FMRI simultânea e Eletrofisiologia no cérebro de roedores

Neuroscience

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Summary

Nós desenvolvemos um método para ressonância magnética funcional simultânea e gravação eletrofisiológicas no cérebro de roedores, proporcionando uma plataforma para a investigação da relação entre a atividade neural e sinalizar o nível de oxigenação do sangue (BOLD) dependente de ressonância magnética.

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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

Para examinar a base neural do nível de oxigenação do sangue dependente (BOLD) ressonância magnética do sinal (MRI), desenvolvemos um modelo de roedores nos quais dados de MRI e funcional

Protocol

1. Esta é uma cirurgia não-sobrevivência. O primeiro passo é a implantação dos eletrodos. Neste exemplo, os eletrodos serão implantados nas regiões forepaw de córtex somatosensorial primário de ambos os hemisférios.

  1. Anestesiar o rato (rato SD masculino, 200-300 g) com 2% de isoflurano e fixar no lugar em um sistema estereotáxico cirúrgico. Antes de iniciar a cirurgia, certifique-se que o animal está bem anestesiado e não exibe nenhuma resposta a uma pitada dedo do pé. Retire a pele antes de abrir o couro cabeludo. Separar os músculos e outros tecidos acima do crânio e bloquear qualquer sangramento na superfície óssea usando um cauterizador.
  2. Prepare um cais na superfície do crânio (perto da linha média junção V-shaped anterior) como um ponto de fixação para o eixo do eletrodo implantado, usando cimento dental. Definição de um conjunto pequeno parafuso de nylon dentro do osso, antes de aplicar cimento dental pode aumentar a estabilidade. O tamanho do cais em forma com cimento deve ser de aproximadamente 5 mm de altura e 3 x 5 mm 2 de área na base (ver Figura 1).
  3. Usando uma broca com ponta fina elétrica, abra cuidadosamente o crânio e expor a dura sobre a representação das patas dianteiras no córtex somatosensorial primário de cada hemisfério. O diâmetro de cada furo deve ser em torno de 1 mm, posicionada a 1 mm anterior ao e 4 mm lateral do bregma. Sob um microscópio, corte uma pequena abertura na dura-máter usando uma ponta de agulha da seringa, tomando cuidado para evitar qualquer dano navio.
  4. Antes de inserir cada eletrodo, certifique-se que nenhum sangramento ou exsudação está presente perto das incisões. Os microeletrodos de vidro deve ser preparado antes da cirurgia, com cerca de 3 ~ 4 centímetros de comprimento do eixo e impedância de 1 ~ 5 mohms. Preencher o capilar do eletrodo com CSF artificial (ACSF) e inserir cada eletrodo obliquamente (~ 45 °, de posterior para anterior) para o cérebro ~ 0,4 milímetros a partir da dura aberto usando o braço estereotáxico. Antes de fixar no lugar, verificar o sinal elétrico. Uma extremidade de um fio de prata chloridized deve ser mergulhado na ACSF ea outra extremidade conectada à entrada conduz ao amplificador. Um fio de prata, em anexo por via subcutânea na parte de trás da pele aberta, serve como eletrodo de referência.
  5. Antes de fixação dos eletrodos, verifique a área cirúrgica e certifique-se que nenhum sangramento ou exsudação ocorre, e em seguida, aplicar pasta de dentes para substituir a pele e os músculos retirados do crânio. O uso do creme dental melhora a qualidade da imagem MR, reduzindo o descompasso susceptibilidade na interface crânio / ar. Anexar o eixo do eletrodo para o cais preparada com cimento dental (ver Figura 1).
  6. Após a cura do cimento dental, transferir o animal para o berço de ressonância magnética e fixar no lugar. Monitorar a condição fisiológica do rato s para o restante do estudo, incluindo a temperatura corporal, taxa de respiração, SPO 2 e freqüência cardíaca.
  7. A posição de uma bobina de superfície (transmissão / recepção) sobre a cabeça, com os eletrodos salientes do centro da bobina. Uma tampa em forma de arco rígido adicional que se senta sobre o berço serve como um suporte para fixação do eletrodo conduz a fim de evitar o movimento causado pela respiração animal. Os eletrodos utilizados para geração de imagens e gravação simultânea de estender-se a 5 m (o amplificador está localizado fora da sala de imã) e são cobertos com plástico condutor que serve como um escudo passiva.
  8. A anestesia pode ser mudado de isoflurano a medetomidina para reduzir a supressão da atividade neural, se desejar. Examine o sinal elétrico uma última vez antes de transferir o animal para o ímã. Em nossos estudos, os parâmetros de gravação foram os seguintes: 1000 x amplificado, 0,1 Hz ~ 5 K Hz bandpass filtrada, 60 Hz notch filtrada, 12 kHz de taxa de amostragem para a conversão analógica para digital.

2. Neste ponto, o animal é inserido no scanner de ressonância magnética para geração de imagens e gravação simultânea. Os animais são anestesiados durante todo o procedimento de imagem.

