Abstract
Тета-активности генерируется в septohippocampal системе и могут быть записаны с использованием глубоких intrahippocampal электродов и имплантируемый электроэнцефалографии (EEG) радиотелеметрические или тросовой системы подходов. Фармакологически, гиппокамп тета неоднородна (см дуалистической теории) и могут быть дифференцированы в типа I и типа II тета. Эти отдельные подтипы ЭЭГ связаны с конкретными когнитивных и поведенческих состояний, таких как возбуждение, разведка, обучение и память, высших интегративных функций и т.д. В нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, структурные и функциональные изменения в septohippocampal системы может привести к нарушению тета-активности / колебания. Стандартный количественный анализ гиппокампа ЭЭГ включает в себя Fast-Фурье-преобразование (FFT) основе частотного анализа. Тем не менее, эта процедура не дает подробные сведения о тета-активности в целом и высоко организованных колебаний тета, в частности. Для того чтобы получить DETAILED информация о высокоорганизованных колебаний тета в гиппокампе, мы разработали новый аналитический подход. Такой подход позволяет времени и экономически эффективной количественной оценки длительности высокоорганизованных колебаний тета и их частотных характеристик.
Introduction
Тета активность в мозге связаны с различными когнитивными и функциональных состояний, в том числе возбуждение, внимание, добровольное движение, исследовательское поведение, поведение внимания, обучения и памяти, интеграция соматосенсорной и быстрым движением глаз (REM) сна 1, 2. В принципе, тета-активность в качестве ритмического лица могут быть получены в различных регионах головного мозга и имеет высокую степень организации и синхронизированы, как тета колебаний. Ниже мы остановимся на анализе и количественной оценки тета - активности / колебаний, которые генерируются в системе septohippocampal 3, 4. В перегородке, ГАМК, глутаматэргическую и холинергические нейроны проекта в гиппокампе и внести свой вклад в инициации и поддержании тета колебательного поведения. Существует постоянная дискуссия о том инициируются гиппокамп тета - колебаний в перегородке, т.е. 5, 6, 7.
Независимо от их происхождения, гиппокампа колебания тета были в фокусе интереса в течение многих лет, особенно в моделях трансгенных мышей. Эти модели позволяют имплантации глубоких ЭЭГ электродов и для записи гиппокампа колебаний тета при определенных когнитивных и поведенческих задач 8. Гиппокампа тета колебания неоднороден по своей природе. На основе так называемой дуалистической теории тета - колебаний, можно различать атропин-чувствительный тип II тета и атропин нечувствительным типа I тета 9, 10, 11. Последнее может обычно быть индуцирован мускариновых М 1 / М
В настоящее время коммерчески доступным аналитическое программное обеспечение позволяет быстро частотного анализа на основе быстрого преобразования Фурье, например, анализ мощности (P, мВ 2)или спектральная плотность мощности (PSD, 2 мВ / Гц). Мощность или спектральная плотность мощности (PSD) анализ диапазона частот тета дает лишь общий обзор своей деятельности. Тем не менее, для того, чтобы получить подробное представление о когнитивных и поведения, связанных с тета-активности, анализ высокоорганизованных колебаний тета является обязательным. Оценка высокоорганизованных колебаний тета имеет центральное значение в области нейродегенеративных и психоневрологических заболеваний. Большинство исследований экспериментальные заболевания проводят в трансгенных мышах с использованием высоко-сложные нейрохирургические подходы к записи эпидуральную поверхности и глубоких внутримозговых EEGs. Эти методы включают в себя как страховочного троса системы 16 и радиотелеметрическая установок 17, 18. Тета колебания могут быть записаны как спонтанных, так и поведения, связанных с тета-колебаний при условиях длительной записи. Кроме того, тета колебания могут быть выздоровеетrded следующие фармакологической индукции, но и после облучения животных в поведенческих или когнитивных задач или на сенсорные стимулы, такие, как хвост щипать.
Ранние подходы к характеризуют тета колебания были описаны Csicsvari и др. 19. Авторы разработали полуавтоматический инструмент для краткосрочного анализа тета (15 - 50 мин), что не подходит для длительного времени записи ЭЭГ. Наш метод, описанный здесь, позволяет проводить анализ долгосрочных ЭЭГ записи> 48 ч 20. Csicsvari и др. 10 также называется отношением тета-дельта, но никакого порога для определения высокоорганизованных колебаний тета не предусмотрено. Определения диапазона дельта и тета совпадают с нашими определениями диапазона частот. Как не упоминается, мы исходим из того, что метод FFT на основе используется Csicsvari и др. чтобы рассчитать мощность тета-дельта-диапазонов частот. Этаопять явно отличается от нашего метода, так как мы рассчитать на основе вейвлет-амплитуд на большом числе частотных шкал (частота шагов A (F) = 0,05 Гц), что приводит к гораздо более высокой точностью. Продолжительность индивидуально-анализируемой EEG эпохи подобна нашему определению.
