FMRI Electrophysiology סימולטני במוח מכרסמים

Summary

פיתחנו שיטת הדמיה בתהודה מגנטית תפקודית זמנית הקלטה אלקטרו במוח מכרסם, המספקת פלטפורמה חקירת הקשר בין הפעילות העצבית ואת רמת חמצון הדם תלוי אות (BOLD) MRI.

Abstract

כדי לבחון את הבסיס העצבי של רמת חמצון הדם תלוי (BOLD) דימות תהודה מגנטית (MRI) אות, פיתחנו מודל מכרסם בו נתונים MRI פונקציונלי

Protocol

1. זהו ניתוח לא הישרדות. הצעד הראשון הוא השתלת האלקטרודות. בדוגמה זו, אלקטרודות יושתלו באזורים בכפו של הקליפה החושית העיקרי של שתי ההמיספירות.

1. להרדים חולדה (זכר חולדה SD, 200-300 גר ') עם 2% isoflurane ולתקן למקום על מערכת כירורגית stereotactic. לפני תחילת הניתוח, להבטיח כי בעל החיים הוא הרדים גם ותערוכות לא בתגובה קמצוץ הבוהן. הסר את הפרווה לפני פתיחת הקרקפת. הפרד את השריר ורקמות אחרות מעל הגולגולת לחסום כל דימום על פני העצם באמצעות cauterizer.
2. הכן המזח על פני הגולגולת (ליד צומת קו האמצע בצורת V קדמית) כנקודת קיבעון על פיר של האלקטרודה מושתל, באמצעות מלט שיניים. הגדרת קבוצה קטנה ניילון בורג לתוך העצם לפני החלת מלט שיניים עלול להגביר את היציבות. גודלו של המזח בצורת במלט יש כ 5 מ"מ גבוה 3 x 5 מ"מ ² באזור בבסיס (ראה איור 1).
3. באמצעות מקדח חשמלי קנס היטה, לפתוח בזהירות את הגולגולת ולחשוף את הדורה על הייצוג בכפו ב הקליפה החושית הראשונית של האונה כל. קוטר כל חור צריך להיות סביב 1 מ"מ, 1 מ"מ בעמדה קדמית אל 4 מ"מ לרוחב מן גבחת. תחת מיקרוסקופ, לחתוך פתח זעיר הדורה באמצעות קצה מחט המזרק, להיות זהיר, כדי למנוע נזק לכלי.
4. לפני החדרת אלקטרודה כל, לוודא כי אין דימום או דיות נמצא ליד החתכים. Microelectrodes הזכוכית אמור להיות מוכן לפני הניתוח עם כ 3 ~ 4 ס"מ מוט באורך עכבה של 1 ~ 5 Mω. מלאו את נימי של האלקטרודה עם CSF מלאכותי (ACSF) והכנס כל אלקטרודה באלכסון (~ 45 °, החל האחורי אל הקדמי) לתוך המוח ~ 0.4 מ"מ מן הדורה נפתחה באמצעות זרוע stereotactic. לפני תיקון למקום, לבדוק את האות החשמלי. קצה אחד של חוט כסף chloridized צריך להיות טבל ACSF ואת הקצה השני לכניסת מוביל המגבר. חוט כסף, מצורף תת עורי בחלק האחורי של העור נפתח, משמש אלקטרודה השוואתית.
5. לפני קיבוע האלקטרודה, בדוק את אזור הניתוח ולוודא כי אין דימום או דיות מתרחשת, ולאחר מכן להחיל משחת שיניים כדי להחליף את העור להסיר שרירים בגולגולת. השימוש במשחת שיניים משפר את איכות התמונה MR על ידי הקטנת רגישות התאמה בממשק הגולגולת / באוויר. צרף את פיר אלקטרודה אל המזח מוכן במלט שיניים (ראה איור 1).
6. לאחר מרפא מלט שיניים, להעביר את בעל החיים בעריסה MRI ולתקן במקום. צג מצב פיזיולוגי של עכברוש לשארית של המחקר, כולל טמפרטורת הגוף, קצב הנשימה, SPO ₂ וקצב הלב.
7. מיקום סליל פני השטח (שידור / קליטה) על הראש, עם האלקטרודות בולטות ממרכז הסליל. כיסוי נוסף בצורת קשת קשה שיושב מעל העריסה משמשת תמיכה קיבעון של האלקטרודה מוביל על מנת למנוע תנועה הנגרמת על ידי נשימה החי. מוביל המשמש הדמיה הקלטה בו זמנית להאריך ~ 5 מ '(המגבר נמצא רק מחוץ לחדר מגנט) ו מכוסים פלסטיק מוליך המשמש כמגן פסיבי.
8. הרדמה ניתן להעביר isoflurane medetomidine כדי להפחית דיכוי של הפעילות העצבית אם תרצה בכך. בדוק את האות החשמלי בפעם האחרונה לפני העברת חיה לתוך המגנט. במחקרים שלנו, את הפרמטרים הקלטה היו כדלקמן: 1000 x מוגבר, 0.1Hz ~ 5 K-Hz bandpass מסונן, 60 הרץ חריץ, מסונן, 12 kHz קצב דגימה עבור אנלוגי המרה דיגיטלית.

