الرنين المغناطيسي الوظيفي في وقت واحد والكهربية في الدماغ القوارض

Neuroscience

Your institution must subscribe to JoVE's Neuroscience section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

طورنا طريقة لمتزامنة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي وتسجيل الكهربية في الدماغ القوارض ، وتوفير منبر للتحقيق في العلاقة بين النشاط العصبي ومستوى الأوكسجين في الدم التابعة (بولد) إشارة التصوير بالرنين المغناطيسي.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Pan, W., Thompson, G., Magnuson, M., Majeed, W., Jaeger, D., Keilholz, S. Simultaneous fMRI and Electrophysiology in the Rodent Brain. J. Vis. Exp. (42), e1901, doi:10.3791/1901 (2010).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

لدراسة الأساس العصبي للمستوى الأوكسجين في الدم التابعة (بولد) التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) إشارة ، قمنا بتطوير نموذج القوارض في البيانات التي والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي

Protocol

1. هذه هي عملية جراحية غير البقاء. الخطوة الأولى هي زرع أقطاب كهربائية. في هذا المثال ، سيتم زرع أقطاب كهربائية في مناطق القشرة الحسية الجسدية من forepaw الأولية كل من نصفي الكرة الأرضية.

  1. تخدير الفئران (ذكور الفئران SD ، 200-300 ز) مع 2 ٪ isoflurane والإصلاح في مكانه على نظام الجراحية المجسم. قبل البدء في عملية جراحية ، تأكد من أن الحيوان هو تخدير جيدا ويسلك أي استجابة لقرصة أخمص قدميه. إزالة الفراء قبل فتح فروة الرأس. فصل العضلات والأنسجة الأخرى فوق الجمجمة ومنع أي نزيف على سطح العظام باستخدام cauterizer.
  2. يعد رصيف على سطح الجمجمة (بالقرب من مفرق على شكل V - خط الوسط الأمامي) كنقطة التثبيت للرمح القطب المزروع ، وذلك باستخدام الاسمنت الأسنان. قد وضع المسمار مجموعة صغيرة من النايلون في العظام قبل تطبيق زيادة الاستقرار الاسمنت الأسنان. يجب أن يكون حجم الرصيف شكل مع الأسمنت بنحو 5 مم و 3 مم × 5 2 في المنطقة على قاعدة (أنظر الشكل 1).
  3. باستخدام الحفر الكهربائية يميل غرامة ، وفتح الجمجمة بدقة وفضح الجافية على تمثيل في القشرة الحسية الجسدية forepaw الأساسي لكل نصف الكرة الغربي. يجب على كل ثقب قطره بحوالي 1 ملم المتمركزة 1 ملم الأمامي لو 4 ملم من bregma الوحشي. تحت المجهر ، وقطع فتحة صغيرة في الجافية باستخدام إبرة حقنة غيض ، والحرص على تجنب أي ضرر بالسفينة.
  4. قبل إدراج كل قطب ، تأكد من عدم وجود نزيف أو نضح موجودا بالقرب من الشقوق. وينبغي أن يكون مستعدا microelectrodes الزجاج قبل الجراحة مع ما يقرب من 3 ~ 4 سم وطول رمح مقاومة من 1 ~ 5 Mω. ملء الشعرية القطب مع CSF الاصطناعي (ACSF) وإدراج كل قطب كهربائي بشكل غير مباشر (~ 45 درجة ، من الخلف إلى الأمام) في الدماغ ~ 0.4 مم من الجافية فتحها باستخدام الذراع المجسم. قبل تحديد موضع التنفيذ ، والتحقق من الإشارات الكهربائية. وينبغي أن تراجع واحدة من نهاية سلك الفضة chloridized في ACSF والطرف الآخر متصلا المدخلات يؤدي إلى مكبر للصوت. سلك الفضة ، وتعلق تحت الجلد في الجزء الخلفي من الجلد فتح ، بمثابة قطب المرجعية.
  5. قبل تثبيت القطب ، والتحقق من مضاعفة مساحة الجراحية وتأكد من عدم حدوث نزف أو نضح ، ومن ثم تطبيق معجون الأسنان ليحل محل إزالة الجلد والعضلات على الجمجمة. استخدام معجون الأسنان على تحسين جودة الصورة من خلال تقليل MR الحساسية عدم تطابق في واجهة الجمجمة / الهواء. إرفاق رمح الكهربائي إلى الرصيف أعدت مع الاسمنت الأسنان (انظر الشكل 1).
  6. بعد علاج الأسنان الاسمنت ، ونقل الحيوان إلى مهد التصوير بالرنين المغناطيسي والإصلاح في المكان. رصد حالة الفئران ليالي الفسيولوجية للفترة المتبقية من الدراسة ، بما في ذلك درجة حرارة الجسم ومعدل التنفس ، ومعدل 2 SPO القلب.
  7. موقف لفائف السطحية (الإرسال / التلقي) على رأسه ، مع الأقطاب البارزة من وسط لفائف. إضافية على شكل قوس تغطية الثابت الذي يجلس على قمة مهد بمثابة دعم لتثبيت للقطب يؤدي لتجنب الحركة التي يسببها التنفس الحيوانية. يؤدي استخدام التصوير والتسجيل في وقت واحد تمتد إلى ~ 5 م (يقع مكبر للصوت خارج الغرفة المغناطيس) ومغطاة بالبلاستيك موصل والتي هي بمثابة درع السلبي.
  8. يمكن أن تنتقل من التخدير لisoflurane medetomidine للحد من النشاط العصبي قمع الرغبة. فحص الإشارات الكهربائية مرة أخيرة قبل نقل الحيوان إلى المغناطيس. في دراساتنا ، وتسجيل المعلمات على النحو التالي : × 1000 تضخيمها ، 0.1Hz ~ 5 K - تصفيتها ممر الموجة هرتز ، 60 هرتز ، درجة وتصفيتها ، و 12 كيلوهرتز معدل عينة تمثيلية للتحويل إلى الرقمية.

