Jednoczesne fMRI i elektrofizjologia w mózgu gryzoni

Cześć, nazywam się JI Pan i pracuję w Laboratorium Obrazowania Neurodynamiki Rezydentury Magnetycznej na wydziale inżynierii biomedycznej rysunku na Uniwersytecie Emory w Georgia Tech. Nazywam się Garth Thompson i również pracuję w Laboratorium Umysłu. Dzisiaj pokażemy Ci procedurę jednoczesnej elektrofizjologii i FMRI u gryzoni

Używamy tej techniki w naszym laboratorium do badania neuronalnych podstaw funkcjonalnego sygnału MRI. FMRI jest wrażliwe na zmiany w natlenieniu krwi, które są związane z wahaniami aktywności neuronalnej. Próbujemy ustalić, czy poszczególne cechy sygnału neuronowego można wyodrębnić z danych MRI.

Więc zacznijmy. Począwszy od operacji wszczepienia mikroelektrody. Na początek przymocuj znieczulonego fluorem szczura ISO na miejscu w stereotaktycznym systemie chirurgicznym.

Ogol sierść od czubka głowy zwierzęcia maszynką do strzyżenia włosów i nałóż maść okulistyczną na oczy, aby zapobiec ich wysuszeniu Przed rozpoczęciem operacji upewnij się, że zwierzę jest dobrze znieczulone i nie reaguje na szczypanie palca u nogi. Jest to operacja, która nie daje szans na przeżycie. Po usunięciu futra oddziel mięśnie i inne tkanki nad czaszką i użyj kauteryzatora, aby zablokować krwawienie na powierzchni kości.

Teraz wkręć małą nylonową w kość, a następnie nałóż cement dentystyczny, aby przygotować pomost na powierzchni czaszki w pobliżu przedniego połączenia w kształcie litery V w linii środkowej. Pomost będzie służył jako punkt mocowania trzonu wszczepionej elektrody i powinien mieć około pięciu milimetrów wysokości i trzy na pięć milimetrów kwadratowych powierzchni. U podstawy pod mikroskopem użyj wiertarki elektrycznej z cienką końcówką, aby ostrożnie otworzyć czaszkę i odsłonić oponę twardą na czterech łapach.

Reprezentacja w pierwszorzędowej korze somatosensorycznej każdej półkuli. Średnica każdego otworu powinna wynosić około jednego milimetra umieszczonego w miejscu, jeden milimetr z przodu i dwa i cztery milimetry w bok od bgma. Następnie użyj końcówki igły strzykawki, aby wyciąć mały otwór w oponie twardej.

Należy uważać, aby uniknąć uszkodzenia naczynia przed włożeniem elektrod. Upewnij się, że w pobliżu nacięcia nie ma krwawienia ani wysięku. Przed zabiegiem należy przygotować szklane mikroelektrody o długości trzonu około czterech centymetrów i impedancji od jednego do pięciu megaomów.

Wypełnij kapilarnę elektrody sztucznym płynem mózgowo-rdzeniowym, a następnie użyj ramienia stereotaktycznego, aby wprowadzić każdą elektrodę do mózgu skośnie pod kątem około 45 stopni od tyłu do przodu, włóż elektrody około 0,4 milimetra od otwartej opony twardej przed zamocowaniem ich w celu sprawdzenia sygnału elektrycznego. Przełóż jeden koniec srebrnego przewodu do sztucznego płynu mózgowo-rdzeniowego i podłącz drugi koniec do przewodów wejściowych do amplifier. Srebrny drut przymocowany podskórnie z tyłu otwartej skóry służy jako elektroda referencyjna.

Rejestrujemy sygnały elektryczne z częstotliwością próbkowania 12 kiloherców, wzmocnionymi przez współczynnik 1000,1 do pięciu kiloherców z filtrowanym pasmem i 60 herców z wycięciem. Teraz dokładnie sprawdź obszar operacyjny, upewniając się, że nie występuje krwawienie ani wysięk, a następnie nałóż pastę do zębów, aby zastąpić usuniętą skórę i mięsień czaszki. Stosowanie pasty do zębów poprawia jakość obrazu MR poprzez zmniejszenie niedopasowania podatności na granicy faz powietrznych czaszki.

Następnie przymocuj trzon elektrody do przygotowanego z cementem dentystycznym. Po utwardzeniu cementu dentystycznego przenieś zwierzę do kołyski do rezonansu magnetycznego i zamocuj je na miejscu. Monitoruj stan fizjologiczny pacjenta przez pozostałą część badania, w tym temperaturę ciała, częstość oddechów, natlenienie i częstość akcji serca.

