एक साथ और कृंतक मस्तिष्क में fMRI इलैक्ट्रोफिजियोलॉजी

Neuroscience

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Summary

हम एक साथ कार्यात्मक चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग और कृंतक मस्तिष्क में electrophysiological रिकॉर्डिंग के लिए एक विधि विकसित की है, तंत्रिका गतिविधि और रक्त oxygenation स्तर निर्भर (बोल्ड) एमआरआई संकेत के बीच संबंधों की जांच के लिए एक मंच प्रदान.

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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).

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Abstract

खून oxygenation (बोल्ड) चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग संकेत (एमआरआई) निर्भर स्तर के तंत्रिका आधार की जांच करने के लिए, हम एक कृंतक मॉडल में जो कार्यात्मक एमआरआई डेटा विकसित किया है और

Protocol

1. यह एक गैर अस्तित्व सर्जरी है. पहला कदम इलेक्ट्रोड का आरोपण है. इस उदाहरण में, इलेक्ट्रोड दोनों गोलार्द्धों के प्राथमिक somatosensory प्रांतस्था के forepaw क्षेत्रों में प्रत्यारोपित किया जाएगा.

  1. Anesthetize isoflurane 2% के साथ चूहे (पुरुष एसडी चूहे, 200-300 ग्राम) और जगह में एक stereotactic सर्जिकल सिस्टम पर ठीक. सर्जरी की शुरुआत से पहले, यह सुनिश्चित है कि जानवरों की अच्छी तरह से anesthetized है और एक पैर के अंगूठे चुटकी करने के लिए कोई जवाब नहीं दर्शाती. खोपड़ी खोलने से पहले फर निकालें. अलग और खोपड़ी के ऊपर मांसपेशियों और अन्य ऊतकों और हड्डी एक cauterizer का उपयोग सतह पर किसी भी खून बह रहा है ब्लॉक.
  2. प्रत्यारोपित इलेक्ट्रोड के शाफ्ट के लिए एक निर्धारण बिंदु के रूप में खोपड़ी की सतह (midline पूर्वकाल वी के आकार का संगम के निकट) पर एक घाट, दंत सीमेंट का उपयोग कर तैयार है. हड्डी में दंत सीमेंट लागू करने से पहले एक छोटे नायलॉन पेंच सेट की स्थापना स्थिरता में वृद्धि हो सकती है. सीमेंट के साथ आकार घाट का आकार लगभग 5 मिमी उच्च और क्षेत्र में 3 मिमी 2 x 5 बेस (चित्रा 1 देखें) पर होना चाहिए.
  3. एक ठीक इत्तला दे दी बिजली ड्रिल का प्रयोग, ध्यान से खोपड़ी को खोलने के लिए और प्रत्येक गोलार्द्ध के प्राथमिक somatosensory प्रांतस्था में forepaw प्रतिनिधित्व पर dura बेनकाब. प्रत्येक छेद के व्यास में 1 मिमी के आसपास है, 1 करने के लिए पूर्वकाल मिमी और 4 मिमी bregma से पार्श्व तैनात करना चाहिए. एक खुर्दबीन के तहत, dura में एक छोटे से खोलने एक सिरिंज सुई टिप का उपयोग कर में कटौती, किसी भी वाहिनियों को नुकसान से बचने के सावधान किया जा रहा है.