2. בנקודה זו, החיה מוכנס לתוך סורק ה-MRI הדמיה הקלטה בו זמנית. בעלי החיים מורדמים בכל הליך הדמיה.

1. 9.4 T קטן חיה MRI המערכת (Bruker, גרמניה) שימש במחקרים שלנו. לפני ההקלטה, הפרמטרים הדמיה יש להקים. שלוש הסקאוט תמונת המטוס משמש עמדת סריקות fMRI. כדי לשפר את ההומוגניות של השדה המגנטי, היקף הריבית ונוקד באמצעות FASTMAP ^1. עבור מחקרים fMRI, פרוסת הדמיה העטרה נבחר, שכללה בין שתי המדינות בתחומים העיקריים בכפו החושית, שבה הושתלו אלקטרודות. הדמיה פרמטרים EPI היו FOV, 1.92 ס"מ 1.92 x ^2; גודל מטריצה, 64 x 64; ב-מטוס רזולוציה, 0.3 x 0.3 מ"מ ^2, עובי פרוסת, 2 מ"מ; TR / TE, 500/15 ms.
2. לאחר ההתקנה ההדמיה הקלטה מלאה, בו זמנית fMRI יכול להתחיל. תרשים 2 מציג תמונה נציג EPI והקלטות גלם במהלך ההדמיה. מיתוג מהיר של הדרגתיים במהלך הרכישה תוצאות תמונה בהקלטות רווי, אשר נמשכות רק חלק קטן של כל מחזור סריקה (22/500 ms). לאחר הרכישה תמונה, retur האות החשמליns לקו הבסיס עם צורה של תנודה בלתי רווי (ראה איור 3). FMRI משולב הקלטה עשוי להתנהל במהלך מצב המנוחה (כפי שהוכח במחקר זה), או במהלך הגירוי. עבור מחקרים גירוי, את הפרמטרים הדמיה זהים למחקר המדינה מנוחה, עם גירוי חשמלי של בכפו המסופקת באמצעות 9 הרץ, 1 ~ 4 mA הנוכחי. חולדה היא מורדמים לאחר הסריקה הסופית.

3. לאחר הדמיה הקלטה בו זמנית, המידע חייב להיות מעובד מראש לפני הניתוח הסופי.