2. عند هذه النقطة ، يتم إدخال الحيوان في الماسحة الضوئية التصوير بالرنين المغناطيسي للتصوير وتسجيل متزامنة. لتخدير الحيوانات في جميع أنحاء الداخلي التصوير.

  1. تم استخدام 9.4 T الحيوانات الصغيرة التصوير بالرنين المغناطيسي للنظام (بروكر ، ألمانيا) في دراساتنا. قبل التسجيل ، يجب وضع معايير التصوير. وتستخدم الطائرة الكشفية three الصورة لموقف أشعة الرنين المغناطيسي الوظيفي. لتحسين تجانس الحقل المغناطيسي ، وهو shimmed حجم الاهتمام به FASTMAP 1. للدراسات الرنين المغناطيسي الوظيفي ، وقد تم اختيار شريحة التصوير الاكليلية ، التي شملت forepaw الابتدائية الثنائية المناطق الحسية الجسدية ، والتي تم زرع أقطاب كهربائية. كان التصوير المعلمات EPI FOV ، 1.92 X 1.92 سم 2 ؛ حجم المصفوفة ، 64 × 64 ، وفي الطائرة القرار ، 0.3 X 0.3 مم 2 ؛ شريحة سمك ، و 2 مم ؛ TR / TE ، 500/15 مللي.
  2. بعد التصوير يمكن الإعداد الكامل ، في وقت واحد تسجيل الرنين المغناطيسي الوظيفي ، وتبدأ. ويبين الشكل 2 صورة ممثل برنامج التحصين الموسع والتسجيلات الخام أثناء التصوير. التبديل السريع للالتدرجات النتائج خلال الحصول على الصور في تسجيلات المشبعة ، والتي تستمر لجزء صغير فقط من كل دورة من دورات الفحص (22 / 500 مللي ثانية). بعد الحصول على الصور ، وretur الإشارة الكهربائيةنانوثانية إلى خط الأساس مع نموذج غير المشبعة التذبذب (انظر الشكل 3). الرنين المغناطيسي الوظيفي يمكن أن تجري خلال الجمع بين وتسجيل حالة الراحة (كما هو موضح في هذه الدراسة) أو من خلال التحفيز. دراسات لتحفيز الاقتصاد ، والمعلمات التصوير هي نفسها لدراسة حالة الراحة ، مع التحفيز الكهربائي للforepaw زودت به 9 هرتز ، 1 ~ 4 أمبير الحالية. هو الموت الرحيم في الفئران بعد الفحص النهائي.

3. بعد التصوير والتسجيل في وقت واحد ، يجب أن تكون البيانات قبل معالجتها قبل التحليل النهائي.

  1. نبدأ مع إزالة القطع الأثرية التدرج من التسجيلات الكهربية (انظر الشكل 3).
    1. ويمكن استخراج بنية الضجيج بسبب المسح الضوئي عن طريق حساب متوسط ​​جميع ~ 500 مللي ثانية (TR) أقسام ، كل منها يناظر الفاصلة بين الصورتين الرنين المغناطيسي الوظيفي متتالية.
    2. طرح هيكل متوسط ​​الضجيج من التسجيلات الأصلية. هذا الأسلوب فقط بتصحيح شرائح تسجيل غير المشبعة.
    3. يتم استبدال كل قطعة المشبعة المقابلة لتناوب الانحدار خلال الحصول على الصور من خلال الخط ، الذي يمر بين وقت قبل نقطة والنقطة مرة بعد الانحدار بفعل التشبع.
  2. ثم يتم تحويل التسجيلات denoised الإمكانات الميدانية على الصعيد المحلي (LFPs) لدوام السلطة ، والتي سيكون لها نفس القرار الزماني كما دوام الرنين المغناطيسي الوظيفي. يتم استخدام الطاقة في غضون متوسط ​​2 بن الثانية لحساب أدنى الترددات (دلتا الفرقة ، 1 ~ 4 هرتز) ، مع بن لفرقة 1 ثانية ثيتا (4 ~ 8 هرتز) الترددات ، وبن ليالي بين 0.5 ~ إشارات المشبعة المجاورة للترددات أعلى (> 8 هرتز ، وألفا لعصابات غاما). تم نقل نافذة منزلقة لجميع نطاقات التردد بزيادات ق 0.5 ، TR مطابقة للبيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي.
  3. لبيانات الصورة ، يتم تنفيذ معيار تجهيزها الرنين المغناطيسي الوظيفي ، بما في ذلك حركة التصحيح الرأس ، وتجانس مع صورة FWHM 0.5 مم ، وإزالة الخطية الانجراف.
  4. ويجري عبر تحليل الارتباط بين الوقت دورات LFP السلطة وطبعا الوقت من كل البيانات فوكسل التصوير. الفجوات الزمنية مختلفة تسمح للفحص من الوقت التي تعتمد على الارتباط (انظر الشكل 4).

