Abstract
Theta attività è generato nel sistema septohippocampal e può essere registrato utilizzando elettrodi intrahippocampal profonde e elettroencefalografia impiantabile (EEG) Radiotelemetry o di sistema tether approcci. Farmacologicamente, dell'ippocampo theta è eterogenea (vedi teoria dualistica) e può essere differenziato in tipo I e tipo II theta. Questi singoli sottotipi EEG sono legati a specifici stati cognitivi e comportamentali, come l'eccitazione, l'esplorazione, l'apprendimento e la memoria, funzioni integrative superiori, ecc malattie neurodegenerative come l'Alzheimer, strutturali ed alterazioni funzionali del sistema septohippocampal può risultare in attività theta compromessa / oscillazioni. Un'analisi quantitativa standard del dell'ippocampo EEG include un Fast-Fourier-Transformation (FFT) analisi della frequenza basata su. Tuttavia, questa procedura non fornisce dettagli sulle attività theta oscillazioni generali e altamente organizzati theta in particolare. Al fine di ottenere Detainformazioni ILED sulle oscillazioni theta altamente organizzati nell'ippocampo, abbiamo sviluppato un nuovo approccio analitico. Questo approccio consente di quantificazione tempo e conveniente della durata delle oscillazioni theta altamente organizzati e le loro caratteristiche di frequenza.
Introduction
Theta attività nel cervello è correlato a diversi stati cognitivi e funzionali, tra cui l'eccitazione, l'attenzione, il movimento volontario, comportamento esplorativo, comportamento attenzione, l'apprendimento e la memoria, l'integrazione somatosensoriale, e rapid eye movement (REM) del sonno 1, 2. Principalmente, theta attività come un'entità ritmica può essere generato in varie regioni cerebrali ed è altamente organizzato e sincronizzato come theta oscillazioni. Qui di seguito, ci concentreremo sull'analisi e la quantificazione delle attività theta / oscillazioni che si generano all'interno del sistema septohippocampal 3, 4. All'interno del setto, GABAergici, progetto glutamatergici e neuroni colinergici per l'ippocampo e contribuire alla l'avvio e il mantenimento di theta comportamento oscillatorio. C'è una discussione in corso sul fatto che le oscillazioni theta dell'ippocampo sono iniziati nel setto, vale a dire, 5, 6, 7.
Indipendentemente dalla loro origine, le oscillazioni theta dell'ippocampo sono stati nel centro di interesse per anni, in particolare nei modelli di topi transgenici. Questi modelli consentono l'impianto di elettrodi EEG profonde e per la registrazione delle oscillazioni theta dell'ippocampo sotto specifici compiti cognitivi e comportamentali 8. oscillazioni theta dell'ippocampo sono eterogenei in natura. Sulla base della cosiddetta teoria dualistica di theta oscillazioni, si può distinguere tra atropina sensibile di tipo II theta e atropina-insensitive tipo I theta 9, 10, 11. Quest'ultimo può tipicamente essere indotta da M muscarinici 1 / M per esempio, arecolina, pilocarpina, e uretano. Tuttavia, uretano è un farmaco multi-target che, oltre all'attivazione muscarinici, esercita anche effetti complessi su altre entità canali ionici. Per il tipo II theta, il percorso muscarinico prevede l'attivazione di M 1 / M 3 ed una successiva G q / 11 (Gα) l'attivazione mediata della fosfolipasi C β 1/4 (PLCβ 1/4), inositolo trifosfato (InsP 3) , diacylglycerole (DAG), Ca 2+, e la proteina chinasi C (PKC). Il ruolo di PLCβ 1 e 4 PLCβ in thetagenesis è stato convalidato in studi knock-out utilizzando PLCβ1 - / - e PLCβ4 - / - mice espositrici una perdita completa o attenuazione significativa di theta oscillazioni 12, 13, 14. M aggiuntivo 1, M 3 e M 5 bersagli a valle (channels / correnti) della cascata di segnalazione muscarinico comprendono vari conduttanze, come tipo M K + canale (K M) tramite voltaggio-dipendenti K + canale (K v 7); lento dopo iperpolarizzazione K + canale (Ks AHP); fuoriuscire K + canale (K perdite), probabilmente attraverso TWIK-correlato K acido-sensibili + canale (TASK1 / 3); corrente cazione (I CAT), probabilmente attraverso il canale di perdite Na + (NALCN); e mi h tramite iperpolarizzazione e nucleotidici gated canali ciclici (HCN). Inoltre, sono stati segnalati i recettori M 2 / M 4 dell'acetilcolina (AChR) di interferire con raddrizzatore verso l'interno K + canale 3.1 (K ir 3.1) e verso l'interno raddrizzatore K + canale 3.2 (K ir 3.2) 15.
