NIH NIBIB RO1: 1R01EB009103-01 Klinische Neuroengineering Training Program (1 T90 DK070079-01) Wallace H Coulter Foundation NIH Institutional Clinical and Translational Science Award NIH / NCRR 1KL2RR025012-01 Wisconsin Alumni Research Foundation

Versuchsdurchführung <ol><li> Anschließen der EEG-Elektroden <ol><li> Elektroden auf der Kopfhaut mit einer EEG-Haube befestigt werden, wodurch der Prozess der Sicherstellung, dass die Elektroden an der richtigen Stelle auf der Kopfhaut sind, wie die 10-20 internationale System angegeben. </li><li> So platzieren Sie die Kappe, markieren Sie den Scheitelpunkt auf das Thema der Kopfhaut mit einem Filzstift oder einem ähnlichen Verfahren. Dazu, indem Sie das Nasion und Inion zum Thema zu beginnen. Mit einem Maßband, finden die Distanz zwischen diesen beiden Orten. Der Punkt in der Mitte zwischen den beiden Punkten, bzw. 50% des Abstandes, der Scheitelpunkt ist. Machen Sie eine Markierung an dieser Stelle zum späteren Nachschlagen. Weitere 10-20 Punkte können in ähnlicher Weise angeordnet werden. </li><li> Finden Sie die Cz-Elektrode auf der Kappe, und positionieren Sie es auf dem Scheitel. Keeping Cz fest, rutschen die Kappe auf dem Kopf. Stellen Sie sicher, dass die Fz, Cz, Pz und Elektroden auf der Mittellinie der Kopfhaut sind, und dass die O1-O2-Elektroden sind waagerecht und eben mit Oz, und dass Fp1-Fp2 werden Ebene mit FPZ. </li><li> Befestigen Sie nun die Referenz-Elektrode, die typischerweise Clips auf ein Ohrläppchen. </li><li> Anschließend werden die Elektroden mit einem leitfähigen Gel gefüllt, so dass die Elektroden einen niederohmigen Kontakt mit der Kopfhaut zu machen. Dazu ist eine kleine Spritze mit einer stumpfen Nadel mit dem Gel gefüllt. Auch kann es hilfreich sein, die EEG-Spuren auf dem Bildschirm zu sehen, während das Gel angewendet wird, um festzustellen, ob die Verbindung gut ist. </li><li> Legen Sie die Nadel in einer Elektrode, und sanft abschleifen die Kopfhaut mit der Nadel nicht mit einer toten Haut zu entfernen. Füllen Sie die Elektrode mit einer kleinen Menge des Gels, wobei darauf geachtet, es nicht zu überfüllen. Beginnen Sie mit dem Ohr Referenz-Elektrode, und wiederholen Sie für alle Elektroden, einschließlich der Boden. </li><li> Überprüfen Sie die Impedanzen für alle Kanäle, die alle sein sollte weniger als 5 kW. Diese Methode ist abhängig von der jeweiligen Verstärker-System verwendet wird, aber es sollte möglich sein, die Impedanz entweder durch Hardware oder durch BCI2000 überprüfen. </li><li> Wenn eine Elektrode über 5 kOhm, die Nadel wieder und schleifen die Kopfhaut noch mehr. Es sollte nicht notwendig sein, mehr Gel zu injizieren, wenn es keine Abnahme der Impedanz sind. </li></ol></li><li> Beziehen EEG Calibration Funktionen <ol><li> Zu Beginn einer Sitzung, vor allem das erste Mal ein Thema, die getestet wird, ist es sinnvoll, die EEG Funktionen, die zur Steuerung eines BCI verwendet werden können zu ermitteln. Dies liegt daran, obwohl die grundlegenden Eigenschaften der Mu-und Beta-EEG-Rhythmen die bei allen Menschen gleich sind, diese Funktionen von Person zu Person variieren, und müssen daher vor allen anderen Experimenten kalibriert werden. </li><li> In der Kalibrierung Sitzung wird das Thema beauftragt, verschiedene Bewegungen mit den Händen oder Füßen in Reaktion auf visuelle Hinweise auf dem Bildschirm dargeboten vorstellen. Um loszulegen, sollte das EDV-System für Dual-Monitor-Modus konfiguriert werden, so dass die Forscher zeigen die Steuerungs-Software enthält, und der zweite Monitor zeigt die experimentelle Ausgang. </li><li> Starten BCI2000 aus dem BCI2000Launcher, indem Sie Ihren Verstärker Quelle-Modul, das ARSignalProcessing Modul und StimulusPresentation Modul. In diesem Beispiel verwenden wir die gUSBampSource Modul, welches die g.USBamp Verstärker steuert. </li><li> Fügen Sie den Parameter-Dateien für Sie einen Betreff, der Verstärker und der Motor Screening-Aufgaben. Diese sollten vor der Zeit konfiguriert werden, so dass sie einfach geladen werden können, und das Experiment kann beginnen. </li><li> Sobald die Parameter-Dateien in die Dateiliste in BCI2000Launcher hinzugefügt haben, drücken Sie die Schaltfläche Starten. Wenn alles funktioniert, sollte BCI2000 starten, eine Spur der EEG-Daten angezeigt werden soll, und das Thema der Monitor leer sein sollte vor dem Start des Experiments. </li><li> Während der Sitzung wird der Bildschirm entweder leer, oder es wird eine Anleitung, wie &quot;Right Hand&quot;, &quot;Left Hand&quot;, &quot;Both Hands&quot; oder Der Unterricht wird auf dem Bildschirm für 3s erscheint &quot;Beide Füße.