쥐 두뇌에 동시 fMRI와 전기 생리학

Neuroscience

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Summary

우리는 신경 활동과 혈액 산소 수준의 종속 (굵게) MRI 신호 사이의 관계의 조사를 위해 플랫폼을 제공하고 동시에 기능성 자기 공명 이미징 및 쥐 두뇌에 electrophysiological 기록하는 방법을 개발했습니다.

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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

자기 공명 영상 (MRI) 신호 (굵게)에 의존 혈액 산소 수준의 신경 기초를 검토하기 위해, 우리는 쥐 모델에서 기능 MRI 데이터를 개발하고있다

Protocol

1. 이것은 아닌 생존 수술입니다. 첫 번째 단계는 전극의 주입이다. 이 예제에서는 전극은 양쪽 반구의 기본 somatosensory 피질의 앞발 지역에 이식한다.

  1. 2퍼센트 isoflurane와 쥐 (남 SD 랫, 2백-3백그램) 마취 및 수술 stereotactic 시스템 장소로 수정. 수술을 시작하기 전에 동물이 잘 anesthetized 것을 확인하고 발가락 핀치에 응답을 전시하지 않습니다. 두피를 열기 전에 모피를 제거합니다. 두개골 위의 근육과 다른 조직을 분리하고 cauterizer를 사용하여 뼈 표면에있는 출혈을 차단합니다.
  2. 치과 시멘트를 사용하여 이식 전극의 샤프트에 고정 지점으로 두개골 표면 (정중선 앞쪽이 V 자형 교차로 근처)에 부두를 준비합니다. 치과 시멘트를 적용하기 전에 뼈를에 작은 나일론 나사 세트를 설정하면 안정성을 높일 수 있습니다. 시멘트로 모양 부두의 크기는 기본 (그림 1 참조)에서 지역에 약 5mm 높이 3 X 5mm이되어야합니다.
  3. 훌륭한 스쳐 전기 드릴을 사용하여 신중하게 두개골을 열고 각 반구의 기본 somatosensory 피질에서 앞발 표현을 통해 두라을 폭로. 각 구멍의 직경은 앞쪽에 1mm와 bregma의 측면 4mm 위치, 1mm 주위해야합니다. 현미경으로, 모든 선박 손상을 방지하기 위해주의되는, 주사기 바늘 팁을 사용하여 두라의 작은 오프닝 잘라.
  4. 각 전극을 삽입하기 전에, 아무 출혈이나 스며 나옴이 incisions 근처에 존재하지 있는지 확인하십시오. 유리 microelectrodes는 약 3 수술하기 전에 준비를해야합니다 ~ 4cm 샤프트 길이 1의 임피던스 ~ 5 MΩ. 인공 CSF (ACSF)와 전극의 모세관을 기입하고 뇌 ~ stereotactic 팔을 사용하여 열어 두라에서 0.4 mm로 (~ 45 °, 사후부터 앞쪽에) obliquely 각 전극을 삽입합니다. 장소에 고정하기 전에 전기 신호를 확인하십시오. chloridized 실버 와이어의 한쪽 끝을는 ACSF와 입력에 연결된 다른 쪽 끝을 앰프로 연결을 과감하게해야합니다. 열린 피부의 뒷면에 부착된 subcutaneously 은색 와이어, 참조 전극 역할을합니다.
  5. 전극 고정하기 전에 두 번 수술 영역을 확인하고 출혈이나 스며 나옴가 발생하지 않는지 확인한 다음 두개골에서 제거 피부와 근육을 대체하는 치약을 적용합니다. 치약의 사용은 두개골 / 공기 인터페이스에서 자화율 불일치를 줄여 MR 이미지 품질을 향상시킵니다. 치과 시멘트와 준비 부두 (그림 1 참조)에 전극 샤프트를 연결합니다.
  6. 치과 시멘트 치료 후 MRI를 크래들에 동물을 전송 및 장소에서 수정. 체온, 호흡 속도, SPO 2 심장 속도를 포함하여 연구의 나머지 부분에 대한 쥐의 생리 상태를 모니터링합니다.
  7. 전극은 코일의 중심에서 튀어나온 함께 머리 표면 코일 (수신 / 송신) 위치. 전극의 고정을위한 지원이 동물의 호흡으로 인한 움직임을 방지하기 위해 연결로 크래들 위에 앉아 추가 아치 모양의 하드 커버를 제공합니다. 가 ~ 5 M (앰프가 방금 자석 방 밖에 위치하고 있습니다)로 연장 동시 이미징 및 녹화에 사용되는 리드와 수동 방패 역할을 전도성 플라스틱으로 덮여 있습니다.
  8. 마취가 필요한 경우 신경 활동의 억제를 줄이기 위해 medetomidine에 isoflurane에서 전환하실 수 있습니다. 전기 신호에게 자석으로 동물을 전송하기 전에 최종 시간을 확인합니다. 다음과 같이 우리의 연구에서 녹화 매개 변수가되었습니다 X 1000 증폭, 0.1Hz ~ 5 K Hz에서 대역 통과 필터링, 60 Hz에서 노치 필터링, 12 kHz에서 샘플 속도 디지털 변환 아날로그.