Attualmente, disponibile in commercio software analitico consente per l'analisi rapida FFT a base di frequenza, ad esempio, l'analisi di potenza (P, mV 2)o densità spettro di potenza (PSD, mV 2 / Hz). Potenza o densità spettro di potenza (PSD) analisi della gamma di frequenze theta contiene solo una panoramica globale della sua attività. Tuttavia, al fine di ottenere una visione dettagliata l'attività theta cognitive e del comportamento legati, l'analisi delle oscillazioni theta altamente organizzati è obbligatoria. La valutazione delle oscillazioni theta altamente organizzati è di fondamentale importanza nel campo delle malattie neurodegenerative e neuropsichiatriche. La maggior parte degli studi sulle malattie sperimentali sono svolte in modelli di topi transgenici che utilizzano altamente sofisticati approcci neurochirurgici per registrare la superficie epidurale e EEG intracerebrali profonde. Queste tecniche comprendono entrambi i sistemi cavezza 16 e configurazioni radiotelemetrico 17, 18. oscillazioni theta possono essere registrati come oscillazioni theta spontanee e comportamentali legati in condizioni di registrazione a lungo termine. Inoltre, theta oscillazioni possono essere recorded dopo induzione farmacologica, ma anche in seguito l'esposizione di animali per attività comportamentali o cognitivi o di stimoli sensoriali, come la coda di pizzicare.
Approcci presto per caratterizzare theta oscillazioni sono stati descritti da Csicsvari et al. 19. Gli autori progettato uno strumento semi-automatizzato per l'analisi theta breve termine (15 - 50 min), che non è adatto per registrazioni EEG lungo tempo. Il nostro metodo, descritto qui, consente l'analisi della registrazione EEG a lungo termine> 48 h 20. Csicsvari et al. 10 indicato anche il rapporto theta-delta, ma nessuna soglia per la determinazione di oscillazioni theta altamente organizzati è fornito. Le definizioni delta e theta gamma corrispondono le nostre definizioni gamma di frequenza. Dato che non è esplicitamente menzionato, si presume che un metodo basato su FFT viene utilizzato da Csicsvari et al. calcolare la potenza delle bande di frequenza theta-delta. Questonuovo differisce chiaramente dal nostro metodo, poiché si calcola ampiezze wavelet basata su un gran numero di scale di frequenza (frequenza passaggi Δ (f) = 0.05 Hz), con conseguente precisione molto maggiore. La durata dell'epoca EEG singolarmente analizzato è simile alla nostra definizione.
Klausberger et al. 21 anche fare uso di rapporti theta-delta per l'analisi delle registrazioni EEG a lungo termine. Tuttavia, ci sono tre principali differenze rispetto al nostro approccio: i) la durata dell'epoca EEG è molto più lungo, cioè almeno 6 s; ii) il rapporto theta-delta è impostato a 4, che è molto superiore nostra soglia, ed è relativo a diverse definizioni gamma di frequenza; e iii) la definizione di potenza possa essere basata su un approccio FFT, che manca di alta precisione, in particolare per le finestre di tempo molto brevi (2 s, cioè, 5 cicli di oscillazioni con frequenza di 2,5 Hz). In tali casi, una procedura basata su wavelet è più raccomandabile.Uno studio condotto da Caplan et al. 22 esclusivamente calcolato potere theta ignorando il rapporto potenza theta-delta. Così, la Caplan avvicinarsi 22 non può distinguere tra processi cognitivi ricco theta accompagnati da un delta alta o bassa.
Nel seguente protocollo, presenteremo il nostro approccio analitico wavelet-based per analizzare in modo affidabile le oscillazioni theta altamente organizzati nelle registrazioni EEG ippocampali da topi. Poiché questa procedura funziona automaticamente, può essere applicato a grandi insiemi di dati e misurazioni EEG a lungo termine.
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Protocol
Tutti sperimentazione animale è stata eseguita secondo le linee guida del Consiglio locale e istituzionale su Animal Care (Università di Bonn, BfArM, LANUV, Germania). Inoltre, tutti sperimentazione sugli animali è stata effettuata in conformità con la legislazione superiore, ad esempio, la direttiva del Consiglio Comunità europee del 24 novembre 1986 (86/609 / CEE), o la legislazione regionale o nazionale individuale. sforzo specifico è stato fatto per ridurre al minimo il numero di animali utilizzati, nonché le loro sofferenze.
1. L'alloggio e EEG condizioni di registrazione animali
- topi Casa in filtro-top gabbie o usano gabbie individualmente ventilate.
