齧歯類の脳における同時fMRIと電気生理学

Neuroscience

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Summary

我々は、神経活動と血中酸素レベル依存(BOLD)MRI信号との関係の調査のためのプラットフォームを提供し、齧歯類の脳における同時機能的磁気共鳴イメージングと電気生理学的記録法を開発した。

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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

血中酸素レベル依存(BOLD)磁気共鳴画像(MRI)信号の神経基盤を調べるために、我々は、機能的MRIデータの齧歯類モデルを開発し、

Protocol

1。これは、非生存手術です。最初のステップは、電極の移植です。この例では、電極は、両半球の一次体性感覚野の前足領域に注入されます。

  1. 2パーセントイソフルランと定位手術システム上で所定の位置に修正とラット(雄性SDラット、200〜300 g)を麻酔。手術を開始する前に、動物がよく麻酔で、つま先のピンチへの応答を示さないことを確認してください。頭皮を開く前に毛皮を削除します。頭蓋骨上記の筋肉や他の組織を分離し、cauterizerを使用して骨表面上の任意の出血をブロックする。
  2. 歯科用セメントを用いて、埋め込み電極のシャフトのための固定点として、頭蓋骨の表面(正中線前方V字型接合部付近)に桟橋を準備します。歯科用セメントを適用する前に、骨に小さなナイロンのネジセットを設定すると、安定性が向上する可能性があります。セメントで形をした桟橋のサイズは、ベース(図1参照)で、面積で約5 mm、高、3 × 5mmの2です。
  3. 微細な先端電気ドリルを使用して、慎重に頭蓋骨を開いて、各半球の一次体性感覚野における前足の表現上の硬膜を露出。各穴の直径は1mm、前方に配置さ1 mmのブレグマから横4ミリメートル前後となるはずです。顕微鏡下で、あらゆる船の損傷を避けるために注意しながら、注射針の先端を使用して硬膜に小さな開口部をカット。
  4. 各電極を挿入する前に、出血や滲出液が切開部の近くに存在しないことを確認してください。ガラス微小電極を約3で手術前に準備する必要があります〜4 CM1のシャフトの長さとインピーダンス〜5MΩを。人工CSF(ACSF)と電極のキャピラリーを記入して脳〜定位アームを使用して開かれた硬膜から0.4ミリメートルに(〜45 °、後方から前方に)斜めにそれぞれ電極を挿入する。所定の位置に固定する前に、電気信号​​を確認してください。 chloridized銀線の一端はACSFに浸漬し、入力に接続されているもう一方の端はアンプにつながる必要があります。開いた皮膚の奥に皮下接続されている銀線は、、参照電極として機能します。
  5. 電極の固定する前に、二重手術のエリアをチェックし、出血や滲出液が発生しないことを確認してから、頭蓋骨に除去皮膚や筋肉を置き換えるために歯磨き粉を適用する。歯磨き粉の使用は、頭蓋骨/空気界面での感受性のミスマッチを減らすことにより、MR画像の品質を向上させます。歯科用セメントと準備桟橋(図1を参照)に、電極シャフトを取り付けます。
  6. 歯科用セメントが硬化した後、MRIクレードルに動物を譲渡し、代わりに修正。体温、呼吸数、SPO 2、心拍数を含む研究、の残りのためのラットの生理的状態を監視します。
  7. コイルの中心から突起電極と、頭の上に表面コイルを(受信/送信)に置きます。電極の固定のためのサポートは、動物の呼吸によって引き起こされる運動を避けるためにつながるとして、クレードルの上に座っている追加のアーチ形のハードカバーが提供しています。同時イメージングと録音に使用リード線〜5メートル(アンプがちょうど磁石の部屋の外に置かれている)に拡張され、受動的なシールドとして機能する導電性プラスチックで覆われている。
  8. 麻酔は必要に応じて神経活動の抑制を減らすためにメデトミジンにイソフルランから切り替えることができます。磁石に動物を転送する前に電気信号を最終的な時間を調べます。増幅× 1000、0.1Hzの〜5 K Hzのバンドパスフィルタを適用、60 Hzのノッチフィルタをかけ、アナログからデジタルへの変換のための12 kHzのサンプルレートを次のように我々の研究では、記録パラメータであった。

