Wir möchten Brain Products GmbH für die Bereitstellung ihrer Ausrüstung, Know-how und Hilfe bedanken. Diese Studie wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über ein Stipendium des Deutschen Raumfahrtagentur (DLR) 50WB0819 finanziert.

1. Versuchsdurchführung <ol><li> Am Boden Flugvorbereitung - Das Thema Vorbereitung ist in einem separaten Raum am Flughafen erfolgen. (1-2 Stunden vor dem Flug) <ol><li> Montage des EEG / NIRS Kappe <ol><li> Elektroden und NIR-Sensoren sind an der Kopfhaut mit einer EEG-Haube befestigt. Diese Methode sorgt für die richtige Position der Sensoren. </li><li> Die Größe der Kappe wird durch die Größe des Motivs den Kopf bestimmt </li><li> Der Betreiber stellt sicher, dass der korrekte Position der Kappe. Die Cz Elektrode wird auf den Scheitel (der Punkt in der Mitte zwischen dem Nasion und Zwiebeln), die PO9-PO10 und der FP1-Fp2 Elektroden sind horizontal, ist die Kappe symmetrisch. </li><li> Die Herzfrequenz-Elektrode auf der Brust platziert </li></ol></li><li> Minimierung der Impedanz <ol><li> Die Brain Products actiCAP Elektroden werden an die Steuerung angeschlossen. </li><li> Jede Elektrode enthält LEDs, die rot werden, wenn die Impedanz-Messung wird gestartet. </li><li> Das Haar ist weg von der Spitze der Elektrode mit einer stumpfen Nadel verschoben. </li><li> Gel wird zwischen der Spitze der Elektrode und der Oberfläche der Haut injiziert. </li><li> Die Farbe der LEDs ändern, da die Impedanz sinkt. Die erste rote Farbe wird gelb, wird die gelb-grün, wenn das Ziel Impedanz Wert erreicht. </li><li> Das Ziel Impedanz 25 kOhm, da die aktiven Elektroden gutes Signal-Rausch-Verhältnis unter diesem Wert liefern. Deshalb ist die Kappe Zubereitung ist schnell und bequem. </li><li> Der Bediener startet auf der Referenz-und Masseelektroden und wiederholt für alle anderen Elektroden zu arbeiten. </li></ol></li></ol></li><li> An Bord Flugvorbereitung <ol><li> Pre-Messungen <ol><li> Themen in den Versuchsaufbau eingesetzt werden, sind die Gurte befestigt locker </li><li> Kabel angeschlossen sind, werden die Batterien geladen werden. </li><li> Der Bediener startet die EEG-und NIRS-Modul steuert die Konnektivität und die Qualität des EEG / NIRS-Signal. </li><li> Recording Ruhezustand EEG / NIRS. Die Probanden haben noch keine Aufgabe. </li><li> Die Aufnahme wird gestoppt. </li><li> Die Themen führen die kognitive Aufgabe auf dem Boden. Die kognitive Aufgabe ist es, eine Aufmerksamkeit / Berechnung Aufgabe ( <a href="http://itunes.apple.com/us/app/chalkboard-challenge/id317961833?mt=8">http://itunes.apple.com/us/app/chalkboard-challenge/id317961833?mt=8</a> ), wo Themen haben, die Seite einer Gleichung, die größer ist als die zu identifizieren anderen in Bezug auf Geschwindigkeit und Genauigkeit. </li></ol></li><li> Lagern Sie die Geräte <ol><li> Der Betreiber speichert die Kamera und die iPhones for take off. </li></ol></li></ol></li><li> Im Flug-Messung <ol><li> Vorbereitung <ol><li> Operator mountet die Video-Kamera an Handlauf und startet die Aufnahme. </li><li> Die iPhones sind auf dem Oberschenkel des Patienten platziert. </li><li> Der Bediener startet die EEG-und NIRS-Modul kontrolliert die Qualität des EEG / NIRS-Signal und startet die Aufnahme. </li></ol></li><li> Messung <ol><li> Die Themen führen die kognitive Aufgabe in zwei Blöcken zu je fünf Parabeln zwischen Parabel 11-15 und 16-20. Aufgabe wird in einer zufälligen Reihenfolge in der Schwerelosigkeit oder normaler Schwerkraft durchgeführt werden. Nur Ruhezustand EEG / NIRS ist während der ersten 10 Parabeln aufgezeichnet. Die letzten Parabeln verwendet bei fehlenden vorherigen Messungen werden (siehe Abbildung 1). </li><li> Der Bediener steuert die Aufnahme und weist die Untertanen. Der Betreiber wird alles aufschreiben Ergebnisse der kognitiven Tests und-zeiten. </li></ol></li></ol></li><li> Am Boden post-flight-Messung <ol><ol><li> Ruhezustand EEG / NIRS-Messung durchgeführt. </li></ol></ol></li></ol> Wir erwarten, dass erhöhte zerebrale Aktivierung in der Schwerelosigkeit zu finden, wie zuvor beschrieben (Schneider et. Al 2008 + 2009) gezeigt. Wir erwarten weitere so sehen erhöhten Sauerstoff Gewebe im Frontalhirn in der Schwerelosigkeit und unteren oxygenierten Gewebe in Hypergravitation. Die Aufmerksamkeit Aufgabe soll während des gesamten Fluges im Vergleich zu vor und nach dem Flug und vielleicht sogar noch mehr in der Schwerelosigkeit durch höhere zentrale Aktivierung und Erregung in der Schwerelosigkeit beeinträchtigt werden. 