- Trasferire i topi dalla struttura animale di armadi ventilati nelle camere di laboratorio speciali che sono appropriati per gli animali impiantati e registrazioni telemetrici.
- Eseguire tutte le sperimentazioni sugli animali, tra cui elettrodi EEG impianto e le successive registrazioni, in condizioni standardizzate (22 ° C temtemperatura, / 12 h ciclo di 12 h di luce-buio, 50-60% di umidità relativa, l'attenuazione del rumore, ecc) 18.
- Prima dell'impianto trasmettitore a radiofrequenza, gli animali di casa in gruppi di 3 - 4 in chiaro di tipo II gabbie in policarbonato, con cibo e acqua ad libitum. Non isolare singoli topi, in quanto ciò può causare stress e interferire con la successiva sperimentazione e risultati.
- Non utilizzare condizioni abitative aperte, ma usare armadi ventilati invece durante la sperimentazione e la registrazione.
2. radiotelemetrico EEG impianto di elettrodi e EEG Recordings
- Anestetizzare i topi utilizzando narcotici di iniezione, per esempio, ketaminehydrochloride / xylazinehydrochloride (100/10 mg / kg, per via intraperitoneale, ip) o stupefacenti inalazione, ad esempio, isoflurano 17, 18.
- Per la narcosi isoflurano, posizionare il mouse in una induzione cHamber con 4-5% isoflurano e 0,8-1% di ossigeno o CarboGen (5% di CO 2 e il 95% O 2).
- Inserire una maschera di silicio sul naso / bocca dell'animale per controllare la profondità desiderata di anestesia ed evitare l'esposizione sperimentatore di isoflurano utilizzando un sistema di evacuazione fumi.
- Utilizzare anestetici iniettabili, per esempio, esketaminhydrochloride (100 mg / kg, ip) e xylazinehydrochloride (10 mg / kg, ip), se anestesia per inalazione non è disponibile.
- Monitorare la profondità dell'anestesia controllando il pizzico reflex coda, piedi pizzico reflex, e la frequenza respiratoria. Si noti che la respirazione artificiale mediante intubazione tracheale non è necessaria nei topi.
- Impianto del trasmettitore a radiofrequenza in un sacchetto sottocutanea sul dorso dell'animale.
- Rimuovere il corpo capelli dal cuoio capelluto e pretrattare il cuoio capelluto rasata con due disinfettanti, vale a dire, il 70% di etanolo e uno scrub a base di iodio.
- Usando un bisturi, fareun'incisione mediana sul cuoio capelluto dalla fronte alla regione nucheal.
- Partendo dall'incisione nucale, preparare una sacca sottocutanea su un lato della parte posteriore dell'animale eseguendo una dissezione smussata con le forbici chirurgiche o una sonda chirurgica.
- Inserire il trasmettitore nel sacchetto sottocutaneo e depositare la lunghezza in eccesso del trasmettitore flessibile conduce nel sacchetto pure. Prestare particolare attenzione alla prevenzione di contaminazione del sito chirurgico e l'impianto trasmettitore. Correttamente isolare sterile da aree non sterili con tende.
- Posto l'animale sperimentale sul telaio stereotassico, ad esempio, un dispositivo stereotassico 3D computerizzato. Fissare il cranio con una pinza il naso e le orecchie bar.
- Pretrattare il cranio con 0,3% H 2 O 2 per rimuovere ulteriormente il tessuto dal cranio e per illuminare le suture craniche e punti di riferimento craniometrics, bregma e lambda.
- fori alle coordinate di scelta(Vedi punto 2.6) utilizzando un trapano neurochirurgia ad alta velocità in una modalità priva di pressione alla massima velocità.
NOTA: foratura senza pressione evita la svolta improvvisa della testa di perforazione e danni alla corteccia. Per una craniotomia, si raccomanda un neurochirurgico trapano ad alta velocità. Scegliere diametri standard drill-testa di 0,3 - 0,5 mm, a seconda del diametro dell'elettrodo. - selezionare con attenzione il tipo di elettrodo, considerando l'impedenza, diametro, rivestimento, ecc
NOTA: tungsteno parylene a polvere o in acciaio inossidabile elettrodi sono i più comuni. I tipi di elettrodi devono essere scelti a seconda delle esigenze sperimentali. Come una manovra preventiva, sterilizzare punte degli elettrodi prima dell'impianto utilizzando il 70% di etanolo. Si noti che il rivestimento dell'elettrodo non consente la sterilizzazione a caldo. - Per intrahippocampal registrazioni CA1 EEG, praticare un foro stereotaxically alle seguenti coordinate: bregma, -2 mm; mediolaterale, 1,5 mm (emisfero destro); dorsoventrale, a 1,3 mm (target regione: cornu Ammonis (CA1) strato piramidale). Per l'elettrodo di riferimento, praticare un foro al di sopra della corteccia cerebellare alle seguenti coordinate stereotassica: bregma, -6.2 mm, mediolaterale, 0 millimetri; dorsoventrale, 0 mm.
