FMRI simultánea y electrofisiología en el cerebro de roedores

Neuroscience

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Summary

Hemos desarrollado un método de traducción simultánea de imágenes de resonancia magnética funcional y de registro electrofisiológico en el cerebro de roedores, proporcionando una plataforma para la investigación de la relación entre la actividad neuronal y el nivel de oxigenación de la sangre depende de (BOLD) señal de resonancia 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 las bases neuronales del nivel de oxigenación de la sangre depende de (BOLD) imágenes por resonancia magnética (MRI) de la señal, hemos desarrollado un modelo de roedores en los que los datos de resonancia magnética funcional y

Protocol

1. Esta es una cirugía no la supervivencia. El primer paso es la implantación de los electrodos. En este ejemplo, los electrodos se implantan en las regiones de pata de la corteza somatosensorial primaria de ambos hemisferios.

  1. Anestesiar la rata (rata macho SD, 200-300 g) con isoflurano al 2% y fijar en su lugar en un sistema de cirugía estereotáctica. Antes de comenzar la cirugía, asegúrese de que el animal está bien anestesiado y no muestra respuesta a una pizca dedo del pie. Quite la piel antes de abrir el cuero cabelludo. Separar los músculos y otros tejidos por encima del cráneo y de bloquear cualquier sangrado en la superficie del hueso mediante un cauterizador.
  2. Prepare un muelle en la superficie del cráneo (cerca de la línea media anterior en forma de V de unión) como un punto de fijación para el eje del electrodo implantado, con un cemento dental. Establecimiento de un conjunto de nylon pequeño tornillo en el hueso antes de aplicar el cemento dental podría aumentar la estabilidad. El tamaño del muelle en forma de cemento debe ser de aproximadamente 5 mm de altura y 3 x 5 mm 2 en el área de la base (ver Figura 1).
  3. El uso de un taladro eléctrico con punta fina, abra cuidadosamente el cráneo y exponer la dura sobre la representación pata en la corteza somatosensorial primaria de cada hemisferio. El diámetro de cada agujero debe ser aproximadamente 1 mm, situado a 1 mm por delante y 4 mm lateral de bregma. Bajo el microscopio, corte una pequeña abertura en la duramadre con una punta de aguja de la jeringa, teniendo cuidado de evitar cualquier daño a los vasos.
  4. Antes de la inserción de los electrodos, asegúrese de que no hay hemorragia o exudación está presente cerca de las incisiones. Los microelectrodos de vidrio deben estar preparados antes de la cirugía, con aproximadamente 3 a 4 cm de longitud del eje-y la impedancia de 1 ~ 5 mW. Llenar el capilar del electrodo con LCR artificial (ACSF) e introduzca cada electrodo oblicuo (~ 45 °, de posterior a anterior) en el cerebro ~ 0,4 mm de la dura abierto con el brazo estereotáctica. Antes de fijar en su lugar, comprobar la señal eléctrica. Un extremo de un alambre de plata chloridized deben ser sumergidos en la ACSF y el otro extremo conectado a la entrada lleva al amplificador. Un hilo de plata, que se adjunta por vía subcutánea en la parte posterior de la piel abierta, sirve como electrodo de referencia.
  5. Antes de la fijación de electrodos, revise el área quirúrgica y asegurarse de que no haya sangrado o exudación se produce, a continuación, aplicar la crema dental para reemplazar la piel y el músculo eliminado en el cráneo. El uso de la pasta de dientes mejora la calidad de imagen de resonancia magnética mediante la reducción de la desigualdad susceptibilidad a la interfaz del cráneo / aire. Fijar el eje del electrodo hasta el muelle preparado con cemento dental (ver Figura 1).
  6. Después de la cura de cemento dental, la transferencia del animal a la base de la RM y fijar en su lugar. Monitorear la condición fisiológica de la rata s para el resto del estudio, incluyendo la temperatura corporal, frecuencia respiratoria, SpO 2 y frecuencia cardíaca.
  7. Posición de una bobina de superficie (transmisión / recepción) en la cabeza, con los electrodos que sobresale del centro de la bobina. Adicionales en forma de arco de tapa dura que se asienta sobre la base sirve de soporte para la fijación de los cables-electrodos con el fin de evitar el movimiento causado por la respiración del animal. Los cables utilizados para obtener imágenes y grabación simultánea se extienden a ~ 5 m (el amplificador se encuentra fuera de la habitación del imán) y se cubren con plástico conductor que sirve como un escudo pasiva.
  8. La anestesia puede ser cambiado de isoflurano de medetomidina para reducir la supresión de la actividad neuronal, si lo desea. Examine la señal eléctrica por última vez antes de ser transferido al animal en el imán. En nuestros estudios, los parámetros de grabación fueron los siguientes: 1000 x amplificado, 0.1Hz ~ 5 K Hz pasa-banda-filtrada, 60 Hz con filtro de muesca, la frecuencia de muestreo 12 kHz para la conversión de analógico a digital.

2. En este punto, el animal se introduce en el escáner de resonancia magnética para obtener imágenes y grabación simultánea. Los animales son anestesiados durante todo el procedimiento de imágenes.