  1. A 9,4 T pequenos animais MRI sistema (Bruker, Alemanha) foi utilizado em nossos estudos. Antes da gravação, parâmetros de imagem deve ser estabelecida. A imagem de três escuteiros avião é usado para posicionar a exames de ressonância magnética. Para melhorar a homogeneidade do campo magnético, o volume de interesse é espessurados usando FASTMAP 1. Para estudos de fMRI, uma fatia de imagem coronal foi selecionado, que incluiu bilateral forepaw áreas somatossensorial primário, no qual os eletrodos foram implantados. Os parâmetros de imagem foram EPI FOV, 1,92 x 1,92 centímetros 2; tamanho da matriz, 64 x 64; no plano de resolução, 0,3 x 0,3 mm 2; espessura de corte, 2 mm; TR / TE, 500/15 ms.
  2. Após a configuração de imagem é a gravação completa, simultânea e fMRI pode começar. A Figura 2 mostra uma imagem representativa e EPI-primas durante as gravações de imagem. A mudança rápida dos gradientes durante resultados de aquisição de imagem em gravações saturada, que persistem por apenas uma pequena porção de cada ciclo de scan (22/500 ms). Após a aquisição da imagem, o sinal elétrico Returns a linha de base com uma forma de não-saturado oscilação (ver Figura 3). FMRI combinado e gravação podem ser realizadas durante o estado de repouso (como demonstrado neste estudo) ou durante a estimulação. Para estudos de estímulo, os parâmetros de imagem são os mesmos que para o estudo do estado de repouso, com a estimulação elétrica da pata dianteira fornecido com 9 Hz, 1 ~ 4 mA. O rato é sacrificado após a verificação final.

3. Depois de imagem e gravação simultânea, os dados devem ser pré-processados ​​antes da análise final.

  1. Começamos com a remoção dos artefatos gradiente das gravações eletrofisiológicas (ver Figura 3).
    1. A estrutura de ruído devido à digitalização pode ser extraída, pela média dos ~ 500 ms (TR) seções, cada uma das quais corresponde ao intervalo entre dois períodos consecutivos de imagens fMRI.
    2. Subtrair a estrutura ruído médio das gravações originais. Este método corrige apenas os segmentos de gravação insaturados.
    3. Cada segmento saturado correspondente a alternância de gradiente durante a aquisição de imagem é substituída por uma linha, que passa entre o ponto de tempo antes e após o ponto no tempo gradiente induzido por saturação.
  2. As gravações denoised de potenciais de campo locais (LFPs) são convertidos em cursos de potência do tempo, que terá a mesma resolução temporal como o curso do tempo fMRI. A potência média dentro de um bin de 2 segundos é usado para calcular as freqüências mais baixas (delta banda, 1 a 4 Hz), com uma lata de 1 segundo para faixa teta (4 a 8 Hz) freqüências, e uma caixa de ~ 0,5 s entre vizinhos sinais de saturação para freqüências mais altas (> 8 Hz, alfa para bandas de gama). A janela deslizante para todas as bandas de freqüência foi movido em incrementos de 0,5 s, combinando com o TR dos dados fMRI.
  3. Para dados de imagem, pré-processamento de fMRI padrão é realizada, incluindo correção de cabeça movimento, suavização da imagem com 0,5 FWHM mm, e remoção de drift linear.
  4. Análise de correlação cruzada é realizada entre os cursos de poder LFP tempo e ao longo do tempo de cada voxel de dados de imagem. Lapsos de tempo variando permitir o exame de tempo-dependente de correlação (ver Figura 4).

Resultados representativos:

Como exemplo, esta técnica pode ser usada para investigar a relação entre a atividade neural espontânea e flutuações BOLD. A Figura 4 mostra os mapas de correlação entre o poder LFP eo sinal BOLD em lapsos de tempo entre -2,5 e 9,5 s de um rato. As flutuações de baixa freqüência BOLD (<0,1 Hz) de áreas corticais perto da ponta do eletrodo são correlacionadas com as mudanças de energia LFP (<0,1 Hz) com um atraso de 2 a 6 s.

Figura 1
Figura 1. Configuração esquemática do implante de eletrodos e região de imagem com uma bobina de superfície.

Figura 2
Figura 2. Um representante coronal imagem EPI, incluindo as pontas dos eletrodos, é mostrado no painel da esquerda. O painel direito mostra-prima gravações eletrofisiológicas antes e durante o exame.

Figura 3
Figura 3. By zoom em um ciclo de varredura, pode-se ver que o artefato (verde) durante o exame pode ser removido de gravações originais (azul). Os cursos tempo denoised (vermelho) foram utilizados para análise posterior.

Figura 4
Figura 4. Coronal mapas (de um rato normal) de correlação entre o poder da atividade espontânea banda delta de um eletrodo eo sinal de descanso estado BOLD em defasagens de -2,5 a 9,5 s. Máxima correlação é observada em SI bilateral em cerca de 4 ~ 5 s em ratos anestesiados com isoflurano. Cor da barra representa Pearson r.

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Discussion

A gravação eletrofisiológicos e fMRI BOLD são separadamente bem desenvolvido técnicas. No entanto, ao mesmo tempo de gravação e imagem é um desafio devido à interferência mútua 2 das duas modalidades. Aqui nós fornecemos uma solução possível para experimentos combinados no roedor. O método modificado de implante de eletrodos minimiza influência sobre a qualidade da imagem, ea remoção de artefatos para as gravações elétrica é necessário remover o ruído induzido pela aquisição da imagem. De imagem e gravação simultânea nos roedores irá fornecer uma plataforma poderosa para futuras investigações do acoplamento entre a atividade neural espontânea eo sinal BOLD, além de outras aplicações em neurociência que aproveitam as forças combinadas de eletrofisiologia e imagem funcional do cérebro 3.

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Acknowledgements

O trabalho foi suportado pelo NIH um 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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