&quot; Während dieser Zeit sollte das Thema kontinuierlich vorstellen, dass die Bewegung. Die Handbewegungen sollten Öffnen und Schließen der Hände (z. B., wie Quetschen ein Tennisball), und der Fuß Bewegung sollte Bewegen der Füße hin und her (z. B., wie Druck auf ein Gaspedal mit beiden Füßen). Wenn der Bildschirm leer ist, sollte der Körper völlig entspannt. </li><li> Bei einem Lauf ist jeder Körperteil 20 mal wiederholt. Idealerweise sollte es 100 Datenpunkte, was bedeutet, dass es insgesamt 5 läuft. Mit mehreren Sitzungen sind weniger läuft notwendig, da das Thema ist in der Lage, die imaginierte Aufgabe besser erfüllen. </li></ol></li><li> Die Analyse der EEG Funktionen <ol><li> Um zu bestimmen, welche EEG bietet das Thema in der Lage, sich freiwillig zu modulieren, um die BCI-Steuerung ist, ist die Kalibrierung analysiert offline mit dem BCI2000 Offline-Analyse-Tool, mit BCI2000 enthalten. Dieses Tool wandelt die gesammelten Daten in den Frequenzbereich feturen, die die Frequenzen und Standorte, die während der verschiedenen Bewegungen verändert und sind maximal mit den Aufgaben korreliert zeigt. Diese Funktionen können dann in einem BCI Experiment verwendet werden. </li><li> Um festzustellen, welche Funktionen verwendet werden sollen, beginnen die BCI2000 Offline-Analyse-Tool. BCI2000 enthält ein ausführliches Tutorial für die Nutzung des Analyse-Tool, das für mehr Informationen konsultiert werden sollte. </li><li> Bestimmen Sie, welche Funktionen EEG stark bei jeder Bewegung von der Suche nach der großen r-squared Werte in den Diagrammen aus dem Analyse-Tool erzeugt korreliert. Die Kanäle und Frequenz-Bins mit dem größten r-squared Werte (z. B. größer als 0,2) kann dann als ein Steuersignal Komponente für eine bestimmte Richtung gewählt werden. Zum Beispiel sollten Funktionen, die Änderung für die rechte Hand Bedingung aufgestellt werden, um den Cursor auf die rechte Seite des Bildschirms bewegen. </li><li> Es ist auch wichtig zu bedenken, dass die Mu / Beta-Rhythmen in der Amplitude mit einem zugehörigen Bewegung zu verringern. So, um den Cursor nach rechts zu bewegen, die positive x-Richtung, sollte diese Funktion haben ein negatives Gewicht zugeordnet. </li><li> Die Kanäle und Frequenzen gewählt werden sollte im Einklang mit bekannten Eigenschaften des kortikalen sensomotorischen Rhythmen. Das heißt, dass wesentliche Änderungen mit entsprechenden vorstellen rechten Bewegung über den kontralateralen (links) motorischen Kortex, in der Nähe C3 und CP3 gesehen werden und zentriert in der Nähe 8-12 Hz und / oder 18-28 Hz. Ebenso sollte der linken Bewegungen in Veränderungen im Laufe der rechten motorischen Kortex auf die C4-und CP4 Elektroden führen und Fußbewegungen sollten über Cz und CPZ erscheinen. Wenn diese Positionen und Werte unterschiedlich sind, dann ist es wahrscheinlich, dass einige andere Geräusche oder zufälligen Effekt gemessen wurde, und sollte nicht als Control-Funktion konfiguriert werden. </li><li> Für jeden Zustand ist, sollte den vier größten r-squared Werte in Bezug auf die Nummer des Kanals und bin Nummer gewählt werden. Die Frequenzen werden in 2 Hz Behälter angeordnet, so ein Feature mit einem hohen r-squared von 10 bis 12 Hz würde bin 6 aufgeführt sind. Mit diesen Werten in der Hand, kann das System für die Steuerung des Mauszeigers Aufgabe konfiguriert werden. </li></ol></li><li> Online-Feedback-Session Configuration <ol><li> Konfigurieren Sie die Cursor-Bewegung Sitzung in der BCI2000 Launcher. </li><li> Vor Beginn des Experiments, müssen mehrere Parameter konfiguriert werden. Erstens sollte die räumliche Filter mit einer Common-Average-Referenz konfiguriert werden. Dazu Config Presse in der BCI2000 Betreiber, um das Einstellungen-Liste, und drücken Sie auf die Registerkarte Filtern. </li><li> Zum SpatialFiltering, und ändern Sie die SpatialFilterType Drop-Down-Box, so dass es heißt &quot;Common-Average-Referenz (CAR).&quot; </li><li> Unter SpatialFilter CAR-Ausgang, eine Liste der Kanalnamen oder Zahlen in die Kalibrierung Sitzung ausgewählt. Zum Beispiel können Sie &quot;C3 C4 CP3 CP4 Cz CPZ&quot; (ohne die Anführungszeichen), und BCI2000 wissen, welche Kanäle zu benutzen (vorausgesetzt, dass der Kanal Etiketten unter der &quot;Channel Names&quot;-Feld in der Registerkarte Quelle aufgeführt). </li><li> Als nächstes muss der Klassifizierung Matrix konfiguriert werden, dass die ausgewählten Funktionen zu nutzen. Unter der Registerkarte Filtern, um die Classifier-Parameter und drücken Sie Bearbeiten Matrix zu gehen. </li><li> Die Anzahl der Spalten auf 4 gesetzt werden, und die Anzahl der Zeilen sollte gleich der Gesamtzahl der ausgewählten Funktionen. Jede Matrix Zeile entspricht einem einzelnen Funktion. </li><li> Die erste Spalte