  1. A 9.4 T de animales pequeños resonancia magnética del sistema (Bruker, Alemania) fue utilizado en nuestros estudios. Antes de la grabación, los parámetros de imagen debe ser establecido. Una imagen de avión tres explorador se utiliza para colocar los escaneos fMRI. Para mejorar la homogeneidad del campo magnético, el volumen de interés es calzar con FASTMAP 1. Para los estudios de resonancia magnética funcional, una rebanada de imagen coronal fue seleccionado, que incluyó bilaterales pata áreas somatosensoriales primaria, en la que los electrodos se implantaron. Los parámetros de imagen del PAI se FOV, 1,92 x 1,92 cm 2, tamaño de la matriz, 64 x 64, en el plano de resolución, 0,3 x 0,3 mm 2, grosor de corte, 2 mm; TR / TE, 500/15 ms.
  2. Después de la configuración de imagen es la grabación completa, simultánea y fMRI puede comenzar. La figura 2 muestra una imagen representativa del PAI y las grabaciones en bruto durante la exploración. El rápido cambio de los gradientes en los resultados de la adquisición de imágenes en las grabaciones saturadas, que persisten durante sólo una pequeña parte de cada ciclo (22 / 500 ms). Después de la adquisición de la imagen, la señal eléctrica RETURns de línea de base con una forma de no-saturadas oscilación (ver Figura 3). FMRI combinado y la grabación se llevó a cabo durante el estado de reposo (como se demuestra en este estudio) o durante la estimulación. Para los estudios de estímulo, los parámetros de imagen son las mismas que para el estudio de estado de reposo, con la estimulación eléctrica de la pata delantera suministrado con 9 Hz, 1 a 4 mA de corriente. La rata es la eutanasia después de la exploración final.

3. Después de la filmación y grabación simultánea, los datos deben ser pre-procesados ​​antes del análisis final.

  1. Comenzamos con la eliminación de los artefactos pendiente de las grabaciones electrofisiológicas (ver Figura 3).
    1. La estructura del ruido en las imágenes escaneadas se pueden extraer el promedio de todas ~ 500 ms (TR) secciones, cada una de las cuales corresponde al intervalo entre dos imágenes consecutivas fMRI.
    2. Reste la estructura promedio de ruido de las grabaciones originales. Este método sólo corrige los segmentos de la grabación no saturadas.
    3. Cada segmento saturado correspondiente a la alternancia de gradiente durante la adquisición de la imagen se sustituye por una línea que pasa entre el instante anterior y el punto de tiempo después de gradiente inducido por la saturación.
  2. Las grabaciones denoised de los potenciales de campo local (LFPs) se convierten entonces en los cursos de tiempo el poder, el cual tendrá la misma resolución temporal como el transcurso del tiempo fMRI. La potencia media dentro de un recipiente de 2 segundos se utiliza para el cálculo de las frecuencias más bajas (banda delta, del 1 al 4 Hz), con un cubo de 1 segundo para la banda theta (4 a 8 Hz) frecuencias, y una bandeja de ~ 0,5 s entre vecinos señales de saturación de las frecuencias más altas (> 8 Hz, a las bandas alfa gamma). La ventana deslizante para todas las bandas de frecuencia se trasladó en incrementos de 0,5 s, coincidiendo con el TR de los datos de la fMRI.
  3. Para los datos de la imagen, preprocesamiento fMRI estándar se lleva a cabo, incluida la corrección de la cabeza de movimiento, se suaviza la imagen con FWHM de 0,5 mm, y la eliminación de la deriva lineal.
  4. Análisis de correlación cruzada se lleva a cabo entre los cursos de tiempo LFP poder y la evolución en el tiempo de cada voxel de datos de imágenes. Diferentes lapsos de tiempo permitir el examen de la correlación en función del tiempo (ver Figura 4).

Los resultados representativos:

A modo de ejemplo, esta técnica puede ser utilizada para investigar la relación entre la actividad neuronal espontánea y las fluctuaciones de BOLD. Figura 4 muestra los mapas de correlación entre el poder LFP y la señal BOLD en lapsos de tiempo entre -2,5 y 9,5 s de una rata. Las fluctuaciones de baja frecuencia BOLD (<0,1 Hz) de las áreas corticales, cerca de la punta del electrodo se correlacionan con los cambios de energía LFP (<0,1 Hz) con un retraso de 2 ~ 6 s.

Figura 1
Figura 1. Esquema de configuración de la implantación de electrodos y de la región de imagen con una bobina de superficie.

Figura 2
Figura 2. Un representante de la corona la imagen del PAI, incluyendo las puntas de los electrodos, se muestra en el panel izquierdo. El panel derecho muestra los registros electrofisiológicos en bruto antes y durante la exploración.

Figura 3
Figura 3. Al hacer zoom sobre un ciclo, se puede observar que el artefacto (verde) durante la exploración puede ser removido de las grabaciones originales (azul). Los cursos a tiempo denoised (rojo) se utilizaron para su posterior análisis.

Figura 4
Figura 4. Mapas coronal (a partir de una rata normal) de la correlación entre la potencia de la actividad espontánea de la banda delta de un electrodo y la señal BOLD descanso estado en lapsos de tiempo, -2,5 a 9,5 s. Máxima correlación se observa en el SI bilateral en aproximadamente 4 ~ 5 s en ratas anestesiadas con isoflurano. Color de la barra representa Pearson r.

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Discussion

Ambos registro electrofisiológico y fMRI BOLD por separado bien desarrollado técnicas. Sin embargo, al mismo tiempo de grabación de imagen y es un reto debido a la interferencia mutua 2 de las dos modalidades. A continuación presentamos una posible solución para experimentos combinados en los roedores. El método modificado de la implantación de electrodos minimiza la influencia en la calidad de la imagen, y la eliminación de artefactos para la grabación eléctrica es necesaria para eliminar el ruido inducido por la adquisición de imágenes. De imágenes y grabación simultánea en los roedores proporcionará una potente plataforma para futuras investigaciones de la unión entre la actividad neuronal espontánea y la señal BOLD, además de otras aplicaciones de la neurociencia que se aprovechan de las fuerzas combinadas de la electrofisiología y la neuroimagen funcional 3.

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Acknowledgements

El trabajo fue apoyado por el NIH un 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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