Name: 쥐 두뇌에 동시 fMRI와 전기 생리학 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2010-08-19T17:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 22 s
Description: 배우세요 쥐 두뇌에서 동시 fMRI와 전기 생리학 기록 방법을. 신경 활동과 BOLD 신호의 관계를 연구하여 뇌 기능의 신경 기초를 이해하는 데 활용할 수 있습니다.

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작품은 NIH 1 R21NS057718 - 01에 의해 지원되었다.

1. 이것은 아닌 생존 수술입니다. 첫 번째 단계는 전극의 주입이다. 이 예제에서는 전극은 양쪽 반구의 기본 somatosensory 피질의 앞발 지역에 이식한다. <ol><li> 2퍼센트 isoflurane와 쥐 (남 SD 랫, 2백-3백그램) 마취 및 수술 stereotactic 시스템 장소로 수정. 수술을 시작하기 전에 동물이 잘 anesthetized 것을 확인하고 발가락 핀치에 응답을 전시하지 않습니다. 두피를 열기 전에 모피를 제거합니다. 두개골 위의 근육과 다른 조직을 분리하고 cauterizer를 사용하여 뼈 표면에있는 출혈을 차단합니다. </li><li> 치과 시멘트를 사용하여 이식 전극의 샤프트에 고정 지점으로 두개골 표면 (정중선 앞쪽이 V 자형 교차로 근처)에 부두를 준비합니다. 치과 시멘트를 적용하기 전에 뼈를에 작은 나일론 나사 세트를 설정하면 안정성을 높일 수 있습니다. 시멘트로 모양 부두의 크기는 기본 (그림 1 참조)에서 지역에 약 5mm 높이 3 X 5mm이되어야합니다. </li><li> 훌륭한 스쳐 전기 드릴을 사용하여 신중하게 두개골을 열고 각 반구의 기본 somatosensory 피질에서 앞발 표현을 통해 두라을 폭로. 각 구멍의 직경은 앞쪽에 1mm와 bregma의 측면 4mm 위치, 1mm 주위해야합니다. 현미경으로, 모든 선박 손상을 방지하기 위해주의되는, 주사기 바늘 팁을 사용하여 두라의 작은 오프닝 잘라. </li><li> 각 전극을 삽입하기 전에, 아무 출혈이나 스며 나옴이 incisions 근처에 존재하지 있는지 확인하십시오. 유리 microelectrodes는 약 3 수술하기 전에 준비를해야합니다 ~ 4cm 샤프트 길이 1의 임피던스 ~ 5 MΩ. 인공 CSF (ACSF)와 전극의 모세관을 기입하고 뇌 ~ stereotactic 팔을 사용하여 열어 두라에서 0.4 mm로 (~ 45 °, 사후부터 앞쪽에) obliquely 각 전극을 삽입합니다. 장소에 고정하기 전에 전기 신호를 확인하십시오. chloridized 실버 와이어의 한쪽 끝을는 ACSF와 입력에 연결된 다른 쪽 끝을 앰프로 연결을 과감하게해야합니다. 열린 피부의 뒷면에 부착된 subcutaneously 은색 와이어, 참조 전극 역할을합니다. </li><li> 전극 고정하기 전에 두 번 수술 영역을 확인하고 출혈이나 스며 나옴가 발생하지 않는지 확인한 다음 두개골에서 제거 피부와 근육을 대체하는 치약을 적용합니다. 치약의 사용은 두개골 / 공기 인터페이스에서 자화율 불일치를 줄여 MR 이미지 품질을 향상시킵니다. 치과 시멘트와 준비 부두 (그림 1 참조)에 전극 샤프트를 연결합니다. </li><li> 치과 시멘트 치료 후 MRI를 크래들에 동물을 전송 및 장소에서 수정. 체온, 호흡 속도, SPO 2 심장 속도를 포함하여 연구의 나머지 부분에 대한 쥐의 생리 상태를 모니터링합니다. </li><li> 전극은 코일의 중심에서 튀어나온 함께 머리 표면 코일 (수신 / 송신) 위치. 전극의 고정을위한 지원이 동물의 호흡으로 인한 움직임을 방지하기 위해 연결로 크래들 위에 앉아 추가 아치 모양의 하드 커버를 제공합니다. 가 ~ 5 M (앰프가 방금 자석 방 밖에 위치하고 있습니다)로 연장 동시 이미징 및 녹화에 사용되는 리드와 수동 방패 역할을 전도성 플라스틱으로 덮여 있습니다. </li><li> 마취가 필요한 경우 신경 활동의 억제를 줄이기 위해 medetomidine에 isoflurane에서 전환하실 수 있습니다. 전기 신호에게 자석으로 동물을 전송하기 전에 최종 시간을 확인합니다. 다음과 같이 우리의 연구에서 녹화 매개 변수가되었습니다 X 1000 증폭, 0.1Hz ~ 5 K Hz에서 대역 통과 필터링, 60 Hz에서 노치 필터링, 12 kHz에서 샘플 속도 디지털 변환 아날로그. </li></ol> 2. 이 시점에서, 동물은 동시 이미징 및 녹음을위한 MRI 스캐너에 삽입됩니다. 동물 이미징 절차 전반에 걸쳐 anesthetized 있습니다. <ol><li> 9.4 T 작은 동물 MRI 시스템 (Bruker, 독일)는 우리의 연구에 사용되었다. 녹음하기 전에, 이미징 매개 변수가 설정해야합니다. 세 비행기 스카우트 이미지는 fMRI 스캔을 위치하는 데 사용됩니다. 자기장의 균질성을 개선하기 위해, 관심의 볼륨 FASTMAP 1을 사용 shimmed 있습니다. fMRI 연구, 코로나 이미징 슬라이스는 전극 이식되었다하는 양국 앞발 기본 somatosensory 지역을 포함하는, 선정되었습니다. 