Klausberger и др. 21 также используют соотношения тета-дельта для анализа долгосрочных записей ЭЭГ. Тем не менее, существуют три основных отличия по сравнению с нашим подходом: I) длительность эпохи EEG гораздо больше, то есть, по крайней мере , 6 лет; II) отношение тета-дельта установлен в положение 4, что значительно выше, чем нашего порога, и связан с различными определениями диапазона частот; и III) определение мощности может быть основано на подходе FFT, который испытывает недостаток в высокой точности, особенно для очень коротких временных окон (2 с, то есть, 5 циклов для колебаний с частотой 2,5 Гц). В таких случаях процедура вейвлет на основе более рекомендуется.Исследование, проведенное Капланом и др. 22 исключительно рассчитывается мощность тета, игнорируя при этом отношение мощности тета-дельта. Таким образом, Каплан приближения 22 не может различать когнитивных тета богатых процессов , сопровождающихся высокой или низкой дельты.
В следующем протоколе, мы представим наш аналитический подход сейсмического импульса на основе надежного анализа высокоорганизованных колебаний тета в гиппокампа записи ЭЭГ у мышей. Так как эта процедура работает автоматически, он может быть применен к большим наборам данных и долгосрочных измерений ЭЭГ.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Все эксперименты на животных проводили в соответствии с руководящими принципами местного и организационного совета по уходу за животными (Боннский университет, BfArM, LANUV, Германия). Кроме того, все эксперименты на животных проводили в соответствии с законодательством вышестоящего, например, Директива Европейского сообщества Совета от 24 ноября 1986 года (86/609 / EEC), или индивидуального регионального или национального законодательства. Конкретные усилия были предприняты, чтобы минимизировать количество используемых животных, а также их страдания.
1. Содержание животных и условий записи электроэнцефалограммы
- Дом мышей в фильтр-топ клеток или использовать индивидуально вентилируемые клетки.
- Передача мышей из вивария в вентилируемых шкафах в специальных лабораторных помещениях, которые подходят для имплантированных животных и телеметрических записей.
- Выполните все экспериментов на животных, в том числе EEG электродов имплантации и последующих записей, в стандартных условиях (22 ° C TEMратура, 12 ч / 12 ч свет-темнота, на 50-60% относительной влажности воздуха, ослабления шума и т.д.) 18.
- До радиочастотная передатчика имплантации, домашних животных в группах 3 - 4 в прозрачных поликарбонатных II типа клеток, с пищей и водой вволю. Не изолировать отдельных мышей, так как это может вызвать стресс и мешать последующим экспериментам и результатам.
- Не используйте открытые жилищные условия, но и использовать вентилируемые шкафы вместо того, чтобы во время экспериментов и записи.
2. радиотелеметрическая EEG электродов имплантация и ЭЭГ
- Обезболить мышей с помощью инъекций наркотиков, например, гидрохлорида кетамина / xylazinehydrochloride (100/10 мг / кг, внутрибрюшинно, IP) или ингаляции наркотические средства, например, изофлуран 17, 18.
- Для изофлурановым наркоза, поместите курсор в индукционной CHamber с 4-5% изофлуран и 0,8-1% кислорода или карбогена (5% СО 2 и 95% O 2).
- Поместите силиконовую маску на нос / рот животного, чтобы контролировать требуемую глубину анестезии и избежать экспериментатора воздействия изофлуран использованием системы продувкой.
- Используйте инъекционные анестетики, например, esketaminhydrochloride (100 мг / кг, внутрибрюшинно) и xylazinehydrochloride (10 мг / кг, внутрибрюшинно), если ингаляционного наркоза нет в наличии.
- Монитор глубины наркоза, проверяя хвост щепотку рефлекс, нога щепотку рефлекс, и частоту дыхания. Следует отметить , что искусственное дыхание с помощью интубации трахеи не стоит у мышей.
- Имплантат передатчик радиочастотная в подкожный мешок на спине животного.
- Удалите волосы тела от головы и предварительно обработать бритую кожу головы с двумя дезинфицирующими средствами, то есть 70% этанола и с кустарником основе йода.
- Используя скальпель, сделайтесрединный разрез на коже головы от лба к nucheal области.
- Начиная с затылочной разреза, подготовить подкожный мешок на одной стороне задней части животного, выполняя тупой диссекции с помощью хирургических ножниц или хирургического зонда.
- Вставьте передатчик в подкожный мешочек и хранение избыточную длину гибкого передатчика ведет в мешок, а также. Обратите особое внимание на предотвращение загрязнения хирургического участка и передатчика имплантата. Правильно изолировать стерильный из нестерильных областей с использованием драпировки.
- Поместите экспериментальное животное на стереотаксической рамы, например, компьютерную 3D - стереотаксической устройства. Закрепите череп, используя зажим для носа и ушей баров.
- Обрабатывайте череп с 0,3% H 2 O 2 для удаления дополнительной ткани из черепа и осветить черепных швов и ориентиров craniometrics, брегмы и лямбда.
- Просверлите отверстия в координатах выбора(См шаг 2.6) с использованием высокоскоростной нейрохирургической дрели в режиме без давления при максимальной скорости.
Примечание: без давления бурения позволяет избежать внезапного прорыва буровой головки и повреждения коры головного мозга. Для краниотомии, рекомендуется нейрохирургическое высокоскоростной дрели. Выберите стандартные диаметры бурильной головки от 0,3 - 0,5 мм, в зависимости от диаметра электрода. - Тщательно выбрать тип электрода, принимая во внимание сопротивление, диаметр, покрытие и т.д.