NOTA: L'elettrodo cerebellare funge da elettrodo pseudoreference, come il cervelletto è una regione del cervello piuttosto silenziosa. Le coordinate stereotassica sono stati ottenuti da un atlante del cervello del mouse standard. - Prima dell'inserimento degli elettrodi, li abbreviare la lunghezza desiderata. Meccanicamente ritagliare la parte extracranial dell'elettrodo alla spirale in acciaio inox del trasmettitore.
NOTA: saldatura dovrebbe essere evitata, in quanto ciò può introdurre rumore sostanziale nel sistema. - Attaccare l'elettrodo al braccio verticale del dispositivo stereotassico e inserire l'elettrodo secondo le suddette coordinate stereotassica.
- Fissare gli elettrodi utilizzando cemento vetroionomerico e attendere che il cemento è completamente indurito.
- Chiudere il cuoio capellutoutilizzando over-e-oltre suture con non assorbibile 5-0 o 6-0 materiale di sutura.
- Per la gestione del dolore post-operatorio, amministrare carprofen (5 mg / kg, per via sottocutanea, sc) una volta al giorno per 4 giorni consecutivi post-impianto. Si noti che carprofen deve essere iniettato prima incisione iniziale (fase 2.2.2).
- Consentire agli animali di recuperare per 10 - 14 giorni dopo l'impianto prima che le registrazioni e / o esperimenti di iniezione vengono avviati.
3. Le registrazioni spontanee di Theta Oscillazioni e farmacologica induzione
- Attivare il trasmettitore a radiofrequenza con l'interruttore magnetico. Posto l'animale con la sua gabbia casa sul piatto ricevitore. Eseguire registrazioni EEG dell'ippocampo a lungo termine per almeno 24-48 ore.
NOTA: L'analisi di EEG ampiezza e caratteristiche di frequenza EEG di registrazioni a lungo termine fornisce una visione dettagliata della dipendenza circadiano delle oscillazioni theta e la loro associazione con la specifica del comportamento eCondizioni cognitivo / attività. Sempre combinare registrazioni EEG con monitoraggio video degli animali da esperimento. - Per l'induzione farmacologica del theta oscillazioni, somministrare una dose singola di uretano (800 mg / kg ip) o una singola dose di un agonisti del recettore muscarinico, ad esempio pilocarpina (10 mg / kg ip), arecolina (0,3 mg / kg ip) o oxotremorina (0,03 mg / kg ip). Pretrattare topi con N-Metylscopolamine (0,5 mg / kg ip) per evitare reazioni muscarinici periferici. Appena sciogliere tutti i farmaci in soluzione 0,9% di NaCl o Ringer.
NOTA: dosaggi più alti di agonisti dei recettori muscarinici potrebbero causare induzione sequestro negli animali da esperimento. ritengono inoltre che i dosaggi qui riportati rappresentano punti di riferimento che richiedono studi dose-effetto precedenti nella linea di topi sotto inchiesta. Si noti che uretano è un mutageno e carcinogeno che richiede adeguate precauzioni di stoccaggio e movimentazione. - Iniettare atropina (50 mg / kg, ip) per differenziare atropina sensibili di tipo IIdal tipo atropina-insensitive che theta oscillazioni.
NOTA: Il dosaggio atropina è di nuovo specie- e strain-dipendente e richiede la preventiva valutazione dose-effetto. Il punto di tempo ottimale di iniezione atropina dipende dalle farmacodinamica di agonisti dei recettori muscarinici. Per l'identificazione di tipo II theta, iniezione atropina è consigliato 1 ora dopo la somministrazione di uretano. - Cercate di evitare la successiva applicazione di diversi farmaci, come la somministrazione di farmaci sistemici altera trascrizionale e traslazionale modelli globali che influenzano le successive registrazioni EEG. Si noti che di breve durata theta oscillazioni può anche essere indotta da stimoli sensoriali, come il fanalino posteriore o la zampa-pizzicare.
- Estratto / set di dati rappresentativi esportazione EEG del pre-fase (baseline) e la fase post-iniezione dalla registrazione EEG totale come file ASCI o TXT, considerando la farmacocinetica dei farmaci applicati e le esigenze del singolo protocollo di studio.
