Unterstützung durch die University of Alabama in Birmingham Faculty Development Grant Program.

<html> 1. Psychophysiologie Die Biopac Systems, Inc. physiologischen Monitoring-System (siehe Tabelle der spezifischen Ausrüstung) ist Nicht-Standard-Ausrüstung in den meisten bildgebenden Einrichtungen. Schedule 15-30 Minuten vor der Ankunft Teilnehmer einzurichten physiologischen Überwachung und andere Geräte in diesem Protokoll beschrieben (Abb. 1). <ol><li> Schließen Sie eine Leitwarte Computer-Betriebssystem AcqKnowledge (Biopac Systems, Inc.) physiologischen Monitoring-Software, die Biopac MP150 (MP150WSW) mit einem Standard-Ethernet-Crossover-Kabel (CBLETH2). </li><li> Schließen Sie das Biopac Isolated Digital Interface (STP100C) an eine Leitwarte Computer-Betriebssysteme Presentation (Neuropsychologische Systems, Inc; Albany, CA)-Software mit einem DB25 M / F Flachbandkabel. </li><li> Schließen Sie das Biopac GSR-Verstärker (EDA-100C-MRI), um die HF-Interferenzfilter (MRIRFIF) innerhalb der Leitwarte über ein abgeschirmtes Verlängerungskabel (MECMRI-3). </li><li> Verbinden Sie den RF Interferenzfilter (MRIRFIF), um ein abgeschirmtes Verlängerungskabel (MECMRI-1) in der MRT-Untersuchung Kammer. </li><li> Schließen Sie das abgeschirmte Verlängerungskabel, um Kohlefaser-Drähte (LEAD 108), die Radio-transluzente Elektroden (EL508) zu befestigen. Hinweis: Twisting die Leitungen in einer engen Spirale reduziert Artefakte in der Hautleitfähigkeit Daten, die beim Scannen erstellt werden können. </li><li> Bringen Sie Radio transluzenten Elektroden (EL508) an der distalen Phalanx des Mittel-und Ringfinger der Teilnehmer mit der linken Hand. </li><li> Aufgrund der Beschaffenheit des Scanning-Ausrüstung, sind MRT Kammer Raumtemperaturen oft unter 21 ° C eingestellt Decken Sie die Teilnehmer mit einer Decke zur Hand Temperatur zu halten. </li></ol> 2. Verhaltensreaktionen (Joystick) <ol><li> Schließen Sie eine Leitwarte Computer-Betriebssysteme Presentation Software (Neuropsychologische Systems, Inc; Albany, CA) auf dem Joystick der forp Interface Unit (Current Designs, Inc; Philadelphia, PA) unter Verwendung eines USB-Mini-Kabel. </li><li> Verbinden Sie ein Glasfaser-Kabel an den forp Interface Unit in der Leitwarte, dann das Kabel durch einen Wellenleiter in den MRT-Raum. </li><li> Schließen Sie das LWL-Kabel mit dem MR-kompatiblen Joystick. </li><li> Direkte Teilnehmer an den Joystick in eine komfortable und leicht zu erreichen Position zu bringen. </li></ol> 3. Stimulus Präsentation <ol><li> Schließen Sie eine Leitwarte Computer-Betriebssysteme Presentation Software, um die externen VGA-und Audio-Ports des IFIS-SA (Invivo Corp, Orlando, FL) Leitwarte Konsole (Abbildung 1). </li><li> Die LWL-Kabelverbindungen zwischen dem IFIS Leitwarte Konsole und dem IFIS Peripheral Interface Unit innerhalb der MRI Kammer, sowie die Verbindungen zwischen den Peripheral Interface Unit und die Audio / Visual Display Unit. </li><li> Legen Sie die Audio / Visual Display Unit hinter dem Kopf-Spule, so dass die Teilnehmer können den Monitor durch einen Spiegel an der Kopf-Spule zu sehen. </li><li> Schließen Sie das Audio / Visual Display Unit akustische Interface-Box, die IFIS Systems MR-kompatible Stereo-Kopfhörer mit Vinyl-Schlauch. </li><li> Kalibrieren Sie die Lautstärke der akustischen Reize mit einem Schalldruckpegel Meter. </li></ol> 4. Versuchsdurchführung <ol><li> Informieren Sie die Teilnehmer, dass 2 Töne mehrmals während der Studie vorgestellt werden, und dass die Lautstärke der Töne nach oben und unten variieren ihre