Примечание: вольфрамовые Parylene покрытием или из нержавеющей стали электроды являются наиболее распространенными. Типы электродов должны быть выбраны в соответствии с экспериментальными требованиями. В качестве упреждающего маневра, стерилизовать электрода советы до имплантации с использованием 70% этанола. Обратите внимание, что электрод покрытие не допускает термической стерилизации. - Для intrahippocampal записей CA1 ЭЭГ, просверлить отверстие стереотаксическим по следующим координатам: брегмы, -2 мм; медиолатеральной, 1,5 мм (правое полушарие); дорсовентральный, 1,3 мм (таргт регион: Корню ammonis (CA1) пирамидальный слой). Для эталонного электрода, просверлить отверстие выше коры мозжечка в следующих стереотаксических координат: брегмы, -6.2 мм, медиолатеральной, 0 мм; дорсовентральный, 0 мм.
ПРИМЕЧАНИЕ: мозжечковая электрод служит pseudoreference электродом, так как мозжечок является довольно молчаливый область мозга. Стереотаксической координаты были получены из стандартного атласе мозга мыши. - До введения электродов, сократить их до нужной длины. Механически клип экстракраниальном часть электрода к спиралью из нержавеющей стали передатчика.
Примечание: для пайки следует избегать, так как это может внести существенные помехи в системе. - Приложить электрод к вертикального рычага стереотаксического устройства и вставить электрод в соответствии с вышеупомянутыми стереотаксических координат.
- Закрепите электроды, используя стеклоиономера цемент и подождать, пока цемент полностью не затвердел.
- Закройте кожу головыиспользуя более-и-более швами с не рассасывающиеся 5-0 или 6-0 шовного материала.
- Для послеоперационной боли, администрирование карпрофен (5 мг / кг, подкожно, подкожно) один раз в день в течение 4 дней подряд после имплантации. Обратите внимание, что карпрофен следует вводить до первоначального разреза (этап 2.2.2).
- Дайте животным восстановиться в течение 10 - 14 дней после имплантации До начала записи и / или эксперименты для инъекций.
3. Спонтанные Записи Theta колебаний и фармакологического индукции
- Включите передатчик радиочастотная с помощью магнитного переключателя. Место животное с его домашней клетке на приемной пластины. Выполнение долгосрочных гиппокампа записи ЭЭГ в течение по крайней мере 24-48 часов.
Примечание: Анализ ЭЭГ амплитуды и частотных характеристик ЭЭГ долговременной записи обеспечивает детальный анализ в циркадных зависимости тета колебаний и их ассоциации с конкретным поведением икогнитивные условия / задачи. Всегда объединять записи ЭЭГ с видео мониторинга экспериментальных животных. - Для фармакологической индукции тета колебаний, введение разовой дозы уретана (800 мг / кг, внутрибрюшинно) или однократной дозой мускариновых агонистов рецепторов, например, пилокарпин (10 мг / кг, внутрибрюшинно), ареколином (0,3 мг / кг, внутрибрюшинно) или оксотреморин (0,03 мг / кг, внутрибрюшинно). Обрабатывайте мышей с N-метилскополамин (0,5 мг / кг внутрибрюшинно), чтобы избежать периферических мускариновых реакций. Свежеиспеченный растворить все лекарства в 0,9% растворе NaCl или Ringer.
Примечание: более высокие дозы агонистов мускариновых рецепторов может привести к судорожной индукции у экспериментальных животных. Также считаю, что дозы, приведенные здесь, представляют собой ориентиры, которые требуют исследования ранее доза-эффект в линии мышей под следствием. Обратите внимание, что уретан является мутагенным и канцерогенным, что требует соответствующих мер предосторожности при хранении и обращении. - Вводят атропина (50 мг / кг, внутрибрюшинно), чтобы дифференцировать атропин чувствительный тип IIот атропина-нечувствительным типа I Тета колебаний.
Примечание: Дозировка атропина снова видо- и штамм-зависимым и требует оценки предварительного доза-эффект. Оптимальная точка время инъекции атропина зависит от фармакодинамики агонистов мускариновых рецепторов. Для идентификации типа II тета, инъекции атропина рекомендуется 1 ч после введения уретана. - Постарайтесь, чтобы избежать последующего применения нескольких препаратов, поскольку системное введение наркотиков изменяет глобальные транскрипции и трансляции моделей, которые влияют на последующие записи ЭЭГ. Обратите внимание, что кратковременным тета колебаний также может быть индуцирован сенсорных стимулов, таких, как задка или PAW-щипать.
- Извлечение / экспорт представитель EEG наборов данных предварительной фазы (исходный уровень) и на этапе после инъекции из общей записи ЭЭГ как ASCI или TXT файлов, принимая во внимание фармакокинетику препаратов, применяемых и требования отдельного протокола исследования.
4.Проверка электрода ЭЭГ Размещение
- Эвтаназии животных, помещая их в инкубационной камере и ввести 100% двуокиси углерода. Используйте скорость заполнения 10-30% от объема камеры в минуту с диоксидом углерода добавляется к существующему воздуха в инкубационной камере; это приведет к быстрому беспамятства с минимальным стрессом для животных.
- Отключив мышь из камеры, как только происходит остановка дыхания и выцветший цвет глаз сохраняется в течение 2-3 мин.
