وأيد عمل المعاهد الوطنية للصحة R21NS057718 1 - 01.

1. هذه هي عملية جراحية غير البقاء. الخطوة الأولى هي زرع أقطاب كهربائية. في هذا المثال ، سيتم زرع أقطاب كهربائية في مناطق القشرة الحسية الجسدية من forepaw الأولية كل من نصفي الكرة الأرضية. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تخدير الفئران (ذكور الفئران SD ، 200-300 ز) مع 2 ٪ isoflurane والإصلاح في مكانه على نظام الجراحية المجسم. قبل البدء في عملية جراحية ، تأكد من أن الحيوان هو تخدير جيدا ويسلك أي استجابة لقرصة أخمص قدميه. إزالة الفراء قبل فتح فروة الرأس. فصل العضلات والأنسجة الأخرى فوق الجمجمة ومنع أي نزيف على سطح العظام باستخدام cauterizer. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> يعد رصيف على سطح الجمجمة (بالقرب من مفرق على شكل V - خط الوسط الأمامي) كنقطة التثبيت للرمح القطب المزروع ، وذلك باستخدام الاسمنت الأسنان. قد وضع المسمار مجموعة صغيرة من النايلون في العظام قبل تطبيق زيادة الاستقرار الاسمنت الأسنان. يجب أن يكون حجم الرصيف شكل مع الأسمنت بنحو 5 مم و 3 مم × 5 2 في المنطقة على قاعدة (أنظر الشكل 1). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> باستخدام الحفر الكهربائية يميل غرامة ، وفتح الجمجمة بدقة وفضح الجافية على تمثيل في القشرة الحسية الجسدية forepaw الأساسي لكل نصف الكرة الغربي. يجب على كل ثقب قطره بحوالي 1 ملم المتمركزة 1 ملم الأمامي لو 4 ملم من bregma الوحشي. تحت المجهر ، وقطع فتحة صغيرة في الجافية باستخدام إبرة حقنة غيض ، والحرص على تجنب أي ضرر بالسفينة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> قبل إدراج كل قطب ، تأكد من عدم وجود نزيف أو نضح موجودا بالقرب من الشقوق. وينبغي أن يكون مستعدا microelectrodes الزجاج قبل الجراحة مع ما يقرب من 3 ~ 4 سم وطول رمح مقاومة من 1 ~ 5 Mω. ملء الشعرية القطب مع CSF الاصطناعي (ACSF) وإدراج كل قطب كهربائي بشكل غير مباشر (~ 45 درجة ، من الخلف إلى الأمام) في الدماغ ~ 0.4 مم من الجافية فتحها باستخدام الذراع المجسم. قبل تحديد موضع التنفيذ ، والتحقق من الإشارات الكهربائية. وينبغي أن تراجع واحدة من نهاية سلك الفضة chloridized في ACSF والطرف الآخر متصلا المدخلات يؤدي إلى مكبر للصوت. سلك الفضة ، وتعلق تحت الجلد في الجزء الخلفي من الجلد فتح ، بمثابة قطب المرجعية. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> قبل تثبيت القطب ، والتحقق من مضاعفة مساحة الجراحية وتأكد من عدم حدوث نزف أو نضح ، ومن ثم تطبيق معجون الأسنان ليحل محل إزالة الجلد والعضلات على الجمجمة. استخدام معجون الأسنان على تحسين جودة الصورة من خلال تقليل MR الحساسية عدم تطابق في واجهة الجمجمة / الهواء. إرفاق رمح الكهربائي إلى الرصيف أعدت مع الاسمنت الأسنان (انظر الشكل 1). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> بعد علاج الأسنان الاسمنت ، ونقل الحيوان إلى مهد التصوير بالرنين المغناطيسي والإصلاح في المكان. رصد حالة الفئران ليالي الفسيولوجية للفترة المتبقية من الدراسة ، بما في ذلك درجة حرارة الجسم ومعدل التنفس ، ومعدل 2 SPO القلب. