FMRI simultanea ed Elettrofisiologia nel cervello roditori

Neuroscience

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Summary

Abbiamo sviluppato un metodo per il controllo simultaneo risonanza magnetica funzionale e la registrazione elettrofisiologica del cervello dei roditori, fornendo una piattaforma per l'indagine del rapporto tra attività neurale e il livello di ossigenazione blood dipendente (BOLD) segnale RM.

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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

Per esaminare le basi neurali del livello di ossigenazione del sangue dipendente (BOLD), risonanza magnetica (MRI) del segnale, abbiamo sviluppato un modello di roditore in cui dati di risonanza magnetica funzionale e

Protocol

1. Si tratta di un intervento chirurgico non-sopravvivenza. Il primo passo è l'impianto degli elettrodi. In questo esempio, gli elettrodi saranno impiantati nelle regioni zampa di corteccia somatosensoriale primaria di entrambi gli emisferi.

  1. Anestetizzare il topo (maschio ratto SD, 200-300 g) con 2% isoflurano e fissare in posizione su un sistema stereotassico chirurgico. Prima di iniziare l'intervento chirurgico, in modo che l'animale è ben anestetizzato e non mostra alcuna risposta ad un pizzico piedi. Rimuovere il pelo prima di aprire il cuoio capelluto. Separare i muscoli e altri tessuti al di sopra del cranio e bloccare eventuali emorragie sulla superficie ossea con un cauterizer.
  2. Preparare un molo sulla superficie del cranio (nei pressi della linea mediana anteriore a forma di V giunzione) come un punto di fissazione per l'albero degli elettrodi impiantati, con del cemento dentale. L'impostazione di un piccolo set di viti in nylon nell'osso prima di applicare cemento dentale può aumentare la stabilità. Le dimensioni del molo a forma di cemento dovrebbe essere di circa 5 mm di altezza e 3 x 5 mm 2 nella zona alla base (vedi Figura 1).
  3. Utilizzando un bel trapano con punta elettrica, aprire con cautela il cranio ed esporre la dura sulla rappresentazione zampe anteriori in corteccia somatosensoriale primaria di ogni emisfero. Il diametro di ciascun foro dovrebbe essere di circa 1 mm, posizionato anteriormente al 1 millimetro e 4 mm dal bregma laterali. Al microscopio, tagliare una piccola apertura nella dura con una punta di ago della siringa, facendo attenzione ad evitare danni ai vasi.
  4. Prima di inserire ogni elettrodo, assicurarsi che nessun sanguinamento o essudazione è presente vicino le incisioni. I microelettrodi di vetro deve essere preparato prima dell'intervento chirurgico con circa 3 ~ 4 centimetri di lunghezza dell'albero e impedenza di 1 ~ 5 MW. Riempire il capillare l'elettrodo con artificiale CSF (ACSF) e inserire ogni elettrodo obliquamente (~ 45 °, da anteriore a posteriore) nel cervello ~ 0.4 mm dal aperto durata utilizzando il braccio stereotassica. Prima di fissare in posizione, controllare il segnale elettrico. Un'estremità di un filo d'argento chloridized dovrebbe essere immerso nel ACSF e l'altra estremità collegata all'ingresso porta all'amplificatore. Un filo d'argento, attaccata per via sottocutanea nella parte posteriore della pelle aperta, serve come elettrodo di riferimento.
  5. Prima di fissaggio elettrodo, controllare l'area chirurgica e assicurarsi che nessun sanguinamento o essudazione si verifica, e quindi applicare il dentifricio per sostituire la pelle rimossa e muscoli sul cranio. L'uso del dentifricio migliora la qualità dell'immagine MR, riducendo il divario suscettibilità al teschio / aria interfaccia. Fissare l'albero elettrodo al molo preparato con cemento dentale (vedi Figura 1).
  6. Dopo le cure del cemento dentale, trasferire l'animale alla culla MRI e fissare in posizione. Monitorare condizione fisiologica del ratto s per il resto dello studio, tra cui la temperatura corporea, frequenza respiratoria, SPO 2 e frequenza cardiaca.
  7. Posizionare una bobina di superficie (trasmissione / ricezione) sopra la testa, con gli elettrodi sporgenti dal centro della bobina. Un ulteriore forma di arco copertina rigida che si trova in cima alla culla serve da supporto per il fissaggio degli elettrodi porta per evitare il movimento causato dalla respirazione animale. I cavi utilizzati per l'imaging e registrazione simultanee estendere a ~ 5 m (l'amplificatore si trova appena fuori la sala magnete) e sono ricoperte di plastica conduttiva che funge da scudo passiva.
  8. L'anestesia può essere commutato da isoflurano per medetomidina per ridurre la soppressione di attività neurale se lo si desidera. Esaminare il segnale elettrico un'ultima volta prima di trasferire l'animale nel magnete. Nei nostri studi, i parametri di registrazione sono state le seguenti: x 1000 amplificato, 0,1 Hz ~ 5 K Hz banda filtrata, 60 Hz-notch filtrata, 12 kHz frequenza di campionamento di conversione da analogico a digitale.