Wahrnehmungs-Schwelle (Abbildung 2). </li><li> Direkte Teilnehmer auf einen Knopf am Joystick-Box sofort push beim Hören entweder Ton, dann auf aktualisieren ihre Erwartung nach Erhalt der UCS, indem Sie den Joystick, um die Position eines rating bar auf einer Skala von 0 bis 100 (Abbildung 3) zu kontrollieren. </li><li> Weisen Sie die Teilnehmer, ihre UCS Lebenserwartung auf einer kontinuierlichen Skala von 0 bis 100 bewerten. Informieren Sie ihnen, dass Bewertungen von 0 zeigen sie sicher sind die UCS nicht vorgestellt werden, zeigen Bewertungen von 50 sind sie unsicher, ob die UCS präsentiert werden, und Bewertungen von 100 anzuzeigen, dass sie sicher, dass die UCS präsentiert werden. Direkte Teilnehmer, andere Werte auf der Skala zu verwenden, um Zwischen-Erwartungen geben. Dann können die Teilnehmer den Umgang mit dem Joystick, um Bewertungen zu machen. </li><li> Expose Teilnehmer zu einem Differential Angstkonditionierung Verfahren unter Verwendung von 2 Töne (700 &amp; 1300 Hz; 10s Dauer, 20s ITI) als bedingte Reize (CS) und ein lautes weißes Rauschen (100 dB, 500 ms) als die BKS. </li><li> Derzeit 60 Studien der CS + (coterminating mit dem UCS) und 60 Studien zu den CS-(dargestellt ohne den UCS) in einer Pseudo-Ordnung, so dass nicht mehr als 2-Studien des gleichen CS nacheinander vorgestellt werden. </li><li> Gegengewicht zu den Tönen, die wie die CS + und CS-in Teilnehmer dienen. </li><li> Modulation der Lautstärke des CS + und CS-unabhängig. Passen CS Volumen auf den nachfolgenden Studie mit dem gleichen CS. Abnahme CS Volumen 5dB, wenn eine Taste drücken wird (dh nach einem wahrgenommenen Studie). Erhöhen Sie die Lautstärke 5dB, wenn eine Taste drücken wird nicht vorgenommen (dh nach einer unbemerkten Studie). </li></ol><html> ve_title &quot;&gt; 5. Scanverfahren <ol><li> Sammeln Standard hochauflösende T1-gewichteten strukturellen Bildern (z. B. MPRAGE) als anatomische Referenz für funktionelle Daten dienen. </li><li> Sammeln Sie BOLD fMRI des gesamten Gehirns während der Konditionierung Verfahren. Sechsunddreißig, sollte 4mm dicke Scheiben ausreichend sein, um das Gehirn mit relativ Standard-Imaging-Parameter (zB TR = 2000ms, TE = 30ms, FOV = 24cm, 64x64 Matrix) zu decken. Synchronisieren Sie die fMRI Akquisition mit Stimulus-Präsentation mit einem fMRI-Trigger-Box. </li></ol> 6. SCR Data Acquisition &amp; Analysis <ol><li> Beispiel Hautleitfähigkeit bei 2.000 Hz mit AcqKnowledge Software und der MR-kompatiblen Biopac physiologischen Monitoring-System im Abschnitt 1 beschrieben. </li><li> Tragen Sie eine 1 Hz Infinite Impulse Response (IIR) Tiefpass digitale Filter, um die Hautleitfähigkeit Daten zu Artefakten bei der Bildgebung erzeugt reduzieren (siehe Abbildung 4). </li><li> Resampling der Hautleitfähigkeit Daten bei 250 Hz. </li><li> Berechnen Sie SCR als die Differenz in Hautleitfähigkeit von Reaktion Beginn bis zum Ansprechen Höhepunkt. </li><li> SCR-Daten können Quadratwurzel transformiert, um die Verteilung der Antwort Amplituden vor die statistische Analyse zu normalisieren. </li></ol> 7. UCS Expectancy Data Acquisition &amp; Analysis <ol><li> Beispiel (40 Hz) und notieren UCS Lebenserwartung Daten mit Präsentationssoftware. </li><li> Berechnen UCS Lebenserwartung als der Durchschnitt (1s Probe) Antwort während der letzten Sekunde der CS-Präsentation. </li></ol> 8. Functional MRI Data Acquisition &amp; Analysis <ol><li> Komplette Standard-Vorverarbeitung der Bildgebung des Gehirns (zB Scheibe Timing-Korrektur, Bild-Registrierung, räumliche Glättung) mit einem funktionellen Bildgebung Analyse-Software-Paket (z. B. AFNI 18). </li><li> Erstellen Sie Standard-Plage (zB Bewegung) und Stimulus-based Regressoren für wahrgenommene und nicht wahrgenommene Studien der CS + und CS-, sowie der UCS. </li><li> Erstellen Sie eine motorische Antwort-based Referenzsignal als ein Ärgernis Regressor zu berücksichtigen motorischen Aktivität im Zusammenhang mit Knopfdruck Antworten zu dienen. <ol class="lalpha"><li> Erstellen Sie ein Stick-Funktion, die Codes für den Zeitpunkt der Taste Reaktionen. </li><li> Convolve die Taste drücken Stick-Funktion mit dem kanonischen hämodynamischen Antwortfunktion (HRF). </li></ol></li><li> Create motorische Antwort-based Referenzsignal als ein Ärgernis Regressor zu berücksichtigen motorischen Aktivität im Zusammenhang mit Joystick Reaktionen dienen. <ol class="lalpha"><li> Erstellen Sie ein Stick-Funktion, die Codes für den Zeitpunkt der Änderungen in der Steigung (z. B. Hang absolute Wert&gt; 10) von UCS Lebenserwartung Bewertungen. </li><li> Convolve den Joystick Hang-Stick-Funktion mit der kanonischen HRF. </li></ol></li><li> Führen ersten Ebene Analysen mit allen Reiz-basierte und Belästigung Regressoren. </li><li> Führen Sie eine zweite Ebene ANOVA mit wiederholten Messungen auf Regionen, in denen die Aktivierung zeigt ein Haupteffekt der CS-Typ, ein Haupteffekt der Wahrnehmung, oder ein CS Typ X Wahrnehmung Interaktion zu identifizieren. </li></ol> 9. Repräsentative Ergebnisse: Die Methodik hier vorgestellten führt in der Regel relativ hohe Lebenserwartung UCS Bewertungen während wahrgenommen CS + Studien und geringe Einschaltquoten während wahrgenommen CS-Studien (Abbildung 5) 10,15,19. Solche Ergebnisse zeigen die Teilnehmer sind sich der CS-UCS Eventualitäten. Auf unbemerkt Studien UCS Lebenserwartung Bewertungen in der Regel unverändert bleiben von der Vor-CS Bewertungen. UCS Anwartschaften auf diesen unbemerkt CS + und CS-Tests in der Regel fallen fast 50 zeigt die Teilnehmer sich nicht sicher, ob der UCS wird 10,15,19 (Abbildung 5) vorgestellt werden. Diese Unfähigkeit, Differential UCS Lebenserwartung Bewertungen für das unbemerkt CS + und CS-Produktion zeigt, dass die Teilnehmer nicht in der Lage, ihre Kontingenz Bewusstsein für unbemerkt Klimaanlage Studien (Abbildung 6) zum Ausdruck bringen. Im Gegensatz dazu haben das Lernen im Zusammenhang mit Veränderungen in der SCR sowohl während wahrgenommen und unbemerkt Klimaanlage Studien 10,15,19 beobachtet worden. Im Einzelnen wurden SCRs größer, um die wahrgenommene CS + als auf die wahrgenommene CS-. Ebenso haben größere SCRs während unbemerkt CS nachgewiesen + als unbemerkt CS-Studien 10,15,19 (Abbildung 6). Zusammengenommen zeigen diese Verhaltens-und vegetativen Daten Angstkonditionierung mit Kontingenz bewusst auf die wahrgenommene Studien und Angstkonditionierung ohne Kontingenz Bewusstsein für unbemerkt Studien. Die funktionelle Bildgebung Forschung mit dieser Methode hat das Lernen im Zusammenhang mit hippocampalen Aktivierung auf wahrgenommene gezeigt, aber nicht unbemerkt Klimaanlage Studien 15 (Abbildung 7). Im Gegensatz dazu war Differential Amygdala-Aktivität auf beiden wahrgenommen und unbemerkt Klimaanlage Studien 15 bei. Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit der Ansicht, dass der Hippocampus Prozesse rund um die Kontingenz bewusst unterstützt, während die Amygdala unterstützt CR Ausdruck mit und ohne Bewusstsein. / 3083/3083fig1.jpg &quot;alt =&quot; Bild 1 &quot;/&gt; Abbildung 1. Diagramm der Grundausstattung für Stimulus-Präsentation und Verhaltensstörungen / psychophysiologische Reaktion Überwachung. Präsentations-Software wird verwendet, um Audio-visuelle Reize und überwachen UCS Lebenserwartung Bewertungen durch Bewegen eines Joysticks mit der rechten Hand vorzustellen. AcqKnowledge Software und Biopac Geräte werden verwendet, um die Hautleitfähigkeit von der linken Hand zu überwachen. Solid (Biopac), zeigen einzelne gestrichelte (IFIS Audio-Visual) und Doppel-gestrichelten Linien (LWL Joystick) Kabel für verschiedene Stimulus-Präsentation und Reaktion Überwachungssysteme. Schwarze Pfeile geben die Richtung des Informationsflusses. <img src="/files/ftp_upload/3083/3083fig2.jpg" alt="Abbildung 2"/> Abbildung 2. Bedingten Reize. Präsentieren Sie die CS + und CS-in eine Pseudo-Ordnung, so dass nicht mehr als 2-Studien des gleichen CS nacheinander vorgestellt werden. Variieren Sie die Lautstärke des CS + und CS-unabhängig. Wenn ein CS wahrgenommen wird (durch Drücken einer Taste), Abnahme CS Volumen 5dB auf den nachfolgenden Versuch des gleichen CS. Wenn ein CS ist unbemerkt (angezeigt durch keine Taste drücken), erhöhen CS Volumen 5db auf den nachfolgenden Studie mit dem gleichen CS. <img src="/files/ftp_upload/3083/3083fig3.jpg" alt="Abbildung 3"/> Abbildung 3. UCS Lebenserwartung Rating-Skala. Weisen Sie die Teilnehmer, ihre Erwartung von UCS-Präsentation auf einer Skala von 0 bis 100 bewerten. Bewertungen von 0 angeben Sicherheit die UCS nicht vorgestellt werden, zeigen Bewertungen von 100 Sicherheit der UCS präsentiert werden, und Ratings von 50 spiegeln die Unsicherheit, ob die UCS präsentiert werden. Intermediate Bewertungen sollten verwendet werden, um Abstufungen in UCS Lebenserwartung anzugeben. <img src="/files/ftp_upload/3083/3083fig4.jpg" alt="Abbildung 4"/> Abbildung 4. Vergleich von Roh-und gefiltert Hautleitfähigkeit Daten. a) Raw Hautleitfähigkeit Daten während der fMRI gesammelt. b) Die Hautleitfähigkeit Daten nach Anwendung einer 1Hz IIR-Tiefpassfilter. <img src="/files/ftp_upload/3083/3083fig5.jpg" alt="Abbildung 5"/> Abbildung 5. UCS Lebenserwartung Bewertungen. -Teilnehmer in der Regel melden hohe UCS Anwartschaften auf die wahrgenommene CS + Studien und niedrige Erwartungen auf die wahrgenommene CS-Studien. UCS Anwartschaften auf unbemerkt CS + und CS-Tests unterscheiden sich nicht. <img src="/files/ftp_upload/3083/3083fig6.jpg" alt="Abbildung 6"/> Abbildung 6. UCS Lebenserwartung und SCR. Unterschiede in UCS Lebenserwartung werden in der Regel auf die wahrgenommene CS + und CS-Studien beobachtet, was die Teilnehmer sind sich der Reiz Eventualitäten. Auf unbemerkt Studien UCS Lebenserwartung Bewertungen in der Regel nicht unterscheiden Angabe Teilnehmer sind nicht in der Lage, ihre Kontingenz Bewusstsein auszudrücken. Im Gegensatz dazu sind die Unterschiede in konditioniert SCRs in der Regel auf beiden wahrgenommen und unbemerkt Klimaanlage Studien beobachtet. Solche Erkenntnisse reflektieren gelernt Angst Ausdruck (dh auf die wahrgenommene Studien) und ohne (dh unbemerkt Studien) Kontingenz Bewusstsein. <img src="/files/ftp_upload/3083/3083fig7.jpg" alt="Abbildung 7"/> Abbildung 7. Functional MRI des Hippocampus und Amygdala. Hippocampus Antworten sind in der Regel größer, um den CS + als CS-on wahrgenommen, aber nicht unbemerkt Klimaanlage Studien. Differential Amygdala Antworten sind in der Regel auf beiden wahrgenommen und unbemerkt Klimaanlage Studien beobachtet. Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit der Ansicht, dass der Hippocampus Prozesse rund um die Kontingenz bewusst unterstützt, während die Amygdala unterstützt Angst Ausdruck mit und ohne Bewusstsein.