4.Validazione di EEG Posizionamento degli elettrodi
- Euthanize animali mettendoli in una camera di incubazione e introdurre 100% di anidride carbonica. Utilizzare un tasso di riempimento del 10-30% del volume della camera per min addizionata con anidride carbonica all'aria esistente nella camera di incubazione; questo si tradurrà in rapida incoscienza con minimo stress agli animali.
- Rimuovere il mouse dalla camera di una volta si verifica un arresto respiratorio e colore degli occhi sbiaditi persiste per 2-3 minuti.
- Tagliare gli elettrodi in acciaio inox e espiantare il trasmettitore a radiofrequenza. Decapitare il mouse utilizzando forbici o una ghigliottina e rimuovere il cervello dal neurocranio dalla manipolazione delicata con le forbici e pinze chirurgiche.
- Fissare i cervelli in paraformaldeide al 4% in tampone fosfato (PBS) (pH 7,4) durante la notte. Per crioprotezione, trasferire il cervello e il 30% di glucosio e loro conservazione a 4 ° C fino ad ulteriore lavorazione.
NOTA: Paraformaldeide è considerato pericoloso dal 2012 OSHA HazARD Communication Standard (29 CFR 1910.1200). Prendere le precauzioni necessarie: utilizzare dispositivi di protezione personale, garantire una ventilazione adeguata ed evitare la formazione di polvere. Inoltre, rimuovere le fonti di accensione e prendere misure precauzionali contro le scariche elettrostatiche. Paraformaldeide non deve essere disperso nell'ambiente. - Montare il cervello estratto sul supporto del tessuto di un criostato con un adesivo e tagliare il cervello in 40 - 75 micron fette coronali. Montare le fette su vetrini e macchiare con Nissl blu utilizzando la procedura standard di istologica; questa procedura visualizzerà il canale ramo che riflette la posizione degli elettrodi precedente. Si noti che è anche possibile tagliare fette coronali dal cervello nativa utilizzando un vibroslicer
- Incorporare solo quegli animali che soddisfano corrette EEG criteri di posizionamento degli elettrodi; per la regione CA1, la punta dell'elettrodo profondo deve essere localizzata all'interno dello strato CA1 piramidale.
- Record CA1 EEG intrahippocampal con una frequenza di campionamento adeguato, senza a priori filtro di cut-off.
NOTA: La frequenza di campionamento, che è specifico per il trasmettitore, determina il limite di frequenza superiore dell'analisi EEG. - Elaborare i dati registrati con un software di analisi. Programma tempo-frequenza di analisi e calcoli con le procedure di misura per l'adeguato controllo dei metodi di analisi (Figura 5) 20.
- Tagliare il EEG registrato in sezioni con una lunghezza di 1 ora ciascuna. Utilizzare processori per computer veloci, dal momento che il tempo di calcolo è alto. Inoltre, fare uso di software che può parallelizzare calcolo su più kernel 20.
6. Analisi dei dati di EEG
- Analizzare i segmenti di dati utilizzando un complesso Morlet wavelet per calcolare sia la frequenza e l'ampiezza delle oscillazioni.
NOTA: Questo Wavelet (ad esempio, Ψ (x) = (π b)(- 1/2) exp (2 i π c x) exp (-x 2 / b), dove b è il parametro di larghezza di banda, c la frequenza centrale e l'unità immaginaria i) è stato spesso applicato in letteratura per studiare EEG dati, in quanto garantisce risoluzione ottimale sia nella frequenza e di tempo 23, 24. - Utilizzare una frequenza parametro della larghezza di banda e al centro che in particolare i pesi la risoluzione di frequenza di distinguere le differenze di frequenza a livello di 0,1 Hz, pur non trascurando una risoluzione temporale sufficiente.
NOTA: i processi neuronali nella banda gamma sono di breve durata 25, e questo può anche essere vero per theta ritmi. Pertanto, l'approccio analitico deve considerare adeguata risoluzione temporale. - Analizzare i dati EEG nella gamma di frequenze tra 0,2 - 12 Hz, con un passo di integrazione di 0,1 Hz, quindi anche il delta tipica, lata, e frequenza alfa gamme.
- Impostare un, strumento analitico complesso automatizzato per l'elaborazione dell'architettura di frequenza Theta, che può sostituire un controllo visivo del livello theta oscillazioni; questa procedura si chiama il metodo di rilevamento theta (TDM).
- Calcola il quoziente della massima ampiezza nella gamma di frequenza theta (3,5-8,5 Hz) e l'ampiezza massima nella gamma di frequenza delta superiore (2-3,4 Hz) per le finestre di tempo di 2,5 s ogni.