  4. प्रत्येक इलेक्ट्रोड डालने से पहले, सुनिश्चित करें कि कोई खून बह रहा है या रसकर बहना चीरों के पास मौजूद है. कांच microelectrodes लगभग 3 के साथ सर्जरी से पहले तैयार किया जाना चाहिए ~ 4 सेमी शाफ्ट लंबाई और 1 के प्रतिबाधा 5 ~ Mω. कृत्रिम सी.एस.एफ. (ACSF) के साथ इलेक्ट्रोड का केशिका भरें और प्रत्येक इलेक्ट्रोड obliquely मस्तिष्क ~ खोला dura से 0.4 मिमी stereotactic हाथ का उपयोग में (~ 45 °, पीछे से पूर्वकाल) सम्मिलित है. जगह में फिक्सिंग के पहले, बिजली के संकेत की जाँच करें. एक chloridized चांदी के तार से एक छोर ACSF और अन्य इनपुट से जुड़े अंत एम्पलीफायर को जाता है में डूबा हुआ होना चाहिए. एक चांदी के तार, subcutaneously खोला त्वचा की पीठ पर संलग्न, संदर्भ इलेक्ट्रोड के रूप में कार्य करता है.
  5. इलेक्ट्रोड निर्धारण से पहले, डबल शल्य चिकित्सा क्षेत्र की जाँच करें और सुनिश्चित करें कि कोई खून बह रहा है या रसकर बहना होता है, और फिर खोपड़ी पर हटा त्वचा और मांसपेशियों की जगह टूथपेस्ट लागू. टूथपेस्ट का उपयोग खोपड़ी / हवा अंतरफलक पर संवेदनशीलता बेमेल को कम करने के द्वारा एमआर छवि गुणवत्ता में सुधार. दंत सीमेंट के साथ तैयार घाट (चित्रा 1 देखें) इलेक्ट्रोड शाफ्ट संलग्न.
  6. दंत सीमेंट इलाज के बाद एमआरआई पालना करने के लिए पशु हस्तांतरण और जगह में ठीक है. चूहे के शरीर का तापमान, श्वसन दर, दो एसपीओ और हृदय की दर सहित, अध्ययन के शेष के लिए शारीरिक हालत मॉनिटर.
  7. सिर पर इलेक्ट्रोड कुंडली के केंद्र से उभड़नेवाला के साथ एक सतह का तार (/ संचारित प्राप्त), स्थिति. एक अतिरिक्त कट्टर आकार हार्ड कवर है कि पालने के ऊपर बैठता है के रूप में कार्य करता है इलेक्ट्रोड के निर्धारण के लिए एक समर्थन जानवर श्वास के कारण गति से बचने के क्रम में जाता है. युगपत इमेजिंग और रिकॉर्डिंग के लिए इस्तेमाल किया सुराग ~ मीटर 5 (प्रवर्धक चुंबक कमरे के बाहर स्थित है) का विस्तार करने और प्रवाहकीय प्लास्टिक जो एक निष्क्रिय ढाल के रूप में कार्य करता है के साथ कवर कर रहे हैं.
  8. संज्ञाहरण isoflurane से बंद किया जा सकता है तंत्रिका गतिविधि के दमन को कम करने के लिए अगर वांछित medetomidine. बिजली के संकेत चुंबक में जानवर स्थानांतरित करने से पहले एक अंतिम समय जांच करते हैं. हमारे अध्ययन में, रिकॉर्डिंग पैरामीटर के रूप में इस प्रकार थे: 1000 x प्रवर्धित, 0.1Hz ~ 5 कश्मीर हर्ट्ज bandpass फ़िल्टर, 60 हर्ट्ज पायदान फ़िल्टर, 12 kHz नमूना के लिए दर डिजिटल रूपांतरण के अनुरूप है.

