveiller l'état physiologique du rat s pour le reste de l'étude, y compris la température du corps, rythme respiratoire, la SpO 2 et la fréquence cardiaque. </li><li> Position d'une bobine de surface (émission / réception) sur la tête, avec les électrodes en saillie à partir du centre de la bobine. Un autre en forme d'arche à couverture rigide qui se trouve au sommet de la station d'accueil sert de support pour la fixation de l'électrode conduit afin d'éviter le mouvement causé par la respiration des animaux. Le conduit utilisé pour l'imagerie et d'enregistrer simultanément s'étendre à ~ 5 m (l'amplificateur est situé juste en dehors de la salle de l'aimant) et sont recouverts de plastique conductrice qui sert de bouclier passif. </li><li> L'anesthésie peut être commutée de l'isoflurane à la médétomidine pour réduire la suppression de l'activité neuronale, si désiré. Examinez le signal électrique une dernière fois avant de transférer l'animal dans l'aimant. Dans nos études, les paramètres d'enregistrement ont été comme suit: 1000 x amplifié, 0.1Hz ~ 5 K Hz passe-bande-filtré, 60 Hz cran-filtré, 12 kHz pour la conversion analogique-numérique. </li></ol> 2. À ce stade, l'animal est inséré dans le scanner IRM pour l'imagerie simultanée et d'enregistrement. Les animaux sont anesthésiés pendant toute la procédure d'imagerie. <ol><li> A 9,4 T petits animaux système IRM (Bruker, Allemagne) a été utilisé dans nos études. Avant l'enregistrement, les paramètres d'imagerie doit être établie. Une image en trois plane scout est utilisé pour la position de l'IRMf. Pour améliorer l'homogénéité du champ magnétique, le volume d'intérêt est calée à l'aide FASTMAP 1. Pour les études d'IRMf, une tranche d'imagerie coronaire a été sélectionné, qui comprenait bilatéraux patte aires somatosensorielles primaires, dans lequel les électrodes ont été implantées. Les paramètres du PEV ont été imagerie FOV, 1,92 x 1,92 cm 2; taille de la matrice, 64 x 64; dans le plan résolution, 0,3 x 0,3 mm 2; épaisseur des tranches de 2 mm; TR / TE, 500/15 ms. </li><li> Après l'installation d'imagerie est terminée, l'enregistrement simultané et l'IRMf peut commencer. La figure 2 montre une image représentative du PEV et des enregistrements bruts pendant l'imagerie. La commutation rapide des gradients de cours d'acquisition d'image dans les résultats des enregistrements saturés, qui persistent pendant seulement une petite partie de chaque cycle (22/500 ms). Après l'acquisition d'images, le signal électrique RETURns à base d'une forme de non-saturés oscillation (voir Figure 3). IRMf combinée et l'enregistrement peut être effectué pendant l'état de repos (comme démontré dans cette étude) ou pendant la stimulation. Pour les études de relance, les paramètres d'imagerie sont les mêmes que pour l'étude de l'état de repos, avec une stimulation électrique de la patte avant fourni avec 9 Hz, 1 ~ 4 mA. Le rat est euthanasié après la numérisation finale. </li></ol> 3. Après l'imagerie simultanée et d'enregistrement, les données doivent être pré-traitées avant l'analyse finale. <ol><li> Nous commençons avec la suppression des artefacts de gradient à partir des enregistrements électrophysiologiques (voir figure 3). <ol><li> La structure du bruit à cause du balayage peut être extraite en faisant la moyenne toutes les 500 ms ~ (TR) sections, dont chacune correspond à l'intervalle entre deux images consécutives IRMf. </li><li> Soustraire la structure moyenne du bruit à partir des enregistrements originaux. Cette méthode ne corrige que les segments d'enregistrement insaturés. </li><li> Chaque segment saturé correspondant à l'alternance du gradient lors de l'acquisition d'image est remplacée par une ligne qui passe entre le point de temps avant et le point de temps après gradient induit par la saturation. </li></ol></li><li> Les enregistrements débruitée des potentiels de champ locaux (LFPs) sont ensuite convertis aux cours du temps le pouvoir, qui aura la même résolution temporelle que le cours du temps IRMf. La puissance moyenne dans un bac de 2 secondes est utilisé pour le calcul des fréquences les plus basses (bande delta, 1 ~ 4 Hz), avec un bac 1 seconde pour la bande thêta (4 ~ 8 Hz) des fréquences, et un bac de ~ 0,5 s entre voisins signaux saturés pour des fréquences plus élevées (&gt; 8 Hz, alpha à des bandes gamma). La fenêtre coulissante pour toutes les bandes de fréquences a été déplacée par incréments de 0,5 s, correspondant au TR des données IRMf. </li><li> Pour les données d'image, le prétraitement IRMf standard est effectuée, y compris la correction mouvement de la tête, lissage de l'image avec 0,5 mm FWHM, et la suppression de dérive linéaire. </li><li> L'analyse de corrélation croisée est réalisée entre les cours LFP le temps la puissance et le cours du temps de chaque voxel de données d'imagerie. Décalages de temps variables permettre l'examen de la corrélation dépendant du temps (voir Figure 4). </li></ol> Les résultats représentatifs: À titre d'exemple, cette technique peut être utilisée pour étudier la relation entre l'activité neuronale spontanée et les fluctuations BOLD. La figure 4 montre la corrélation entre la puissance des cartes LFP et le signal BOLD au temps écoulé entre -2,5 et 9,5 s d'un rat. Les fluctuations basses fréquences BOLD (&lt;0,1 Hz) dans les zones corticales près de la pointe de l'électrode sont corrélés avec les changements de puissance LFP (&lt;0,1 Hz) à un délai de 2 ~ 6 s. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig1.jpg" alt="Figure 1" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figure 1"> Figure 1. Schéma de configuration de l'implantation d'électrodes et de la région d'imagerie avec une bobine de surface. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig2.jpg" alt="Figure 2" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figure 2"> Figure 2. Un représentant coronale PEV image, y compris les extrémités des électrodes, est montré dans le panneau de gauche. Le panneau de droite montre premières enregistrements électrophysiologiques avant et pendant l'imagerie. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig3.jpg" alt="Figure 3" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figure 3"> Figure 3. En zoomant sur ​​un cycle de balayage, il peut être vu que l'artefact (en vert) lors de l'imagerie peuvent être retirés à partir d'enregistrements originaux (bleu). Les cours du temps débruitée (rouge) ont été utilisés pour une analyse ultérieure. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig4.jpg" alt="Figure 4" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figure 4"> Figure 4. Cartes coronale (à partir d'un rat typique) de la corrélation entre la puissance de l'activité spontanée bande delta d'une électrode et le signal de repos à l'état gras au décalages de -2,5 à 9,5 s. Maximum de corrélation est observée dans SI bilatérale à environ 4 ~ 5 s chez le rat anesthésié isoflurane. Couleur barre représente 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>

