Die Arbeit wurde durch die NIH 1 R21NS057718-01 unterstützt.

1. Dies ist eine Nicht-Überleben Chirurgie. Der erste Schritt ist die Implantation der Elektroden. In diesem Beispiel wird Elektroden in der Vorderpfote Regionen der primären somatosensorischen Kortex beider Hemisphären implantiert werden. <ol><li> Anesthetize der Ratte (männlich SD-Ratte, 200-300 g) mit 2% Isofluran und fix in auf einer stereotaktischen OP-System. Vor Beginn der Operation, sicherzustellen, dass das Tier gut betäubt ist und zeigt keine Reaktion auf einen Zeh kneifen. Entfernen Sie das Fell vor dem Öffnen der Kopfhaut. Trennen Sie die Muskeln und andere Gewebe über dem Schädel und Block eine Blutung auf der Knochenoberfläche mit einem cauterizer. </li><li> Bereiten Sie einen Pier auf der Kopfoberfläche (in der Nähe der Mittellinie vorderen V-förmige Kreuzung) als Fixationspunkt für die Welle der implantierten Elektrode, mit Zahnzement. Einrichten eines kleinen Nylon-Schrauben-Set in den Knochen, bevor Zahnzement kann die Stabilität zu erhöhen. Die Größe der Pier mit Zement geformt sollte etwa 5 mm hoch und 3 x 5 mm 2 Fläche an der Basis (siehe Abbildung 1). </li><li> Mit einem feinen Spitzen elektrische Bohrmaschine, öffnen Sie vorsichtig den Schädel und setzen die Dura über die Vorderpfote Darstellung in primären somatosensorischen Kortex jeder Hemisphäre. Der Durchmesser jedes Loch sollte etwa 1 mm, positioniert 1 mm anterior und 4 mm lateral vom Bregma. Unter einem Mikroskop, schneiden eine winzige Öffnung in der Dura mit einer Spritze Nadelspitze, wobei darauf zu jedem Schiff Schäden zu vermeiden. </li><li> Vor dem Einsetzen jeder Elektrode, stellen Sie sicher, dass keine Blutung oder Exsudation präsentieren in der Nähe der Einschnitte ist. Das Glas-Mikroelektroden sollten vor der Operation mit rund 3 hergestellt werden ~ 4 cm Wellen-Länge und Impedanz von 1 ~ 5 mW. Füllen Sie die Kapillare der Elektrode mit künstlichem CSF (ACSF) und setzen Sie jede Elektrode schräg (~ 45 °, von posterior nach anterior) in das Gehirn ~ 0,4 mm aus dem geöffneten dura mit der stereotaktischen Arm. Vor der Befestigung in Position, überprüfen Sie das elektrische Signal. Ein Ende des chloridisiert Silberdraht sollte in den ACSF und das andere Ende an den Eingang führt zu dem Verstärker getaucht werden. Ein Silberdraht, subkutan an der Rückseite des geöffneten Haut befestigt, dient als Referenz-Elektrode. </li><li> Vor Elektrode Fixierung, überprüfen Sie die OP-Bereich und stellen Sie sicher, dass keine Blutung oder Exsudation auftritt, und dann Auftragen von Zahnpasta auf die entfernt Haut und Muskeln am Schädel zu ersetzen. Die Verwendung der Zahnpasta verbessert die MR-Bildqualität durch die Reduzierung der Anfälligkeit Mismatch an der Schädelbasis / Luft-Grenzfläche. Befestigen Sie die Elektrode Welle auf die vorbereitete Pier mit Zahnzement (siehe Abbildung 1). </li><li> Nach dem Zahnzement Kuren, übertragen das Tier auf die MRT-Station und fixieren. Überwachen Sie die Ratte s physiologischen Zustand für den Rest der Studie, einschließlich Körpertemperatur, Atemfrequenz, SPO 2 und Herzfrequenz. </li><li> Position einer Oberflächenspule (Senden / Empfangen) über den Kopf, mit den Elektroden ragen aus der Mitte der Spule. Eine weitere bogenförmige hard cover, dass oben auf der Wiege sitzt dient als Unterstützung für die Fixierung der Elektrode führt, um Bewegung durch das Tier atmen zu vermeiden. Das führt zur gleichzeitigen Abbildung und Aufnahme verwendet erweitern, um ~ 5 m (der Verstärker ist nur außerhalb des Magneten Raum befindet) und sind mit leitfähigen Kunststoff, der als passiver Schild dient abgedeckt. </li><li> Anästhesie kann von Isofluran geschaltet werden, um Medetomidin zur Unterdrückung der neuronalen Aktivität zu reduzieren, falls gewünscht. Untersuchen Sie das elektrische Signal ein letztes Mal vor der Übertragung des Tieres in den Magneten. In unseren Studien, die Aufnahme-Parameter wie folgt waren: x 1000 verstärkt, 0,1 Hz ~ 5 K Hz Bandpass-gefiltert, 60 Hz Notch-gefiltert, 12 kHz Abtastrate für Analog-Digital-Wandlung. </li></ol> 2. Zu diesem Zeitpunkt ist das Tier in den MRI-Scanner für die gleichzeitige Bildgebung und die Aufnahme eingefügt. Die Tiere werden betäubt in der bildgebenden Verfahren. <ol><li> A 9.4 T Kleintier-MRT-System (Bruker, Deutschland) wurde in unseren Untersuchungen verwendet. Vor der Aufnahme müssen Bildgebungsparameter eingerichtet werden. Ein drei Ebenen scout Bild wird verwendet, um die fMRI Scans Position. Zur Verbesserung der Homogenität des Magnetfeldes ist das Volumen von Interesse unterlegt mit FastMap 1. Für fMRI-Studien wurde eine koronalen Segment ausgewählt, die neben den bilateralen Vorderpfote primären somatosensorischen Bereiche, in denen die Elektroden implantiert wurden. Die EPI-Bildgebung Parameter wurden FOV, 1,92 x 1,92 cm 2; Matrix Größe 64 x 64; in-plane-Auflösung, 0,3 x 0,3 mm 2; Schichtdicke, 2 mm; TR / TE, 500/15 ms. </li><li> Nach dem Imaging-Setup abgeschlossen ist, gleichzeitige Aufnahme und fMRI kann beginnen. Abbildung 2 zeigt eine repräsentative EPI Bild-und Rohstoff-Aufnahmen während der Bildgebung. Der rasche Wechsel der Gradienten während der Bildaufnahme Ergebnisse in gesättigten Aufnahmen, die nur einen kleinen Teil eines jeden Zyklus (22/500 ms) bestehen. Nach der Bildaufnahme, das elektrische Signal returns zur Grundlinie mit einer Form der nicht-gesättigten Schwingung (siehe Abbildung 3). Kombinierte fMRI und Aufzeichnung kann während der Ruhezustand (wie in dieser Studie gezeigt) oder während der Stimulation durchgeführt werden. Für Reiz-Studien werden die Aufnahmeparameter das gleiche wie für den Ruhezustand Studie, mit elektrischer Stimulation der Vorderpfote versorgt mit 9 Hz, 1 ~ 4 mA Strom. Die Ratte ist nach dem endgültigen Scan eingeschläfert. </li></ol> 3. Nach der gleichzeitigen Abbildung und Aufnahme müssen die Daten vor der endgültigen Analyse werden vorverarbeitet. <ol><li> Wir beginnen mit der Entfernung des Gradienten Artefakte aus der elektrophysiologischen Ableitungen (siehe Abbildung 3). <ol><li> Der Lärm Struktur durch Scannen kann durch Mittelung all ~ 500 ms (TR) Abschnitte, die jeweils auf das Intervall zwischen zwei aufeinander folgenden fMRI Bildern entspricht extrahiert werden. </li><li> Subtrahieren Sie die durchschnittliche