2. इस बिंदु पर, जानवर एक साथ इमेजिंग और रिकॉर्डिंग के लिए एमआरआई स्कैनर में डाला जाता है. जानवरों इमेजिंग प्रक्रिया के दौरान anesthetized हैं.

  1. एक 9.4 टी छोटे जानवर एमआरआई सिस्टम (Bruker, जर्मनी) हमारे अध्ययन में इस्तेमाल किया गया था. रिकॉर्डिंग करने के लिए पहले, इमेजिंग पैरामीटर स्थापित किया जाना चाहिए. एक तीन विमान स्काउट छवि fMRI स्कैन की स्थिति के लिए प्रयोग किया जाता है. चुंबकीय क्षेत्र की एकरूपता में सुधार करने के लिए, ब्याज की मात्रा 1 FASTMAP shimmed का उपयोग है. FMRI अध्ययन के लिए, एक राज्याभिषेक इमेजिंग टुकड़ा चयनित किया गया था, जो द्विपक्षीय forepaw प्राथमिक somatosensory क्षेत्रों, जिसमें इलेक्ट्रोड प्रत्यारोपित किया गया. मैट्रिक्स आकार 64 x 64; महामारी इमेजिंग मापदंडों FOV, 1.92 x 1.92 2 सेमी संकल्प में विमान, 0.3 x 0.3 मिमी 2, टुकड़ा मोटाई, 2 मिमी, टी.आर. / ते, 500/15 एमएस थे.
  2. बाद इमेजिंग सेटअप है पूरा, युगपत रिकॉर्डिंग और fMRI शुरू कर सकते हैं. चित्रा 2 एक प्रतिनिधि महामारी छवि और इमेजिंग के दौरान कच्चे रिकॉर्डिंग से पता चलता है. संतृप्त रिकॉर्डिंग, जो प्रत्येक स्कैन चक्र के केवल एक छोटे से हिस्से (22/500 एमएस) के लिए जारी रहती है में छवि अधिग्रहण के परिणाम के दौरान gradients के तेजी से स्विचन. छवि के अधिग्रहण के बाद, बिजली के संकेत returगैर संतृप्त दोलन की एक फार्म (चित्रा 3 देखें) के साथ आधारभूत की एनएस. संयुक्त fMRI और रिकॉर्डिंग के दौरान आराम की स्थिति (के रूप में इस अध्ययन में प्रदर्शन) या उत्तेजना के दौरान आयोजित किया जा सकता है. उत्तेजना पढ़ाई के लिए, इमेजिंग मापदंडों आराम की स्थिति के अध्ययन के लिए के रूप में एक ही कर रहे हैं, 9 हर्ट्ज, 1 ~ 4 वर्तमान मा का उपयोग forepaw की बिजली की उत्तेजना के साथ आपूर्ति की. चूहे अंतिम स्कैन के बाद euthanized है.

3. एक साथ इमेजिंग और रिकॉर्डिंग के बाद, डेटा होना चाहिए अंतिम विश्लेषण करने से पहले पूर्व संसाधित.

  1. हम electrophysiological रिकॉर्डिंग (चित्रा 3 देखें) से ढाल कलाकृतियों को हटाने के साथ शुरू करते हैं.
    1. शोर के कारण स्कैनिंग के लिए संरचना सभी ~ 500 एमएस (टी.आर.) वर्गों, जिनमें से प्रत्येक के लगातार दो fMRI छवियों के बीच अंतराल से मेल खाती है औसत से निकाला जा सकता है.
    2. मूल रिकॉर्डिंग से औसत शोर संरचना घटाएँ. इस विधि केवल असंतृप्त रिकॉर्डिंग खंडों सही.
    3. छवि अधिग्रहण के दौरान प्रत्येक संतृप्त ढाल प्रत्यावर्तन करने के लिए इसी खंड एक लाइन है, जो समय से पहले बिंदु और ढाल प्रेरित संतृप्ति के बाद समय बिंदु के बीच से गुजरता है के द्वारा प्रतिस्थापित किया गया है.
  2. स्थानीय क्षेत्र क्षमता (LFPs) के denoised रिकॉर्डिंग तो बिजली समय पाठ्यक्रम, जो fMRI समय पाठ्यक्रम के रूप में ही अस्थायी समाधान होगा करने के लिए परिवर्तित कर रहे हैं. एक बिन 2 सेकंड के भीतर बिजली की औसत सबसे कम (डेल्टा बैंड, 1 ~ 4 हर्ट्ज) थीटा बैंड (4 ~ 8 हर्ट्ज) आवृत्तियों के लिए एक 1 दूसरी बिन के साथ आवृत्तियों, और ~ 0.5 एस के के एक बिन के बीच की गणना करने के लिए प्रयोग किया जाता है उच्च आवृत्तियों (> 8 हर्ट्ज, अल्फा गामा बैंड) के लिए संतृप्त संकेतों पड़ोसी. सभी आवृत्ति बैंड के लिए फिसलने विंडो 0.5 एस वेतन वृद्धि में ले जाया गया था, fMRI डेटा की टी.आर. मिलान है.
  3. छवि डेटा के लिए, मानक fMRI preprocessing, सिर गति सुधार, 0.5 मिमी FWHM के साथ छवि चौरसाई, और रैखिक बहाव हटाने सहित प्रदर्शन किया है.
  4. क्रॉस सहसंबंध विश्लेषण LFP शक्ति समय पाठ्यक्रम और इमेजिंग डेटा की प्रत्येक voxel से समय पाठ्यक्रम के बीच आयोजित किया जाता है. परिवर्तनीय समय lags के समय पर निर्भर सहसंबंध की परीक्षा की अनुमति (चित्र 4 देखें).

