Name: 齧歯類の脳における同時fMRIと電気生理学 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2010-08-19T17:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 22 s
Description: 学ぶ齧歯類の脳における同時fMRIと電気生理学的手法。神経活動とBOLD信号の関係を解明し、脳機能の理解を深める革新的な研究プラットフォームを提供します。

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作品は、NIH 1 R21NS057718 - 01によってサポートされていました。

1。これは、非生存手術です。最初のステップは、電極の移植です。この例では、電極は、両半球の一次体性感覚野の前足領域に注入されます。 <ol><li> 2パーセントイソフルランと定位手術システム上で所定の位置に修正とラット（雄性SDラット、200〜300 g）を麻酔。手術を開始する前に、動物がよく麻酔で、つま先のピンチへの応答を示さないことを確認してください。頭皮を開く前に毛皮を削除します。頭蓋骨上記の筋肉や他の組織を分離し、cauterizerを使用して骨表面上の任意の出血をブロックする。 </li><li>歯科用セメントを用いて、埋め込み電極のシャフトのための固定点として、頭蓋骨の表面（正中線前方V字型接合部付近）に桟橋を準備します。歯科用セメントを適用する前に、骨に小さなナイロンのネジセットを設定すると、安定性が向上する可能性があります。セメントで形をした桟橋のサイズは、ベース（図1参照）で、面積で約5 mm、高、3 × 5mmの2です。 </li><li>微細な先端電気ドリルを使用して、慎重に頭蓋骨を開いて、各半球の一次体性感覚野における前足の表現上の硬膜を露出。各穴の直径は1mm、前方に配置さ1 mmのブレグマから横4ミリメートル前後となるはずです。顕微鏡下で、あらゆる船の損傷を避けるために注意しながら、注射針の先端を使用して硬膜に小さな開口部をカット。 </li><li>各電極を挿入する前に、出血や滲出液が切開部の近くに存在しないことを確認してください。ガラス微小電極を約3で手術前に準備する必要があります〜4 CM1のシャフトの長さとインピーダンス〜5MΩを。人工CSF（ACSF）と電極のキャピラリーを記入して脳〜定位アームを使用して開かれた硬膜から0.4ミリメートルに（〜45 °、後方から前方に）斜めにそれぞれ電極を挿入する。所定の位置に固定する前に、電気信号​​を確認してください。 chloridized銀線の一端はACSFに浸漬し、入力に接続されているもう一方の端はアンプにつながる必要があります。開いた皮膚の奥に皮下接続されている銀線は、、参照電極として機能します。 </li><li>電極の固定する前に、二重手術のエリアをチェックし、出血や滲出液が発生しないことを確認してから、頭蓋骨に除去皮膚や筋肉を置き換えるために歯磨き粉を適用する。歯磨き粉の使用は、頭蓋骨/空気界面での感受性のミスマッチを減らすことにより、MR画像の品質を向上させます。歯科用セメントと準備桟橋（図1を参照）に、電極シャフトを取り付けます。 </li><li>歯科用セメントが硬化した後、MRIクレードルに動物を譲渡し、代わりに修正。体温、呼吸数、SPO 2、心拍数を含む研究、の残りのためのラットの生理的状態を監視します。 </li><li>コイルの中心から突起電極と、頭の上に表面コイルを（受信/送信）に置きます。電極の固定のためのサポートは、動物の呼吸によって引き起こされる運動を避けるためにつながるとして、クレードルの上に座っている追加のアーチ形のハードカバーが提供しています。同時イメージングと録音に使用リード線〜5メートル（アンプがちょうど磁石の部屋の外に置かれている）に拡張され、受動的なシールドとして機能する導電性プラスチックで覆われている。 </li><li>麻酔は必要に応じて神経活動の抑制を減らすためにメデトミジンにイソフルランから切り替えることができます。磁石に動物を転送する前に電気信号を最終的な時間を調べます。増幅× 1000、0.1Hzの〜5 K Hzのバンドパスフィルタを適用、60 Hzのノッチフィルタをかけ、アナログからデジタルへの変換のための12 kHzのサンプルレートを次のように我々の研究では、記録パラメータであった。 </li></ol> 2。この時点で、動物は、同時イメージングと記録のためのMRIスキャナーに挿入されます。動物は、イメージングの手順を通して麻酔する。 <ol><li> 9.4 T小動物用MRIシステム（ブルカー、ドイツは）私たちの研究に使用されました。録音の前に、画像パラメータを確立する必要があります。 3つの平面のスカウト画像は、fMRIのスキャンを配置するために使用されます。磁場の均一性を向上させるために、関心のボリュームがFASTMAP 1を使用して shimmedている。 fMRIの研究のために、コロナの撮像スライスは、電極が注入された二国間前足一次体性感覚の領域を、含まれている、選ばれました。