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> موقف لفائف السطحية (الإرسال / التلقي) على رأسه ، مع الأقطاب البارزة من وسط لفائف. إضافية على شكل قوس تغطية الثابت الذي يجلس على قمة مهد بمثابة دعم لتثبيت للقطب يؤدي لتجنب الحركة التي يسببها التنفس الحيوانية. يؤدي استخدام التصوير والتسجيل في وقت واحد تمتد إلى ~ 5 م (يقع مكبر للصوت خارج الغرفة المغناطيس) ومغطاة بالبلاستيك موصل والتي هي بمثابة درع السلبي. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> يمكن أن تنتقل من التخدير لisoflurane medetomidine للحد من النشاط العصبي قمع الرغبة. فحص الإشارات الكهربائية مرة أخيرة قبل نقل الحيوان إلى المغناطيس. في دراساتنا ، وتسجيل المعلمات على النحو التالي : × 1000 تضخيمها ، 0.1Hz ~ 5 K - تصفيتها ممر الموجة هرتز ، 60 هرتز ، درجة وتصفيتها ، و 12 كيلوهرتز معدل عينة تمثيلية للتحويل إلى الرقمية. </li></ol> 2. عند هذه النقطة ، يتم إدخال الحيوان في الماسحة الضوئية التصوير بالرنين المغناطيسي للتصوير وتسجيل متزامنة. لتخدير الحيوانات في جميع أنحاء الداخلي التصوير. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تم استخدام 9.4 T الحيوانات الصغيرة التصوير بالرنين المغناطيسي للنظام (بروكر ، ألمانيا) في دراساتنا. قبل التسجيل ، يجب وضع معايير التصوير. وتستخدم الطائرة الكشفية three الصورة لموقف أشعة الرنين المغناطيسي الوظيفي. لتحسين تجانس الحقل المغناطيسي ، وهو shimmed حجم الاهتمام به FASTMAP 1. للدراسات الرنين المغناطيسي الوظيفي ، وقد تم اختيار شريحة التصوير الاكليلية ، التي شملت forepaw الابتدائية الثنائية المناطق الحسية الجسدية ، والتي تم زرع أقطاب كهربائية. كان التصوير المعلمات EPI FOV ، 1.92 X 1.92 سم 2 ؛ حجم المصفوفة ، 64 × 64 ، وفي الطائرة القرار ، 0.3 X 0.3 مم 2 ؛ شريحة سمك ، و 2 مم ؛ TR / TE ، 500/15 مللي. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> بعد التصوير يمكن الإعداد الكامل ، في وقت واحد تسجيل الرنين المغناطيسي الوظيفي ، وتبدأ. ويبين الشكل 2 صورة ممثل برنامج التحصين الموسع والتسجيلات الخام أثناء التصوير. التبديل السريع للالتدرجات النتائج خلال الحصول على الصور في تسجيلات المشبعة ، والتي تستمر لجزء صغير فقط من كل دورة من دورات الفحص (22 / 500 مللي ثانية). بعد الحصول على الصور ، وretur الإشارة الكهربائيةنانوثانية إلى خط الأساس مع نموذج غير المشبعة التذبذب (انظر الشكل 3). الرنين المغناطيسي الوظيفي يمكن أن تجري خلال الجمع بين وتسجيل حالة الراحة (كما هو موضح في هذه الدراسة) أو من خلال التحفيز. دراسات لتحفيز الاقتصاد ، والمعلمات التصوير هي نفسها لدراسة حالة الراحة ، مع التحفيز الكهربائي للforepaw زودت به 9 هرتز ، 1 ~ 4 أمبير الحالية. هو الموت الرحيم في الفئران بعد الفحص النهائي. </li></ol> 3. بعد التصوير والتسجيل في وقت واحد ، يجب أن تكون البيانات قبل معالجتها قبل التحليل النهائي. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> نبدأ مع إزالة القطع الأثرية التدرج من التسجيلات الكهربية (انظر الشكل 3). <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ويمكن استخراج بنية الضجيج بسبب المسح الضوئي عن طريق حساب متوسط ​​جميع ~ 500 مللي ثانية (TR) أقسام ، كل منها يناظر الفاصلة بين الصورتين الرنين المغناطيسي الوظيفي متتالية. