FMRI simultanea ed Elettrofisiologia nel cervello roditori

Ciao, sono JI Pan del Laboratorio di Risonanza Magnetica dell'Imaging della Neurodinamica del dipartimento di ingegneria biomedica presso l'Università di Emory e il Georgia Tech. E io sono Garth Thompson, anch'io del Mind Lab. Oggi vi mostreremo una procedura per eseguire simultaneamente elettrofisiologia e risonanza magnetica funzionale (FMRI) nel roditore.

Utilizziamo questa tecnica nel nostro laboratorio per studiare la base neuronale del segnale di risonanza magnetica funzionale. La risonanza magnetica funzionale è sensibile ai cambiamenti nell'ossigenazione del sangue, che sono collegati a fluttuazioni nell'attività neuronale. Stiamo cercando di determinare se particolari caratteristiche del segnale neuronale possano essere estratte dai dati di risonanza magnetica.

Iniziamo. Partendo dall'operazione di impianto di un microelettrodo. Per prima cosa, fissare un ratto anestetizzato con isoflurano al sistema chirurgico stereotassico.

Rasare il pelo sulla parte superiore della testa dell'animale con un rasoio elettrico e applicare un unguento oftalmico agli occhi per evitarne l'essiccazione. Prima di iniziare l'intervento, assicurarsi che l'animale sia adeguatamente anestetizzato e non presenti alcuna risposta alla pressione sulle dita dei piedi. Si tratta di un intervento non letale. Dopo aver rimosso il pelo, separare il muscolo e gli altri tessuti sovrastanti il cranio e utilizzare un cauterizzatore per arrestare eventuali sanguinamenti sulla superficie ossea.

Ora posizionare una piccola vite in nylon nell'osso e applicare del cemento dentale per preparare un pilastro sulla superficie del cranio in prossimità della giunzione anteriore a forma di V lungo la linea mediana. Il pilastro fungerà da punto di fissaggio per l'asta dell'elettrodo impiantato e dovrebbe essere alto circa cinque millimetri con una superficie di tre per cinque millimetri quadrati. Alla base, sotto un microscopio, utilizzare un trapano elettrico a punta fine per aprire con attenzione il cranio ed esporre la dura madre sulla zona della zampa anteriore.

Rappresentazione nella corteccia somatosensoriale primaria di ciascun emisfero. Il diametro di ciascun foro dovrebbe essere di circa un millimetro, posizionato a un millimetro in avanti e a due e quattro millimetri in laterale rispetto al bgma. Successivamente, utilizzare la punta di un ago per siringa per praticare un piccolo foro nella dura madre.

Avendo cura di evitare danni al vaso prima dell'inserimento degli elettrodi. Assicurarsi che non siano presenti sanguinamento o essudato vicino all'incisione. Gli elettrodi microscopici di vetro, con una lunghezza dello stelo di circa quattro centimetri e un'impedenza compresa tra uno e cinque megaohm, devono essere preparati prima dell'intervento chirurgico.

Riempire il capillare dell'elettrodo con liquido cefalorachidiano artificiale e quindi utilizzare un braccio stereotassico per inserire ciascun elettrodo nel cervello obliquamente a circa 45 gradi da posteriore a anteriore; inserire gli elettrodi a circa 0,4 millimetri dalla dura aperta prima di fissarli per verificare il segnale elettrico. Immergere un'estremità di un filo d'argento placcato nel liquido cefalorachidiano artificiale e collegare l'altra estremità ai cavi di ingresso dell'amplificatore. Un filo d'argento fissato sottocutaneamente nella parte posteriore della pelle aperta funge da elettrodo di riferimento.

Registriamo i segnali elettrici a una frequenza di campionamento di 12 kilohertz, amplificati di un fattore di 1000,1 e filtrati con un filtro passa-banda da cinque kilohertz e un filtro notch a 60 hertz. Controllare nuovamente l'area chirurgica, assicurandosi che non si verifichino sanguinamenti o essudazioni, quindi applicare il dentifricio per sostituire la cute e il muscolo rimossi sul cranio. L'uso del dentifricio migliora la qualità dell'immagine RM riducendo la discrepanza di suscettibilità all'interfaccia aria-cranio.

Successivamente, fissare l'asta dell'elettrodo al sito preparato con cemento dentale. Dopo la polimerizzazione del cemento dentare, trasferire l'animale nella culla per risonanza magnetica e fissarlo saldamente. Monitorare le condizioni fisiologiche dell'animale per tutta la durata dello studio, inclusi temperatura corporea, frequenza respiratoria, ossigenazione e frequenza cardiaca.

