Kemirgen Beyin aynı anda fMRI ve Elektrofizyoloji

Neuroscience

Your institution must subscribe to JoVE's Neuroscience section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Biz, sinirsel aktivite ve kan oksijenlenme seviyesi bağımlı (BOLD) MRG sinyal arasındaki ilişkinin araştırılması için bir platform sağlayan, aynı anda fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme ve kemirgen beyin elektrofizyolojik kayıt için bir yöntem geliştirdik.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Manyetik rezonans görüntüleme (MRG) sinyali bağımlı (BOLD) kan oksijenlenme düzeyinde nöral temeli incelemek için, bir kemirgen modeli, fonksiyonel MRI veri geliştirilen ve

Protocol

1. Bu hayatta olmayan bir ameliyat. Ilk adım elektrotlar implantasyonu. Bu örnekte her iki yarımkürede de birincil somatosensoriyel korteks forepaw bölgelerde, elektrotlar implante edilebilir.

  1. Anestezisi izofluran% 2 ile sıçan (erkek SD sıçan, 200-300 g) ve stereotaktik cerrahi sistemi yerleştirin düzeltmek. Ameliyat başlamadan önce, hayvan anestezi iyi olduğundan emin olmak ve bir ayak tutam herhangi bir tepki sergiliyor. Kafa derisi açmadan önce kürk çıkarın. Ayrı bir kafatası üzerinde kas ve diğer doku ve kemik yüzeyi cauterizer kullanarak herhangi bir kanama engellemek.
  2. Diş çimento kullanarak, kafatası yüzeyi (orta hatta anterior V-şekilli kavşak yakınında) implante elektrot mili için bir fiksasyon noktası olarak bir iskele hazırlayın. Kemiğe diş çimento uygulamadan önce küçük bir naylon vida seti ayarlanması istikrarı artırabilir. Çimento ile şekillenen İskelenin boyutu tabanı (bkz. Şekil 1) yer alan, yaklaşık 5 mm yüksekliğinde ve 3 x 5 mm 2 olmalıdır .
  3. Ince uçlu bir elektrikli matkap kullanarak, kafatası dikkatlice açın ve her yarımkürenin birincil somatosensoriyel korteks forepaw temsil üzerinde dura maruz. Konumlandırılmış ön 1 mm ve 4 mm bregma yanal, her deliğin çapı 1 mm civarında olmalıdır. Mikroskop altında, herhangi bir damar zarar vermemek için dikkatli olmak, dura bir şırınga iğne ucu kullanarak küçük bir açılış kesti.
  4. Her elektrot takmadan önce, herhangi bir kanama veya eksudasyon kesiler yakın olduğundan emin olun. Cam Mikroelektronlar yaklaşık 3 ameliyattan önce hazırlanmalıdır ~ 4 cm mil uzunluğunda ve 1 empedansı ~ 5 M,. Yapay BOS (ACSF) ile elektrot kılcal doldurun ve içine beyin ~ stereotaktik kol kullanılarak açılan dura 0.4 mm (~ 45 ° posterior anterior) oblik her elektrot eklemek. Yerleştirin sabitleme önce, elektrik sinyali kontrol edin. Bir ucu chloridized gümüş tel ACSF ve girişine bağlanan diğer ucu amplifikatör neden daldırılır olmalıdır. Açılan cilt geri subkutan bağlı bir gümüş tel, referans elektrot olarak hizmet vermektedir.
  5. Elektrot sabitleme önce, cerrahi alanda çift kontrol ve herhangi bir kanama veya eksudasyon oluşur emin olun ve sonra kafatası kaldırılan deri ve kas yerine diş macunu uygulayın. Diş macunu kullanımı kafatası / hava arayüzü duyarlılık uyumsuzluğu azaltarak MR görüntü kalitesini artırır. (Bkz. Şekil 1) diş çimento ile hazırlanan iskele elektrot mili takın.
  6. Diş çimento tedavileri sonra, MRI beşiği hayvan transferi ve yerinde düzeltmek. Çalışmada, vücut ısısı, solunum hızı, DPT 2 ve kalp hızı da dahil olmak üzere geri kalan sıçan fizyolojik durum izleyin.
  7. Elektrotlar bobin merkezi çıkıntılı, başının üzerinde bir yüzey bobini (alma / gönderme) yerleştirin. Elektrodun fiksasyonu için bir destek açar beşiği tepesinde oturur ek bir kemer şeklinde bir sert kapak hayvan nefes neden hareket önlemek için hizmet vermektedir. ~ 5 m (amplifikatör sadece mıknatıs oda dışında bulunan) genişletmek, eş zamanlı görüntüleme ve kayıt için kullanılan yol açar ve pasif bir kalkan görevi görür iletken plastik ile kaplıdır.
  8. Anestezi medetomidine istenirse nöral aktivitenin baskılanması azaltmak için izofluran değiştirilebilir. Elektrik sinyali cazibe merkezi haline hayvan aktarmadan önce son bir kez inceleyin. Aşağıdaki gibi çalışmalarda, kayıt parametreleri: x 1000 amplifiye 0.1Hz ~ 5 K Hz bant geçiren filtreden, 60 Hz çentik süzülmüş, 12 kHz örnekleme hızı analog dijital dönüştürme.