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> طرح هيكل متوسط ​​الضجيج من التسجيلات الأصلية. هذا الأسلوب فقط بتصحيح شرائح تسجيل غير المشبعة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> يتم استبدال كل قطعة المشبعة المقابلة لتناوب الانحدار خلال الحصول على الصور من خلال الخط ، الذي يمر بين وقت قبل نقطة والنقطة مرة بعد الانحدار بفعل التشبع. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ثم يتم تحويل التسجيلات denoised الإمكانات الميدانية على الصعيد المحلي (LFPs) لدوام السلطة ، والتي سيكون لها نفس القرار الزماني كما دوام الرنين المغناطيسي الوظيفي. يتم استخدام الطاقة في غضون متوسط ​​2 بن الثانية لحساب أدنى الترددات (دلتا الفرقة ، 1 ~ 4 هرتز) ، مع بن لفرقة 1 ثانية ثيتا (4 ~ 8 هرتز) الترددات ، وبن ليالي بين 0.5 ~ إشارات المشبعة المجاورة للترددات أعلى (&gt; 8 هرتز ، وألفا لعصابات غاما). تم نقل نافذة منزلقة لجميع نطاقات التردد بزيادات ق 0.5 ، TR مطابقة للبيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> لبيانات الصورة ، يتم تنفيذ معيار تجهيزها الرنين المغناطيسي الوظيفي ، بما في ذلك حركة التصحيح الرأس ، وتجانس مع صورة FWHM 0.5 مم ، وإزالة الخطية الانجراف. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ويجري عبر تحليل الارتباط بين الوقت دورات LFP السلطة وطبعا الوقت من كل البيانات فوكسل التصوير. الفجوات الزمنية مختلفة تسمح للفحص من الوقت التي تعتمد على الارتباط (انظر الشكل 4). </li></ol> ممثل النتائج : كمثال ، يمكن استخدام هذه التقنية للتحقيق في العلاقة بين النشاط العصبي التلقائي وتقلبات جريئة. ويبين الشكل 4 خرائط الارتباط بين السلطة وLFP إشارة جريئة في وقت تتخلف بين -2.5 و 9.5 ليالي من الفئران. وترتبط التقلبات BOLD التردد المنخفض (&lt;0.1 هرتز) من المناطق القشرية قرب الطرف الكهربائي مع التغيرات السلطة LFP (&lt;0.1 هرتز) في التأخير من 2 ~ 6 ثانية. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig1.jpg" alt="الشكل 1" /> الشكل 1. تكوين تخطيطي لزرع قطب كهربائي والمنطقة التصوير مع لفائف السطح. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig2.jpg" alt="الشكل 2" /> الشكل 2. يظهر ممثل صورة EPI الاكليلية ، بما في ذلك نصائح القطب ، في اللوحة اليسرى. لوحة يظهر الحق التسجيلات الكهربية الخام قبل وأثناء التصوير. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig3.jpg" alt="الشكل 3" /> الشكل 3. بواسطة يركز اهتمامه على دورة المسح يمكن للمرء أن ينظر إلى أنه يمكن إزالة هذا الأثر (أخضر) أثناء التصوير من التسجيلات الأصلية (الأزرق). استخدمت دوام denoised (أحمر) لمزيد من التحليل. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig4.jpg" alt="الشكل 4" /> الشكل 4. خرائط الاكليل (من الفئران العادية) من علاقة بين قوة عفوية نشاط الفرقة الدلتا من القطب وإشارة يستريح الدولة BOLD في وقت متأخرة من -2.5 الى 9.5 ثانية. الحد الأقصى هو ارتباط لوحظ في SI الثنائية في حوالي 4 ثانية 5 ~ في الفئران isoflurane - تخدير. لون شريط يمثل حكم بيرسون