2. Repräsentative Ergebnisse Mapping der Übergang von der Hypergravitation Phase der Schwerelosigkeit konnten wir erhöhte Gehirn kortikale Aktivität im frontalen Kortex zu beobachten und verminderte Aktivität in der zeitlichen und okzipitalen Kortex 2000 - 2350 ms nach dem Beginn der Schwerelosigkeit (Abbildung 2a, b). sLORETA erlaubt die Lokalisierung dieses erhöhte frontale Aktivierung in Brodmann 9 des dorsolateralen präfrontalen Kortex, die bekanntlich in leitenden Funktionen bei der Integration von sensorischen und mnemonic Informationen im Laufe der motorischen Planung, Organisation und Regulierung beteiligt ist (Abbildung 3a, b). Darüber hinaus zeigte Sachgebiet 2 eine Erhöhung der Brodmann Area 6, im prämotorischen Cortex, die eine Rolle spielt bei der sensorischen Führung im Laufe des Körpers zu stabilisieren (siehe Abbildung 3b). Gemittelt über die ersten 10 Parabeln, offenbarte NIRS-Analyse oxygenierten Hämoglobins (HHb) Konzentration der beiden Fächer in Hypergravitation sowie erhöhte oxygenierten Hämoglobins (O2Hb) in der Schwerelosigkeit verringert. Für HHb Hämoglobin zu Sachgebiet 1 fanden wir einen Trend zu einer Erhöhung der Hypergravitation Phase vor der Schwerelosigkeit sowie eine Abnahme in der Schwerelosigkeit und der Hypergravitation Phase nach Schwerelosigkeit. In diesem Thema O2Hb war wieder auf den Ausgangswert von 10 bis 15 sec nach der Parabel. Im Gegensatz zu Sachgebiet 2 zeigte einen leichten Anstieg mit dem Rückgang der O2Hb in der Hypergravitation Phase vor der Schwerelosigkeit, ein Anstieg in der Schwerelosigkeit und einen Rückgang bei Hypergravitation nach Schwerelosigkeit. Zu diesem Thema O2Hb blieb für ca. 30 sec folgende Parabel (Abb. 4a, b) herabgesetzt werden Die kognitive Aufgabe führte zu einer verringerten Leistung Partituren für beide Teilnehmer in normaler Schwerkraft während des Fluges im Vergleich zu einem Preflight-Sitzung. Nur zu Sachgebiet 2 zeigten eine verminderte Punktzahl in Schwerelosigkeit (Abbildung 5). <img src="/files/ftp_upload/2670/2670fig1.jpg" alt="Abbildung 1" /> Abbildung 1. Parabelflug-Sequenz. Reihenfolge der Aufgaben und Messungen während des Fluges; Anzahl der Parabeln in grau angezeigt, zeigen Zahlen mit Apostroph die Länge der längeren Pausen zwischen den Parabeln. <img src="/files/ftp_upload/2670/2670fig2a.jpg" alt="Abbildung 2a" /> <img src="/files/ftp_upload/2670/2670fig2b.jpg" alt="Abbildung 2b" /> Abbildung 2 Mapping Ansicht von zwei Probanden über den Zeitraum von 500 ms, bevor der Schwerelosigkeit (in Hypergravitation) bis 2500 ms in der Schwerelosigkeit. Blick von oben den Kopf; kleine Kreise zeigen Elektrodenpositionen, blaue Farbe ab und gelb bis rot steigt der electrocortical Aktivität in Mikro-Volt. <img src="/files/ftp_upload/2670/2670fig3a.jpg" alt="Abbildung 3a" /> <img src="/files/ftp_upload/2670/2670fig3b.jpg" alt="Abbildung 3b" /> Abbildung 3 Drei LORETA Aussicht. (Oben: von oben, unten links: von der linken Seite, unten rechts: von hinten) von zwei Probanden über den Zeitraum von 2000 ms bis 2350 ms nach Beginn der Schwerelosigkeit. Rote Farbe zeigt erhöhte Aktivität des Gehirns. <img src="/files/ftp_upload/2670/2670fig4a.jpg" alt="Abbildung 4a" /> <img src="/files/ftp_upload/2670/2670fig4b.jpg" alt="Abbildung 4b" /> Abbildung 4 NIRS Spuren (rot: oxygenierten Hämoglobins, blau: BOLD, schwarz: Schwerkraft-Ebene). Über den Zeitraum von einem Parabel von 40 Sekunden vor der Parabel in normaler Gravitation (1G: gelber Bereich), über die ersten Hypergravitation Phase (1,8 G: blaue Fläche), Schwerelosigkeit (0G: rote Fläche) und die zweite Hypergravitation Phase (1.8G: blaue Fläche), bis 40 sec nach der Parabel. Gravity Ebene wird invers dargestellt (Abnahme von Spurenelementen mittels Erhöhung der Schwerkraft ab 0 gleich normalen Schwerkraft (1G). Gezeigten Daten ist ein Durchschnittswert über 10 Parabeln. <img src="/files/ftp_upload/2670/2670fig5.jpg" alt="Abbildung 5" /> Abbildung 5. Spielpartitur der kognitiven Aufgabe des Teilnehmers 1 (blaue Kurve) und 2 (rote Kurve) für die Messungen Training vor dem Flug und während des Fluges in Schwerelosigkeit (0G) und normaler Gravitation (1G).