2. 이 시점에서, 동물은 동시 이미징 및 녹음을위한 MRI 스캐너에 삽입됩니다. 동물 이미징 절차 전반에 걸쳐 anesthetized 있습니다.

  1. 9.4 T 작은 동물 MRI 시스템 (Bruker, 독일)는 우리의 연구에 사용되었다. 녹음하기 전에, 이미징 매개 변수가 설정해야합니다. 세 비행기 스카우트 이미지는 fMRI 스캔을 위치하는 데 사용됩니다. 자기장의 균질성을 개선하기 위해, 관심의 볼륨 FASTMAP 1을 사용 shimmed 있습니다. fMRI 연구, 코로나 이미징 슬라이스는 전극 이식되었다하는 양국 앞발 기본 somatosensory 지역을 포함하는, 선정되었습니다. 매트릭스 크기 64 X 64,, 에피 이미지 파라미터는 FOV, 1.92 X 1.92 cm이되었습니다 인 평면 해상도, 0.3 X 0.3 mm 2; 슬라이스 두께, 2mm, TR / TE, 15분의 500 MS.
  2. 이미지 설정이 완료되면, 동시 녹음과 fMRI는 시작할 수 있습니다. 그림 2는 대표적인 에피 이미지와 영상 중에 원시 기록을 보여줍니다. 각각의 스캔 사이클의 극히 작은 부분 (500분의 22 MS)에 대한 계속 포화 녹음에서 이미지 수집 결과 중에 그라디언트의 급속한 전환. 이미지 수집 후, 전기 신호 retur비 포화 진동의 형태 (그림 3 참조) 기준에 NS. 연합 fMRI 및 녹화는 휴식 상태 (본 연구에서 증명) 동안이나 자극 동안 실시됩니다. 자극 연구, 영상 매개 변수는 9 Hz에서, 1 ~ 현재 4mA를 사용하여 제공된 앞발의 전기 자극과 함께 쉬고있는 상태 연구와 동일합니다. 쥐는 최종 검사 후 euthanized이다.

3. 동시 이미징 및 녹화 후 데이터가 최종 분석하기 전에 사전 처리되어야합니다.