- Вырежьте электроды из нержавеющей стали и эксплантата передатчик радиочастотная. Обезглавьте мышь с помощью ножниц или гильотину и удалить мозг от неврокраниума путем осторожного манипуляции с хирургическими ножницами и пинцетом.
- Закрепить мозги в 4% параформальдегида в фосфатно-солевом буфере (PBS) (рН 7,4) в течение ночи. Для криозащиты, не передавать мозги до 30% глюкозы и хранить их при температуре 4 ° С до дальнейшей обработки.
Примечание: параформальдегид считается опасным в 2012 OSHA ХазСтандартный ARD связи (29 CFR 1910.1200). Примите необходимые меры предосторожности: использовать средства индивидуальной защиты, обеспечить надлежащую вентиляцию, и избежать образования пыли. Кроме того, удалить источники воспламенения и принять меры предосторожности против статических разрядов. Параформальдегид не должен быть выпущен в окружающую среду. - Установите извлеченный мозг на держателе ткани криостата с помощью клея и разрезать мозг на 40 - 75 мкм корональных ломтиками. Установите ломтики на стеклах и окрашивают их с Нисслю синим с использованием стандартной гистологической процедуры; эта процедура будет визуализировать ветви канала, который отражает предыдущее положение электрода. Обратите внимание, что также возможно, чтобы сократить венечные срезы от родного мозга с использованием vibroslicer
- Включение только тех животных, которые отвечают критериям правильно EEG размещения электродов; для области СА1, кончик глубокого электрода должна быть локализована внутри СА1 пирамидальной слоя.
- Запись CA1 intrahippocampal EEGs с соответствующей частотой дискретизации, без априорного отсечки фильтра.
Примечание: Частота дискретизации, которая является передатчиком конкретных, определяет верхний предел частоты анализа ЭЭГ. - Процесс записанных данных с программным обеспечением для анализа. Программа частотно-временной анализ и расчеты с заказных процедур для адекватного контроля методов анализа (рисунок 5) 20.
- Обрежьте зарегистрированную ЭЭГ на секции длиной 1 ч каждый. Использование быстрых компьютерных процессоров, так как время вычисления высока. Кроме того, используют программное обеспечение , которое может параллелизации вычислений на нескольких ядрах 20.
6. Анализ ЭЭГ данных
- Анализ сегментов данных с помощью сложного вейвлет Морле, чтобы вычислить как частоту и амплитуду колебаний.
Примечание: Эта вейвлета (например, Ψ (х) = (π б)(- 1/2) ехр (2 π я с х) ехр (-х 2 / б), где Ь параметры пропускной способности, с центральной частотой, и я мнимая единица) часто применяется в литературе для изучения ЭЭГ данных, поскольку она гарантирует оптимальное разрешение как по частоте и времени , 23, 24. - Используйте настройки частоты параметров полосы пропускания и центра, что особенно веса разрешающая способность по частоте, чтобы различать разности частот на уровне 0,1 Гц при этом не пренебрегая достаточным временным разрешением.
Примечание: Нервные процессы в гамма - диапазоне являются кратковременным 25, и это может также справедливо и для тета - ритмов. Таким образом, аналитический подход должен учитывать адекватное временное разрешение. - Анализ данных ЭЭГ в диапазоне частот от 0,2 - 12 Гц, с пошаговым размером 0,1 Гц, таким образом, в том числе типичный дельта, тоТа и альфа-частотные диапазоны.
- Настройка автоматизированный комплексный аналитический инструмент для разработки архитектуры частоты тета, который может заменить стандартный визуальный осмотр тета-колебаний; эта процедура называется метод обнаружения тета (TDM).
- Вычислить частное от деления максимальной амплитуды в диапазоне частот тета (3.5-8.5 Гц) и максимальную амплитуду в диапазоне частот верхней дельта (2-3.4 Гц) для временных окон 2.5 с каждой из них.
Примечание: Значение этого фактора служит мерой, чтобы решить, если произошла тета колебаний. Определение диапазона частот тета может варьироваться в зависимости от функционального состояния и нейроанатомической электрической схемы / системы для анализа. - Классифицировать сегмент как «тета-колебательный эпохи", если вычисленное отношение в течение этого сегмента выше 1,5.
Примечание: Это гарантирует, что амплитуда максимальной тета по меньшей мере, на 50% выше, чем амплитуда в верхней полосе дельты в течение соответствующего 2,5-х EEGсегмент. Обратите внимание, что отношение может потребоваться адаптация в зависимости от линии и / или видов, используемых. Интервал 2,5 сек представляет собой минимальную длительность для тета - колебаний, предотвращает ложноположительных обнаружений некоторых шумных эпох, и лежит в пределах определений целого ряда других публикаций 19, 26. Диапазон частот дельта верхняя служит в качестве полосы частот управления, потому что физиологически значимой дельта активность проявляется в течение не-тета эпох, например, во время медленного сна, который высоко увлажненной во время тета-активности. - Повторите эту процедуру для каждого 1 ч секции; Таким образом, каждая секция состоит из 1,440 сегментов ЭЭГ с длиной 2,5 с каждый.
- Статистически оценивать данные идентифицированных эпох колебаний тета.
- Вычислить статистику общего количества времени продолжительности обнаруженных тета эпох; отдельные или предварительно определенные группы; циклы, такие как свет / темнота; и другие параметры.