<ol>
	<li>Gruetter, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automatic,+localized+in+vivo+adjustment+of+all+first-+and+second-order+shim+coils.">Automatic, localized in vivo adjustment of all first- and second-order shim coils.</a> Magn Reson Med. 29 (6), 804-804 (1993).</li><li>Logothetis, N. K., Pauls, J., Augath, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neurophysiological+investigation+of+the+basis+of+the+fMRI+signal.">Neurophysiological investigation of the basis of the fMRI signal.</a> Nature. 412 (6843), 150-150 (2001).</li><li>Nir, Y., Fisch, L., Mukamel, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coupling+between+neuronal+firing+rate,+gamma+LFP,+and+BOLD+fMRI+is+related+to+interneuronal+correlations.">Coupling between neuronal firing rate, gamma LFP, and BOLD fMRI is related to interneuronal correlations.</a> Curr Biol. 17 (15), 1275-1275 (2007).</li></ol>

كلا تسجيل الكهربية والرنين المغناطيسي الوظيفي وBOLD منفصل تقنيات متطورة. ومع ذلك ، في وقت واحد تسجيل وتصوير يمثل تحديا من جراء التدخل المتبادل 2 من طرائق اثنين. هنا نقدم حلا ممكنا لإجراء التجارب مجتمعة في القوارض. تعديل أسلوب زرع قطب كهربائي يقلل التأثير على جودة ...

simultaneous fmri and electrophysiology in the rodent brain

لدراسة الأساس العصبي للمستوى الأوكسجين في الدم التابعة (بولد) التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) إشارة ، قمنا بتطوير نموذج القوارض في البيانات التي والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي<em&gt; في الجسم الحي</emلا يمكن أن يؤديها&gt; تسجيل intracortical في وقت واحد. مزيج من تسجيل الرنين المغناطيسي والكهربائي وتحديا من الناحية التقنية لأن الأقطاب الكهربائية المستخدمة لتسجيل تشويه صور الرنين المغناطيسي MRI واكتساب يدفع الضوضاء في تسجيل الكهربائية. للحد من التدخل المتبادل بين الأسلوبين ، استخدمت microelectrodes الزجاج بدلا من المعدن ، وكان ينفذ خوارزمية إزالة الضوضاء للبيانات الكهربية. في دراساتنا ، وزرعت في أثنين microelectrodes قشرات الثنائية الحسية الجسدية الأولية (SI) من الفئران وثابتة في مكانها. وقد تم اختيار شريحة واحدة الاكليلية التي تغطي القطب نصائح للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي. ولم تدرج مهاوي الكهربائي ومواقف التثبيت في صورة شريحة لتجنب الآثار التصوير. استعيض عن إزالة فروة الرأس مع معجون الأسنان للحد من عدم تطابق حساسية ومنع القطع الأثرية جيبس ​​الرنين في الصور. اتسم هيكل الأداة التي يسببها في التسجيلات الكهربائية من الحقول بسرعة تبديل المغناطيسي أثناء التقاط صور عن طريق حساب متوسط ​​جميع دورات بمسح لكل تشغيل. وكان ثم طرح هيكل الضوضاء أثناء التصوير من التسجيلات الأصلية. ثم استخدمت الدورات denoised الوقت لمزيد من التحليل في تركيبة مع البيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي. كمثال على ذلك ، تم استخدام اقتناء متزامنة لتحديد العلاقة بين الإشارات العفوية BOLD الرنين المغناطيسي الوظيفي والفرقة محدودة النشاط الكهربائي intracortical. والرنين المغناطيسي الوظيفي في وقت واحد وتسجيل الكهربية القوارض في توفير منصة للتطبيقات كثيرة مثيرة في علم الأعصاب ، بالإضافة إلى توضيح العلاقة بين إشارة BOLD الرنين المغناطيسي الوظيفي ونشاط الخلايا العصبية.

Watch this Scientific Journal Video about Simultaneous fMRI and Electrophysiology in the Rodent Brain at JoVE.com

Simultaneous fMRI and Electrophysiology in the Rodent Brain

طورنا طريقة لمتزامنة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي وتسجيل الكهربية في الدماغ القوارض ، وتوفير منبر للتحقيق في العلاقة بين النشاط العصبي ومستوى الأوكسجين في الدم التابعة (بولد) إشارة التصوير بالرنين المغناطيسي.

الرنين المغناطيسي الوظيفي في وقت واحد والكهربية في الدماغ القوارض

To examine the neural basis of the blood oxygenation level dependent (BOLD) magnetic resonance imaging (MRI) signal, we have developed a rodent model in ...

simultaneous-fmri-and-electrophysiology-in-the-rodent-brain

Research

JoVE Journal

Neuroscience

13.3K Views.  Emory University. طورنا طريقة لمتزامنة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي وتسجيل الكهربية في الدماغ القوارض ، وتوفير منبر للتحقيق في العلاقة بين النشاط العصبي ومستوى الأوكسجين في الدم التابعة (بولد) إشارة التصوير بالرنين المغناطيسي.