Lärmbelastung Struktur aus den Originalaufnahmen. Diese Methode behebt nur das ungesättigte Aufnahme Segmenten. </li><li> Jeder gesättigten Segment entsprechend Gradienten Wechsel während der Bildaufnahme wird durch eine Linie, die zwischen dem Zeitpunkt vor und der Zeitpunkt, nachdem Gradienten-induzierten Sättigung geht ersetzt. </li></ol></li><li> Die entrauscht Aufnahmen von lokalen Feldpotentiale (LFPs) werden dann an die Macht der Zeit Kurse, die die gleiche zeitliche Auflösung wie das fMRI zeitlichen Verlauf haben, werden umgesetzt. Die durchschnittliche Leistung in einem 2-Sekunden-bin ist für die Berechnung der tiefsten Frequenzen (delta Band 1 ~ 4 Hz), mit einer 1 Sekunde bin für Theta-Band (4 ~ 8 Hz) Frequenzen und einen bin von ~ 0,5 s zwischen verwendet benachbarte gesättigte Signale bei höheren Frequenzen (&gt; 8 Hz, Alpha zu Gamma-Bands). Das Automatik-Fenster für alle Frequenzbänder in 0,5 s-Schritten bewegt, passend zu den TR der fMRI-Daten. </li><li> Für Bilddaten, ist Standard fMRI Vorverarbeitung durchgeführt, ua als Leiter Bewegungskorrektur, Bildglättung mit 0,5 mm FWHM und lineare Drift Entfernung. </li><li> Kreuz Korrelationsanalyse zwischen den LFP Macht Zeitverläufe und der zeitliche Verlauf von jedem Voxel der Bilddaten durchgeführt. Unterschiedliche zeitliche Verzögerungen erlauben die Untersuchung der zeitabhängigen Korrelation (siehe Abbildung 4). </li></ol> Repräsentative Ergebnisse: Als Beispiel kann diese Technik eingesetzt, um die Beziehung zwischen spontaner neuronaler Aktivität und BOLD Schwankungen zu untersuchen. Abbildung 4 zeigt die Korrelation zwischen Karten LFP Macht und der BOLD-Signal an Zeitverzögerungen zwischen -2,5 und 9,5 s von einer Ratte. Die niedrige Frequenz BOLD Schwankungen (&lt;0,1 Hz) aus kortikalen Arealen in der Nähe der Elektrodenspitze mit LFP Macht Veränderungen (&lt;0,1 Hz) bei einer Verzögerung von 2 ~ 6 s. korreliert <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig1.jpg" alt="Abbildung 1" /> Abbildung 1. Schematischer Aufbau Elektrodenimplantation-und Imaging-Region mit einer Oberflächenspule. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig2.jpg" alt="Abbildung 2" /> Abbildung 2. Ein Vertreter koronalen EPI Bild, einschließlich der Elektrodenspitzen, ist im linken Fenster angezeigt. Das rechte Bild zeigt raw elektrophysiologischen Ableitungen vor und während der Bildgebung. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig3.jpg" alt="Abbildung 3" /> Abbildung 3. Durch Zoomen auf einen Zyklus, ist ersichtlich, dass das Artefakt (grün) während der Bildgebung von Original-Aufnahmen (blau) kann entfernt werden. Die entrauscht Zeitverläufe (rot) wurden zur weiteren Analyse verwendet. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig4.jpg" alt="Abbildung 4" /> Abbildung 4. Coronal Karten (von einem typischen Ratte) der Korrelation zwischen der Macht der spontanen Delta-Band-Aktivität von einer Elektrode und der Ruhe-Zustand BOLD-Signal an Zeitverzögerungen von -2,5 bis 9,5 s. Maximale Korrelation ist in bilateralen SI bei etwa 4 ~ 5 s in der Isofluran-Narkose Ratten beobachtet. Farbbalken stellt Pearson r.