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	<li>Santo, N. G. D. e., Cirillo, M., Kirsch, K. A., Correale, G., Drummer, C., Frassl, W., Perna, A. F., Stazio, E. D. i., Bellini, L., Gunga, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anemia+and+erythropoietin+in+space+flights.">Anemia and erythropoietin in space flights.</a> Semin Nephrol. 25, 379-387 (2005).</li><li>Ellis, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Collisions+in+space.">Collisions in space.</a> , 4-9 (2000).</li><li>Genik, R. J. 2. n. d., Green, C. C., Graydon, F. X., Armstrong, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cognitive+avionics+and+watching+spaceflight+crews+think:+generation-after-next+research+tools+in+functional+neuroimaging.+Aviat+Space+Environ+Med+76.">Cognitive avionics and watching spaceflight crews think: generation-after-next research tools in functional neuroimaging. Aviat Space Environ Med 76.</a> , 208-212 (2005).</li><li>Schneider, S., Brummer, V., Carnahan, H., Dubrowski, A., Askew, C. D., Struder, H. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=What+happens+to+the+brain+in+weightlessness?+A+first+approach+by+EEG+tomography.">What happens to the brain in weightlessness? A first approach by EEG tomography.</a> Neuroimage. 42, 1316-1323 (2008).</li><li>Schneider, S., Brummer, V., Mierau, A., Carnahan, H., Dubrowski, A., Strueder, H. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Increased+brain+cortical+activity+during+parabolic+flights+has+no+influence+on+a+motor+tracking+task.">Increased brain cortical activity during parabolic flights has no influence on a motor tracking task.</a> Exp Brain Res. 185, 571-579 (2008).</li><li>Schneider, S., Brummer, V., Gobel, S., Carnahan, H., Dubrowski, A., Struder, H. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Parabolic+flight+experience+is+related+to+increased+release+of+stress+hormones.">Parabolic flight experience is related to increased release of stress hormones.</a> Eur J Appl Physiol. 100, 301-308 (2007).</li></ol>

Die Produktion dieser Artikel wurde von Brain Products, GmbH gesponsert. Roland Csuhaj ist ein Mitarbeiter von Brain Products GmbH, die ein Instrument in diesem Artikel verwendet produziert.