sollte enthalten alle Kanalnamen verwendet, z. B., C3, C4, etc. Die zweite Spalte enthält die Behälter zur Kontrolle ausgewählt. Es ist möglich, entweder einen bin Nummer oder einer besonderen Frequenz; Eingabe von &quot;6&quot; oder &quot;11Hz&quot; das gleiche bin auswählen, vorausgesetzt, dass die BinWidth Parameter ist &quot;2 Hz&quot; unter der Registerkarte Quelle. Die dritte Säule ist der Ausgangskanal, der Wert &quot;1&quot; entspricht eine horizontale Bewegung, und &quot;2&quot; entspricht vertikale Bewegung. Die Kanäle C3, CP3, C4 und CP4 sollte auf 1 für einen horizontalen Cursor-Steuerung Aufgabe eingestellt werden; C3, CP3, C4, CP4, Cz und CPZ sollte bis 2 für einen vertikalen Cursor-Steuerung Aufgabe eingestellt werden. Schließlich die vierte Spalte die Funktion Gewicht hält, und sollte in die entgegengesetzte Richtung bestimmt entsprechen, sollten z. B. C3 und CP3 -1 gewichtet werden, um den Cursor nach rechts bewegen, und C4 und CP4 sollte 1 gewichtet werden, um zu bewegen es nach links. So verschieben Sie den Cursor nach unten, Cz und CPZ 1 sollte abgewogen werden, und um den Cursor nach oben bewegen, sollten C3 und C4 -1 gewichtet werden. </li></ol></li><li> Cursor-Bewegung Task- <ol><li> Nun, da das System mit den richtigen Einstellungen konfiguriert ist, wird es Zeit, die experimentelle Aufgabe zu starten. </li><li> Das System ist so konfiguriert, dass eines der vier Ziele während einer Verhandlung erscheinen. Das Thema hat das Ziel, den Cursor auf das richtige Ziel mit vorstellen Bewegungen entsprechend der gewünschten Richtung der Bewegung (z. B. rechten nach rechts, die Füße zu bewegen nach unten zu bewegen, etc) zu bewegen. </li><li> Für die ersten Versuche, wird der Cursor auf die Achse des Ziels eingeschränkt. Das heißt, wenn das Ziel an der oberen oder unteren, ist esnur möglich, um den Cursor nach oben oder unten bewegen, und wenn es an der linken oder rechten Seite des Bildschirms, der Cursor kann nur nach links oder rechts sein. </li><li> Wenn die laufen beginnt, erscheint der Buchstabe &quot;T&quot; auf dem Bildschirm für 2 Sekunden. Als nächstes erscheint eine der Zielvorgaben für 1 Sekunde. </li><li> Nach diesem 1-Sekunden-Periode, erscheint der Cursor in der Mitte des Bildschirms. Das Thema wird die entsprechende vorstellen Bewegungen, um den Cursor auf das Ziel zu lenken. Wenn das Motiv trifft das Ziel, ändert es Farbe. Ansonsten hat das Thema 5 Sekunden, um das Ziel, bevor die Sitzung mal-out betroffen und wird als Fehler gewertet. </li><li> Nach der Studie gibt es eine 2 Sekunden inter-Studie Intervall, in dem das Thema sich entspannen können, blink, schlucken, oder anderweitig neu zu justieren Positionen. Im Rahmen der Studien sollte Bewegung auf ein absolutes Minimum, um Bewegungsartefakte oder Muskel-Artefakte zu reduzieren gehalten werden. Es ist auch vorteilhaft in einem schwach beleuchteten Raum in einem bequemen Sessel sitzen. </li><li> Nach 20 Versuchen tritt BCI2000 angehaltenen Zustand. Während dieser Zeit kann es erforderlich sein, um neu zu justieren einige der Einstellungen, wenn das Motiv nicht in der Lage, um den Cursor zu bewegen. </li><li> Wenn nach 4 läuft das Thema ist noch nicht willentlich bewegen Sie den Cursor, kann es notwendig sein, um re-analysieren die gesammelten Daten in der BCI2000 Offline-Analyse-Tool. Wählen Sie die neuen Kanäle und Frequenzen auf die neue Funktion Grundstücke basiert. Es kann mehrere läuft oder möglicherweise mehrere Sitzungen vor ein Thema werden kann bei der Aufgabe beherrschen. </li></ol></li></ol> Teil 6: Repräsentative Ergebnisse: <ol><li> Die Abbildungen 1 und 2 zeigen die r-squared Werte und Kopfhaut Topographie für die Kalibrierung, die angibt, welche Kanäle und Frequenz-Bins für Cursor-Steuerung ausgewählt werden. </li><li> Eine ausgebildete Person sollte in der Lage sein, schnell bewegen Sie den Cursor auf die gezeigten Ziel innerhalb von 1 oder 2 Sekunden. </li></ol><img src="/files/ftp_upload/1319/1319fig1.jpg" alt="Abb. 1" /> Abbildung 1 A) und B) Topographie des spektralen Veränderungen in der 10-12 Hz Band während reale und imaginäre Bewegungen mit der rechten Hand. C) Das Leistungsspektrum von C3 in Ruhe (gestrichelt) und Bewegung (solid). D) Die r-squared von der Macht während der Bewegung zur Ruhe verglichen. <img src="/files/ftp_upload/1319/1319fig2.jpg" alt="Abb. 2" /> Abbildung 2 Die r-squared über alle Kanäle für eingebildete Bewegung der rechten Hand. Die x-Achse ist die Frequenz in 2 Hz bins 0 bis 70 Hz. Die y-Achse ist die Kanalnummer. Die höchsten r-squared Werte sind auf den Kanälen 9, 10, 17, 18, und 19, die der kontralateralen Hand Bereich der motorischen Kortex Abdeckung gefunden.