ممثل النتائج :

كمثال ، يمكن استخدام هذه التقنية للتحقيق في العلاقة بين النشاط العصبي التلقائي وتقلبات جريئة. ويبين الشكل 4 خرائط الارتباط بين السلطة وLFP إشارة جريئة في وقت تتخلف بين -2.5 و 9.5 ليالي من الفئران. وترتبط التقلبات BOLD التردد المنخفض (<0.1 هرتز) من المناطق القشرية قرب الطرف الكهربائي مع التغيرات السلطة LFP (<0.1 هرتز) في التأخير من 2 ~ 6 ثانية.

الشكل 1
الشكل 1. تكوين تخطيطي لزرع قطب كهربائي والمنطقة التصوير مع لفائف السطح.

الشكل 2
الشكل 2. يظهر ممثل صورة EPI الاكليلية ، بما في ذلك نصائح القطب ، في اللوحة اليسرى. لوحة يظهر الحق التسجيلات الكهربية الخام قبل وأثناء التصوير.

الشكل 3
الشكل 3. بواسطة يركز اهتمامه على دورة المسح يمكن للمرء أن ينظر إلى أنه يمكن إزالة هذا الأثر (أخضر) أثناء التصوير من التسجيلات الأصلية (الأزرق). استخدمت دوام denoised (أحمر) لمزيد من التحليل.

الشكل 4
الشكل 4. خرائط الاكليل (من الفئران العادية) من علاقة بين قوة عفوية نشاط الفرقة الدلتا من القطب وإشارة يستريح الدولة BOLD في وقت متأخرة من -2.5 الى 9.5 ثانية. الحد الأقصى هو ارتباط لوحظ في SI الثنائية في حوالي 4 ثانية 5 ~ في الفئران isoflurane - تخدير. لون شريط يمثل حكم بيرسون

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

كلا تسجيل الكهربية والرنين المغناطيسي الوظيفي وBOLD منفصل تقنيات متطورة. ومع ذلك ، في وقت واحد تسجيل وتصوير يمثل تحديا من جراء التدخل المتبادل 2 من طرائق اثنين. هنا نقدم حلا ممكنا لإجراء التجارب مجتمعة في القوارض. تعديل أسلوب زرع قطب كهربائي يقلل التأثير على جودة الصورة ، وإزالة قطعة أثرية للتسجيلات الكهربائية اللازمة لإزالة الضجيج الناجم عن الحصول على الصور. والتصوير في وقت واحد وتسجيل في القوارض توفير منصة قوية لمزيد من التحقيقات للمزاوجة بين النشاط العصبي التلقائي وإشارة جريئة ، بالإضافة إلى غيرها من التطبيقات في علم الأعصاب التي تستفيد من نقاط القوة المشتركة لالكهربية وتصوير الدماغ الوظيفية 3.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgements

وأيد عمل المعاهد الوطنية للصحة R21NS057718 1 - 01.

References

  1. Gruetter, R. Automatic, localized in vivo adjustment of all first- and second-order shim coils. Magn Reson Med. 29, (6), 804-804 (1993).
  2. Logothetis, N. K., Pauls, J., Augath, M. Neurophysiological investigation of the basis of the fMRI signal. Nature. 412, (6843), 150-150 (2001).
  3. Nir, Y., Fisch, L., Mukamel, R. Coupling between neuronal firing rate, gamma LFP, and BOLD fMRI is related to interneuronal correlations. Curr Biol. 17, (15), 1275-1275 (2007).

Comments

2 Comments

  1. Thank you for this video. I'm wondering about the details of the amplifier. Which amplifier is used and what is the input impedance of the amplifier? Are there any other important considerations about the amplifier?

    Reply
    Posted by: Anonymous
    April 11, 2018 - 12:03 PM
  2. A-M system model 1700, spec can be found in https://www.a-msystems.com/p-202-model-1700-differential-ac-amplifier.aspx
    We also prefer using model 3000 instead, for full band recording from DC.

    Reply
    Posted by: Wen-Ju P.
    April 11, 2018 - 3:34 PM

Post a Question / Comment / Request

You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

Usage Statistics