Примечание: СтатиStics может включать в себя Т-тест, ANOVA или MANOVA, в зависимости от переменной, количество групп, условия и т.д. - Вычислить статистику амплитуды регистрируемого тета эпох, но только в диапазоне частот тета (3,5 - 8,5 Гц).
- Вычислить статистику частоты детектируемых тета эпох, но только в диапазоне частот тета (3,5 - 8,5 Гц).
Примечание: Частота тета тэта эпохи определяется как частота, принадлежащей к максимальной амплитуде тета-тэта эпохи.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Тета-активность может быть записана в широком диапазоне центральной нервной системы (ЦНС) областей. Здесь мы представляем анализ тета колебаний от мышиного гиппокампа. Такие колебания могут происходить во время различных поведенческих и когнитивных состояний. Настоятельно рекомендуется анализировать тета колебаний под обоими спонтанных долгосрочных, задачи, связанные с краткосрочным и фармакологически индуцированных условиях.
На рисунке 1 иллюстрирует характерную запись intrahippocampal СА1 в контрольных условиях. Если животное не в спонтанном "тета государства,« intrahippocampal ЭЭГ часто характеризуется большой скачками амплитуды (LIA) деятельности. Введение агонистов мускариновых рецепторов (например, ареколин, пилокарпин, или уретановых) приводит к высокоорганизованных тета - колебаний , которые могут быть блокированы атропином (50 мг / кг, внутрибрюшинно, рисунок 1).
(рисунок 2). На основе этой классификации, можно количественно определить общую продолжительность тета колебаний при спонтанном или специфических поведенческих и когнитивных задач.
Для того чтобы проанализировать сегмент EEG 30-мин (в качестве фармакологического уретан / атропин тета рассечение), мы сначала выполнить частотно-временной анализ для частотного диапазона 0.2-12 Гц, который отображает амплитуду (мВ) в цвето- закодированы моды (рисунок 3 А). Как становится очевидным , на рисунке 3 А, тета - активность высокой амплитуды, что подтверждается визуальным осмотром EEG (белые стрелки), сопровождается низкой амплитудой в частотном диапазоне дельта. Затем, максимальные Амплитудытета (3.5-8.5 Гц) и дельта (2-3.4 Гц) частотные диапазоны приведены (рис 3 В). Систематические корреляционные исследования показали , что отношение максимальной амплитуды тета с максимальной амплитудой дельта , превышающей 1,5, что указывает на высокоорганизованной колебания тета (рисунок 3 С).
На рисунке 4 показано , как уретана может вызывать гиппокампа тета колебания (белые кружки на рисунке 4 II). Уретановые является многопрофильным целевой препарат, который может вызвать тип II тета-за его агонистическим действием на мускариновые рецепторы. После инъекции атропина (рис 4 III), эти колебания тета - типа II (атропин чувствительные тета колебания) отменяются. Важно учесть, что мускариновые агонисты рецепторов, в дополнение к атропин, имеют индивидуальные фармакокинетические свойства, которые влияют на временные характеристики возникновения тета и тета-блокады. Следует отметить, что атропин нечувствительные тип I тета остается unaffected антагонисты мускариновых рецепторов.
Краткое изложение всего обнаружения тета и количественной оценки инструмента показан на рисунке 5. Это приводит к вычислению амплитуды, частоты и суммы / означают тэта продолжительность. В отличие от ранее описанных методов, она использует подход на основе вейвлет-с высокой точностью. Аналитический инструмент, описанный здесь имеет несколько областей применения. Тета колебания генерируются в системе septohippocampal и часто нарушена нейродегенеративных процессов, например, при болезни Альцгеймера. Многочисленные мышиные модели болезни Альцгеймера были описаны, которые различаются по гомологии, изоморфизма, и предсказуемости. Некоторые из этих моделей, как сообщалось, обладают снижение тета-активности, в то время как другие были показаны, чтобы отобразить увеличение тета-активности, причина, по которой еще предстоит определить. Мы успешно применили тета обнаружения тоол описано здесь , чтобы охарактеризовать измененное тета колебательный архитектуру в модели 5XFAD болезни Альцгеймера 8. Тем не менее, он также может быть применен в эпилепсия исследований и психоневрологических заболеваний.