2. A questo punto, l'animale viene inserito nello scanner per l'imaging MRI e registrazione simultanee. Gli animali sono anestetizzati durante l'intera procedura di imaging.

  1. Una T 9,4 piccoli animali risonanza magnetica del sistema (Bruker, Germania) è stato utilizzato nei nostri studi. Prima della registrazione, i parametri di imaging deve essere stabilito. A tre immagini Scout aereo viene utilizzato per posizionare le scansioni fMRI. Per migliorare l'omogeneità del campo magnetico, il volume di interesse spessorato con FASTMAP 1. Per gli studi fMRI, una fetta di imaging coronale è stato selezionato, che includeva bilaterali zampe anteriori aree somatosensoriale primaria, in cui sono stati impiantati degli elettrodi. I parametri di imaging sono stati EPI FOV, 1,92 x 1,92 centimetri 2; dimensione della matrice, 64 x 64; risoluzione in piano, 0,3 x 0,3 mm 2, spessore fetta, 2 mm; TR / TE, 500/15 ms.
  2. Dopo l'installazione di imaging è completa, la registrazione simultanea e fMRI può iniziare. La Figura 2 mostra un'immagine rappresentativa EPI e registrazioni prime durante l'imaging. La commutazione rapida delle pendenze nei risultati di acquisizione di immagini in registrazioni saturi, che persistono per solo una piccola parte di ogni ciclo di scansione (22 / 500 ms). Dopo l'acquisizione dell'immagine, la retur segnale elettricons alla linea di base con una forma di non-saturo oscillazione (vedi figura 3). FMRI combinato e la registrazione può essere effettuata durante lo stato di riposo (come dimostrato in questo studio) o durante stimolazione. Per gli studi di stimolo, i parametri di imaging sono gli stessi per lo studio stato di riposo, con la stimolazione elettrica delle zampe anteriori in dotazione con 9 Hz, 1 ~ 4 mA di corrente. Il ratto è eutanasia dopo la scansione finale.