Aufgrund fehlender bildgebenden Methoden unter extremen Bedingungen so weit das zugrunde liegende neurophysiologische Prozesse für Wertminderungen in die kognitive Leistungsfähigkeit und psychische Verfassung wurden nicht untersucht. In diesem Papier waren wir in der Lage, Veränderungen im Gehirn kortikale Aktivität und die Sauerstoffversorgung Ebene im Rahmen einer Parabelflug-Display und zu lokalisieren diese Veränderungen innerhalb des Gehirns mittels EEG in Verbindung mit LORETA und NIRS. Wie erwartet, fanden wir eine Zunahme in electrocortical Aktivität während der Schwerelosigkeit, die in frontaler Hirnregionen (Brodmann Bereiche 9 +6) lokalisiert wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass etwa 2000 ms nach dem Übergang Gehirn kortikale Aktivität vor allem in frontalen Hirnregionen verändert. Man könnte annehmen, dass diese erhöhte Aktivität in Brodmann Area 6 und 9, die Mechanismen des Gehirns Erfassung und Verarbeitung verändert Schwerelosigkeit, um Körper Stabilität sowie motorischen Fähigkeiten in veränderter Schwerkraft Bedingungen halten reflektiert werden. In Bezug auf hämodynamische Veränderungen ergaben, dass die NIRS O2Hb des Frontalhirns dramatisch sinkt in der ersten Phase Hypergravitation und erhöht in der Schwerelosigkeit, während HHb zeigte nur moderate Änderungen. Dementsprechend kann dieser Effekt nicht zu einer Verlagerung des Blutvolumens allein zugeschrieben werden. Wahrscheinlicher scheint dies eine Art der zerebralen Autoregulation widerspiegeln, zumal die Erhöhung der O2Hb lange auftritt, bevor der Übergang von 1,8 G auf 0G (vor allem in Abbildung 4). Im Gegensatz O2Hb und HHB beide Rückgang im zweiten Hypergravitation Phase. Die Ergebnisse der kognitiven Aufgabe zeigen keine deutlichen Beeinträchtigung während der normalen Schwerkraft oder Schwerelosigkeit an Bord im Vergleich zu einem Preflight-Sitzung. Basierend auf den Ergebnissen von zwei Themen keine klare Aussage möglich ist, ob Parabelflügen Schwerelosigkeit zusammen mit seiner Steigerung der Hirnaktivität und die Sauerstoffversorgung Ebene einen Einfluss auf die kognitive Leistungsfähigkeit haben. Frühere Studien geben Grund zu der Annahme, dass in diesem Zusammenhang betonen, könnte auch eine Rolle spielen (Schneider et al. 2007), konnte jedoch keine Veränderungen in Cortisol-Konzentration für beide Fächer gewonnen werden. Weitere Daten werden benötigt, um diese Ergebnisse zu validieren und Korrelation der Veränderungen im Gehirn kortikale Aktivität, hämodynamischen Veränderungen sowie die kognitive Leistung zu ermöglichen. Dieses Papier soll die Überwachung der lokalen Veränderungen im Gehirn kortikale Aktivität und die Sauerstoffversorgung Ebene in unterschiedlichen Phasen der veränderten Schwerkraft zeigen, wird durch die Verwendung in Kombination mit NIRS und LORETA EEG möglich. Diese Ergebnisse sind ein Erfolg für die Weltraumforschung und ermöglicht die Anzeige komplexer und lokalen Veränderungen des Gehirns kortikale Aktivität in Hypergravitation oder Schwerelosigkeit und korrelierende psychische oder motorische Tests mit objektiven Veränderungen im Gehirn. Der nächste Schritt ist, diese Methode bei langfristigen Weltraummissionen gelten.

coherence between brain cortical function and neurocognitive performance during changed gravity conditions

Frühere Studien der kognitiven, psychischen und / oder motorische Prozesse während der kurz-, mittel-und langfristige Schwerelosigkeit bisher nur in der Natur beschreibend, und konzentrierte sich auf psychologische Aspekte. Bis jetzt hat objektive Beobachtung der neurophysiologischen Parameter nicht durchgeführt - ohne Zweifel, weil die technischen und methodischen Mittel bisher nicht zur Verfügung -, Untersuchungen zu den neurophysiologischen Auswirkungen der Schwerelosigkeit noch in den Kinderschuhen (Schneider et al 2008).. Während bildgebende Verfahren wie die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und Magnetresonanztomographie (MRT) wäre kaum anwendbar im Raum, stellt die nicht-invasive Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS)-Technik eine Methode zur Kartierung hämodynamische Vorgänge im Gehirn in Echtzeit das ist sowohl relativ kostengünstig, und das kann auch unter extremen Bedingungen eingesetzt werden. Die Kombination mit der Elektroenzephalographie (EEG) eröffnet die Möglichkeit, im Anschluss an die electrocortical Prozesse unter sich ändernden Bedingungen der Schwerkraft mit einer feineren zeitlichen Auflösung sowie mit tieferen Lokalisation, zum Beispiel mit electrotomography (LORETA). Frühere Studien zeigten eine Zunahme der Beta-Frequenz Tätigkeit unter normalen Bedingungen der Schwerkraft und eine Abnahme unter Schwerelosigkeit während eines Parabelflug (Schneider et al. 2008a + b). Tilt Studien zeigten unterschiedliche Veränderungen der Gehirnfunktion, die darauf hindeuten lassen, dass Änderungen in Parabelflug kann emotionale Prozesse statt hämodynamischen Veränderungen anzupassen. Es ist jedoch noch unklar, ob diese Auswirkungen veränderter Schwerkraft oder hämodynamischen Veränderungen im Gehirn sind. Die Kombination EEG / LORETA und NIRS sollte zum ersten Mal machen es möglich, die Wirkung der Schwerelosigkeit und reduzierter Schwerkraft auf beiden hämodynamischen und elektrophysiologischen Vorgänge im Gehirn abzubilden. Zunächst ist dies als Teil einer Machbarkeitsstudie bei einem Parabelflug durchgeführt werden. Danach ist es auch geplant, beide Techniken im mittel-und langfristige Nutzung der Raumfahrt. Es ist davon auszugehen, dass die langfristige Umverteilung des Blutvolumens und der damit verbundenen Erhöhung der Sauerstoffversorgung des Gehirns zu Veränderungen im zentralen Nervensystem, die auch verantwortlich für die anämische Prozesse führen werden, und die wiederum die Leistung reduzieren (De Santo et al. 2005), was bedeutet, dass sie sein könnten entscheidend für den Erfolg und die Sicherheit einer Mission (Genik et al. 2005, Ellis 2000). Abhängig von diesen Ergebnissen wird es notwendig sein, zur Entwicklung und Nutzung umfangreicher Gegenmaßnahmen. Erste Ergebnisse für die MARS500 Studie deuten darauf hin, dass, zusätzlich zu ihrer Bedeutung im Kontext des Herz-Kreislauf-und Bewegungsapparat, Sport und körperliche Aktivität können eine Rolle bei der Verbesserung der neurokognitiven Parametern spielen. Vor diesem vollständig eingeführt werden kann, jedoch scheint es notwendig, mehr über den Einfluss der wechselnden Zustand der Schwerelosigkeit auf neurophysiologische Prozesse und die damit verbundenen neurokognitiven Beeinträchtigungen.