<ol>
	<li>Fabiani, G. E., McFarland, D. J., Wolpaw, J. R., Pfurtscheller, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Conversion+of+eeg+activity+into+cursor+movement+by+a+brain-computer+interface+(bci).">Conversion of eeg activity into cursor movement by a brain-computer interface (bci).</a> IEEE transactions on neural systems and rehabilitation engineering. 12 (3), 331-338 (2004).</li><li>Wolpaw, J. R., McFarland, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Control+of+a+two-dimensional+movement+signal+by+a+noninvasive+brain-computer+interface+in+humans.">Control of a two-dimensional movement signal by a noninvasive brain-computer interface in humans.</a> Proc Natl Acad Sci USA. 101 (51), 17849-17854 (2004).</li><li>Schalk, G., McFarland, D. J., Hinterberger, T., Birbaumer, N., Wolpaw, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bci2000:+a+general-purpose+brain-computer+interface+(BCI)+system.">Bci2000: a general-purpose brain-computer interface (BCI) system.</a> IEEE transactions on bio-medical engineering. 51 (6), 1034-1043 (2004).</li></ol>

<ol><li> Es ist wichtig, dass die Elektrode Impedanzen niedrig sind, sondern dass zu viel Gel wurde nicht verwendet, um die Impedanz zu senken. Eine einzige schlechte Kanal kann alle anderen durch die Common-Average-Referenz beeinflussen. Wenn die Impedanz nicht nach mehreren Versuchen reduziert werden, empfiehlt es sich, eine schnelle einsetzen Elektrode verwendet werden, die einfach in die schlechte Elektrode durch das Loch, dass die Nadel durch ist für die Injektion des Gels platziert und mit Klebeband an Stelle eingefügt werden. </li><li>...

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		<div>
		<table border="1">
		<thead>
		<tr>
		<th>Material Name</th>
		<th>Type</th>
		<th>Company</th>
		<th>Catalogue Number</th>
		<th>Comment</th>
		</tr>
		</thead>
		<tbody>
		
<tr>
<td>BCI2000- Compatible Amplifer System</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>g.USBamp</td>
<td>&nbsp;</td>
<td><a href="http://www.gtect.at">http://www.gtect.at</a></td>
</tr>
<tr>
<td>BCI2000- Compatible Amplifer System</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>Tucker-Davis Technology</td>
<td>Rx5 or Rx 7</td>
<td><a href="http://www.tdt.com">http://www.tdt.com</a></td>
</tr>
<tr>
<td>EEG cap</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>Electro-cap International</td>
<td>&nbsp;</td>
<td><a href="http://www.electro-cap.com">http://www.electro-cap.com</a> At a minimum, the cap should have electrodes over hand and feet areas (C3, C4, and Cz). Additional channels can be used for control (CP3, CP4, CPz) and for spatial filtering as well, which will improve the signal quality.</td>
</tr>
<tr>
<td>Conductive gel</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>Electro-cap International</td>
<td>&nbsp;</td>
<td><a href="http://www.electro-cap.com">http://www.electro-cap.com</a></td>
</tr>
<tr>
<td>PC</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>Running Windows XP or Vista (at least Pentium 4, 2 GHz, 1 GB RAM)</td>
</tr>
<tr>
<td>Two monitors</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>Each at least 19in (one for the subject and one for the researcher)</td>
</tr>		</tbody>
		</table>
		</div>

using an eeg-based brain-computer interface for virtual cursor movement with bci2000

