同时在啮齿动物脑功能磁共振成像和电

Neuroscience

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Summary

我们已经开发出一种方法同步功能磁共振成像和电生理记录在啮齿类动物的大脑的神经活动和血氧水平依赖(BOLD)的MRI信号之间的关系进行调查,提供了一个平台。

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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

要检查的血氧水平依赖(BOLD)的磁共振成像(MRI)信号的神经基础,我们已经开发出一种啮齿动物模型中,功能性磁共振成像数据,并

Protocol

1。这是一个非生存手术。第一步是植入电极。在这个例子中,将植入电极在两个半球的初级躯体感觉皮层的前爪地区。

  1. 2%异氟醚麻醉大鼠(雄性SD大鼠,200-300克),立体定向手术系统修复到位。手术开始之前,确保动物麻醉,并没有一个脚趾头掐的响应展品。打开头皮之前删除的皮毛。上述颅骨的肌肉和其他组织分离,并阻止任何出血,骨表面使用cauterizer。
  2. 码头准备在头骨表面(靠近中线的前V形路口)作为植入电极轴固定点,用牙科水泥。设置一个小尼龙螺丝设置成骨前用牙科水泥可能会增加稳定性。的形状与水泥码头大小应在面积约5毫米高,3 × 5毫米2的基地(见图1) 。
  3. 用细尖的电气钻,小心地打开颅骨,并在每个半球的初级躯体感觉皮层的前爪代表性,暴露硬脑膜。每个洞的直径约1毫米,定位1毫米前,从囟门外侧为4毫米。在显微镜下,切开一个微小的开放,用注射器针头在硬脑膜,小心地避免任​​何船只受损。
  4. 在每个电极插入,确保附近的切口,无出血或渗出物。玻璃微电极应做好术前约3〜4厘米轴的长度和阻抗的1〜5MΩ。与人工脑脊液(学联)填充电极的毛细管插入每个电极斜刺入脑〜0.4毫米,采用立体定向手臂打开硬脑膜(〜45 °,从后到前)。固定到位之前,检查的电信号。一个氯化银线的一端浸入到学联,另一端连接到输入放大器。一个银线,连接在后面打开皮肤皮下,作为参比电极。
  5. 电极固定前,仔细检查手术区,并确保没有发生出血或渗出,然后适用于牙膏,以取代删除的皮肤和肌肉的头骨。牙膏的使用提高了MR图像质量,减少在颅骨/空气界面的易感性不匹配。将电极轴,以准备与牙科水泥码头(见图1)。
  6. 牙科水泥固化后,动物转移的MRI的摇篮和修复到位。监测大鼠为研究的其余部分,包括体温,呼吸率,SPO 2和心率的生理条件。
  7. 位置在头部表面线圈(发送/接收),与电极线圈的中心凸出。作为支持固定电极导线,以避免引起动物呼吸运动的另外一个拱状的硬盖位于上盖的摇篮。导致用于同时成像和记录扩展到〜5米(放大器是位于外面的磁铁室),并与导电塑料作为一个被动的盾覆盖。
  8. medetomidine减少抑制神经活动,如果需要,可以切换从异氟醚麻醉。一个动物转移到磁铁之前的最后一次检查的电信号。在我们的研究中,记录参数如下:× 1000放大,为0.1Hz〜5 K赫兹带通滤波,60赫兹陷波过滤,12 kHz的采样率模拟到数字转换。