Рисунок 1: Тета Колебания в C57BL / 6 мышей. Радиотелеметрическая intrahippocampal записи CA1 при спонтанных условиях (I) и после инъекции уретана (800 мг / кг, внутрибрюшинно, II). После инъекции уретана, высокоорганизованной тета- колебания становятся видимыми, которые могут быть блокированы атропином (50 мг / кг, внутрибрюшинно). Эта цифра была изменена со ссылкой 20, с разрешения. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 2: Вейвлет-анализ на основе глубокого СА1 ЭЭГ записи с C57BL / 6 мышей. (А и В) Два 2,5-S EEG эпохи изображены, визуально классифицироваться как тета и тета - сегментов соответственно. (С и D) Частотно-временной анализ сегментов СА1 ЭЭГ , отображаемых в А и В , в диапазоне 0.2-12 Гц, с амплитудой , являющейся цветовым кодом. Анализ частотно-временной в C демонстрирует нерегулярный, колеблющуюся архитектуру тета в отношении частот и времени, в то время как сегмент с высоко синхронизированных колебаний тета характеризуется регулярным, не колеблющийся высокой амплитуды тета почти постоянной частотой 6 Гц. Отношение максимальной тета к максимальной амплитуды дельта составляет 1,25 в С и 4,67 в D, четко классифицируя
Рисунок 3: Вейвлет основе Theta инструмент обнаружения. (А) Частотно-временной анализ сегмента EEG 30 мин (не показан) , который был записан после введения уретана. Комплекс вейвлет Морле на основе анализ был проведен в диапазоне 0.2-12 Гц, с амплитудой (мВ), которые цветовым кодом. (B) Это изображение показывает максимальную амплитуду полосы частот тета (3.5-8.5 Гц, зеленый) и верхней полосы дельта (2-3.4 Гц, красный) для 30-минутного отрезка ЭЭГ. (C) Этот рисунок иллюстрирует отношение амплитуды максимального тета(зеленый в B) и максимальная амплитуда дельта (красный в B). Обратите внимание, что высоко-синхронные колебания тета коррелируют с коэффициентами надпороговых в C. Эта цифра была перепечатана из ссылки 20 с разрешения. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 4: Вейвлет основе анализа Фармакологически индуцированных, высокоорганизованной Theta колебаний. Сегменты представитель 30-мин EEG (не показаны) анализируются в частотном диапазоне 0-12 Гц с амплитудой (мВ), которые цветовым кодом. Вливание уретана при 800 мг / кг, внутрибрюшинно, привело к фрагментированной появлению высокоорганизованных колебаний тета, с преобладающей частотой около 6 Гц (белые кружки). После проведения вropine инъекции в дозе 50 мг / кг, внутрибрюшинно, эти колебания тета отменяются. Эта цифра была перепечатана из ссылки 20 с разрешения. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 5: Схема Иллюстрируя Количественное высокообогащенного организованной Theta коливання Recorded из мышиного СА1. Тип II тета колебания могут быть проанализированы с помощью управления записью (фазы), а после инъекции (например, уретан, ареколин или пилокарпин) фазы, а также пост-атропин фазы (А1). 30 сегментов мин EEG (A2) от каждой фазы частотно-временной проанализированы в диапазоне от 0.2-12 Гц с использованием подхода на основе вейвлет-(В1 и В2). Далее, тета SegmenОбнаружение т инициируется (С1), дает более близкий взгляд на частотно-временных характеристик тета - диапазоне (3.5-8.5 Гц, C2) и верхнего диапазона дельта (2-3.4 Гц, C3) для ЭЭГ эпох , которые являются 2,5 с каждый (C4 и C5). В дальнейшем амплитуда анализируется через тета и дельта - диапазона частот , изображающей максимальные значения (С6 и С7). Если максимальная амплитуда тета / дельта превышает 1,5, 2,5 сек EEG сегмент классифицируется как эпоха высокоорганизованной тета - колебаний (C8), с определенной амплитудой и частотой (D1-D3). Этот инструмент обнаружения тета позволяет для количественного определения тета архитектуры колебаний (E1). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Тета активность центральной значимости в системной нейрофизиологии. Это можно наблюдать в различных областях мозга, особенно в гиппокампе, где оно связано с конкретными поведенческими и когнитивными состояниями. Кроме того, гиппокамп тета могут быть дифференцированы в фармакологически атропина чувствительных к типу II и атропин нечувствительным типа I тета. Тип I , как полагают, связаны с локомоции, такие как ходьба или бег 27, 28, 29, 30, 31, в то время как второго типа можно наблюдать во время состояния 27, 28, 29, 30 предупреждений через неподвижность. Оповещение-неподвижность состояния могут быть вызваны случайными нечастых и прерывистые или тактильными стимулами, например 32. Тип II тета также связано с раssive вращение всего тела 14. Во время парадоксального сна, как атропин чувствительные и атропин устойчивые ритмы тета присутствуют 33. Состояние покоя неподвижность характеризуется большими скачками активностью (LIA) 27.
В общем случае , тета колебания могут быть записаны при спонтанном, но также и следующие фармакологической индукции (например, посредством применения мускариновых агонистов рецепторов, таких как уретан, пилокарпин, ареколином, оксотреморин и т.д.). Обратите внимание, что, фармакодинамически, уретан является многопрофильным целевой препарат, который может улучшить тип II тета, но также ингибируют тип I тета. В противоположность этому, пилокарпин, Ареколин и Оксотреморин селективно индуцируют типа II тета. В зависимости от фармакокинетики мускариновых агонистов, используемых, он принимает переменное количество времени, пока не произойдет тета- колебаний. Тип II может быть блокированы атропином эффективно. Критически, то делатьМудрецы мускариновых агонистов и антагонистов для индукции и блочного типа II тета колебания видо- и штамм-зависимым. Таким образом, это абсолютно необходимо для проведения исследований доза-эффект, чтобы распутать оптимальную дозу для индукции тета-колебаний и их закупорки для конкретного научного вопроса. Непродолжительную тета колебаний также может быть вызвана сенсорными стимулами, такими как задка или PAW-щипать.
Существуют различные подходы к характеризующими тета-активности в целом. FFT подходы, основанные, в результате непрерывных или прерывистых (частота, относящаяся к полосе) спектральной плотности мощности (СПМ) анализ / участков или в анализе мощности для отдельных частотных диапазонов, представляют собой стандартные подходы, которые предоставляют ценную информацию о частотных характеристиках.