3. Dopo l'imaging e registrazione simultanee, i dati devono essere pre-trattati prima dell'analisi finale.

  1. Cominciamo con la rimozione dei manufatti gradiente dalle registrazioni elettrofisiologiche (vedi figura 3).
    1. La struttura di rumore a causa di scansione può essere estratto da tutti i media ~ 500 ms (TR) sezioni, ognuna delle quali corrisponde l'intervallo tra due immagini consecutive fMRI.
    2. Sottrarre la struttura media rumore dalle registrazioni originali. Questo metodo corregge solo i segmenti di registrazione insaturi.
    3. Ogni segmento saturo corrispondente al gradiente alternarsi durante l'acquisizione dell'immagine viene sostituita da una linea che passa tra il punto di tempo prima e il punto di tempo dopo il gradiente indotto saturazione.
  2. Le registrazioni denoised dei potenziali di campo locale (LFPs) vengono poi convertiti in corsi di tempo il potere, che avrà la stessa risoluzione temporale come il periodo di tempo fMRI. La potenza media all'interno di un bin di 2 secondi è utilizzato per calcolare le frequenze più basse (bande delta, 1 ~ 4 Hz), con un bidone 1 secondo per banda theta (4 ~ 8 Hz) le frequenze, e un contenitore di circa 0,5 s tra vicini segnali saturi per frequenze più elevate (> 8 Hz, alfa bande gamma). La finestra scorrevole per tutte le bande di frequenza è stata spostata con incrementi di 0,5 s, corrispondente al TR dei dati fMRI.
  3. Per i dati di immagine, pre-elaborazione fMRI standard viene eseguita, inclusa la correzione testa del movimento, levigante immagine FWHM con 0,5 mm, e la rimozione deriva lineare.
  4. Analisi di correlazione incrociata si svolge tra i corsi di potenza LFP tempo e il campo da tempo da ogni voxel dei dati di imaging. Ritardi variabili nel tempo consentire l'esame di dipendenti dal tempo di correlazione (vedi Figura 4).

Rappresentante dei risultati:

A titolo di esempio, questa tecnica può essere utilizzata per indagare il rapporto tra attività neurale e spontanea fluttuazioni BOLD. La Figura 4 mostra le mappe di correlazione tra il potere LFP e il segnale BOLD in intervalli di tempo tra -2,5 e 9,5 s da un ratto. Le fluttuazioni a bassa frequenza BOLD (<0,1 Hz) da aree corticali nei pressi della punta dell'elettrodo sono correlati con i cambiamenti della forza LFP (<0,1 Hz) con un ritardo di 2 ~ 6 s.

Figura 1
Figura 1. Configurazione schematica di impianto di elettrodi e regione di imaging con una bobina di superficie.

Figura 2
Figura 2. Un rappresentante coronale immagine EPI, tra le punte degli elettrodi, viene mostrato nel pannello di sinistra. Il pannello di destra mostra prime registrazioni elettrofisiologiche prima e durante l'imaging.

Figura 3
Figura 3. By ingrandimento di un ciclo di scansione, si può osservare che l'artefatto (verde) durante l'imaging può essere rimosso dal registrazioni originali (blu). I corsi tempo denoised (rosso) sono stati utilizzati per ulteriori analisi.

Figura 4
Figura 4. Mappe coronale (da un ratto tipico) di correlazione tra il potere della spontanea attività banda delta da un elettrodo e il riposo stato del segnale BOLD al momento ritardi da -2,5 a 9,5 s. Massima correlazione si osserva in SI bilaterale a circa 4 ~ 5 s in isoflurano-ratto anestetizzato. Colore barra rappresenta Pearson r.

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Discussion

Entrambe le registrazioni elettrofisiologiche e fMRI BOLD separatamente ben sviluppato tecniche. Tuttavia, allo stesso tempo di registrazione e di imaging è impegnativo a causa delle interferenze reciproche 2 delle due modalità. Qui forniamo una possibile soluzione per esperimenti combinati nel roditore. Il metodo modificato di impianto dell'elettrodo riduce al minimo l'influenza sulla qualità dell'immagine, e la rimozione degli artefatti per le registrazioni elettrica sia necessaria per rimuovere il rumore indotto dalla acquisizione delle immagini. L'imaging e la registrazione simultanea nei roditori fornirà una piattaforma potente per ulteriori indagini del giunto tra spontanea attività neurale e il segnale BOLD, oltre ad altre applicazioni nel campo delle neuroscienze in grado di sfruttare le forze combinate di elettrofisiologia e di imaging funzionale del cervello 3.

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Acknowledgements

Il lavoro è stato sostenuto da NIH 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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