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Coherence between Brain Cortical Function and Neurocognitive Performance during Changed Gravity Conditions

Die Wirkung der Schwerelosigkeit und Hypergravitation auf beiden hämodynamischen und elektrophysiologischen Vorgänge im Gehirn wird sich während der Parabelflug von EEG-und NIRS-Techniken verfolgt werden. Eine Machbarkeitsstudie für eine komplexere Experiment, das geplant durchführen, bei mittel-und langfristige Raumfahrt ist.

Die Kohärenz zwischen Gehirn Kortikale Funktion und neurokognitiven Leistungsfähigkeit während Changed Schwerelosigkeit

Previous studies of cognitive, mental and/or motor processes during short-, medium- and long-term weightlessness have only been descriptive in nature, and ...

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Research

JoVE Journal

Neuroscience

19.4K Aufrufe.  German Sport University Cologne. Die Wirkung der Schwerelosigkeit und Hypergravitation auf beiden hämodynamischen und elektrophysiologischen Vorgänge im Gehirn wird sich während der Parabelflug von EEG-und NIRS-Techniken verfolgt werden. Eine Machbarkeitsstudie für eine komplexere Experiment, das geplant durchführen, bei mittel-und langfristige Raumfahrt ist.

Serie: Coherence between Brain Cortical Function and Neurocognitive Performance during Changed Gravity Conditions

Mapping Cortical Dynamics Using Simultaneous MEG/EEG and Anatomically-constrained Minimum-norm Estimates: an Auditory Attention Example

Magneto- and electroencephalography (MEG/EEG) are neuroimaging techniques that provide a high temporal resolution particularly suitable to investigate the cortical networks involved in dynamical perceptual and cognitive tasks, such as attending to different sounds in a cocktail party. Many past studies have employed data recorded at the sensor level only, i.e., the magnetic fields or the electric potentials recorded outside and on the scalp, and have usually focused on activity that is time-locked to the stimulus presentation. This type of event-related field / potential analysis is particularly useful when there are only a small number of distinct dipolar patterns that can be isolated and identified in space and time. Alternatively, by utilizing anatomical information, these distinct field patterns can be localized as current sources on the cortex. However, for a more sustained response that may not be time-locked to a specific stimulus (e.g., in preparation for listening to one of the two simultaneously presented spoken digits based on the cued auditory feature) or may be distributed across multiple spatial locations unknown a priori, the recruitment of a distributed cortical network may not be adequately captured by using a limited number of focal sources.
Here, we describe a procedure that employs individual anatomical MRI data to establish a relationship between the sensor information and the dipole activation on the cortex through the use of minimum-norm estimates (MNE). This inverse imaging approach provides us a tool for distributed source analysis. For illustrative purposes, we will describe all procedures using FreeSurfer and MNE software, both freely available. We will summarize the MRI sequences and analysis steps required to produce a forward model that enables us to relate the expected field pattern caused by the dipoles distributed on the cortex onto the M/EEG sensors. Next, we will step through the necessary processes that facilitate us in denoising the sensor data from environmental and physiological contaminants. We will then outline the procedure for combining and mapping MEG/EEG sensor data onto the cortical space, thereby producing a family of time-series of cortical dipole activation on the brain surface (or "brain movies") related to each experimental condition. Finally, we will highlight a few statistical techniques that enable us to make scientific inference across a subject population (i.e., perform group-level analysis) based on a common cortical coordinate space.

We use magneto- and electroencephalography (MEG/EEG), combined with anatomical information captured by magnetic resonance imaging (MRI), to map the dynamics of the cortical network associated with auditory attention.

Mapping Kortikale Dynamics Mit Simultaneous MEG / EEG und anatomisch eingeschränkt Minimum-Norm Schätzungen: ein Auditory Achtung Beispiel

Magneto- and electroencephalography (MEG/EEG) are neuroimaging techniques that provide a high temporal resolution particularly suitable to investigate the ...