Video: Simultaneous fMRI and Electrophysiology in the Rodent Brain

Design and Construction of a Cost Effective Headstage for Simultaneous Neural Stimulation and Recording in the Water Maze

Headstage preamplifiers and source followers are commonly used to study neural activity in behavioral neurophysiology experiments. Available commercial products are often expensive, not easily customized, and not submersible. Here we describe a method to design and build a customized, integrated circuit headstage for simultaneous 4-channel neural recording and 2-channel simulation in awake, behaving animals. The headstage is designed using a free, commercially available CAD-type design package, and can be modified easily to accommodate different scales (e.g. to add channels). A customized printed circuit board is built using surface mount resistors, capacitors and operational amplifiers to construct the unity gain source follower circuit. The headstage is made water-proof with a combination of epoxy, parafilm and a synthetic rubber putty. We have successfully used this device to record local field potentials and stimulate different brain regions simultaneously via independent channels in rats swimming in a water maze. The total cost is &lt; $30/unit and can be manufactured readily.

We present a low-cost method to design and construct a light headstage pre-amplifier system with simultaneous neural recording and stimulation capability. This device can be waterproofed for use in swimming animals.

تصميم وتشييد Headstage فعالة من حيث التكلفة لتحفيز العصبية في وقت واحد والتسجيل في متاهة مائية

Headstage preamplifiers and source followers are commonly used to study neural activity in behavioral neurophysiology experiments. Available commercial ...

Combining Transcranial Magnetic Stimulation and fMRI to Examine the Default Mode Network

The default mode network is a group of brain regions that are active when an individual is not focused on the outside world and the brain is at "wakeful rest."1,2,3 It is thought the default mode network corresponds to self-referential or "internal mentation".2,3
It has been hypothesized that, in humans, activity within the default mode network is correlated with certain pathologies (for instance, hyper-activation has been linked to schizophrenia 4,5,6 and autism spectrum disorders 7 whilst hypo-activation of the network has been linked to Alzheimer's and other neurodegenerative diseases 8). As such, noninvasive modulation of this network may represent a potential therapeutic intervention for a number of neurological and psychiatric pathologies linked to abnormal network activation. One possible tool to effect this modulation is Transcranial Magnetic Stimulation: a non-invasive neurostimulatory and neuromodulatory technique that can transiently or lastingly modulate cortical excitability (either increasing or decreasing it) via the application of localized magnetic field pulses.9
In order to explore the default mode network's propensity towards and tolerance of modulation, we will be combining TMS (to the left inferior parietal lobe) with functional magnetic resonance imaging (fMRI). Through this article, we will examine the protocol and considerations necessary to successfully combine these two neuroscientific tools.

In this article, we examine the methodology and considerations relevant to the combination of TMS and fMRI to examine the effects of brain stimulation on the default network.

الجمع بين التنشيط المغناطيسي عبر الجمجمة والرنين المغناطيسي الوظيفي لدراسة وضع الشبكة الافتراضية

The default mode network is a group of brain regions that are active when an individual is not focused on the outside world and the brain is at "wakeful ...

Co-analysis of Brain Structure and Function using fMRI and Diffusion-weighted Imaging

The study of complex computational systems is facilitated by network maps, such as circuit diagrams. Such mapping is particularly informative when studying the brain, as the functional role that a brain area fulfills may be largely defined by its connections to other brain areas. In this report, we describe a novel, non-invasive approach for relating brain structure and function using magnetic resonance imaging (MRI). This approach, a combination of structural imaging of long-range fiber connections and functional imaging data, is illustrated in two distinct cognitive domains, visual attention and face perception. Structural imaging is performed with diffusion-weighted imaging (DWI) and fiber tractography, which track the diffusion of water molecules along white-matter fiber tracts in the brain (Figure 1). By visualizing these fiber tracts, we are able to investigate the long-range connective architecture of the brain. The results compare favorably with one of the most widely-used techniques in DWI, diffusion tensor imaging (DTI). DTI is unable to resolve complex configurations of fiber tracts, limiting its utility for constructing detailed, anatomically-informed models of brain function. In contrast, our analyses reproduce known neuroanatomy with precision and accuracy. This advantage is partly due to data acquisition procedures: while many DTI protocols measure diffusion in a small number of directions (e.g., 6 or 12), we employ a diffusion spectrum imaging (DSI)1, 2 protocol which assesses diffusion in 257 directions and at a range of magnetic gradient strengths. Moreover, DSI data allow us to use more sophisticated methods for reconstructing acquired data. In two experiments (visual attention and face perception), tractography reveals that co-active areas of the human brain are anatomically connected, supporting extant hypotheses that they form functional networks. DWI allows us to create a "circuit diagram" and reproduce it on an individual-subject basis, for the purpose of monitoring task-relevant brain activity in networks of interest.