매트릭스 크기 64 X 64,, 에피 이미지 파라미터는 FOV, 1.92 X 1.92 cm이되었습니다 인 평면 해상도, 0.3 X 0.3 mm 2; 슬라이스 두께, 2mm, TR / TE, 15분의 500 MS. </li><li> 이미지 설정이 완료되면, 동시 녹음과 fMRI는 시작할 수 있습니다. 그림 2는 대표적인 에피 이미지와 영상 중에 원시 기록을 보여줍니다. 각각의 스캔 사이클의 극히 작은 부분 (500분의 22 MS)에 대한 계속 포화 녹음에서 이미지 수집 결과 중에 그라디언트의 급속한 전환. 이미지 수집 후, 전기 신호 retur비 포화 진동의 형태 (그림 3 참조) 기준에 NS. 연합 fMRI 및 녹화는 휴식 상태 (본 연구에서 증명) 동안이나 자극 동안 실시됩니다. 자극 연구, 영상 매개 변수는 9 Hz에서, 1 ~ 현재 4mA를 사용하여 제공된 앞발의 전기 자극과 함께 쉬고있는 상태 연구와 동일합니다. 쥐는 최종 검사 후 euthanized이다. </li></ol> 3. 동시 이미징 및 녹화 후 데이터가 최종 분석하기 전에 사전 처리되어야합니다. <ol><li> 우리는 electrophysiological 레코딩 (그림 3 참조)에서 그라디언트 유물의 제거와 함께 시작됩니다. <ol><li> 인해 스캔하는 소음 구조를 연속 2 fMRI 이미지 사이의 간격에 해당하는 각각의 모든 ~ 500 MS (TR) 섹션을 평균으로 추출하실 수 있습니다. </li><li> 원래 기록에서 평균 소음 구조를 빼기. 이 방법은 불포화 녹화 세그먼트를 수정합니다. </li><li> 이미지 수집하는 동안 기울기 교대에 해당하는 각각의 포화 세그먼트는 이전 시점과 기울기 유발 채도 후 시점 사이에 패스 라인으로 대체됩니다. </li></ol></li><li> 지역 현장 잠재력 (LFPs)의 denoised 기록은 다음 fMRI 시간 코스 같은 시간적 해상도를해야합니다 전원 시간 코스로 변환됩니다. 2 초 빈 사이의 평균 전력은 세타 밴드 (4 ~ 8 Hz에서) 주파수에 대한 일초 빈과 함께 가장 낮은 주파수 (델타 밴드, 1 ~ 4 Hz에서), 그리고 ~ 0.5 s의 빈 사이를 계산하는 데 사용됩니다 높은 주파수 (&gt; 8 Hz에서, 알파 감마 밴드)를 위해 포화 신호를 인접. 모든 주파수 대역에 대한 슬라이딩 윈도우는 fMRI 데이터의 TR에 맞는, 0.5 S의 단위로 이동되었습니다. </li><li> 이미지 데이터에 대한 표준 fMRI의 전처리는 머리 모션 보정, 0.5 mm의 FWHM과 이미지 다듬기 및 선형 드리프트 제거를 포함하여 수행됩니다. </li><li> 교차 상관 관계 분석은 LFP 전원 시간 코스와 영상 데이터의 각 voxel의 시간 코스 사이에 실시됩니다. 다양한 시간 lags은 (그림 4 참조) 시간 의존 상관의 시험을 수 있습니다. </li></ol> 대표 결과 : 예를 들어,이 기법은 자발적인 신경 활동과 굵은 변동 사이의 관계를 조사하는 데 사용할 수 있습니다. 그림 4는 LFP 전원 및 -2.5 한 쥐에서 9.5의 사이의 시간 lags에 굵은 신호 사이의 상관 관계 매핑을 보여줍니다. 전극 끝 가까이에 대뇌 피질의 영역에서 낮은 주파수 굵은 변동 (&lt;0.1 ​​Hz에서)이 2 ~ 6 S. 지연에 LFP 전력 변화 (&lt;0.1 ​​Hz에서)과 상관 아르 <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig1.jpg" alt="그림 1" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="그림 1"> 그림 1. 표면 코일과 전극 이식 및 이미징 지역의 도식 구성. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig2.jpg" alt="그림 2" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="그림 2"> 그림 2. 전극 팁을 포함한 대표적인 코로나 에피 이미지, 왼쪽 패널에 표시됩니다. 오른쪽 패널은 영상 전과 도중에 원료 electrophysiological 기록을 보여줍니다. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig3.jpg" alt="그림 3" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="그림 3"> 그림 3. 하나 스캔주기를 확대함으로써, 그것은 이미징 동안 유물 (녹색)가 원래 레코딩 (파란색)에서 삭제될 수 있습니다 볼 수 있습니다. denoised 시간 코스 (적색)가 추가 분석을 위해 사용되었습니다. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig4.jpg" alt="그림 4" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="그림 4"> 그림 4. 하나 전극에서 자연 델타 밴드 활동의 능력과 시간에 휴식 상태 굵은 신호 사이의 상관 관계의 코로나지도 (한 전형적인 쥐에서) -2.5에서 9.5 s의 lags isoflurane - anesthetized 쥐에서 약 4 ~ 5의에서 양국 SI에서 관찰 최대 상관 관계. 색상 막대 피어슨 R.를 나타냅니다