Forschung

Neurowissenschaften

Thinned-skull Cortical Window Technique for In Vivo Optical Coherence Tomography Imaging

Optical coherence tomography (OCT) is a biomedical imaging technique with high spatial-temporal resolution. With its minimally invasive approach OCT has been used extensively in ophthalmology, dermatology, and gastroenterology1-3. Using a thinned-skull cortical window (TSCW), we employ spectral-domain OCT (SD-OCT) modality as a tool to image the cortex in vivo. Commonly, an opened-skull has been used for neuro-imaging as it provides more versatility, however, a TSCW approach is less invasive and is an effective mean for long term imaging in neuropathology studies. Here, we present a method of creating a TSCW in a mouse model for in vivo OCT imaging of the cerebral cortex.

Thinned-skull Cortical Window Technique for In Vivo Optical Coherence Tomography Imaging

We present a method of creating a thinned-skull cortical window (TSCW) in a mouse model for in vivo OCT imaging of the cerebral cortex.

Verdünnt-skull Kortikale Fenster-Technik für<em&gt; In Vivo</em&gt; Optical Coherence Tomography Imaging

Optical coherence tomography (OCT) is a biomedical imaging technique  with high spatial-temporal resolution. With its minimally invasive approach OCT  has ...

Juxtasomal Biocytin Labeling to Study the Structure-function Relationship of Individual Cortical Neurons

The cerebral cortex is characterized by multiple layers and many distinct cell-types that together as a network are responsible for many higher cognitive functions including decision making, sensory-guided behavior or memory. To understand how such intricate neuronal networks perform such tasks, a crucial step is to determine the function (or electrical activity) of individual cell types within the network, preferentially when the animal is performing a relevant cognitive task. Additionally, it is equally important to determine the anatomical structure of the network and the morphological architecture of the individual neurons to allow reverse engineering the cortical network. Technical breakthroughs available today allow recording cellular activity in awake, behaving animals with the valuable option of post&#160;hoc identifying the recorded neurons. Here, we demonstrate the juxtasomal biocytin labeling technique, which involves recording action potential spiking in the extracellular (or loose-patch) configuration using conventional patch pipettes. The juxtasomal recording configuration is relatively stable and applicable across behavioral conditions, including anesthetized, sedated, awake head-fixed, and even in the freely moving animal. Thus, this method allows linking cell-type specific action potential spiking during animal behavior to reconstruction of the individual neurons and ultimately, the entire cortical microcircuit. In this video manuscript, we show how individual neurons in the juxtasomal configuration can be labeled with biocytin in the urethane-anaesthetized rat for post&#160;hoc identification and morphological reconstruction.

To understand the structure of neuronal networks, functional and morphological characterization of individual neurons is a necessity. Here, we demonstrate juxtasomal biocytin labeling, which allows electrophysiological recordings in the extracellular configuration, yet maintaining the ability to intracellularly label the neuron for post&#160;hoc reconstruction of dendritic and axonal architecture.

Juxtasomal Biocytin Labeling, um die Struktur-Funktions-Beziehung der einzelnen kortikalen Neuronen Studieren

The cerebral cortex is characterized by multiple layers and many distinct cell-types that together as a network are responsible for many higher cognitive ...

Subtype-selective Electroporation of Cortical Interneurons

The study of central nervous system (CNS) maturation relies on genetic targeting of neuronal populations. However, the task of restricting the expression of genes of interest to specific neuronal subtypes has proven remarkably challenging due to the relative scarcity of specific promoter elements. GABAergic interneurons constitute a neuronal population with extensive genetic and morphological diversity. Indeed, more than 11 different subtypes of GABAergic interneurons have been characterized in the mouse cortex1. Here we present an adapted protocol for selective targeting of GABAergic populations. We achieved subtype selective targeting of GABAergic interneurons by using the enhancer element of the homeobox transcription factors Dlx5 and Dlx6, homologues of the Drosophila distal-less (Dll) gene2,3, to drive the expression of specific genes through in utero electroporation.

This procedure shows how to target interneurons in the developing mouse forebrain by means of in utero electroporation. This technique was particularly efficient to achieve selective gene expression in interneuron subtypes destined to the superficial layers of the cortex.

Subtyp-selektive Elektroporation kortikaler Inter

The study of central nervous system (CNS) maturation relies on genetic targeting of neuronal populations. However, the task of restricting the expression ...