Gdy zwierzę jest na miejscu, umieść cewkę powierzchniową nad głową tak, aby elektrody wystawały ze środka cewki. Dodatkowa twarda okładka w kształcie łuku, która znajduje się na szczycie kołyski, służy jako podparcie dla przewodów elektrodowych w celu zmniejszenia ruchów związanych z oddychaniem. Przewody służące do jednoczesnego obrazowania i rejestracji pokryte są przewodzącym tworzywem sztucznym, które pełni funkcję pasywnej osłony.

Rozciągają się one na około pięć metrów, aby dotrzeć do wzmacniacza, który znajduje się na zewnątrz pomieszczenia z magnesami. Zbadaj sygnał elektryczny po raz ostatni przed przeniesieniem znieczulonego zwierzęcia do magnesu. Utrzymuj zwierzę w znieczuleniu przez cały czas trwania procedury obrazowania z wszczepionymi elektrodami.

Zobaczmy, jak wykonać jednoczesną elektrofizjologię i obrazowanie. Dane obrazowe są zbierane za pomocą systemu MRI dla małych zwierząt o natężeniu 9,4 Tesli. Zacznij od uzyskania obrazu zwiadowczego z trzema płaszczyznami, aby ustawić plasterki z gradientem.

Badanie Echo EPI. Ustaw jeden wycinek koronalny, który obejmuje obustronne pierwotne obszary somatosensoryczne czterech łap, w których wszczepiane są elektrody. Teraz ustaw pole widzenia na 1,92 centymetra, rozmiar matrycy na 64 na 64 w zwykłej rozdzielczości na 300 na 300 mikronów, grubość warstwy na dwa milimetry, czas relaksacji na 500 milisekund i czas echa na 15 milisekund, aby poprawić jednorodność podkładki pola magnetycznego.

Wielkość zainteresowania z szybkim oprogramowaniem mapowym po zakończeniu konfiguracji obrazowania. Można rozpocząć jednoczesne nagrywanie i FMRI. Umówiliśmy się na długą sesję nagraniową.

Następnie rozpocznij akwizycję obrazu. Impuls TTL jest tworzony na początku każdej akwizycji obrazu i rejestrowany, dzięki czemu dane elektryczne można łatwo zsynchronizować ze skanerem MRI. Po zakończeniu eksperymentu szczur zostaje poddany eutanazji.

Przed rozpoczęciem analizy dane muszą zostać wstępnie przetworzone. Zobaczmy, jak to się robi. Zacznij od usunięcia artefaktów gradientu z zapisów elektrofizjologicznych w matlabie.

Strukturę szumów powstałą w wyniku skanowania można wyodrębnić, uśredniając najpierw wszystkie sekcje TR, z których każda odpowiada odstępowi między dwoma kolejnymi obrazami FMRI. Ta metoda koryguje tylko nienasycone segmenty nagrania. Każdy nasycony segment jest zastępowany linią, która przechodzi między punktem czasu przed a punktem czasu.

Po nasyceniu wywołanym gradientem. Nagrania z odszumiania są następnie konwertowane na przebiegi czasu mocy, które mają taką samą rozdzielczość czasową jak przebieg czasu FMRI. Okno przesuwne dla wszystkich pasm częstotliwości jest przesuwane w krokach co 0,5 sekundy, zgodnie z TR danych FMRI dla danych obrazowych.

Wykonywane jest standardowe przetwarzanie wstępne FMRI, w tym korekcja ruchu głowicy, wygładzanie obrazu i usuwanie dryftu liniowego. Analizę korelacji krzyżowej przeprowadza się między przebiegami mocy LFP w czasie a przebiegiem czasowym z każdego vle danych obrazowych. Zmienne opóźnienia czasowe pozwalają na zbadanie korelacji zależnej od czasu.

Teraz pokażemy kilka reprezentatywnych wyników jednoczesnego nagrywania i obrazowania. Jako przykład używamy technik połączonych do określenia związku między LFP a sygnałami FMRI Bold podczas spontanicznej aktywności kory mózgowej. Fluktuacja mocy LFP istotnie koreluje z pogrubionymi zmianami sygnału w małym obszarze, blisko końcówki elektrody z kilkusekundowym opóźnieniem.

Przebiegi czasowe obszaru zainteresowania wykazują spójne wahania w czasie między LFP i opóźnionym pogrubionym sygnałem. Pokazywaliśmy Wam właśnie, jak wykonać jednoczesny zapis elektrofizjologiczny i obrazowanie FMRI podczas eksperymentu. Ważne jest, aby pamiętać o zminimalizowaniu zakłóceń między polem magnetycznym a elektrycznym urządzeniem rejestrującym na każdym etapie.

Więc to wszystko. Dziękujemy za oglądanie i życzymy powodzenia w eksperymentach.