2. Bu noktada, hayvan, eş zamanlı görüntüleme ve kayıt için MRI tarayıcısı içine eklenir. Hayvanlar görüntüleme prosedürü boyunca anestezi.

  1. 9.4 T küçük hayvan MRG sistemi (Bruker, Almanya) çalışmalarında kullanılmıştır. Kayıttan önce, görüntüleme parametreleri oluşturulması gerekir. Üç düzlemde izci görüntü fMRI taramaları konumlandırmak için kullanılır. Manyetik alan homojenliği artırmak için, faiz hacmi 1 FASTMAP kullanarak shimmed. FMRI çalışmaları için, koronal bir görüntüleme dilim elektrot implante edildiği ikili forepaw birincil somatosensoriyel alanlarda olmak üzere seçildi. Matris boyutu, 64 x 64; EPI görüntüleme parametreleri FOV, 1.92 x 1.92 cm 2-düzlemi çözünürlüğü, 0.3 x 0.3 mm 2; kesit kalınlığı 2 mm; TR / TE, 500/15 ms.
  2. Eksiksiz, eş zamanlı kayıt ve fMRI görüntüleme kurulum sonra başlayabilir. Şekil 2 temsilcisi EPI görüntüleme sırasında görüntü ve ham kayıtları gösterir. Her bir tarama döngüsü sadece küçük bir bölümünü (22 / 500 ms) için devam doymuş kayıtları, görüntü alımı sırasında gradyanlar hızlı geçiş. Görüntü satın alınmasından sonra, elektrik sinyali returnon-doymuş salınım bir formu (bkz. Şekil 3) ile başlangıca ns. Kombine fMRI ve kayıt dinlenme durumu (bu çalışmada gösterildiği gibi) sırasında ya da uyarılma sırasında yapılabilir. Uyaran çalışmalar için, görüntüleme parametreleri 9 Hz, 1 ~ 4 mA akım kullanılarak verilen forepaw elektrik stimülasyonu ile dinlenme devlet çalışması için aynı. Sıçan son taramadan sonra ötenazi.