Imaging Serotonergic Fibers in the Mouse Spinal Cord Using the CLARITY/CUBIC Technique

Long descending fibers to the spinal cord are essential for locomotion, pain perception, and other behaviors. The fiber termination pattern in the spinal cord of the majority of these fiber systems have not been thoroughly investigated in any species. Serotonergic fibers, which project to the spinal cord, have been studied in rats and opossums on histological sections and their functional significance has been deduced based on their fiber termination pattern in the spinal cord. With the development of CLARITY and CUBIC techniques, it is possible to investigate this fiber system and its distribution in the spinal cord, which is likely to reveal previously unknown features of serotonergic supraspinal pathways. Here, we provide a detailed protocol for imaging the serotonergic fibers in the mouse spinal cord using the combined CLARITY and CUBIC techniques. The method involves perfusion of a mouse with a hydrogel solution and clarification of the tissue with a combination of clearing reagents. Spinal cord tissue was cleared in just under two weeks, and the subsequent immunofluorescent staining against serotonin was completed in less than ten days. With a multi-photon fluorescent microscope, the tissue was scanned and a 3D image was reconstructed using Osirix software.

Supraspinal projections are important for pain perception and other behaviors, and serotonergic fibers are one of these fiber systems. The present study focused on the application of the combined CLARITY/CUBIC protocol to the mouse spinal cord in order to investigate the termination of these serotonergic fibers.

Imaging Serotonerge Fasern im Rückenmark der Maus Mit der CLARITY / CUBIC Technik

Long descending fibers to the spinal cord are essential for locomotion, pain perception, and other behaviors. The fiber termination pattern in the spinal ...

Studying Brain Function in Children Using Magnetoencephalography

Magnetoencephalography (MEG) is a non-invasive neuroimaging technique which directly measures magnetic fields produced by the electrical activity of the human brain. MEG is quiet and less likely to induce claustrophobia compared with magnetic resonance imaging (MRI). It is therefore a promising tool for investigating brain function in young children. However, analysis of MEG data from pediatric populations is often complicated by head movement artefacts which arise as a consequence of the requirement for a spatially-fixed sensor array that is not affixed to the child's head. Minimizing head movements during MEG sessions can be particularly challenging as young children are often unable to remain still during experimental tasks. The protocol presented here aims to reduce head movement artefacts during pediatric MEG scanning. Prior to visiting the MEG laboratory, families are provided with resources that explain the MEG system and the experimental procedures in simple, accessible language. An MEG familiarization session is conducted during which children are acquainted with both the researchers and the MEG procedures. They are then trained to keep their head still whilst lying inside an MEG simulator. To help children feel at ease in the novel MEG environment, all of the procedures are explained through the narrative of a space mission. To minimize head movement due to restlessness, children are trained and assessed using fun and engaging experimental paradigms. In addition, children's residual head movement artefacts are compensated for during the data acquisition session using a real-time head movement tracking system. Implementing these child-friendly procedures is important for improving data quality, minimizing participant attrition rates in longitudinal studies, and ensuring that families have a positive research experience.

This article introduces a child-friendly research protocol designed to improve data quality by reducing head movement during pediatric magnetoencephalography (MEG). We familiarize families with the MEG environment, train children to remain still using an MEG simulator, and correct for residual head movement artefacts using a real-time head movement detection system.

Studium der Funktion des Gehirns bei Kindern mit Magnetoenzephalographie

Magnetoencephalography (MEG) is a non-invasive neuroimaging technique which directly measures magnetic fields produced by the electrical activity of the ...

Chronic Implantation of Whole-cortical Electrocorticographic Array in the Common Marmoset

Electrocorticography (ECoG) allows the monitoring of electrical field potentials from the cerebral cortex with high spatiotemporal resolution. Recent development of thin, flexible ECoG electrodes has enabled conduction of stable recordings of large-scale cortical activity. We have developed a whole-cortical ECoG array for the common marmoset. The array continuously covers almost the entire lateral surface of cortical hemisphere, from the occipital pole to the temporal and frontal poles, and it captures whole-cortical neural activity in one shot. This protocol describes a chronic implantation procedure of the array in the epidural space of the marmoset brain. Marmosets have two advantages regarding ECoG recordings, one being the homologous organization of anatomical structures in humans and macaques, including frontal, parietal, and temporal complexes. The other advantage is that the marmoset brain is lissencephalic and contains a large number of complexes, which are more difficult to access in macaques with ECoG, that are exposed to the brain surface.These features allow direct access to most cortical areas beneath the surface of the brain. This system provides an opportunity to investigate global cortical information processing with high resolutions at a sub-millisecond order in time and millimeter order in space.

We have developed a whole-cortical electrocorticographic array for the common marmoset that continuously covers almost the entire lateral surface of cortex, from the occipital pole to the temporal and frontal poles. This protocol describes a chronic implantation procedure of the array in the epidural space of the marmoset brain.

Chronische Implantation des gesamten kortikalen Electrocorticographic Arrays in der Weißbüschelaffe

Electrocorticography (ECoG) allows the monitoring of electrical field potentials from the cerebral cortex with high spatiotemporal resolution. Recent ...