Ein Brain-Computer Interface (BCI)-Funktionen durch die Übertragung eines neuronalen Signale, wie das Elektroenzephalogramm (EEG), in ein Signal, mit dem ein Computer oder ein anderes Gerät gesteuert werden können. Die Amplitude der EEG-Signale in ausgewählten Frequenzbins gemessen und in ein Gerät Befehl, in diesem Fall die horizontale und vertikale Geschwindigkeit eines Computer-Cursor. Zunächst werden die EEG-Elektroden, um den Benutzer s Kopfhaut mit einer Kappe zu Hirnaktivität aufzeichnen angewendet. Als nächstes wird eine Kalibrierung verwendet werden, um die EEG-Elektroden und Funktionen, die der Benutzer lernen, sich freiwillig zu modulieren, die BCI Verwendung finden. Bei Menschen, die Macht in den mu (8-12 Hz) und Beta (18-28 Hz) Frequenzen in Amplitudenabnahme während eines realen oder eingebildeten Bewegung. Diese Veränderungen können im EEG in Echtzeit erkannt und verwendet, um ein BCI ([1], [2]) zu steuern. Deshalb wird während eines Screening-Tests, wird der Benutzer aufgefordert, verschiedene vorstellen Bewegungen mit den Händen und Füßen machen den einzigartigen EEG Funktionen, die ändern sich mit der vorgestellten Bewegungen zu bestimmen. Die Ergebnisse dieser Kalibrierung zeigen die besten Kanäle zu benutzen, die so konfiguriert sind, dass Amplitude Veränderungen in der mu-und Beta-Frequenzbänder den Cursor zu bewegen entweder horizontal oder vertikal. In diesem Experiment ist die Allzweck-BCI-System BCI2000 zur Signalerfassung, Signalverarbeitung und Rückmeldungen an den Benutzer [3] zu kontrollieren.

Watch this Scientific Journal Video about Using an EEG-Based Brain-Computer Interface for Virtual Cursor Movement with BCI2000 at JoVE.com

Using an EEG-Based Brain-Computer Interface for Virtual Cursor Movement with BCI2000

In diesem Video zeigen wir die erforderlichen Schritte für ein Brain-Computer Interface Experimente, darunter die Errichtung der EEG-Haube, die Kalibrierung des Systems und Schulung der Anwender, um einen Cursor in zwei Dimensionen mit vorstellen Bewegungen bewegen laufen.

Mit Hilfe eines EEG-basierten Brain-Computer Interface für Virtual Cursor-Bewegung mit BCI2000

A brain-computer interface (BCI) functions by translating a neural signal, such as the electroencephalogram (EEG), into a signal that can be used to ...

using-an-eeg-based-brain-computer-interface-for-virtual-cursor

Research

JoVE Journal

Biology

17.6K Aufrufe.  University of Wisconsin-Madison. In diesem Video zeigen wir die erforderlichen Schritte für ein Brain-Computer Interface Experimente, darunter die Errichtung der EEG-Haube, die Kalibrierung des Systems und Schulung der Anwender, um einen Cursor in zwei Dimensionen mit vorstellen Bewegungen bewegen laufen.

Serie: Using an EEG-Based Brain-Computer Interface for Virtual Cursor Movement with BCI2000

Testing Nicotine Tolerance in Aphids Using an Artificial Diet Experiment

Plants may upregulate the production of many different seconday metabolites in response to insect feeding. One of these metabolites, nicotine, is well know to have insecticidal properties. One response of tobacco plants to herbivory, or being gnawed upon by insects, is to increase the production of this neurotoxic alkaloid. Here, we will demonstrate how to set up an experiment to address this question of whether a tobacco-adapted strain of the green peach aphid, Myzus persicae, can tolerate higher levels of nicotine than the a strain of this insect that does not infest tobacco in the field.

In this video and assay is demonstrated that tests the tolerance of nicotine to two types of aphids one that infests tobacco plants in the field and one that does not.

Testen Nikotin Toleranz in Blattläuse mit einer künstlichen Diät Experiment

Plants may upregulate the production of many different seconday metabolites in response to insect feeding. One of these metabolites, nicotine, is well ...

Forschung

Biologie

The Structure of Skilled Forelimb Reaching in the Rat: A Movement Rating Scale

Skilled reaching for food is an evolutionary ancient act and is displayed by many animal species, including those in the sister clades of rodents and primates. The video describes a test situation that allows filming of repeated acts of reaching for food by the rat that has been mildly food deprived. A rat is trained to reach through a slot in a holding box for food pellet that it grasps and then places in its mouth for eating. Reaching is accomplished in the main by proximally driven movements of the limb but distal limb movements are used for pronating the paw, grasping the food, and releasing the food into the mouth. Each reach is divided into at least 10 movements of the forelimb and the reaching act is facilitated by postural adjustments. Each of the movements is described and examples of the movements are given from a number of viewing perspectives. By rating each movement element on a 3-point scale, the reach can be quantified. A number of studies have demonstrated that the movement elements are altered by motor system damage, including damage to the motor cortex, basal ganglia, brainstem, and spinal cord. The movements are also altered in neurological conditions that can be modeled in the rat, including Parkinson's disease and Huntington's disease. Thus, the rating scale is useful for quantifying motor impairments and the effectiveness of neural restoration and rehabilitation. Because the reaching act for the rat is very similar to that displayed by humans and nonhuman primates, the scale can be used for comparative purposes. from a number of viewing perspectives. By rating each movement element on a 3-point scale, the reach can be quantified. A number of studies have demonstrated that the movement elements are altered by motor system damage, including damage to the motor cortex, basal ganglia, brainstem, and spinal cord. The movements are also altered in neurological conditions that can be modeled in the rat, including Parkinson's disease and Huntington's disease. Thus, the rating scale is useful for quantifying motor impairments and the effectiveness of neural restoration and rehabilitation.