行列のサイズ、64 × 64;の面内分解能、0.3 × 0.3ミリメートル2、スライス厚は2mm、TR / TE、15分の500ミリEPIの撮像パラメータは、FOV、1.92 × 1.92 cm 2とした。 </li><li>イメージングセットアップが完了すると、同時録音とfMRIを開始することができます。図2は、代表的なEPI画像と撮影時の生録音を示しています。各スキャンサイクルのごく一部（500分の22ミリ）のために持続飽和録音の画像取得結果、中勾配の急激な切り替え。画像取得後に、電気信号​​のretur非飽和発振の形でベースラインにNS（図3を参照）。組み合わせるfMRIと記録は静止状態（として本研究で示したように）中に、または刺激の間に行うことができる。刺激の研究のために、イメージングパラメータは9 Hzの、1〜現在の4 mAを使用して供給された前足の電気刺激で、静止状態の試験の場合と同じです。ラットは、最後のスキャンの後に安楽死させています。 </li></ol> 3。同時イメージングと録音した後、データが最終的な分析前に事前処理する必要があります。 <ol><li>我々は、電気生理学的記録（図3参照）から勾配アーチファクトの除去から始まります。 <ol><li>スキャンに起因するノイズの構造は、2つの連続した​​fMRIの画像間の間隔に対応するそれぞれが、すべて〜500ミリ秒（TR）のセクションを平均することによって抽出することができます。 </li><li>オリジナル録音から平均ノイズ構造を引きます。このメソッドは、不飽和記録のセグメントを修正。 </li><li>画像を取り込みながら勾配の交代に対応するそれぞれの飽和セグメントは前の時点と勾配誘発性飽和後の時点の間を通過線に置き換えられています。 </li></ol></li><li>局所電場電位（LFPs）のdenoised音声ファイルはその後、fMRIの時間のコースと同じ時間分解能を持つ電源のタイムコース、に変換されます。 2秒ビン内の平均電力は、シータバンド（4〜8ヘルツ）の周波数の1秒ビンと低い周波数（デルタバンド、1〜4 Hz）を、、と〜0.5秒のビンの間を計算するために使用されますより高い周波数（&gt; 8 Hzの、ガンマバンドへのα）のための飽和信号を隣接。すべての周波数帯域のためのスライディングウィンドウは、fMRIのデータのTRをマッチング、0.5秒単位で移動されました。 </li><li>画像データの場合は、標準的なfMRIの前処理は、頭部の動き補正、0.5mmの半値幅を持つ画像の平滑化、および線形ドリフトの除去を含め、実行されます。 </li><li>クロス相関分析は、LFPのパワータイムコースと画像データの各ボクセルからの時間経過との間で行われている。様々なタイムラグが（図4を参照）時間に依存する相関関係の調査を可能にする。 </li></ol>代表的な結果： 例として、この技術は自発的神経活動とBOLD変動との関係を調査するために使用されることがあります。図4一ラットから-2.5の間と9.5秒遅れている時にLFPのパワーとBOLD信号との相関マップを示しています。電極の先端付近の皮質領域から低周波BOLD変動（&lt;0.1 ​​Hz）は2の遅延〜6秒でLFPのパワーの変化（&lt;0.1 ​​Hz）と相関している<img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig1.jpg" alt="図1" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="図1"> 図1表面コイルと電極の注入と撮像領域の概略構成。 <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig2.jpg" alt="図2" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="図2"> 図2電極チップを含む代表的な冠状EPI画像が、、左側のパネルに表示されます。右側のパネルには画像処理の実行前と実行中生の電気生理学的記録を示しています。 <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig3.jpg" alt="図3" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="図3"> 図3。1回のスキャンサイクル上で拡大することで、それは撮影時のアーティファクト（緑）は、元の録音（青）から削除される可能性があることがわかる。 denoised時間コース（赤）はさらなる分析のために使用されていました。 <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig4.jpg" alt="図4" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="図4"> 図4は、1つの電極からの自発的なデルタのバンド活動の力と時の安静状態のBOLD信号との相関のコロナのマップは、（典型的なラットから）-2.5から9.5秒に遅れているイソフルラン麻酔ラットの約4〜5秒で二国間SIで観察される最大の相関。カラーバーは、ピアソンrを表し、