<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>

electrophysiological 기록하고 대담한 fMRI 모두 별도로 잘 개발된 기술입니다. 그러나, 동시에 녹음 및 이미징 인해 두 modalities의 상호 간섭 2 도전입니다. 여기서 우리는 설치류에서 결합 실험 가능한 솔루션을 제공합니다. 전극 이식의 수정 방법은 이미지 품질에 영향을 최소화하고 전기 레코딩을위한 아티팩트 제거 이미지 수집에 의해 유도 노이즈를 제거하는 것이 필요합니다. 동시 이미징과 설치류의 녹음이 전기 생리학과 기능 뇌 영상 3 결합된 강점을 활용하여 신경 과학에있는 다른 응용 프로그램뿐만 아니라, 자발적인 신경 활동과 굵은 신호 사이의 커플링의 추가 조사를위한 강력한 플랫폼을 제공합니다.

쥐 두뇌에 동시 fmri와 전기 생리학

Simultaneous fMRI and Electrophysiology in the Rodent Brain

자기 공명 영상 (MRI) 신호 (굵게)에 의존 혈액 산소 수준의 신경 기초를 검토하기 위해, 우리는 쥐 모델에서 기능 MRI 데이터를 개발하고있다<em&gt; 생체내에</em&gt; intracortical 녹음을 동시에 수행할 수 있습니다. 레코딩에 사용되는 전극은 MRI 이미지를 왜곡하고 MRI 인수 전기 녹음에 잡음을 유도하기 때문에 MRI 및 전기 녹음의 조합은 기술적 도전이다. 두 modalities의 상호 간섭을 최소화하기 위해 유리가 아닌 금속 microelectrodes보다 사용되었고 잡음 제거 알고리즘은 전기 생리학 데이터 구현되었습니다. 우리의 연구에 두 microelectrodes는 별도로 쥐 양국간 기본 somatosensory cortices (SI)에 이식되었고 장소에 고정. 전극 팁을 다루는 하나의 코로나 슬라이스는 기능 MRI를 위해 선택되었다. 전극 샤프트 및 고정 위치는 이미징 유물을 피하기 위해 이미지 슬라이스에 포함되지 않았습니다. 제거 두피는 자화율 불일치를 줄이고 이미지에 깁스 울리는 유물을 방지하기 위해 치약 (으)로 대체되었습니다. 이미지 수집 동안 급속도로 스위칭 자기장​​에 의해 전기 녹음에 유도 유물 구조는 각 실행에 대한 검사의주기를 평균하여 특징했다. 이미징 동안 소음 구조는 다음 원래의 녹음에서 빼는되었습니다. denoised 시간 과정은 다음 fMRI 데이터와 함께 자세한 분석에 사용되었다. 예를 들어, 동시 인수는 자발적인 fMRI 굵은 신호와 대역 제한 intracortical 전기 활동 사이의 관계를 결정하는 데 사용되었다. 동시 fMRI와 설치류의 electrophysiological 녹화 fMRI 굵은 신호의 연결 활동 사이의 관계를 elucidating 이외에 신경 과학의 많은 흥미로운 어플 리케이션을위한 플랫폼을 제공합니다.