We describe a novel approach for simultaneous analysis of brain function and structure using magnetic resonance imaging (MRI). We assess brain structure with high-resolution diffusion-weighted imaging and white-matter fiber tractography. Unlike standard structural MRI, these techniques allow us to directly relate anatomical connectivity to functional properties of brain networks.

شارك في تحليل بنية الدماغ والدالة باستخدام الرنين المغناطيسي الوظيفي وانتشارها المرجحة التصوير

The study of complex computational systems is facilitated by network maps, such as circuit diagrams. Such mapping is particularly informative when ...

Simultaneous Electroencephalography, Real-time Measurement of Lactate Concentration and Optogenetic Manipulation of Neuronal Activity in the Rodent Cerebral Cortex

Although the brain represents less than 5% of the body by mass, it utilizes approximately one quarter of the glucose used by the body at rest1. The function of non rapid eye movement sleep (NREMS), the largest portion of sleep by time, is uncertain. However, one salient feature of NREMS is a significant reduction in the rate of cerebral glucose utilization relative to wakefulness2-4. This and other findings have led to the widely held belief that sleep serves a function related to cerebral metabolism. Yet, the mechanisms underlying the reduction in cerebral glucose metabolism during NREMS remain to be elucidated.
	One phenomenon associated with NREMS that might impact cerebral metabolic rate is the occurrence of slow waves, oscillations at frequencies less than 4 Hz, in the electroencephalogram5,6. These slow waves detected at the level of the skull or cerebral cortical surface reflect the oscillations of underlying neurons between a depolarized/up state and a hyperpolarized/down state7. During the down state, cells do not undergo action potentials for intervals of up to several hundred milliseconds. Restoration of ionic concentration gradients subsequent to action potentials represents a significant metabolic load on the cell8; absence of action potentials during down states associated with NREMS may contribute to reduced metabolism relative to wake.
	Two technical challenges had to be addressed in order for this hypothetical relationship to be tested. First, it was necessary to measure cerebral glycolytic metabolism with a temporal resolution reflective of the dynamics of the cerebral EEG (that is, over seconds rather than minutes). To do so, we measured the concentration of lactate, the product of aerobic glycolysis, and therefore a readout of the rate of glucose metabolism in the brains of mice. Lactate was measured using a lactate oxidase based real time sensor embedded in the frontal cortex. The sensing mechanism consists of a platinum-iridium electrode surrounded by a layer of lactate oxidase molecules. Metabolism of lactate by lactate oxidase produces hydrogen peroxide, which produces a current in the platinum-iridium electrode. So a ramping up of cerebral glycolysis provides an increase in the concentration of substrate for lactate oxidase, which then is reflected in increased current at the sensing electrode. It was additionally necessary to measure these variables while manipulating the excitability of the cerebral cortex, in order to isolate this variable from other facets of NREMS.
	We devised an experimental system for simultaneous measurement of neuronal activity via the elecetroencephalogram, measurement of glycolytic flux via a lactate biosensor, and manipulation of cerebral cortical neuronal activity via optogenetic activation of pyramidal neurons. We have utilized this system to document the relationship between sleep-related electroencephalographic waveforms and the moment-to-moment dynamics of lactate concentration in the cerebral cortex. The protocol may be useful for any individual interested in studying, in freely behaving rodents, the relationship between neuronal activity measured at the electroencephalographic level and cellular energetics within the brain.

A procedure is described for manipulating the activity of cerebral cortical pyramidal neurons optogenetically while the electroencephalogram, electromyogram, and cerebral lactate concentration are monitored. Experimental recordings are performed on cable-tethered mice while they undergo spontaneous sleep/wake cycles. Optogenetic equipment is assembled in our laboratory; recording equipment is commercially available.

في وقت واحد رسم المخ، في الوقت الحقيقي قياس تركيز اللاكتات والتلاعب Optogenetic من نشاط الخلايا العصبية في القشرة الدماغية القوارض

Although the brain represents less than 5% of the body  by mass, it utilizes approximately one quarter of the glucose used by the body  at rest1. The ...