<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>

電気生理学的記録とBOLD fMRIの両方が別々によく発達した手法です。しかし、同時に録音し、イメージングには2つのモダリティの相互干渉2のため困難である。ここでは、げっ歯類での複合実験のための可能な解決策を提供します。電極の注入の変更方法は、画像の品質に影響を最小限に抑え、電気録音のアーティファクト除去は、画像取得により誘導されるノイズを除去する必要がある。げっ歯類の同時イメージングと録音が自発的神経活動および電気生理学や脳機能イメージング3の組み合わせの強みを活用する神経科学の他のアプリケーションに加えて、BOLD信号、間の結合のさらなる調査のための強力なプラットフォームを提供します。

齧歯類の脳における同時fmriと電気生理学

Simultaneous fMRI and Electrophysiology in the Rodent Brain

血中酸素レベル依存（BOLD）磁気共鳴画像（MRI）信号の神経基盤を調べるために、我々は、機能的MRIデータの齧歯類モデルを開発し、<em&gt; in vivoで</em&gt;皮質内の記録を同時に行うことができます。録音のために使用される電極は、MRI画像とMRI買収を歪めるためMRIと電気録音の組み合わせが技術的に困難であり、電気録音にノイズを誘導する。 twoモダリティの相互干渉を最小限に抑えるために、ガラス微小電極は、金属ではなく、使用され、ノイズ除去アルゴリズムは、電気生理学的データのために実装されました。我々の研究では、2つの微小電極を別々にラットの二国間の一次体性感覚野（SI）に移植したとの場所に固定。電極チップを覆う1つの冠状スライスは、機能的MRIに選ばれた。電極シャフトと固定位置は、画像アーチファクトを避けるために、画像のスライスに含まれていませんでした。削除された頭皮は、感受性のミスマッチを低減し、画像にギブスリンギングアーチファクトを防ぐために歯磨き粉に置き換えられました。画像取得中に急速にスイッチング磁場によって電気録音で誘導される成果物の構造は、実行するたびにスキャンのすべてのサイクルを平均することにより特徴づけられた。撮影時のノイズの構造は、元の録音から減算した。 denoised時間のコースは、fMRIのデータと組み合わせて、さらなる分析のために使用されていました。例として、同時取得は自発的なfMRIのBOLD信号と帯域制限された皮質の電​​気的活動との関係を決定するために使用されていました。同時fMRIとげっ歯類における電気生理学的記録は、fMRIのBOLD信号と神経活動の関係を解明することに加えて神経科学の多くのエキサイティングなアプリケーションのためのプラットフォームを提供します。

我々は、神経活動と血中酸素レベル依存（BOLD）MRI信号との関係の調査のためのプラットフォームを提供し、齧歯類の脳における同時機能的磁気共鳴イメージングと電気生理学的記録法を開発した。