Flow Cytometric Analysis of Multiple Mitochondrial Parameters in Human Induced Pluripotent Stem Cells and Their Neural and Glial Derivatives

Mitochondria are important in the pathophysiology of many neurodegenerative diseases. Changes in mitochondrial volume, mitochondrial membrane potential (MMP), mitochondrial production of reactive oxygen species (ROS), and mitochondrial DNA (mtDNA) copy number are often features of these processes. This report details a novel flow cytometry-based approach to measure multiple mitochondrial parameters in different cell types, including human induced pluripotent stem cells (iPSCs) and iPSC-derived neural and glial cells. This flow-based strategy uses live cells to measure mitochondrial volume, MMP, and ROS levels, as well as fixed cells to estimate components of the mitochondrial respiratory chain (MRC) and mtDNA-associated proteins such as mitochondrial transcription factor A (TFAM). 
By co-staining with fluorescent reporters, including MitoTracker Green (MTG), tetramethylrhodamine ethyl ester (TMRE), and MitoSox Red, changes in mitochondrial volume, MMP, and mitochondrial ROS can be quantified and related to mitochondrial content. Double staining with antibodies against MRC complex subunits and translocase of outer mitochondrial membrane 20 (TOMM20) permits the assessment of MRC subunit expression. As the amount of TFAM is proportional to mtDNA copy number, the measurement of TFAM per TOMM20 gives an indirect measurement of mtDNA per mitochondrial volume. The entire protocol can be carried out within 2-3 h. Importantly, these protocols allow the measurement of mitochondrial parameters, both at the total level and the specific level per mitochondrial volume, using flow cytometry.

This study reports a novel approach to measure multiple mitochondrial functional parameters based on flow cytometry and double staining with two fluorescent reporters or antibodies to detect changes in mitochondrial volume, mitochondrial membrane potential, reactive oxygen species level, mitochondrial respiratory chain composition, and mitochondrial DNA.

Durchflusszytometrische Analyse multipler mitochondrialer Parameter in humaninduzierten pluripotenten Stammzellen und deren neuronalen und glialen Derivaten

Mitochondria are important in the pathophysiology of many neurodegenerative diseases. Changes in mitochondrial volume, mitochondrial membrane potential ...

Investigation of Spatial Interaction Between Astrocytes and Neurons in Cleared Brains

Combining viral vector transduction and tissue clearing using the CLARITY method makes it possible to simultaneously investigate several types of brain cells and their interactions. Viral vector transduction enables the marking of diverse cell types in different fluorescence colors within the same tissue. Cells can be identified genetically by activity or projection. Using a modified CLARITY protocol, the potential sample size of astrocytes and neurons has grown by 2-3 orders of magnitude. The use of CLARITY allows the imaging of complete astrocytes, which are too large to fit in their entirety in slices, and the examination of the somata with all their processes. In addition, it provides the opportunity to investigate the spatial interaction between astrocytes and different neuronal cell types, namely, the number of pyramidal neurons in each astrocytic domain or the proximity between astrocytes and specific inhibitory neuron populations. This paper describes, in detail, how these methods are to be applied.

Combining viral vector transduction and brain clearing using the CLARITY method allows the investigation of a large number of neurons and astrocytes simultaneously.

Untersuchung der räumlichen Interaktion zwischen Astrozyten und Neuronen in geräumten Gehirnen

Combining viral vector transduction and tissue clearing using the CLARITY method makes it possible to simultaneously investigate several types of brain ...

Robust and Highly Reproducible Generation of Cortical Brain Organoids for Modelling Brain Neuronal Senescence In Vitro

Brain organoids are three-dimensional models of the developing human brain and provide a compelling, cutting-edge platform for disease modeling and large-scale genomic and drug screening. Due to the self-organizing nature of cells in brain organoids and the growing range of available protocols for their generation, issues with heterogeneity and variability between organoids have been identified. In this protocol paper, we describe a robust and replicable protocol that largely overcomes these issues and generates cortical organoids from neuroectodermal progenitors within 1 month, and that can be maintained for more than 1 year. This highly reproducible protocol can be easily carried out in a standard tissue culture room and results in organoids with a rich diversity of cell types typically found in the developing human cortex. Despite their early developmental make-up, neurons and other human brain cell types will start to exhibit the typical signs of senescence in neuronal cells after prolonged in vitro culture, making them a valuable and useful platform for studying aging-related neuronal processes. This protocol also outlines a method for detecting such senescent cells in cortical brain organoids using senescence-associated beta-galactosidase staining.

Robust and Highly Reproducible Generation of Cortical Brain Organoids for Modelling Brain Neuronal Senescence In Vitro

In this study, we provide a detailed technique for a simple yet robust cortical organoid culture system using standard feeder-free hPSC cultures. This is a rapid, efficient, and reproducible protocol for generating organoids that model aspects of brain senescence in vitro.

Robuste und hochreproduzierbare Erzeugung kortikaler Hirnorganoide zur Modellierung der neuronalen Seneszenz des Gehirns in vitro

Brain organoids are three-dimensional models of the developing human brain and provide a compelling, cutting-edge platform for disease modeling and ...