Les deux enregistrements électrophysiologiques et IRMf BOLD sont séparément bien développé des techniques. Toutefois, l&#39;enregistrement simultané et l&#39;imagerie est difficile en raison de l&#39;interférence mutuelle 2 des deux modalités. Ici nous fournissons une solution possible pour des expériences combinées dans le rongeur. La méthode modifiée de l&#39;implantation d&#39;électrodes minimise l&#39;influence sur la qualité de l&#39;image, et la suppression des artefacts pour les enregistrements électri...

irmf simultanées et l&#39;électrophysiologie dans le cerveau de rongeurs

Simultaneous fMRI and Electrophysiology in the Rodent Brain

Afin d&#39;examiner les bases neurales du niveau d&#39;oxygénation du sang dépendantes (BOLD) imagerie par résonance magnétique (IRM) du signal, nous avons développé un modèle de rongeur dans laquelle données d&#39;IRM fonctionnelle et<em&gt; In vivo</em&gt; Enregistrement intracorticale peuvent être effectuées simultanément. La combinaison de l&#39;enregistrement d&#39;IRM et électriques est techniquement difficile, car les électrodes utilisées pour l&#39;enregistrement fausser les images IRM et l&#39;acquisition d&#39;IRM induit du bruit dans l&#39;enregistrement électrique. Afin de minimiser les interférences mutuelles des deux modalités, des microélectrodes de verre ont été utilisés plutôt que de métal et d&#39;un algorithme de suppression du bruit a été mis en œuvre pour les données de l&#39;électrophysiologie. Dans nos études, deux microélectrodes ont été séparément implanté dans bilatéraux primaires cortex somato-sensoriels (SI) du rat et fixé en place. Une tranche coronale couvrant les extrémités des électrodes a été sélectionné pour l&#39;IRM fonctionnelle. Arbres électrodes et les positions de fixation ne sont pas inclus dans la tranche d&#39;image pour éviter les artefacts d&#39;imagerie. Le cuir chevelu enlevé a été remplacé avec du dentifrice à réduire les déséquilibres de sensibilité et d&#39;éviter les artefacts de Gibbs sonne dans les images. La structure des artefacts induits dans les enregistrements électriques par les champs magnétiques de commutation rapide lors de l&#39;acquisition des images a été caractérisée par une moyenne de tous les cycles d&#39;analyse pour chaque exécution. La structure du bruit lors de l&#39;imagerie a ensuite été soustrait à partir d&#39;enregistrements originaux. Les cours du temps débruitée ont ensuite été utilisés pour une analyse approfondie en combinaison avec les données IRMf. À titre d&#39;exemple, l&#39;acquisition simultanée a été utilisée pour déterminer la relation entre les signaux spontanés IRMf BOLD et à bande limitée activité intracorticale électrique. IRMf simultanée et enregistrement électrophysiologique chez le rongeur va fournir une plateforme pour de nombreuses applications intéressantes en neurosciences, en plus d&#39;élucider la relation entre le signal IRMf BOLD et l&#39;activité neuronale.