Тем не менее, для достижения более сложного понимание тета-архитектуры, дополнительные подходы, как представляется, необходимо. В частности, можно было бы быть заинтересованы в другом органеizational состояния тета и их частоты, которые не могут быть оценены непосредственно и точно вышеуказанными процедурами. В противоположность этому, новый аналитический метод, представленный здесь, основанный на вейвлетах и способны оценить высокоорганизованной, краткосрочные тэта колебания. Они не соответствуют стандарту мощности тета, который также считает, пароксизмальной разрывной тета-активности. Основное внимание, чтобы выявить специфические особенности частотно-временных данных в ЭЭГ, характерных для тета эпох. Таким образом, новый метод предотвращает ложноположительные классификации тета эпох. Автоматизированная процедура гарантирует оценку длительных наборов данных ЭЭГ и, следовательно, включает в себя надежные статистические сравнения физиологических циклов (цикл свет / темнота или циркадный ритмичность) в ходе длительных исследований.
Этот протокол имеет особое значение при анализе данных ЭЭГ, полученных из животных моделей нейродегенеративных заболеваний, в частности, в characteriзация высокоорганизованной архитектуры тета в septohippocampal и других нейронных систем. Сложные и высокоточный анализ тета может помочь определить, EEG отпечатки пальцев, которые могут служить в качестве биомаркеров ЭЭГ в будущем.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Carprofen (Rimadyl VET - Injektionslösung) | Pfizer | PZN 0110208208 | 20ml |
| binocular surgical magnification microscope | Zeiss Stemi 2000 | 0000001003877, 4355400000000, 0000001063306, 4170530000000, 4170959255000, 4551820000000, 4170959040000, 4170959050000 | |
| Dexpanthenole (Bepanthen Wund- und Heilsalbe) | Bayer | PZN: 1578818 | |
| drapes (sterile) | Hartmann | PZN 0366787 | |
| 70% ethanol | Carl Roth | 9065.5 | |
| 0.3% / 3% hydrogene peroxide solution | Sigma | 95321 | 30% stock solution |
| gloves (sterile) | Unigloves | 1570 | |
| dental glas ionomer cement | KentDental /NORDENTA | 957 321 | |
| heat-based surgical instrument sterilizer | F.S.T. | 18000-50 | |
| high-speed dental drill | Adeor | SI-1708 | |
| Inhalation narcotic system (isoflurane) | Harvard Apparatus GmbH | 34-1352, 10-1340, 34-0422, 34-1041, 34-0401, 34-1067, 72-3044, 34-0426, 34-0387, 34-0415, 69-0230 | |
| Isoflurane | Baxter 250 ml | PZN 6497131 | |
| Ketamine | Pfizer | PZN 07506004 | |
| Lactated Ringer's solution (sterile) | Braun | L7502 | |
| Nissl staining solution | Armin Baack | BAA31712159 | |
| pads (sterile) | ReWa Krankenhausbedarf | 2003/01 | |
| Steel and tungsten electrodes parylene coated | FHC Inc., USA | UEWLGESEANND | |
| stereotaxic frame | Neurostar | 51730M | ordered at Stoelting |
| (Stereo Drive-New Motorized Stereotaxic) | |||
| tapes (sterile) | BSN medical GmbH & Co. KG | 626225 | |
| TA10ETA-F20 | DSI | 270-0042-001X | Radiofrequency transmitter 3.9 g, 1.9 cc, input voltage range ± 2.5 mV, channel bandwidth (B) 1 - 200 Hz, nominal sampling rate (f) 1,000 Hz (f = 5B) temperature operating range 34 - 41 °C warranted battery life 4 months |
| TL11M2-F20EET | DSI | 270-0124-001X | Radiofrequency transmitter 3.9 g, 1.9 cc, input voltage range ± 1.25 mV, channel bandwidth (B) 1 - 50 Hz, nominal sampling rate (f) 250 Hz (f = 5B) temperature operating range 34 - 41 °C warranted battery life 1.5 months |
| Vibroslicer 5000 MZ | Electron Microscopy Sciences | 5000-005 | |
| Xylazine (Rompun) | Bayer | PZN: 1320422 | |
| Matlab | Mathworks Inc. | programming, computing and visualization software | |
| SPSS | IBM | statistical analysis software |
References
- Vanderwolf, C. H. Hippocampal electrical activity and voluntary movement in the rat. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 26, 407-418 (1969).
- Kahana, M. J., Seelig, D., Madsen, J. R.
- Varga, V., et al. The presence of pacemaker HCN channels identifies theta rhythmic GABAergic neurons in the medial septum. J Physiol. 586, 3893-3915 (2008).
- Takano, Y., Hanada, Y. The driving system for hippocampal theta in the brainstem: an examination by single neuron recording in urethane-anesthetized rats. Neurosci Lett. 455, 65-69 (2009).
- Goutagny, R., Manseau, F., Jackson, J., Danik, M., Williams, S. In vitro activation of the medial septum-diagonal band complex generates atropine-sensitive and atropine-resistant hippocampal theta rhythm: an investigation using a complete septohippocampal preparation. Hippocampus. 18, 531-535 (2008).