Experiments on animals were performed in accordance with the guidelines and regulations set forth by the University of Lethbridge Animal Care Committee in accordance with the regulations of the Canadian Council on Animal Care.

The skilled reaching scale divides the movement by a forelimb in a reach for food act into composite elements each of which are evaluated with a three-point scale. The rating scale is described for a normal rat and can be applied toward evaluating neurological motor disorders.

The Structure of Skilled Vorderbein Reaching in den Rat: A Movement Rating Scale

Skilled reaching for food is an evolutionary ancient act and is displayed by many animal species, including those in the sister clades of rodents and ...

The use of Biofeedback in Clinical Virtual Reality: The INTREPID Project

Generalized anxiety disorder (GAD) is a psychiatric disorder characterized by a constant and unspecific anxiety that interferes with daily-life activities. Its high prevalence in general population and the severe limitations it causes, point out the necessity to find new efficient strategies to treat it. Together with the cognitive-behavioral treatments, relaxation represents a useful approach for the treatment of GAD, but it has the limitation that it is hard to be learned. The INTREPID project is aimed to implement a new instrument to treat anxiety-related disorders and to test its clinical efficacy in reducing anxiety-related symptoms. The innovation of this approach is the combination of virtual reality and biofeedback, so that the first one is directly modified by the output of the second one. In this way, the patient is made aware of his or her reactions through the modification of some features of the VR environment in real time. Using mental exercises the patient learns to control these physiological parameters and using the feedback provided by the virtual environment is able to gauge his or her success. The supplemental use of portable devices, such as PDA or smart-phones, allows the patient to perform at home, individually and autonomously, the same exercises experienced in therapist's office. The goal is to anchor the learned protocol in a real life context, so enhancing the patients' ability to deal with their symptoms. The expected result is a better and faster learning of relaxation techniques, and thus an increased effectiveness of the treatment if compared with traditional clinical protocols.

The Project on Virtual Reality Intelligent Multi-sensor System for the Treatment of Anxiety-related Disorders (INTREPID) is aimed at developing a multi-sensor context-aware virtual reality system for the treatment of anxiety-related disorders.

Der Einsatz von Biofeedback in der klinischen Virtual Reality: Die INTREPID Projekt

Generalized anxiety disorder (GAD) is a psychiatric disorder characterized by a constant and unspecific anxiety that interferes with daily-life ...

Measuring the Bending Stiffness of Bacterial Cells Using an Optical Trap

We developed a protocol to measure the bending rigidity of filamentous rod-shaped bacteria. Forces are applied with an optical trap, a microscopic three-dimensional spring made of light that is formed when a high-intensity laser beam is focused to a very small spot by a microscope's objective lens. To bend a cell, we first bind live bacteria to a chemically-treated coverslip. As these cells grow, the middle of the cells remains bound to the coverslip but the growing ends are free of this restraint. By inducing filamentous growth with the drug cephalexin, we are able to identify cells in which one end of the cell was stuck to the surface while the other end remained unattached and susceptible to bending forces. A bending force is then applied with an optical trap by binding a polylysine-coated bead to the tip of a growing cell. Both the force and the displacement of the bead are recorded and the bending stiffness of the cell is the slope of this relationship.

We present a protocol for bending filamentous bacterial cells attached to a cover-slip surface with an optical trap to measure the cellular bending stiffness.

Die Messung der Biegesteifigkeit von Bakterienzellen mit einer optischen Falle

We developed a protocol to measure the bending rigidity of filamentous rod-shaped bacteria. Forces are applied with an optical trap, a microscopic ...