NOTA: Il valore di questo quoziente serve come misura per decidere se si è verificata una oscillazione theta. La definizione della gamma di frequenza theta può variare a seconda dello stato e neuroanatomica circuiteria / sistema funzionale da analizzare. - Classificare un segmento come "epoca oscillatorio theta," se il rapporto calcolato nel corso di questo segmento è superiore a 1,5.
NOTA: Ciò garantisce che l'ampiezza massima theta è maggiore almeno del 50% rispetto alla ampiezza nella banda delta superiore durante la relativa 2.5 s EEGsegmento. Si noti che il rapporto potrebbe essere necessario adattamento seconda linea e / o la specie utilizzata. Un intervallo di 2,5 s rappresenta una durata minima per una oscillazione theta, impedisce rilevamenti di falsi positivi di certe epoche rumorosi, e si trova all'interno delle definizioni serie di altre pubblicazioni 19, 26. La gamma di frequenza delta superiore serve come una banda di frequenza controllo perché fisiologicamente rilevante attività delta appare durante epoche non-theta, per esempio, durante il sonno a onde lente, che è altamente inumidito durante l'attività theta. - Ripetere questa procedura per tutte le sezioni 1 h; Pertanto, ogni sezione è costituita da 1.440 segmenti EEG con lunghezze di 2,5 s ogni.
- Statisticamente valutare i dati delle epoche di oscillazione theta identificati.
- Calcolare le statistiche dei tempi di durata totale di rilevati theta epoche; gruppi distinti o predefiniti; cicli, come la luce / buio; e altri parametri.
NOTA: STATIstica può includere t-test, ANOVA, MANOVA o, a seconda della variabile, il numero di gruppi, le condizioni, etc. - Calcolare le statistiche di ampiezza delle epoche theta identificati, ma soltanto nella gamma di frequenza theta (3.5 - 8.5 Hz).
- Valutare le statistiche della frequenza delle epoche theta identificati, ma soltanto nella gamma di frequenza theta (3.5 - 8.5 Hz).
NOTA: La frequenza theta di un'epoca theta è definita come la frequenza appartenente alla massima ampiezza theta di un'epoca theta.
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Representative Results
Theta attività può essere registrata in una vasta gamma di sistema nervoso centrale (SNC) regioni. Qui, vi presentiamo un'analisi del theta oscillazioni del ippocampo murino. Tali oscillazioni possono verificarsi durante stati comportamentali e cognitivi differenti. Si consiglia vivamente di analizzare theta oscillazioni sotto le due a lungo termine, compito legate a breve termine, e le condizioni farmacologicamente indotti spontanee.
La figura 1 illustra un rappresentante di registrazione intrahippocampal CA1 in condizioni di controllo. Se l'animale non è in uno spontaneo "stato theta," il intrahippocampal EEG è spesso caratterizzata da grande irregolare ampiezza (LIA) l'attività. La somministrazione di agonisti dei recettori muscarinici (ad esempio, arecolina, pilocarpina, o uretaniche) determina oscillazioni theta altamente organizzati che possono essere bloccati da atropina (50 mg / kg, ip, Figura 1).
(Figura 2). Sulla base di questa classificazione, è possibile quantificare la durata totale delle oscillazioni theta in condizioni spontanei o compiti comportamentali e cognitivi specifici.
Per analizzare un segmento EEG 30 min (da per uretano farmacologico / atropina theta dissezione), abbiamo prima effettuare un'analisi di tempo-frequenza per una gamma di frequenza di 0,2-12 Hz, che visualizza l'ampiezza (mV) in un colore- di modo codificato (Figura 3). Come diventa evidente in Figura 3, l'attività theta ampiezza elevata, che è confermato da un esame visivo del EEG (frecce bianche), è accompagnata da una bassa ampiezza nella gamma di frequenza delta. Poi, le ampiezze massime deltheta (3,5-8,5 Hz) e delta (2-3,4 Hz) intervalli di frequenza sono tracciate (Figura 3 B). Studi di correlazione sistematici rivelato che il rapporto di massima theta ampiezza massima ampiezza delta superiore a 1,5, indicando oscillazioni theta altamente organizzati (Figura 3 C).
La figura 4 dimostra come uretano può indurre oscillazioni theta dell'ippocampo (cerchi bianchi in Figura 4 II). Uretano è un farmaco multi-target che può innescare tipo II theta a causa sua azione agonista sui recettori muscarinici. A seguito di una iniezione di atropina (figura 4 III), questi tipo II oscillazioni theta (atropina sensibili oscillazioni theta) sono abolite. E 'importante considerare che i agonisti dei recettori muscarinici, oltre a atropina, hanno le singole proprietà farmacocinetiche che influenzano le caratteristiche temporali del theta presenza e theta blocco. Va notato che atropina-insensitive tipo I theta rimane unaffette da antagonisti dei recettori muscarinici.