Quando l'animale è in posizione, posizionare una bobina superficiale sulla testa con gli elettrodi che sporgono dal centro della bobina. Un ulteriore rivestimento rigido a forma di arco, posizionato sopra la culla, funge da supporto per i cavi degli elettrodi, riducendo i movimenti legati alla respirazione. I cavi utilizzati per l'acquisizione simultanea di immagini e registrazioni sono ricoperti con una plastica conduttiva, che funge da schermo passivo.

Si estendono per circa cinque metri fino all'amplificatore situato all'esterno della stanza del magnete. Esaminare il segnale elettrico un'ultima volta prima di trasferire l'animale anestetizzato nel magnete. Mantenere l'animale anestetizzato per tutta la durata della procedura di imaging con gli elettrodi impiantati.

Vediamo come eseguire contemporaneamente elettrofisiologia e imaging. I dati di imaging vengono raccolti mediante un sistema MRI da 9,4 Tesla per piccoli animali. Iniziare acquisendo un'immagine preliminare su tre piani per posizionare le sezioni con il gradiente.

Studio Echo EPI. Impostare una singola fetta coronale che includa bilateralmente le aree somatosensoriali primarie delle quattro zampe in cui sono stati impiantati gli elettrodi. Impostare ora il campo visivo a 1,92 centimetri, la dimensione della matrice a 64 per 64, la risoluzione planare a 300 per 300 micron, lo spessore della fetta a due millimetri, il tempo di rilassamento a 500 millisecondi e il tempo d'eco a 15 millisecondi per migliorare l'omogeneità della shimatura del campo magnetico.

Il volume di interesse con il software di mappatura rapida una volta completata la configurazione dell'acquisizione. È possibile iniziare la registrazione simultanea e la FMRI. Abbiamo predisposto una sessione di registrazione prolungata.

Quindi avviare l'acquisizione delle immagini. All'inizio di ogni acquisizione viene generato un impulso TTL che viene registrato, in modo che i dati elettrici possano essere facilmente sincronizzati con lo scanner MRI. Al termine dell'esperimento, il ratto viene soppresso.

Prima che l'analisi possa iniziare, i dati devono essere pre-elaborati. Vediamo come si fa. Iniziare rimuovendo gli artefatti del gradiente dalle registrazioni elettrofisiologiche in matlab.

La struttura del rumore dovuta alla scansione può essere estratta calcolando innanzitutto la media di tutte le sezioni TR, ognuna delle quali corrisponde all'intervallo tra due immagini fMRI consecutive. Questo metodo corregge soltanto i segmenti di registrazione non saturi. Ogni segmento saturo viene sostituito da una linea che passa tra il punto temporale precedente e il punto temporale successivo.

Dopo la saturazione indotta dal gradiente. Le registrazioni depurate dal rumore vengono quindi convertite in serie temporali di potenza, che hanno la stessa risoluzione temporale della serie temporale fMRI. La finestra mobile per tutte le bande di frequenza viene spostata a incrementi di 0,5 secondi, corrispondenti al TR dei dati fMRI per i dati di imaging.

Viene eseguita la consueta pre-elaborazione dei dati fMRI, inclusa la correzione per i movimenti della testa, la riduzione del rumore dell'immagine e la rimozione della deriva lineare. Viene condotta un'analisi di correlazione incrociata tra le serie temporali della potenza dei potenziali di campo locale (LFP) e la serie temporale di ogni vle dei dati di imaging. L'utilizzo di diversi ritardi temporali consente l'esame della correlazione dipendente dal tempo.

Ora mostreremo alcuni risultati rappresentativi di registrazione simultanea e imaging. Come esempio, utilizziamo le tecniche combinate per determinare la relazione tra i potenziali di campo locale (LFP) e i segnali BOLD fMRI durante l'attività corticale spontanea. Le fluttuazioni della potenza degli LFP correlano significativamente ai cambiamenti del segnale BOLD in una piccola regione, vicina alla punta dell'elettrodo, con un ritardo di diversi secondi.

I corsi temporali della regione di interesse mostrano fluttuazioni coerenti nel tempo tra i potenziali di campo locale (LFP) e il segnale BOLD ritardato. Vi abbiamo appena mostrato come eseguire contemporaneamente la registrazione elettrofisiologica e l'acquisizione di immagini mediante risonanza magnetica funzionale (FMRI) durante l'esperimento. È importante ricordare di minimizzare l'interferenza tra il campo magnetico e l'apparecchiatura per la registrazione elettrica a ogni passaggio.

Ecco fatto. Grazie per aver guardato e buona fortuna con i vostri esperimenti.