<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>

Beide elektrophysiologischen Aufzeichnung und BOLD fMRI werden separat gut entwickelten Techniken. Doch gleichzeitig Aufnahme-und Imaging ist auf die gegenseitige Beeinflussung 2 der beiden Modalitäten Herausforderung. Hier bieten wir eine mögliche Lösung für kombinierte Experimente in der Nager. Die modifizierte Methode der Elektrodenimplantation minimiert Einfluss auf die Bildqualität und das Artefakt Entfernung für die Elektro-Aufnahmen ist notwendig, um den Lärm von der Bildaufnahme induzierte entf...

simultaneous fmri and electrophysiology in the rodent brain

Zur Untersuchung der neuronalen Grundlagen der Blutoxygenierung level dependent (BOLD) Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT)-Signal, haben wir ein Nagetier-Modell in die funktionelle MRT-Daten entwickelt und<em&gt; In vivo</em&gt; Intrakortikale Aufnahme kann gleichzeitig durchgeführt werden. Die Kombination von MRT und elektrische Aufnahme ist technisch anspruchsvoll, da die Elektroden für die Aufzeichnung verwendet verzerren die MRT-Bilder und die MRT Akquisition induziert Lärm in der Elektro-Aufnahme. Zur Minimierung der gegenseitigen Beeinflussung der beiden Modalitäten wurden Glas-Mikroelektroden als Metall und benutzte eine Rauschunterdrückung Algorithmus wurde für die Elektrophysiologie Daten implementiert. In unseren Studien wurden zwei Mikroelektroden separat in bilateralen primären somatosensorischen Kortex (SI) der Ratte implantiert und fixiert. Eine koronare Schicht für den Elektrodenspitzen wurde für die funktionelle Kernspintomografie ausgewählt. Elektrodenschäfte und Fixierung Positionen wurden nicht in das Bild Slice Bildartefakte zu vermeiden enthalten. Die entnommenen Kopfhaut wurde mit Zahnpasta auf die Anfälligkeit Missverhältnis zu reduzieren und zu verhindern, Gibbs Ringing-Artefakten in den Bildern ersetzt. Das Artefakt-Struktur in der Elektro-Aufnahmen von sich schnell schaltenden Magnetfelder während der Bildaufnahme induziert wurde durch Mittelung aller Zyklen von Scans für jeden Lauf aus. Der Lärm Struktur während der Bildgebung wurde dann aus Originalaufnahmen abgezogen. Die entrauscht Zeitverläufe wurden dann zur weiteren Analyse in Kombination mit der fMRI-Daten verwendet. Als Beispiel wurde die gleichzeitige Erfassung verwendet werden, um die Beziehung zwischen spontaner fMRI BOLD-Signale und bandbegrenzt intrakortikale elektrische Aktivität zu bestimmen. Gleichzeitige fMRI und elektrophysiologischen Aufnahme in das Nagetier wird eine Plattform für viele spannende Anwendungen in den Neurowissenschaften bieten neben der Aufklärung der Beziehung zwischen dem fMRI BOLD-Signal und neuronaler Aktivität.

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Simultaneous fMRI and Electrophysiology in the Rodent Brain

Wir haben eine Methode zur gleichzeitigen funktionellen Kernspintomographie und elektrophysiologischen Aufnahme in das Nagetier Gehirn entwickelt, eine Plattform für die Untersuchung der Beziehung zwischen neuronaler Aktivität und der Blutoxygenierung level dependent (BOLD) MRT-Signal.

Gleichzeitige fMRI und Elektrophysiologie in der Nager Gehirn

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 Aufrufe.  Emory University. Wir haben eine Methode zur gleichzeitigen funktionellen Kernspintomographie und elektrophysiologischen Aufnahme in das Nagetier Gehirn entwickelt, eine Plattform für die Untersuchung der Beziehung zwischen neuronaler Aktivität und der Blutoxygenierung level dependent (BOLD) MRT-Signal.

Serie: 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.

Planung und Bau eines kostengünstigen Headstage für Simultaneous Neural Stimulation und Aufnahme in the Water Maze

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

Forschung

Neurowissenschaften

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.

Die Kombination TMS und fMRT dem Standard-Modus Netzwerk Untersuchen

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.

Co-Analyse von Hirnstruktur und-funktion mittels fMRT und Diffusionsgewichtete Imaging

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.

Gleichzeitige Elektroenzephalographie, Real-time Messung der Laktat-Konzentration und optogenetische Manipulation der neuronalen Aktivität in der Nagetier 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 ...

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.

Deep Brain Stimulation mit gleichzeitiger fMRT in Nagetiere

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.

In vivo optogenetische Stimulation des Nager 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 ...

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.

Gleichzeitige Elektrophysiologische Aufzeichnung und Micro-Injektionen von Hemmstoffe im Gehirn von Nagetieren

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.

Personalisierte Nadeln für Mikroinjektionen im Nagetier Gehirn

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 ...

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.

Gleichzeitige Kryoschneiden mehrere Nagetier Gehirne

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

Using Near-infrared Fluorescence and High-resolution Scanning to Measure Protein Expression in the Rodent Brain

Neuroscience is the study of how cells in the brain mediate various functions. Measuring protein expression in neurons and glia is critical for the study of neuroscience as cellular function is determined by the composition and activity of cellular proteins. In this article, we describe how immunocytochemistry can be combined with near-infrared high-resolution scanning to provide a semi-quantitative measure of protein expression in distinct brain regions. This technique can be used for single or double protein expression in the same brain region. Measuring proteins in this fashion can be used to obtain a relative change in protein expression with an experimental manipulation, molecular signature of learning and memory, activity in molecular pathways, and neural activity in multiple brain regions. Using the correct proteins and statistical analysis, functional connectivity among brain regions can be determined as well. Given the ease of implementing immunocytochemistry in a laboratory, using immunocytochemistry with near-infrared high-resolution scanning can expand the ability of the neuroscientist to examine neurobiological processes at a systems level.

Here, we present a protocol that uses near-infrared dyes in conjunction with immunohistochemistry and high-resolution scanning to assay proteins in brain regions.

Einsatz von Infrarot-Fluoreszenz und hochauflösendem Scannen zur Messung des Protein-Expression im Rodentrains

Neuroscience is the study of how cells in the brain mediate various functions. Measuring protein expression in neurons and glia is critical for the study ...