우리는 신경 활동과 혈액 산소 수준의 종속 (굵게) MRI 신호 사이의 관계의 조사를 위해 플랫폼을 제공하고 동시에 기능성 자기 공명 이미징 및 쥐 두뇌에 electrophysiological 기록하는 방법을 개발했습니다.

쥐 두뇌에 동시 fMRI와 전기 생리학

혈중 산소 농도 의존성(BOLD) 자기공명영상(MRI) 신호의 신경학적 기초를 조사하기 위해, 본 연구진은 ...에서 설치류 모델을 개발하였습니다.

안녕하세요, 저는 조지아 공대 에모리 대학교 의생명공학과 신경역학 자기공명영상 연구실의 JI Pan입니다. 그리고 저는 같은 연구실의 Garth Thompson입니다. 오늘은 설치류를 대상으로 전기생리학과 fMRI를 동시에 측정하는 절차를 보여드리겠습니다.저희 연구실에서는 기능적 MRI 신호의 신경학적 기초를 연구하기 위해 이 기술을 사용합니다. fMRI는 혈중 산소 포화도의 변화에 민감하며, 이는 신경 활동의 변동과 연결되어 있습니다. 저희는 MRI 데이터에서 신경 신호의 특정 특징을 추출할 수 있는지 확인하고자 합니다.그럼 시작하겠습니다. 먼저 미세 전극 삽입 수술 과정을 살펴보겠습니다. 우선, ISO-flurane로 마취시킨 쥐를 정위 수술 시스템에 고정합니다.털 제거기로 동물의 머리 윗부분의 털을 깎고, 안구 건조를 방지하기 위해 눈에 안연고를 도포합니다. 수술을 시작하기 전, 동물이 충분히 마취되었는지 확인하고 발가락 꼬집기 자극에 반응이 없는지 확인합니다. 본 수술은 비생존 수술입니다. 털을 제거한 후, 두개골 상단의 근육과 기타 조직을 분리하고 소작기를 사용하여 뼈 표면의 출혈을 차단합니다.이제 작은 나일론 나사를 뼈에 고정한 다음, 치과용 시멘트를 도포하여 정중선 앞쪽의 V자형 접합부 근처 두개골 표면에 피어(pier)를 준비합니다. 이 피어는 삽입된 전극 샤프트의 고정점 역할을 하며, 높이는 약 5 mm, 면적은 3 $\times$ 5 $\text{mm}^2$가 되어야 합니다. 현미경 하에 기저부에서 끝이 가느다란 전기 드릴을 사용하여 두개골을 조심스럽게 열고 4-paw 상단의 경막을 노출시킵니다.각 반구의 일차 체성감각 피질의 표상 영역입니다. 각 구멍의 직경은 약 1 mm여야 하며, bgma로부터 전방으로 1 mm, 외측으로 2 mm 및 4 mm 지점에 위치시켜야 합니다. 다음으로, 주사바늘 팁을 사용하여 경막에 작은 구멍을 냅니다.전극을 삽입하기 전 혈관 손상이 발생하지 않도록 주의하십시오. 절개 부위 주변에 출혈이나 삼출물이 없는지 확인하십시오. 샤프트 길이가 약 4 cm이고 임피던스가 1~5 MΩ인 유리 미세전극을 수술 전에 준비해야 합니다.전극의 모세관을 인공 CSF로 채운 다음, 정위 고정 장치(stereotactic arm)를 사용하여 각 전극을 후방에서 전방으로 약 45도 각도로 뇌에 비스듬히 삽입합니다. 전기 신호를 확인하기 전, 전극을 열린 경막으로부터 약 0.4 mm 떨어진

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Research

연구

JoVE Journal

Neuroscience

신경과학

이 비디오는 통합 마이크로 드라이브 어레이를 사용하여 쥐의 여러 뇌 영역에서 동시 전기 생리학적 기록을 보여줍니다. 기록 전극은 후각구에, 참조 전극은 전두엽 피질에, 마이크로 드라이브 어레이 전극은 해마에 배치됩니다. 쥐는 자유롭게 먹이를 찾을 수 있으며, 이식된 모든 전극의 동시 기록은 어레이를 사용하여 기록됩니다.