2。この時点で、動物は、同時イメージングと記録のためのMRIスキャナーに挿入されます。動物は、イメージングの手順を通して麻酔する。

  1. 9.4 T小動物用MRIシステム(ブルカー、ドイツは)私たちの研究に使用されました。録音の前に、画像パラメータを確立する必要があります。 3つの平面のスカウト画像は、fMRIのスキャンを配置するために使用されます。磁場の均一性を向上させるために、関心のボリュームがFASTMAP 1を使用して shimmedている。 fMRIの研究のために、コロナの撮像スライスは、電極が注入された二国間前足一次体性感覚の領域を、含まれている、選ばれました。行列のサイズ、64 × 64;の面内分解能、0.3 × 0.3ミリメートル2、スライス厚は2mm、TR / TE、15分の500ミリEPIの撮像パラメータは、FOV、1.92 × 1.92 cm 2とした。
  2. イメージングセットアップが完了すると、同時録音とfMRIを開始することができます。図2は、代表的なEPI画像と撮影時の生録音を示しています。各スキャンサイクルのごく一部(500分の22ミリ)のために持続飽和録音の画像取得結果、中勾配の急激な切り替え。画像取得後に、電気信号​​のretur非飽和発振の形でベースラインにNS(図3を参照)。組み合わせるfMRIと記録は静止状態(として本研究で示したように)中に、または刺激の間に行うことができる。刺激の研究のために、イメージングパラメータは9 Hzの、1〜現在の4 mAを使用して供給された前足の電気刺激で、静止状態の試験の場合と同じです。ラットは、最後のスキャンの後に安楽死させています。

3。同時イメージングと録音した後、データが最終的な分析前に事前処理する必要があります。

  1. 我々は、電気生理学的記録(図3参照)から勾配アーチファクトの除去から始まります。
    1. スキャンに起因するノイズの構造は、2つの連続した​​fMRIの画像間の間隔に対応するそれぞれが、すべて〜500ミリ秒(TR)のセクションを平均することによって抽出することができます。
    2. オリジナル録音から平均ノイズ構造を引きます。このメソッドは、不飽和記録のセグメントを修正。
    3. 画像を取り込みながら勾配の交代に対応するそれぞれの飽和セグメントは前の時点と勾配誘発性飽和後の時点の間を通過線に置き換えられています。
  2. 局所電場電位(LFPs)のdenoised音声ファイルはその後、fMRIの時間のコースと同じ時間分解能を持つ電源のタイムコース、に変換されます。 2秒ビン内の平均電力は、シータバンド(4〜8ヘルツ)の周波数の1秒ビンと低い周波数(デルタバンド、1〜4 Hz)を、、と〜0.5秒のビンの間を計算するために使用されますより高い周波数(> 8 Hzの、ガンマバンドへのα)のための飽和信号を隣接。すべての周波数帯域のためのスライディングウィンドウは、fMRIのデータのTRをマッチング、0.5秒単位で移動されました。
  3. 画像データの場合は、標準的なfMRIの前処理は、頭部の動き補正、0.5mmの半値幅を持つ画像の平滑化、および線形ドリフトの除去を含め、実行されます。
  4. クロス相関分析は、LFPのパワータイムコースと画像データの各ボクセルからの時間経過との間で行われている。様々なタイムラグが(図4を参照)時間に依存する相関関係の調査を可能にする。

代表的な結果:

例として、この技術は自発的神経活動とBOLD変動との関係を調査するために使用されることがあります。図4一ラットから-2.5の間と9.5秒遅れている時にLFPのパワーとBOLD信号との相関マップを示しています。電極の先端付近の皮質領域から低周波BOLD変動(<0.1 ​​Hz)は2の遅延〜6秒でLFPのパワーの変化(<0.1 ​​Hz)と相関している

図1
図1表面コイルと電極の注入と撮像領域の概略構成。

図2
図2電極チップを含む代表的な冠状EPI画像が、、左側のパネルに表示されます。右側のパネルには画像処理の実行前と実行中生の電気生理学的記録を示しています。

図3
図3。1回のスキャンサイクル上で拡大することで、それは撮影時のアーティファクト(緑)は、元の録音(青)から削除される可能性があることがわかる。 denoised時間コース(赤)はさらなる分析のために使用されていました。

図4
図4は、1つの電極からの自発的なデルタのバンド活動の力と時の安静状態のBOLD信号との相関のコロナのマップは、(典型的なラットから)-2.5から9.5秒に遅れているイソフルラン麻酔ラットの約4〜5秒で二国間SIで観察される最大の相関。カラーバーは、ピアソンrを表し、

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Discussion

電気生理学的記録とBOLD fMRIの両方が別々によく発達した手法です。しかし、同時に録音し、イメージングには2つのモダリティの相互干渉2のため困難である。ここでは、げっ歯類での複合実験のための可能な解決策を提供します。電極の注入の変更方法は、画像の品質に影響を最小限に抑え、電気録音のアーティファクト除去は、画像取得により誘導されるノイズを除去する必要がある。げっ歯類の同時イメージングと録音が自発的神経活動および電気生理学や脳機能イメージング3の組み合わせの強みを活用する神経科学の他のアプリケーションに加えて、BOLD信号、間の結合のさらなる調査のための強力なプラットフォームを提供します。

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Acknowledgements

作品は、NIH 1 R21NS057718 - 01によってサポートされていました。

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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