प्रतिनिधि परिणाम:

एक उदाहरण के रूप में, इस तकनीक के सहज तंत्रिका गतिविधि और बोल्ड उतार चढ़ाव के बीच संबंधों की जांच करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. चित्रा 4 LFP शक्ति और -2.5 और एक चूहे से 9.5 एस के बीच समय lags पर बोल्ड संकेत के बीच सहसंबंध नक्शे से पता चलता है. LFP सत्ता परिवर्तन (<0.1 हर्ट्ज) के साथ 2 के एक देरी ~ एस 6 में इलेक्ट्रोड टिप निकट cortical क्षेत्रों से कम आवृत्ति बोल्ड उतार चढ़ाव (<0.1 हर्ट्ज) सहसंबद्ध होते हैं

चित्रा 1
चित्रा 1 इलेक्ट्रोड और एक सतह का तार के साथ इमेजिंग क्षेत्र आरोपण के योजनाबद्ध विन्यास.

चित्रा 2
चित्रा 2 एक प्रतिनिधि राज्याभिषेक महामारी छवि इलेक्ट्रोड सुझावों सहित, बाईं पैनल में दिखाया गया है. सही पैनल से पहले और इमेजिंग के दौरान कच्चे electrophysiological रिकॉर्डिंग दिखाता है.

चित्रा 3
चित्रा 3 एक स्कैन चक्र पर में zooming करके यह देखा जा सकता है कि इमेजिंग के दौरान विरूपण साक्ष्य (हरा) मूल रिकॉर्डिंग (नीला) से हटाया जा सकता है है सकते हैं. denoised समय पाठ्यक्रम (लाल) आगे के विश्लेषण के लिए इस्तेमाल किया गया.

चित्रा 4
चित्रा 4. -2.5 से 9.5 एस के लिए एक इलेक्ट्रोड से सहज डेल्टा बैंड गतिविधि की शक्ति और आराम राज्य समय पर बोल्ड संकेत के बीच सहसंबंध (एक ठेठ चूहे से) के कोरोनल नक्शे lags सहसंबंध अधिकतम द्विपक्षीय एसआई में लगभग 4 ~ isoflurane - anesthetized चूहे में 5 एस पर मनाया जाता है. रंग पट्टी Pearson के आर का प्रतिनिधित्व करता है

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Discussion

दोनों electrophysiological रिकॉर्डिंग और बोल्ड fMRI अलग कर रहे हैं अच्छी तरह से विकसित तकनीक. हालांकि, एक साथ रिकॉर्डिंग और इमेजिंग दो रूपात्मकता के आपसी 2 हस्तक्षेप करने के लिए कारण चुनौतीपूर्ण है. यहाँ हम कृंतक में संयुक्त प्रयोगों के लिए एक संभव समाधान प्रदान करते हैं. इलेक्ट्रोड आरोपण के संशोधित विधि छवि गुणवत्ता पर प्रभाव कम से कम, और बिजली रिकॉर्डिंग के लिए artifact के हटाने छवि अधिग्रहण से प्रेरित शोर को दूर करने के लिए आवश्यक है. तंत्रिका विज्ञान में अन्य अनुप्रयोगों कि इलेक्ट्रोफिजियोलॉजी और कार्यात्मक मस्तिष्क इमेजिंग 3 के संयुक्त ताकत का लाभ लेने के अलावा में एक साथ इमेजिंग और कृंतक में रिकॉर्डिंग सहज तंत्रिका गतिविधि और बोल्ड संकेत के बीच युग्मन की आगे की जांच के लिए एक शक्तिशाली मंच प्रदान करेगा.

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Acknowledgements

काम - 1 R21NS057718 01 NIH द्वारा समर्थित किया गया था.

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

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