Deep Brain Stimulation with Simultaneous fMRI in Rodents

In order to visualize the global and downstream neuronal responses to deep brain stimulation (DBS) at various targets, we have developed a protocol for using blood oxygen level dependent (BOLD) functional magnetic resonance imaging (fMRI) to image rodents with simultaneous DBS. DBS fMRI presents a number of technical challenges, including accuracy of electrode implantation, MR artifacts created by the electrode, choice of anesthesia and paralytic to minimize any neuronal effects while simultaneously eliminating animal motion, and maintenance of physiological parameters, deviation from which can confound the BOLD signal.&#160;Our laboratory has developed a set of procedures that are capable of overcoming most of these possible issues. For electrical stimulation, a homemade tungsten bipolar microelectrode is used, inserted stereotactically at the stimulation site in the anesthetized subject. In preparation for imaging, rodents are fixed on a plastic headpiece and transferred to the magnet bore. For sedation and paralysis during scanning, a cocktail of dexmedetomidine and pancuronium is continuously infused, along with a minimal dose of isoflurane; this preparation minimizes the BOLD ceiling effect of volatile anesthetics. In this example experiment, stimulation of the subthalamic nucleus (STN) produces BOLD responses which are observed primarily in ipsilateral cortical regions, centered in motor cortex. Simultaneous DBS and fMRI allows the unambiguous modulation of neural circuits dependent on stimulation location and stimulation parameters, and permits observation of neuronal modulations free of regional bias. This technique may be used to explore the downstream effects of modulating neural circuitry at nearly any brain region, with implications for both experimental and clinical DBS.

This protocol describes a standard method for simultaneous functional magnetic resonance imaging and deep brain stimulation in the rodent. The combined use of these experimental tools allows for the exploration of global downstream activity in response to electrical stimulation at virtually any brain target.

تحفيز الدماغ العميق مع الرنين المغناطيسي الوظيفي في وقت واحد في القوارض

In order to visualize the global and downstream neuronal responses to deep brain stimulation (DBS) at various targets, we have developed a protocol for ...

In vivo Optogenetic Stimulation of the Rodent Central Nervous System

The ability to probe defined neural circuits in awake, freely-moving animals with cell-type specificity, spatial precision, and high temporal resolution has been a long sought tool for neuroscientists in the systems-level search for the neural circuitry governing complex behavioral states. Optogenetics is a cutting-edge tool that is revolutionizing the field of neuroscience and represents one of the first systematic approaches to enable causal testing regarding the relation between neural signaling events and behavior. By combining optical and genetic approaches, neural signaling can be bi-directionally controlled through expression of light-sensitive ion channels (opsins) in mammalian cells. The current protocol describes delivery of specific wavelengths of light to opsin-expressing cells in deep brain structures of awake, freely-moving rodents for neural circuit modulation. Theoretical principles of light transmission as an experimental consideration are discussed in the context of performing in vivo optogenetic stimulation. The protocol details the design and construction of both simple and complex laser configurations and describes tethering strategies to permit simultaneous stimulation of multiple animals for high-throughput behavioral testing.

In vivo Optogenetic Stimulation of the Rodent Central Nervous System

Optogenetics has become a powerful tool for use in behavioral neuroscience experiments. This protocol offers a step-by-step guide to the design and set-up of laser systems, and provides a full protocol for carrying out multiple and simultaneous in vivo optogenetic stimulations compatible with most rodent behavioral testing paradigms.

في الجسم الحي Optogenetic تحفيز الجهاز العصبي المركزي القوارض

The ability to probe defined neural circuits in awake, freely-moving animals with cell-type specificity, spatial precision, and high temporal resolution ...

Simultaneous Electrophysiological Recording and Micro-injections of Inhibitory Agents in the Rodent Brain

Here we describe a method for the construction of a single-use &#8220;injectrode&#8221; using commercially accessible and affordable parts. A probing system was developed that allows for the injection of a drug while recording electrophysiological signals from the affected neuronal population. This method provides a simple and economical alternative to commercial solutions. A glass pipette was modified by combining it with a hypodermic needle and a silver filament. The injectrode is attached to commercial microsyringe pump for drug delivery. This results in a technique that provides real-time pharmacodynamics feedback through multi-unit extracellular signals originating from the site of drug delivery. As a proof of concept, we recorded neuronal activity from the superior colliculus elicited by flashes of light in rats, concomitantly with delivery of drugs through the injectrode. The injectrode recording capacity permits the functional characterization of the injection site favoring precise control over the localization of drug delivery. Application of this method also extends far beyond what is demonstrated here, as the choice of chemical substance loaded into the injectrode is vast, including tracing markers for anatomic experiments.