Culturing of Human Nasal Epithelial Cells at the Air Liquid Interface

In vitro models using human primary epithelial cells are essential in understanding key functions of the respiratory epithelium in the context of microbial infections or inhaled agents. Direct comparisons of cells obtained from diseased populations allow us to characterize different phenotypes and dissect the underlying mechanisms mediating changes in epithelial cell function. Culturing epithelial cells from the human tracheobronchial region has been well documented, but is limited by the availability of human lung tissue or invasiveness associated with obtaining the bronchial brushes biopsies. Nasal epithelial cells are obtained through much less invasive superficial nasal scrape biopsies and subjects can be biopsied multiple times with no significant side effects. Additionally, the nose is the entry point to the respiratory system and therefore one of the first sites to be exposed to any kind of air-borne stressor, such as microbial agents, pollutants, or allergens. 
Briefly, nasal epithelial cells obtained from human volunteers are expanded on coated tissue culture plates, and then transferred onto cell culture inserts. Upon reaching confluency, cells continue to be cultured at the air-liquid interface (ALI), for several weeks, which creates more physiologically relevant conditions. The ALI culture condition uses defined media leading to a differentiated epithelium that exhibits morphological and functional characteristics similar to the human nasal epithelium, with both ciliated and mucus producing cells. Tissue culture inserts with differentiated nasal epithelial cells can be manipulated in a variety of ways depending on the research questions (treatment with pharmacological agents, transduction with lentiviral vectors, exposure to gases, or infection with microbial agents) and analyzed for numerous different endpoints ranging from cellular and molecular pathways, functional changes, morphology, etc. 
In vitro models of differentiated human nasal epithelial cells will enable investigators to address novel and important research questions by using organotypic experimental models that largely mimic the nasal epithelium in vivo.

Nasal epithelial cells, obtained through superficial scrape biopsy of human volunteers, are expanded and transferred onto tissue culture inserts. Upon reaching confluency, cells are grown at air liquid interface, yielding cultures of ciliated and non-ciliated cells. Differentiated nasal epithelial cell cultures provide viable experimental models for studying the respiratory mucosa.

Die Kultivierung der menschlichen Nasen Epithelzellen an der Air flüssig-Grenzfläche

In vitro models using human primary  epithelial cells are essential in understanding key functions of the respiratory  epithelium in the context of ...

Nanopodia - Thin, Fragile Membrane Projections with Roles in Cell Movement and Intercellular Interactions

Adherent cells in culture maintain a polarized state to support movement and intercellular interactions. Nanopodia are thin, elongated, largely F-actin-negative membrane projections in endothelial and cancer cells that can be visualized through TM4SF1 (Transmembrane-4-L-six-family-1) immunofluorescence staining. TM4SF1 clusters in 100-300 &#956;m diameter TMED (TM4SF1 enriched microdomains) containing 3 to as many as 14 individual TM4SF1 molecules. TMED are arranged intermittently along nanopodia at a regular spacing of 1 to 3 TMED per &#956;m and firmly anchor nanopodia to matrix. This enables nanopodia to extend more than 100 &#956;m from the leading front or trailing rear of polarized endothelial or tumor cells, and causes membrane residues to be left behind on matrix when the cell moves away. TMED and nanopodia have been overlooked because of their extreme fragility and sensitivity to temperature. Routine washing and fixation disrupt the structure. Nanopodia are preserved by direct fixation in paraformaldehyde (PFA) at 37 &#176;C, followed by brief exposure to 0.01% Triton X-100 before staining. Nanopodia open new vistas in cell biology: they promise to reshape our understanding of how cells sense their environment, detect and identify other cells at a distance, initiate intercellular interactions at close contact, and of the signaling mechanisms involved in movement, proliferation, and cell-cell communications. The methods that are developed for studying TM4SF1-derived nanopodia may be useful for studies of nanopodia that form in other cell types through the agency of classic tetraspanins, notably the ubiquitously expressed CD9, CD81, and CD151.

Nanopodia are thin but fragile membrane channels that extend up to 100 &#956;m from a cell's leading front or trailing rear and sense the cellular environment. Direct fixation at 37 &#176;C, gentle washing, and avoidance of organic solvents like ethanol, methanol, or acetone and of higher Triton X-100 concentrations are required to observe these cellular structures.

Nanopodia - Dünne, Zerbrechlich Membran Projektionen mit Rollen in der Zellbewegung und interzelluläre Wechselwirkungen

Adherent cells in culture maintain a polarized state to support movement and intercellular interactions. Nanopodia are thin, elongated, largely ...

An Alternative Approach for Sample Preparation with Low Cell Number for TEM Analysis

Transmission electron microscopy (TEM) provides details of the cellular organization and ultrastructure. However, TEM analysis of rare cell populations, especially cells in suspension such as hematopoietic stem cells (HSCs), remains limited due to the requirement of a high cell number during sample preparation. There are a few cytospin or monolayer approaches for TEM analysis from scarce samples, but these approaches fail to get significant quantitative data from the limited number of cells. Here, an alternative and novel approach for sample preparation in TEM studies is described for rare cell populations that enables quantitative analysis.
A relatively low cell number, i.e., 10,000 HSCs, was successfully used for TEM analysis compared to the millions of cells typically used for TEM studies. In particular, Evans blue staining was performed after paraformaldehyde-glutaraldehyde (PFA-GA) fixation to visualize the tiny cell pellet, which facilitated embedding in agarose. Clusters of numerous cells were observed in ultra-thin sections. The cells had a well preserved morphology, and the ultra-structural details of the Golgi complex and several mitochondria were visible. This efficient, easy and reproducible protocol allows sample preparation from a low cell number and can be used for qualitative and quantitative TEM analysis on rare cell populations from limited biological samples.

Here, we present a protocol to prepare samples with low cell numbers for transmission electron microscopy (TEM) analysis.