3. Eş zamanlı görüntüleme ve kaydettikten sonra, veri son tahlilde önce önceden işlenmiş olmalıdır.

  1. Biz degrade eserler elektrofizyolojik kayıtlar (bkz. Şekil 3) kaldırılması ile başlar.
    1. Ortalama iki ardışık fMRI görüntüleri arasındaki aralığı karşılık, her biri tüm ~ 500 ms (TR) bölümleri, gürültü nedeniyle tarama yapısı elde edilebilir.
    2. Orijinal kayıtları ortalama ses yapısına çıkarın. Bu yöntem, yalnızca doymamış kayıt segmentleri düzeltir.
    3. Her doymuş segmentinde görüntü alımı sırasında degrade arda gelen, önce bir zaman noktasında ve degrade indüklenen doygunluk sonra zaman noktası arasında geçen bir çizgi ile değiştirilir.
  2. Yerel alan potansiyelleri (LFPs) denoised kayıtları daha sonra fMRI zaman ders olarak aynı zamansal çözünürlüğe sahip güç zamanlı kurslar dönüştürülür. 2 saniyelik bir çöp kutusu içinde ortalama güç teta bandı (4 ~ 8 Hz) frekanslar için 1 saniye bin düşük frekanslarda (delta bant, 1 ~ 4 Hz) ve ~ 0.5 sn bin arasında hesaplamak için kullanılır. yüksek frekanslarda (> 8 Hz, alfa, gama bantları) doymuş sinyalleri komşu. FMRI veri TR eşleşen 0.5 artışlarla tüm frekans bantları için sürgülü pencere taşındı.
  3. Görüntü verisi için, standart fMRI önişleme kafa hareketleri düzeltme, 0,5 mm FWHM görüntü yumuşatma ve doğrusal sürüklenme kaldırılması da dahil olmak üzere yapılır.
  4. LFP güç zamanlı kurslar ve voksel görüntüleme verileri her zaman ders arasında çapraz korelasyon analizi yapılır. Değişen zaman gecikme (bkz. Şekil 4), zaman-bağımlı korelasyon muayene izin verir.

Temsilcisi Sonuçlar:

Bir örnek olarak, bu tekniğin, spontan nöral aktivitenin ve BOLD dalgalanmalar arasındaki ilişkiyi araştırmak için kullanılıyor olabilir. Şekil 4 LFP güç ve -2.5 ve 9.5 sn arasında bir sıçan gecikmeli BOLD sinyal arasındaki korelasyon haritalar gösteriyor. Elektrot ucu yakınında kortikal bölgelerden gelen düşük frekanslı BOLD dalgalanmaları (<0.1 Hz) bir gecikme 2 ~ 6 s LFP güç değişiklikleri (<0.1 Hz) ile korele

Şekil 1
Şekil 1 bir yüzey bobini ile elektrod implantasyonu ve görüntüleme bölgesi şematik yapılandırma.

Şekil 2
Şekil 2 elektrot uçları da dahil olmak üzere bir temsilci koronal EPI görüntü, sol panelinde gösterilir. Sağ panelde görüntüleme öncesinde ve sırasında ham elektrofizyolojik kayıtları gösterir.

Şekil 3
Şekil 3'te bir tarama çevrimi yakınlaştırma, görüntüleme sırasında artifakı orijinal kayıtları (mavi) (yeşil) kaldırılmış olabilir olduğu görülebilir. Denoised zamanlı kurslar (kırmızı) daha fazla analiz için kullanılmıştır.

Şekil 4
Şekil 4. Koronal bir elektrot spontan delta bant aktivite güç ve zamanda dinlenme-devlet BOLD sinyal arasındaki korelasyon haritaları (tipik bir sıçan) -2.5 9.5 sn kadar kalıyor Ikili SI izofluran anestezisi sıçan yaklaşık 4 ~ 5 s maksimum korelasyon görülmektedir. Renk çubuğu Pearson r temsil eder

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Elektrofizyolojik kayıt ve BOLD fMRI her ikisi de ayrı ayrı iyi gelişmiş teknikler. Ancak, aynı anda kayıt ve görüntüleme iki modalite karşılıklı 2 girişim nedeniyle zordur. Burada kemirgen kombine deneyler için olası bir çözüm sağlar. Modifiye elektrot implantasyonu yöntemi görüntü kalitesi üzerindeki etkisi en aza indirir ve elektrik kayıtları için artifakı kaldırılması görüntü elde kaynaklanan gürültü çıkarmak için gereklidir. Eş zamanlı görüntüleme ve kayıt kemirgen, elektrofizyoloji ve işlevsel beyin görüntüleme 3 kombine güçlerinden yararlanmak nörobilim alanında diğer uygulamalara ek olarak, spontan nöral aktivitenin ve BOLD sinyal arasındaki kaplin daha ileri araştırmalar için güçlü bir platform sağlayacaktır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgements

1 R21NS057718-01 NIH tarafından desteklenen oldu.

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

Post a Question / Comment / Request

You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

Usage Statistics