  1. 우리는 electrophysiological 레코딩 (그림 3 참조)에서 그라디언트 유물의 제거와 함께 시작됩니다.
    1. 인해 스캔하는 소음 구조를 연속 2 fMRI 이미지 사이의 간격에 해당하는 각각의 모든 ~ 500 MS (TR) 섹션을 평균으로 추출하실 수 있습니다.
    2. 원래 기록에서 평균 소음 구조를 빼기. 이 방법은 불포화 녹화 세그먼트를 수정합니다.
    3. 이미지 수집하는 동안 기울기 교대에 해당하는 각각의 포화 세그먼트는 이전 시점과 기울기 유발 채도 후 시점 사이에 패스 라인으로 대체됩니다.
  2. 지역 현장 잠재력 (LFPs)의 denoised 기록은 다음 fMRI 시간 코스 같은 시간적 해상도를해야합니다 전원 시간 코스로 변환됩니다. 2 초 빈 사이의 평균 전력은 세타 밴드 (4 ~ 8 Hz에서) 주파수에 대한 일초 빈과 함께 가장 낮은 주파수 (델타 밴드, 1 ~ 4 Hz에서), 그리고 ~ 0.5 s의 빈 사이를 계산하는 데 사용됩니다 높은 주파수 (> 8 Hz에서, 알파 감마 밴드)를 위해 포화 신호를 인접. 모든 주파수 대역에 대한 슬라이딩 윈도우는 fMRI 데이터의 TR에 맞는, 0.5 S의 단위로 이동되었습니다.
  3. 이미지 데이터에 대한 표준 fMRI의 전처리는 머리 모션 보정, 0.5 mm의 FWHM과 이미지 다듬기 및 선형 드리프트 제거를 포함하여 수행됩니다.
  4. 교차 상관 관계 분석은 LFP 전원 시간 코스와 영상 데이터의 각 voxel의 시간 코스 사이에 실시됩니다. 다양한 시간 lags은 (그림 4 참조) 시간 의존 상관의 시험을 수 있습니다.

대표 결과 :

예를 들어,이 기법은 자발적인 신경 활동과 굵은 변동 사이의 관계를 조사하는 데 사용할 수 있습니다. 그림 4는 LFP 전원 및 -2.5 한 쥐에서 9.5의 사이의 시간 lags에 굵은 신호 사이의 상관 관계 매핑을 보여줍니다. 전극 끝 가까이에 대뇌 피질의 영역에서 낮은 주파수 굵은 변동 (<0.1 ​​Hz에서)이 2 ~ 6 S. 지연에 LFP 전력 변화 (<0.1 ​​Hz에서)과 상관 아르

그림 1
그림 1. 표면 코일과 전극 이식 및 이미징 지역의 도식 구성.

그림 2
그림 2. 전극 팁을 포함한 대표적인 코로나 에피 이미지, 왼쪽 패널에 표시됩니다. 오른쪽 패널은 영상 전과 도중에 원료 electrophysiological 기록을 보여줍니다.

그림 3
그림 3. 하나 스캔주기를 확대함으로써, 그것은 이미징 동안 유물 (녹색)가 원래 레코딩 (파란색)에서 삭제될 수 있습니다 볼 수 있습니다. denoised 시간 코스 (적색)가 추가 분석을 위해 사용되었습니다.

그림 4
그림 4. 하나 전극에서 자연 델타 밴드 활동의 능력과 시간에 휴식 상태 굵은 신호 사이의 상관 관계의 코로나지도 (한 전형적인 쥐에서) -2.5에서 9.5 s의 lags isoflurane - anesthetized 쥐에서 약 4 ~ 5의에서 양국 SI에서 관찰 최대 상관 관계. 색상 막대 피어슨 R.를 나타냅니다

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Discussion

electrophysiological 기록하고 대담한 fMRI 모두 별도로 잘 개발된 기술입니다. 그러나, 동시에 녹음 및 이미징 인해 두 modalities의 상호 간섭 2 도전입니다. 여기서 우리는 설치류에서 결합 실험 가능한 솔루션을 제공합니다. 전극 이식의 수정 방법은 이미지 품질에 영향을 최소화하고 전기 레코딩을위한 아티팩트 제거 이미지 수집에 의해 유도 노이즈를 제거하는 것이 필요합니다. 동시 이미징과 설치류의 녹음이 전기 생리학과 기능 뇌 영상 3 결합된 강점을 활용하여 신경 과학에있는 다른 응용 프로그램뿐만 아니라, 자발적인 신경 활동과 굵은 신호 사이의 커플링의 추가 조사를위한 강력한 플랫폼을 제공합니다.

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Acknowledgements

작품은 NIH 1 R21NS057718 - 01에 의해 지원되었다.

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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