Ein alternativer Ansatz für die Probenvorbereitung mit geringer Zellzahl für die TEM-Analyse

Transmission electron microscopy (TEM) provides details of the cellular organization and ultrastructure. However, TEM analysis of rare cell populations, ...

Visualization of 3D White Adipose Tissue Structure Using Whole-mount Staining

Adipose tissue is an important metabolic organ with high plasticity and is responsive to environmental stimuli and nutrient status. As such, various techniques have been developed to study the morphology and biology of adipose tissue. However, conventional visualization methods are limited to studying the tissue in 2D sections, failing to capture the 3D architecture of the whole organ. Here we present whole-mount staining, an immunohistochemistry method that preserves intact adipose tissue morphology with minimal processing steps. Hence, the structures of adipocytes and other cellular components are maintained without distortion, achieving the most representative 3D visualization of the tissue. In addition, whole-mount staining can be combined with lineage tracing methods to determine cell fate decisions. However, this technique has some limitations to providing accurate information regarding deeper parts of adipose tissue. To overcome this limitation, whole-mount staining can be further combined with tissue clearing techniques to remove the opaqueness of tissue and allow for complete visualization of entire adipose tissue anatomy using light-sheet fluorescent microscopy. Therefore, a higher resolution and more accurate representation of adipose tissue structures can be captured with the combination of these techniques.

The focus of the present study is to demonstrate the whole-mount immunostaining and visualization technique as an ideal method for 3D imaging of adipose tissue architecture and cellular component.

Visualisierung von 3D weißen Fettgewebe Schachts ganz-Mount Färbung

Adipose tissue is an important metabolic organ with high plasticity and is responsive to environmental stimuli and nutrient status. As such, various ...

An Air-liquid Interface Bronchial Epithelial Model for Realistic, Repeated Inhalation Exposure to Airborne Particles for Toxicity Testing

For toxicity testing of airborne particles, air-liquid interface (ALI) exposure systems have been developed for in vitro tests in order to mimic realistic exposure conditions. This puts specific demands on the cell culture models. Many cell types are negatively affected by exposure to air (e.g., drying out) and only remain viable for a few days. This limits the exposure conditions that can be used in these models: usually relatively high concentrations are applied as a cloud (i.e., droplets containing particles, which settle down rapidly) within a short period of time. Such experimental conditions do not reflect realistic long-term exposure to low concentrations of particles. To overcome these limitations the use of a human bronchial epithelial cell line, Calu-3 was investigated. These cells can be cultured at ALI conditions for several weeks while retaining a healthy morphology and a stable monolayer with tight junctions. In addition, this bronchial model is suitable for testing the effects of repeated exposures to low, realistic concentrations of airborne particles using an ALI exposure system. This system uses a continuous airflow in contrast to other ALI exposure systems that use a single nebulization producing a cloud. Therefore, the continuous flow system is suitable for repeated and prolonged exposure to airborne particles while continuously monitoring the particle characteristics, exposure concentration, and delivered dose. Taken together, this bronchial model, in combination with the continuous flow exposure system, is able to mimic realistic, repeated inhalation exposure conditions that can be used for toxicity testing.

Described is the cell culture and exposure method of an in vitro bronchial model for realistic, repeated inhalation exposure to particles for toxicity testing.

Ein Luft-Flüssig-Interface-Bronchial-Epithelmodell für realistische, wiederholte Inhalationsexposition gegenüber Luftpartikeln für Toxizitätstests

For toxicity testing of airborne particles, air-liquid interface (ALI) exposure systems have been developed for in vitro tests in order to mimic realistic ...

Collection of Skeletal Muscle Biopsies from the Superior Compartment of Human Musculus Tibialis Anterior for Mechanical Evaluation

The mechanical properties of contracting skeletal fibers are crucial indicators of overall muscle health, function, and performance. Human skeletal muscle biopsies are often collected for these endeavors. However, relatively few technical descriptions of biopsy procedures, outside of the commonly used musculus vastus lateralis, are available. Although the biopsy techniques are often adjusted to accommodate the characteristics of each muscle under study, few technical reports share these changes to the greater community. Thus, muscle tissue from human participants is often wasted as the operator reinvents the wheel. Expanding the available material on biopsies from a variety of muscles can reduce the incident of failed biopsies. This technical report describes a variation of the modified Bergstr&#246;m technique on the musculus tibialis anterior that limits fiber damage and provides fiber lengths adequate for mechanical evaluation. The surgery is an outpatient procedure that can be completed in an hour. The recovery period for this procedure is immediate for light activity (i.e., walking), up to three days for the resumption of normal physical activity, and about one week for wound care. The extracted tissue can be used for mechanical force experiments and here we present representative activation data. This protocol is appropriate for most collection purposes, potentially adaptable to other skeletal muscles, and may be improved by modifications to the collection needle.

This technical report describes a variation of the modified Bergstr&#246;m technique for the biopsy of the musculus tibialis anterior that limits fiber damage.

Sammlung von Skelettmuskelbiopsien aus dem Superior-Fach des menschlichen Musculus Tibialis Anterior für mechanische Bewertung

The mechanical properties of contracting skeletal fibers are crucial indicators of overall muscle health, function, and performance. Human skeletal muscle ...