- Manseau, F., Goutagny, R., Danik, M., Williams, S. The hippocamposeptal pathway generates rhythmic firing of GABAergic neurons in the medial septum and diagonal bands: an investigation using a complete septohippocampal preparation in vitro. J Neurosci. 28, 4096-4107 (2008).
- Hangya, B., Borhegyi, Z., Szilagyi, N., Freund, T. F., Varga, V. GABAergic neurons of the medial septum lead the hippocampal network during theta activity. J Neurosci. 29, 8094-8102 (2009).
- Siwek, M. E., et al. Altered theta oscillations and aberrant cortical excitatory activity in the 5XFAD model of Alzheimer's disease. Neural Plast. 2015, 781731 (2015).
- Buzsaki, G. Theta oscillations in the hippocampus. Neuron. 33, 325-340 (2002).
- Buzsaki, G., et al. Hippocampal network patterns of activity in the mouse. Neuroscience. 116, 201-211 (2003).
- Buzsaki, G., Moser, E. I. Memory navigation and theta rhythm in the hippocampal-entorhinal system. Nat Neurosci. 16, 130-138 (2013).
- Shin, J.
- Shin, J., et al. Phospholipase C beta 4 in the medial septum controls cholinergic theta oscillations and anxiety behaviors. J Neurosci. 29, 15375-15385 (2009).
- Shin, J., Kim, D., Bianchi, R., Wong, R. K., Shin, H. S. Genetic dissection of theta rhythm heterogeneity in mice. Proc Natl Acad Sci U S A. 102, 18165-18170 (2005).
- Brown, D. A., Adams, P. R. Muscarinic suppression of a novel voltage-sensitive K+ current in a vertebrate neurone. Nature. 283, 673-676 (1980).
- Senkov, O., Mironov, A., Dityatev, A. A novel versatile hybrid infusion-multielectrode recording (HIME) system for acute drug delivery and multisite acquisition of neuronal activity in freely moving mice. Front Neurosci. 9, 425 (2015).
- Lundt, A., et al. EEG Radiotelemetry in Small Laboratory Rodents: A Powerful State-of-the Art Approach in Neuropsychiatric, Neurodegenerative, and Epilepsy Research. Neural Plast. 2016, 8213878 (2016).
- Papazoglou, A., et al. Non-restraining EEG radiotelemetry: epidural and deep intracerebral stereotaxic EEG electrode placement. J Vis Exp. (112), (2016).
- Csicsvari, J., Hirase, H., Czurko, A., Buzsaki, G. Reliability and state dependence of pyramidal cell-interneuron synapses in the hippocampus: an ensemble approach in the behaving rat. Neuron. 21, 179-189 (1998).
- Muller, R., et al. Atropine-sensitive hippocampal theta oscillations are mediated by Cav2.3 R-type Ca2+ channels. Neuroscience. 205, 125-139 (2012).
- Klausberger, T., et al. Brain-state- and cell-type-specific firing of hippocampal interneurons in vivo. Nature. 421, 844-848 (2003).
- Caplan, J. B., Madsen, J. R., Raghavachari, S., Kahana, M. J. Distinct patterns of brain oscillations underlie two basic parameters of human maze learning. J Neurophysiol. 86, 368-380 (2001).
- Montgomery, S. M., Buzsaki, G. Gamma oscillations dynamically couple hippocampal CA3 and CA1 regions during memory task performance. Proc Natl Acad Sci U S A. 104, 14495-14500 (2007).
- Kronland-Martinet, R., Morlet, J., Grossman, A. Analysis of sound patterns through wavelet transform. Int J Pattern Recognit Artif Intell. 1, 29 (1987).
- Buzsaki, G., Wang, X. J. Mechanisms of gamma oscillations. Annu Rev Neurosci. 35, 203-225 (2012).
- Goutagny, R., Jackson, J., Williams, S. Self-generated theta oscillations in the hippocampus. Nat Neurosci. 12, 1491-1493 (2009).
- Bland, B. H. The physiology and pharmacology of hippocampal formation theta rhythms. Prog Neurobiol. 26, 1-54 (1986).
- Leung, L. S. Generation of theta and gamma rhythms in the hippocampus. Neurosci Biobehav Rev. 22, 275-290 (1998).
- Shin, J., Talnov, A. A single trial analysis of hippocampal theta frequency during nonsteady wheel running in rats. Brain Res. 897, 217-221 (2001).
- Shin, J. A unifying theory on the relationship between spike trains, EEG, and ERP based on the noise shaping/predictive neural coding hypothesis. Biosystems. 67, 245-257 (2002).
- Kramis, R., Vanderwolf, C. H., Bland, B. H. Two types of hippocampal rhythmical slow activity in both the rabbit and the rat: relations to behavior and effects of atropine, diethyl ether, urethane, and pentobarbital. Exp Neurol. 49, 58-85 (1975).
- Lu, B. L., Shin, J., Ichikawa, M. Massively parallel classification of single-trial EEG signals using a min-max modular neural network. IEEE Trans Biomed Eng. 51, 551-558 (2004).
- Robinson, T. E., Kramis, R. C., Vanderwolf, C. H. Two types of cerebral activation during active sleep: relations to behavior. Brain Res. 124, 544-549 (1977).