2。在这一点上,动物是插入核磁共振成像扫描仪的同时成像和记录。动物是整个成像过程中麻醉。

  1. 9.4 T小动物磁共振成像系统(布鲁克,德国)是用在我们的研究。录音之前,成像参数必须建立。一个三个平面侦察员形象是用来定位的功能磁共振成像扫描。为了提高磁场的均匀性,利益的体积使用FASTMAP 1。 fMRI研究,日冕成像片入选,其中包括双边前爪初级躯体感觉区,在其中植入电极。外延成像参数视场,1.92 × 1.92厘米2;矩阵的大小,64 × 64;平面分辨率,0.3 × 0.3毫米2;层厚,2毫米; TR / TE,十五分之五百MS。
  2. 后成像安装完成后,同步录音和fMRI就可以开始。图2显示了具有代表性的计划免疫图像和成像过程中的原始录音。梯度的快速切换,在饱和的录音,坚持每个扫描周期只一小部分(500分之22MS)的图像采集结果。图像采集后,电信号returNS与非饱和振荡的形式(见图3)基线。可能在静止状态(在这项研究表明),或在刺激进行组合功能磁共振成像和记录。对于刺激研究,成像参数为静止状态的研究相同的前爪电刺激,提供使用9赫兹,1〜4 mA的电流。老鼠安乐死后,最终的扫描。

3。同时成像和录音后,必须预先的数据处理前最后的分析。

  1. 我们首先从拆除的电生理记录(见图3)梯度构件。
    1. 由于扫描噪声结构可以提取平均〜500毫秒(TR)的部分,每一个对应的两个连续的功能磁共振图像之间的时间间隔。
    2. 减去平均噪声结构从原来的录音。这种方法只纠正不饱和录音段。
    3. 在图像采集相应的渐变交替每个饱和段是一条线,这之间的时间点之前和梯度诱导饱和后的时间点时更换。
  2. 当地外地潜力(LFPs)降噪录音,然后再转换为通电时间的课程,这将有相同的时间分辨率的fMRI时间当然。一个2秒斌内的平均功率是用于计算的最低频率(三角洲带,1〜4赫兹),THETA频段(4〜8赫兹)的频率为1秒斌,斌的〜0.5秒之间邻国更高的频率(> 8赫兹,阿尔法伽玛乐队)的饱和信号。所有频段的滑动窗口被移动了0.5秒递增,匹配的功能磁共振成像数据的TR。
  3. 图像数据,执行标准功能磁共振成像预处理,包括头部运动校正,图像平滑0.5毫米的FWHM,和线性漂移去除。
  4. LFP通电时间的课程,并从每个体素成像数据的时间当然之间进行交叉相关分析。不同的时间滞后允许随时间变化的相关性检查(见图4)。

代表性的成果:

作为一个例子,这种技术可用于调查自发的神经活动和大胆的波动之间的关系。图4显示了LFP权力和BOLD信号在-2.5和9.5小号从一个老鼠之间的时间滞后之间的相关地图。低频大胆的波动从皮质电极尖端附近地区(<0.1赫兹)是与LFP功率变化(<0.1赫兹)的相关延迟了2〜6秒。

图1
图1。电极植入与表面线圈成像区域示意图配置。

图2
图2代表日冕计划免疫的形象,包括电极提示,显示在左侧面板。右侧的面板显示之前和期间成像原料的电生理记录。

图3
图3。放大在一个扫描周期,可以看出,在成像的工件(绿色),可从原始录音删除(蓝色)。降噪课程(红色),用于进一步的分析。

图4
图4。日冕的地图,从一个电极的力量自发三角洲乐队活动在时间和休息状态的BOLD信号之间的相关性(从一个典型的大鼠)滞后于从-2.5到9.5秒最大的相关性是在双边的SI观察,在大约4〜5小号在异氟醚麻醉大鼠。彩条代表皮尔逊河

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Discussion

电生理记录的BOLD功能磁共振成像技术分别发达。然而,同时录制和成像是具有挑战性,由于相互干扰的两 ​​种模式2。在这里,我们提供了一个可能的解决方案结合的啮齿类动物实验。电极植入的修改后的方法,最大限度地减少图像质量的影响,电气录音的工件去除是必要的,以消除噪声引起的图像采集。同时成像和记录在啮齿类动物中,将提供一个自发的神经活动和BOLD信号之间的耦合作进一步调查强大的平台,除了在神经科学中的其他应用程序,利用电生理脑功能成像的3的优势,强强联合,优势。

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Acknowledgements

这项工作是由美国国立卫生研究院支持1 R21NS057718 - 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

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