齧歯類の脳における同時fMRIと電気生理学

血液酸素レベル依存性（BOLD）磁気共鳴画像法（MRI）信号の神経学的基盤を検討するため、我々は……において齧歯類モデルを開発した。

こんにちは。エモリー大学とジョージア工科大学のバイオメディカルエンジニアリング学科、神経力学磁気共鳴画像法研究室のJI Panです。そして、同じくMind LabのGarth Thompsonです。本日は、げっ歯類における電気生理学的記録とfMRIの同時計測の手順について解説します。当研究室では、機能的MRI（fMRI）信号の神経学的基盤を研究するためにこの手法を用いています。fMRIは血中酸素飽和度の変化に感度が高く、これは神経活動の変動に関連しています。私たちは、MRIデータから神経信号の特定の特性を抽出できるかどうかの検討を試みています。それでは始めていきましょう。まず、マイクロ電極の植込み操作から説明します。まず、イソフルランで麻酔をかけたラットを、脳定位固定装置に固定します。バリカンを用いて動物の頭頂部の被毛を剃り、眼球の乾燥を防ぐために眼軟膏を塗布します。手術を開始する前に、動物が十分に麻酔されており、足指へのピンチテストに対して反応を示さないことを確認してください。本手術は非生存手術です。被毛を除去した後、頭蓋骨上の筋肉およびその他の組織を分離し、焼灼器を用いて骨表面の出血を止血します。次に、小さなナイロン製ネジを骨に固定し、正中線前方のV字型接合部付近の頭蓋骨表面に歯科用セメントを塗布してピア（固定支柱）を作成します。このピアは植込み電極のシャフトを固定する点として機能し、高さは約5 mm、面積は3 × 5 mm²となるようにします。顕微鏡下で、先端の細い電気ドリルを使用して注意深く頭蓋骨を開け、前肢（four paw）上の硬膜を露出させます。各半球の一次体性感覚皮質における表現領域。各孔の直径は約1 mmとし、bgmaから前方へ1 mm、外側へ2 mmおよび4 mmの位置に配置します。次に、シリンジ針の先端を用いて、硬膜に小さな開口部を作ります。電極を挿入する前に、血管を損傷しないよう十分に注意してください。切開部位の付近に、出血や滲出液がないことを確認します。手術前に、シャフト長が約4 cm、インピーダンスが1～5 MΩのガラスマイクロ電極を準備しておく必要があります。電極のキャピラリーに人工CSFを満たし、ステレオタキシスアームを用いて、各電極を後方から前方へ約45度の角度で斜めに脳内に挿入します。電気信号を確認するため、電極を固定する前に、開いた硬膜から約0.4 mmの深さまで挿入してください。銀線の片端を人工CSFに浸し、もう一方の端をアンプの入力リードに接続します。開いた皮膚の背側に皮下装着した銀線を参照電極として使用します。サンプリングレート 12 kHz で電気信号を記録し、1000倍に増幅して、0.1～5 kHz のバンドパスフィルターおよび 60 Hz のノッチフィルターを適用します。次に、手術部位を再確認し、出血や浸出液がないことを確認してから、頭蓋骨で除去した皮膚と筋肉の代わりに歯磨き粉を塗布します。歯磨き粉を使用することで、頭蓋骨と空気の界面における磁化率のミスマッチが軽減され、MR画像の画質が向上します。次に、電極シャフトを歯科用セメントで準備した部位に装着します。歯科用セメントが硬化した後、動物をMRIクレードルに移し、固定します。体温、呼吸数、酸素飽和度、心拍数を含む動物の生理学的状態を、研究の残りの期間にわたって監視します。動物を配置した後、コイルの中心から電極が突き出すように、頭部にサーフェスコイルを配置します。クレードルの上に設置するアーチ型のハードカバーは、呼吸に伴う動きを抑えるための電極リード線用支持台として機能します。同時撮像および記録に使用されるリード線は導電性プラスチックで覆われており、これがパッシブシールドとして機能します。これらは約5mにわたって伸びており、磁気共鳴装置室の外に設置されたアンプに到達します。麻酔をかけた動物を磁気共鳴装置内に移動させる前に、電気信号を最終確認してください。電極を植え込んだ状態で、撮像手順の間、動物に麻酔を維持させてください。電気生理学的記録とイメージングを同時に行う方法について説明します。イメージングデータは 9.4 Tesla 小動物用 MRI システムを用いて収集します。まず、グラジエントを用いてスライス位置を決定するために、3 平面でのスカウト画像を取得します。Echo EPI撮影を行います。電極が植え込まれている両側の四肢一次体性感覚野を含む冠状断スライスを1枚設定します。次に、視野（FOV）を1.92 centimetersに、マトリックスサイズを64 by 64、分解能を300 by 300 microns、スライス厚を2 millimetersに設定し、磁場シムの均一性を向上させるため、緩和時間を500 milliseconds、エコー時間を15 millisecondsに設定します。イメージングのセットアップ完了後、FastMapソフトウェアを用いて関心領域を設定します。これで同時記録とfMRIを開始できます。ここでは、長時間にわたる記録セッションをセットアップします。その後、画像取得を開始します。各画像取得の開始時にTTLパルスが生成および記録され、これにより電気データとMRIスキャナーを容易に同期させることができます。実験終了後、ラットを安楽死させます。解析を開始する前に、データの前処理を行う必要があります。その手順を確認しましょう。まず、Matlabを用いて、電気生理学的記録から勾配アーチファクトを除去することから始めます。スキャニングに起因するノイズ構造は、まずすべてのTRセクション（それぞれが連続する2枚のfMRI画像間の間隔に対応する）を平均化することで抽出できます。この手法では、飽和していない記録セグメントのみが補正されます。各飽和セグメントは、その直前の時点と直後の時点を結ぶ直線によって置換されます。勾配磁場による飽和誘導後、ノイズ除去後の記録をパワータイムコースに変換します。これはfMRIタイムコースと同じ時間分解能を持ちます。すべての周波数帯域におけるスライディングウィンドウは、撮像データのfMRIデータのTRに合わせて0.5秒刻みで移動させます。頭部運動補正、画像スムージング、および線形ドリフト除去を含む標準的なfMRI前処理が行われます。LFPパワーのタイムコースと、撮像データの各vleからのタイムコースとの間で相互相関分析が実施されます。タイムラグを変化させることで、時間依存的な相関の検討が可能になります。次に、同時記録およびイメージングの代表的な結果を示します。例として、これらの複合的な手法を用いて、自発的な皮質活動におけるLFPとfMRI Bold信号の間の関係を明らかにします。LFPのパワー変動は、電極先端に近い狭い領域において、数秒のラグを伴いBold信号の変化と有意に相関しています。関心領域のタイムコースは、LFPと遅延したBOLD信号の間で、時間的に一貫した変動を示しています。ここでは、実験中に電気生理学的記録とfMRIイメージングを同時に行う方法を説明しました。各ステップにおいて、磁場と電気記録装置との間の干渉を最小限に抑えることが重要です。以上です。ご視聴ありがとうございました。皆様の実験がうまくいくことを願っております。

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神経科学

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