Nous avons développé une méthode pour l&#39;imagerie simultanée par résonance magnétique fonctionnelle et l&#39;enregistrement électrophysiologique dans le cerveau de rongeurs, en fournissant une plateforme pour l&#39;étude de la relation entre l&#39;activité neuronale et le niveau d&#39;oxygénation du sang dépendantes (BOLD) du signal IRM.

IRMf simultanées et l&#39;électrophysiologie dans le cerveau de rongeurs

Afin d'examiner la base neurale du signal d'imagerie par résonance magnétique (IRM) dépendante du niveau d'oxygénation sanguine (BOLD), nous avons développé un modèle rongeur chez...

Bonjour, je suis JI Pan du laboratoire d'imagerie par résonance magnétique de la neurodynamique du département de génie biomédical d'Emory University à Georgia Tech. Et je suis Garth Thompson, également du Mind Lab. Aujourd'hui, nous allons vous montrer une procédure permettant de réaliser simultanément de l'électrophysiologie et de l'IRMf chez le rongeur.Nous utilisons cette technique dans notre laboratoire pour étudier la base neuronale du signal d'IRM fonctionnelle. L'IRMf est sensible aux variations de l'oxygénation sanguine, qui sont liées à des fluctuations de l'activité neuronale. Nous essayons de déterminer si certaines caractéristiques spécifiques du signal neuronal peuvent être extraites à partir des données d'IRM.Commençons. Commencez par l'implantation d'une microélectrode. Pour commencer, fixez un rat anesthésié à l'ISO de fluorure en place sur un système chirurgical stéréotaxique.Raser le pelage du sommet de la tête de l'animal à l'aide d'un tondeur et appliquer une pommade ophtalmique sur les yeux pour éviter qu'ils ne s'assèchent. Avant de commencer la chirurgie, s'assurer que l'animal est bien anesthésié et ne présente aucune réaction à une pincée du orteil. Il s'agit d'une chirurgie non vitale. Après avoir retiré le pelage, séparer le muscle et les autres tissus situés au-dessus du crâne et utiliser un cautère pour arrêter tout saignement à la surface osseuse.Maintenant, insérez une petite vis en nylon dans l'os, puis appliquez du ciment dentaire afin de préparer un plot sur la surface du crâne près de la jonction antérieure en forme de V située sur la ligne médiane. Ce plot servira de point de fixation pour la tige de l'électrode implantée et doit avoir une hauteur d'environ cinq millimètres et une surface de trois sur cinq millimètres carrés. À la base, sous un microscope, utilisez un microforet à pointe fine pour ouvrir soigneusement le crâne et exposer la dure-mère au-dessus de la patte antérieure.Représentation dans le cortex somatosensoriel primaire de chaque hémisphère. Le diamètre de chaque trou doit être d'environ un millimètre, positionné à un millimètre en avant et à deux et quatre millimètres en latéral par rapport au bgma. Ensuite, utilisez la pointe d'une aiguille de seringue pour découper une petite ouverture dans la dure-mère.Veiller à éviter tout dommage au vaisseau avant d'insérer les électrodes. S'assurer qu'aucun saignement ni exsudat n'est présent près de l'incision. Des microélectrodes en verre d'une longueur de tige d'environ quatre centimètres et d'une impédance comprise entre un et cinq mégohms doivent être préparées avant la chirurgie.Remplir la capillarité de l'électrode avec du LCS artificiel, puis utiliser un bras stéréotaxique pour insérer chaque électrode obliquement dans le cerveau à environ 45 degrés de l'arrière vers l'avant ; insérer les électrodes à environ 0,4 millimètre de la dure-mère ouverte avant de les fixer afin de vérifier le signal électrique. Plonger une extrémité d'un fil d'argent chloré dans le LCS artificiel et relier l'autre extrémité aux câbles d'entrée de l'amplificateur. Un fil d'argent fixé sous-cutanément à l'arrière de la peau ouverte sert d'électrode de référence.Nous enregistrons les signaux électriques à une fréquence d'échantillonnage de 12 kilohertz, amplifiés par un facteur de 1000,1 et filtrés par un passe-bande de cinq kilohertz ainsi que par un filtre réjecteur de 60 hertz. Vérifiez à nouveau la zone chirurgicale en vous assurant qu'aucun saignement ni exsudat ne soit présent, puis appliquez du dentifrice afin de remplacer la peau et le muscle retirés sur le crâne. L'utilisation de dentifrice améliore la qualité de l'image IRM en réduisant le désaccord de susceptibilité à l'interface air-crâne.Ensuite, fixez le manche de l'électrode à l'endroit préparé à l'aide de ciment dentaire. Une fois le ciment dentaire durci, transférez l'animal dans le berceau d'IRM et immobilisez-le. Surveillez l'état physiologique de l'animal pendant le reste de l'étude, notamment