Una sintesi di tutta strumento di rilevamento theta e quantificazione è mostrata in figura 5. Risulta nel calcolo della ampiezza, frequenza e somma / media theta durata. Contrariamente alle tecniche precedentemente descritte, si fa uso di un approccio basato su wavelet con alta precisione. Lo strumento analitico descritto qui ha diversi campi di applicazione. Oscillazioni theta sono generati nel sistema septohippocampal e sono spesso compromesse da processi neurodegenerativi, ad esempio, nella malattia di Alzheimer. Numerosi modelli del mouse della malattia di Alzheimer sono stati descritti che variano in omologia, isomorfismo, e prevedibilità. Alcuni di questi modelli sono stati segnalati ad esporre una riduzione theta attività, mentre altri sono stati mostrati per visualizzare un aumento theta attività, la ragione per cui resta da determinare. Abbiamo applicato con successo il theta rilevazione tool descritto qui di caratterizzare alterato architettura theta oscillatorio nel modello 5XFAD della malattia di Alzheimer 8. Tuttavia, potrebbe essere applicato anche nel campo della ricerca epilessia e malattie neuropsichiatriche.
Figura 1: Theta Oscillazioni in topi C57BL / 6. Radiotelemetrico registrazione CA1 intrahippocampal in condizioni spontanee (I) e in seguito a iniezione di uretano (800 mg / kg, ip, II). Dopo iniezione uretano, oscillazioni theta altamente organizzati diventano visibili, che può essere bloccato da atropina (50 mg / kg, ip). Questa cifra è stata modificata dal riferimento 20, con il permesso. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 2: un'analisi Wavelet a base di un EEG registrazione profonda CA1 da un C57Bl / 6 del mouse. (A e B) Due 2.5-s epoche EEG sono raffigurati, visivamente classificate rispettivamente come non-theta e theta segmenti. (C e D) Analisi tempo-frequenza dei segmenti CA1 EEG visualizzati in A e B nell'intervallo 0,2-12 Hz, con l'ampiezza essendo codice colore. L'analisi tempo-frequenza in C presenta irregolare, architettura theta fluttuante materia di frequenze e tempo, mentre un segmento con oscillazioni theta altamente sincronizzate è caratterizzato da un regolare, esente da fluttuazioni di ampiezza elevata theta di una frequenza quasi costante di 6 Hz. Il rapporto di massima theta di massima ampiezza delta è 1,25 C e 4,67 in D, classificazione chiara
Figura 3: A Theta Detection Tool Wavelet-based. (A) Analisi tempo-frequenza di un segmento EEG 30 min (non mostrato) che è stato registrato dopo somministrazione uretano. Analisi complessa basato wavelet Morlet stata eseguita nell'intervallo 0,2-12 Hz, con l'ampiezza (mV) essendo codice colore. (B) Questa immagine mostra la massima ampiezza della banda di frequenza theta (3,5-8,5 Hz, verde) e la banda delta superiore (2-3,4 Hz, rosso) per il segmento EEG 30 min. (C) Questa figura illustra il rapporto tra l'ampiezza massima theta(verde in B) e l'ampiezza delta massimo (rosso in B). Si noti che le oscillazioni theta altamente sincronizzati correlano con rapporti suprathreshold in C. Questo dato è stato ristampato da Reference 20, con il permesso. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Analisi Wavelet a base di farmacologicamente indotto, altamente organizzate Theta oscillazioni. segmenti rappresentativa 30 min EEG (non mostrate) sono analizzati nella gamma di frequenza di 0-12 Hz con l'ampiezza (mV) essendo codice colore. Un'iniezione uretano a 800 mg / kg, ip, ha determinato il verificarsi frammentata di oscillazioni theta altamente organizzati, con una frequenza predominante di circa 6 Hz (cerchi bianchi). A seguito di un ainiezione ropine a 50 mg / kg, ip, queste oscillazioni theta sono aboliti. Questa cifra è stata ristampata da Reference 20, con il permesso. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Schema di flusso che illustra la quantificazione dei altamente organizzato Theta Oscillazioni Registrato dal Murine CA1. Tipo II oscillazioni theta possono essere analizzati utilizzando un controllo della registrazione (fase), un post-iniezione (ad esempio, uretano, arecolina o pilocarpina) di fase, e una fase di post-atropina (A1). 30 segmenti min EEG (A2) da ogni fase sono tempo-frequenza analizzata nel campo da 0.2-12 Hz utilizzando un approccio basato su wavelet (B1 e B2). Avanti, Segmen thetarilevamento t viene avviata (C1), dando uno sguardo più da vicino le caratteristiche tempo-frequenza di serie theta (3,5-8,5 Hz, C2) e la gamma Delta superiore (2-3,4 Hz, C3) per epoche EEG che sono 2,5 s ogni (C4 e C5). Successivamente, l'ampiezza viene analizzato sulla gamma di frequenze theta e delta raffiguranti i valori massimi (C6 e C7). Se l'ampiezza massima di theta / triangolo supera 1,5, 2,5 s segmento EEG è classificato come epoca di oscillazione theta altamente organizzata (C8), con ampiezza e frequenza definita (D1-D3). Questo strumento di rilevamento theta consente la quantificazione del theta architettura oscillazione (E1). Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Theta attività è di importanza centrale nella neurofisiologia sistemica. Si può osservare in diverse regioni del cervello, particolarmente nell'ippocampo, dove è relativo a stati comportamentali e cognitivi specifici. Inoltre, dell'ippocampo theta può essere farmacologicamente differenziato in tipo atropina sensibili II e atropina-insensibile tipo I theta. Tipo I è pensato per essere collegato con la locomozione, come camminare o correre 27, 28, 29, 30, 31, mentre il tipo II può essere osservato durante lo stato di allerta-immobilità 27, 28, 29, 30. Gli stati di allerta-immobilità può essere indotta da toni o tattili stimoli frequenti e casuali, per esempio 32. Tipo II theta è anche legato alla passive rotazione di tutto il corpo 14. Durante il sonno paradossale, entrambi ritmo theta atropina-sensibili e atropina-resistenti sono presenti 33. Lo stato di riposo l'immobilità è caratterizzata da grande attività irregolari (LIA) 27.
In generale, theta oscillazioni possono essere registrati in condizioni spontanee, ma anche dopo induzione farmacologica (ad esempio, tramite l'applicazione di agonisti dei recettori muscarinici, come uretano, pilocarpina, arecolina, oxotremorina, etc.). Si noti che, farmacodinamicamente, uretano è un farmaco multi-target che possono migliorare di tipo II theta, ma anche inibire tipo I theta. Al contrario, pilocarpina, arecolina, e oxotremorina selettivamente indurre tipo II theta. A seconda farmacocinetica di agonisti muscarinici utilizzati, richiede una quantità variabile di tempo fino a quando si verificano theta oscillazioni. Tipo II può essere bloccata efficacemente atropina. Criticamente, il faisaggi di agonisti e antagonisti muscarinici per indurre e tipo di blocco II oscillazioni theta sono specie-e strain-dipendente. Pertanto, è importante eseguire studi dose-effetto per svelare la dose ottimale per l'induzione delle oscillazioni theta e per il loro bloccaggio per una specifica domanda scientifica. Di breve durata theta oscillazioni può anche essere indotta da stimoli sensoriali, come il fanalino posteriore o la zampa-pizzicare.
Ci sono diversi approcci per caratterizzare l'attività theta in generale. approcci basati su FFT, con conseguente continui o discontinui (banda di frequenza relativi) densità di spettro di potenza (PSD) di analisi / rustico o in un analisi di potenza per le singole bande di frequenza, sono approcci standard che forniscono preziose informazioni sulle caratteristiche di frequenza.
Tuttavia, per ottenere una visione più complessa in architettura theta, ulteriori approcci sembrano essere necessaria. In particolare, si potrebbe essere interessato al diverso organoStati izational di theta e delle loro frequenze, che non possono essere valutati direttamente e con precisione dalle procedure di cui sopra. Al contrario, la tecnica analitica romanzo qui presentata è wavelet-based e capace di valutare altamente organizzati, oscillazioni theta breve termine. Essi non corrispondono al potere theta standard, che considera anche parossistica, l'attività theta discontinua. L'obiettivo è quello di suscitare specifiche caratteristiche tempo-frequenza nei dati EEG che sono tipici per theta epoche. Così, il nuovo metodo impedisce classificazioni falsi positivi di theta epoche. La procedura automatizzata garantisce la valutazione del set di dati di lunga durata EEG e comprende quindi i confronti statistici affidabili di cicli fisiologici (/ ciclo scuro chiaro o ritmicità circadiana) durante gli studi a lungo termine.
Questo protocollo è di particolare importanza per l'analisi dei dati EEG ottenuti da modelli animali di malattie neurodegenerative, in particolare nella caratterizzazionezione di architettura theta altamente organizzata nel septohippocampal e altri sistemi neurali. analisi theta complessa e di alta precisione potrebbe aiutare a determinare le impronte digitali EEG che possono servire come biomarcatori EEG in futuro.
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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
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