1. אנחנו מתחילים עם הסרת חפצים הדרגתי מן הקלטות אלקטרו (ראה איור 3).
   1. מבנה הרעש בגלל הסריקה יכולה להיות מחולצת על ידי ממוצעים של כל ~ 500 ms (TR) חלקים, שכל אחד מהם מתאים המרווח בין שתי התמונות fMRI רצופים.
   2. הפחת את מבנה הרעש הממוצע של ההקלטות המקוריות. שיטה זו מתקנת רק את קטעי הקלטה בלתי רוויות.
   3. כל קטע רווי המתאים לסירוגין הדרגתי במהלך הרכישה התמונה מוחלף על ידי קו, אשר עובר בין נקודת זמן לפני נקודת זמן לאחר הרוויה שיפוע המושרה.
2. ההקלטות denoised של הפוטנציאלים בשדה המקומי (LFPs) מומרות לעת קורסים כוח, אשר יקבלו את ההחלטה הזמני זהה במהלך הזמן fMRI. הכוח הממוצע בתוך סל 2 שניות משמשת לחישוב התדרים הנמוכים (הלהקה דלתא, 1 ~ 4 הרץ), עם סל של 1 שנייה תטא הלהקה (4 ~ 8 Hz) תדרים, וכן סל של ~ 0.5 של בין השכנה אותות רווי עבור תדרים גבוהים (> 8 הרץ, אלפא להקות גאמה). חלון הזזה בכל התדרים הועבר ב במרווחים של 0.5, התאמת TR של נתוני ה-fMRI.
3. עבור נתוני תמונה, עיבוד מקדים fMRI הסטנדרטי הוא ביצע, לרבות תיקון ראש התנועה, החלקת תמונה עם FWHM 0.5 מ"מ, והסרת להיסחף ליניארי.
4. הניתוח מתבצע קרוס קורלציה בין הזמן קורסים כוח LFP ואת כמובן זמן מן voxel כל הנתונים הדמיה. מפגר הזמן משתנה לאפשר בדיקה של המתאם תלוי זמן (ראה תרשים 4).

נציג תוצאות:

כדוגמה, טכניקה זו ניתן להשתמש כדי לחקור את הקשר בין פעילות עצבית ספונטנית תנודות BOLD. איור 4 מראה את המפות מתאם בין כוח LFP ואת האות ב BOLD מפגר הזמן שבין 9.5 ו -2.5 שניות מ עכברוש אחד. תנודות בתדירות נמוכה BOLD (<0.1 הרץ) מתוך אזורים בקליפת המוח ליד קצה האלקטרודה מתואמים עם שינויים LFP כוח (<0.1 הרץ) על עיכוב של 2 ~ 6 s.

באיור 1. תצורה סכמטי של השתלת האלקטרודה באזור הדמיה עם סליל פני השטח.

איור 2. הדימוי נציג העטרה EPI, כולל טיפים אלקטרודה, מוצג בלוח השמאלי. הפאנל הימני מראה הקלטות אלקטרו גלם לפני ובמהלך הדמיה.

איור 3. התקרבות על ידי מחזור אחד הסריקה, ניתן לראות כי חפץ (ירוק) במהלך ההדמיה ניתן להסיר מן הקלטות המקוריות (כחול). הקורסים זמן denoised (אדום) שימשו לניתוח נוסף.

איור 4. המפות העטרה (מן החולדה ובדרך כלל) של המתאם בין העוצמה של פעילות דלתא ספונטנית הלהקה מאחד אלקטרודה ואת האות מנוחה מצב BOLD בזמן מפגר מ -2.5 עד 9.5 s. מקסימום מתאם שנצפה בין שתי המדינות SI על כ 4 ~ 5 של עכברוש isoflurane ב-בהרדמה. צבע בר מייצגת פירסון r.

Discussion

שני הקלטה אלקטרו ו-fMRI BOLD הם בנפרד מפותח טכניקות. עם זאת, בעת ובעונה אחת הקלטה והדמיה מאתגר בשל הפרעה הדדית ² של שתי שיטות. כאן אנו מספקים פתרון אפשרי עבור ניסויים בשילוב מכרסם. השיטה שונה של השתלת האלקטרודה ממזער השפעה על איכות התמונה, את הסרת חפץ עבור הקלטות חשמל יש צורך להסיר את הרעש הנגרם על ידי רכישת התמונה. הדמיה סימולטני הקלטה מכרסם יספק פלטפורמה חזקה עבור חקירות נוספות של צימוד בין פעילות עצבית ספונטנית את האות BOLD, בנוסף יישומים אחרים במדעי המוח כי לנצל את נקודות החוזק המשולבות של electrophysiology הדמיה מוחית תפקודית ^3.