Here, we craft a glass pipette with dual functions: inhibition of deep brain structures by microinjections of drugs and real-time monitoring of their effects through simultaneous electrophysiological recordings.

في وقت واحد تسجيل الكهربية والصغرى، والحقن وكلاء المثبطة في الدماغ القوارض

Here we describe a method for the construction of a single-use &#8220;injectrode&#8221; using commercially accessible and affordable parts. A probing ...

Personalized Needles for Microinjections in the Rodent Brain

Microinjections have been used for a long time for the delivery of drugs or toxins within specific brain areas and, more recently, they have been used to deliver gene or cell therapy products. Unfortunately, current microinjection techniques use steel or glass needles that are suboptimal for multiple reasons: in particular, steel needles may cause tissue damage, and glass needles may bend when lowered deeply into the brain, missing the target region. In this article, we describe a protocol to prepare and use quartz needles that combine a number of useful features. These needles do not produce detectable tissue damage and, being very rigid, ensure reliable delivery in the desired brain region even when using deep coordinates. Moreover, it is possible to personalize the design of the needle by making multiple holes of the desired diameter. Multiple holes facilitate the injection of large amounts of solution within a larger area, whereas large holes facilitate the injection of cells. In addition, these quartz needles can be cleaned and re-used, such that the procedure becomes cost-effective.

We describe here a protocol for microinjection in the rodent brain that uses quartz needles. These needles do not produce detectable tissue damage and ensure reliable delivery even in deep regions. Moreover, they can be adapted to research needs by personalized designs and can be re-used.

الإبر مخصصة لميكروينجيكشنز في الدماغ القوارض

Microinjections have been used for a long time for the delivery of drugs or toxins within specific brain areas and, more recently, they have been used to ...

Evaluation of Synapse Density in Hippocampal Rodent Brain Slices

In the brain, synapses are specialized junctions between neurons, determining the strength and spread of neuronal signaling. The number of synapses is tightly regulated during development and neuronal maturation. Importantly, deficits in synapse number can lead to cognitive dysfunction. Therefore, the evaluation of synapse number is an integral part of neurobiology. However, as synapses are small and highly compact in the intact brain, the assessment of absolute number is challenging. This protocol describes a method to easily identify and evaluate synapses in hippocampal rodent slices using immunofluorescence microscopy. It includes a three-step procedure to evaluate synapses in high-quality confocal microscopy images by analyzing the co-localization of pre- and postsynaptic proteins in hippocampal slices. It also explains how the analysis is performed and gives representative examples from both excitatory and inhibitory synapses. This protocol provides a solid foundation for the analysis of synapses and can be applied to any research investigating the structure and function of the brain.

A protocol for accurately identifying and analyzing synapses in hippocampal slices using immunofluorescence is outlined in this article.

تقييم كثافة المشبك في الدماغ القوارض هيبوكامبال شرائح

In the brain, synapses are specialized junctions between neurons, determining the strength and spread of neuronal signaling. The number of synapses is ...

Simultaneous Cryosectioning of Multiple Rodent Brains

Histology and immunohistochemistry are routine methods of analysis to visualize microscopic anatomy and localize proteins within biological tissue. In neuroscience, as well as a plethora of other scientific fields, these techniques are used. Immunohistochemistry can be done on slide mounted tissue or free-floating sections. Preparing slide-mounted samples is a time intensive process. The following protocol for a technique, called the Megabrain, reduced the time taken to cryosection and mount brain tissue by up to 90% by combining multiple brains into a single frozen block. Furthermore, this technique reduced variability seen between staining rounds, in a large histochemical study. The current technique has been optimized for using rodent brain tissue in downstream immunohistochemical analyses; however, it can be applied to different scientific fields that use cryosectioning.

Here, we present a protocol to freeze and section brain tissue from multiple animals as a timesaving alternative to processing single brains. This reduces staining variability during immunohistochemistry and reduces time cryosectioning and imaging.

كريوسيكتيونينج واحد من أدمغة القوارض متعددة

Histology and immunohistochemistry are routine methods of analysis to visualize microscopic anatomy and localize proteins within biological tissue. In ...