la température corporelle, la fréquence respiratoire, l'oxygénation et la fréquence cardiaque.Lorsque l'animal est en place, positionner une bobine de surface au-dessus de la tête, les électrodes dépassant du centre de la bobine. Une coque rigide supplémentaire, de forme arquée, placée au-dessus du berceau, sert de support aux fils des électrodes afin de réduire les mouvements liés à la respiration. Les fils utilisés pour l'imagerie et l'enregistrement simultanés sont recouverts de plastique conducteur, qui constitue un blindage passif.Ils s'étendent sur environ cinq mètres pour atteindre l'amplificateur situé à l'extérieur de la salle du magnétomètre. Examinez le signal électrique une dernière fois avant de transférer l'animal anesthésié dans le magnétomètre. Maintenez l'animal anesthésié tout au long de la procédure d'imagerie grâce aux électrodes implantées.Examinons comment réaliser une électrophysiologie et une imagerie simultanées. Les données d'imagerie sont recueillies à l'aide d'un système d'IRM pour petits animaux de 9,4 Tesla. Commencez par acquérir une image repère en trois plans afin de positionner les coupes à l'aide du gradient.Étude Echo EPI. Positionner une coupe coronaire incluant bilatéralement les aires somesthésiques primaires des quatre pattes, où les électrodes sont implantées. Régler maintenant le champ de vue à 1,92 centimètre, la taille de la matrice à 64 sur 64, la résolution planaire à 300 sur 300 microns, l'épaisseur de coupe à deux millimètres, le temps de relaxation à 500 millisecondes et le temps d'écho à 15 millisecondes afin d'améliorer l'homogénéité du champ magnétique par réglage du shim.Le volume d'intérêt avec le logiciel Fast Map une fois l'installation d'imagerie terminée. L'enregistrement simultané et l'IRMf peuvent commencer. Nous mettons en place une longue session d'enregistrement.Ensuite, démarrez l'acquisition d'images. Une impulsion TTL est générée au début de chaque acquisition d'image et enregistrée afin que les données électriques puissent être facilement synchronisées avec le scanner IRM. Une fois l'expérience terminée, le rat est euthanasié.Avant que l'analyse puisse commencer, les données doivent être prétraitées. Voyons comment cela s'effectue. Commencez par la suppression des artefacts de gradient à partir des enregistrements électrophysiologiques dans matlab.La structure du bruit due au balayage peut être extraite en moyennant d'abord toutes les sections TR, chacune correspondant à l'intervalle entre deux images IRMF consécutives. Cette méthode corrige uniquement les segments d'enregistrement non saturés. Chaque segment saturé est remplacé par une ligne passant par le point temporel précédent et le point temporel suivant.Après saturation induite par le gradient. Les enregistrements débruités sont ensuite convertis en séries temporelles de puissance, qui possèdent la même résolution temporelle que la série temporelle IRMf. La fenêtre glissante pour toutes les bandes de fréquence est déplacée par incréments de 0,5 seconde, correspondant au TR des données IRMf pour les données d'imagerie.Un prétraitement standard de l'IRMf est effectué, incluant la correction des mouvements de la tête, le lissage des images et la suppression de la dérive linéaire. Une analyse de corrélation croisée est réalisée entre les séries temporelles de puissance des PCL et la série temporelle de chaque vle des données d'imagerie. L'utilisation de décalages temporels variables permet d'examiner la corrélation dépendante du temps.Nous allons maintenant présenter quelques résultats représentatifs d'enregistrements et d'imageries simultanés. À titre d'exemple, nous utilisons des techniques combinées pour déterminer la relation entre les potentiels de champ local (LFP) et les signaux BOLD fMRI durant une activité corticale spontanée. Les fluctuations de puissance des LFP sont significativement corrélées aux variations du signal BOLD dans une petite région proche de l'extrémité de l'électrode, avec un décalage de plusieurs secondes.Les courbes temporelles de la région d'intérêt montrent des fluctuations cohérentes dans le temps entre les potentiels de champ local et le signal BOLD décalé. Nous venions de vous montrer comment réaliser une enregistrement électrophysiologique simultané et une imagerie IRMf pendant l'expérience. Il est important de penser à minimiser les interférences entre le champ magnétique et l'équipement d'enregistrement électrique à chaque étape.Voilà, c'est tout. Merci d'avoir regardé et bonne chance avec vos expériences.

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