여러 뇌 영역의 전기생리학적 기록을 위한 마이크로 드라이브 어레이 방법

이 비디오는 마취된 쥐에서 공동 국소 뇌파검사(EEG)와 국소 자기장 전위(LFP)를 동시에 기록하는 절차를 보여줍니다. 이 과정에는 쥐를 준비하고 수염 패드에 자극 전극을 부착하는 것이 포함됩니다. 표면 EEG 측정을 위해 EEG 거미 전극을 쥐의 두개골에 놓습니다. 동시에 다채널 미세전극은 두개골의 버 구멍을 통해 특정 뇌 영역에 삽입되어 국소화된 뇌 영역의 신경 활동을 기록합니다.

마취된 쥐의 동시 뇌파 및 국소 자기장 전위 기록(Concurrent Electroencephalographic and Local Field Potential Recordings in an Anesthetized Rat

출처: Lai, J., et al. 설치류 뇌에서 억제제의 동시 전기생리학적 기록 및 미세 주사. J. Vis. 경험. (2015년)이 비디오는 쥐 상골에서 동시 신경 기록 및 억제를 위한 미세 주입 기반 기술을 보여줍니다. 이 절차에는 정위 표적화, 두개골 드릴링, 신경 활동을 기록하면서 억제성 신경 전달 물질을 전달하는 주사대 삽입이 포함됩니다. 빛 자극은 활동 전위를 유발하는 반면 약물 미세 주사는 신경 흥분성을 억제합니다. 신경 전달 물질 수치가 감소함에 따라 신경 활동이 기준선으로 돌아가 억제와 회복에 대한 연구가 가능해집니다.

쥐에서 신경 활동의 억제 및 전기생리학을 사용한 검출

이 프로토콜은 설치류에서 동시에 기능성 자기 공명 영상과 깊은 두뇌 자극을위한 표준 방법을 설명합니다. 이러한 실험 도구를 함께 사용은 거의 모든 뇌 대상에 전기 자극에 대한 응답으로 글로벌 다운 스트림 활동의 탐사 할 수 있습니다.

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여기에서는 약물의 미세 주입에 의한 뇌 심부 구조 억제와 동시 전기 생리학적 기록을 통한 실시간 모니터링이라는 두 가지 기능을 가진 유리 피펫을 제작합니다.

동시 전기 생리 녹화 및 설치류의 뇌에서 억제 에이전트의 마이크로 주사

만성 경두개 고밀도 뇌파 촬영 몽타주를 마우스에 저비용으로 제작하고 외과적으로 이식하기 위한 지침이 제공됩니다. 신호 기록, 추출 및 처리 기술도 설명됩니다.

설치류 모델에서 고밀도 뇌파 취득 낮은 비용과 오픈 소스 리소스를 사용하여

Transcranial alternating current stimulation (tACS)은 뇌의 진동을 비 침습적으로 조사하는데 유망한 도구이지만 그 효과는 완전히 이해되지는 못합니다. 이 기사에서는 기능적 자기 공명 영상과 함께 tACS를 동시에 적용하는 안전하고 신뢰할 수있는 설정에 대해 설명합니다.이 기능을 통해 진동적 뇌 기능 및 tACS의 영향을 이해할 수 있습니다.

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이 프로토콜의 공동 화 된 electroencephalography (뇌 파)와 멀티-층 류 지역 필드는 마 취 쥐에 잠재적인 동시 녹음에 대 한 간단한 방법을 설명합니다. EEG 신호의 무시할 수 왜곡을 생산 하는 microelectrode의 삽입에 대 한 두개골에 드릴 버 구멍 표시 됩니다.

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이 문서에서는 동시 EEG 및 기능성 자기 공명 영상 동안 양질의 뇌전도(EEG) 데이터를 쉽게 사용할 수 있는 의료 제품을 활용하여 획득하기 위한 간단한 프로토콜을 제공합니다.

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여기에서는 쥐와 생쥐의 고밀도 마이크로 전기 피질 검사(μEcoG) 기록을 위한 수술, 이식 및 기록 방법을 포함한 두 가지 프로토콜을 제시합니다. μECoG 기록은 쥐의 청각 피질에서 층류 다원(laminar polytrode) 기록 또는 쥐의 체성 감각 피질(somatosensory cortex)에서 신경 활동의 광유전학적 조작과 함께 수행됩니다.

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