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Keine Interessenskonflikte erklärt.

Die Angstkonditionierung beschriebene Methodik hier bietet ein Mittel, um die neuronalen Mechanismen der bewusst und unbewusst Angst Speicher Prozesse zu untersuchen. Diese Methode nutzt die gleichzeitige Überwachung von Verhaltens-, vegetative und fMRI-Daten. Überwachung Verhaltensstörungen (dh UCS Lebenserwartung) und vegetative Reaktionen (zB SCR) ist eine kritische Komponente dieser Methode. UCS Lebenserwartung bietet die Möglichkeit, Kontingenz Bewusstsein beurteilen, während SCR bietet einen Index der CR Ausd...

<table border="1"><tbody><tr><td> Ausstattung </td><td> Firma </td><td> Artikelnummer </td></tr><tr><td> Integrierte Funktionelle Imaging System (IFIS-SA) </td><td> Invivo Corp, Orlando, FL </td><td></td></tr><tr><td> Master Control Unit (befindet sich in der Leitwarte) Peripheral Interface Unit (befindet sich in der MRT-Kammer) Audio / Visual Display Unit (befindet sich in der MRT-Kammer), beinhaltet: <ul><li> 6,4 &quot;(Diagonale) LCD Bildschirm <ul><li> 640 x 480 Auflösung und 15 ° Sichtfeld </li></ul></li><li> akustischen Interface-Box <ul><li> liefert pneumatische Ton in Stereo </li></ul></li><li> MR-kompatible Stereo-Kopfhörer </li></ul></td><td></td><td></td></tr><tr><td> Physiologische Überwachung SYSTEM </td><td> Biopac Systems, Inc., Goleta, CA </td><td></td></tr><tr><td> Datenerfassung und-Analyse-System für Windows (MP150) Isolierte Digital Interface (Digital Interface) Galvanic Skin Response (GSR) Amplifier MRI Cable / Filter-System, um Transducer Amplifier Set beinhaltet: <ul><li> MRI-Verlängerungskabel (Kammer-Filter) </li><li> RF Interferenzfilter </li><li> MRI-Verlängerungskabel (GSR Verstärker-Filter) </li></ul> Zusätzliche Komponenten: DB25 M / F Flachbandkabel Einweg röntgenstrahldurchlässig Elektroden Carbon führt </td><td></td><td valign="top"> MP150WSW STP100C EDA100C-MRI MECMRI-TRANS - MECMRI-1 - MRIRFIF - MECMRI-3 CBL110C EL508 LEAD108 </td></tr><tr><td> JOYSTICK </td><td> Aktuelle Designs, Inc., Philadelphia, PA </td><td></td></tr><tr><td> Legacy-Joystick </td><td></td><td> HH-JOY-4 </td></tr><tr><td> Legacy-forp Schnittstelle </td><td></td><td> FIU-005 </td></tr></tbody></table>

investigating the neural mechanisms of aware and unaware fear memory with fmri

Pawlowsche Angstkonditionierung wird oft in Kombination mit der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRI) bei Menschen verwendet werden, um die neuronalen Substrate des assoziativen Lernens 1-5 zu untersuchen. In diesen Studien ist es wichtig, Verhaltensstörungen Beweis Klimaanlage sorgen, dass Unterschiede in der Hirnaktivität lernen Zusammenhang und korrelierte mit menschlichem Verhalten zu überprüfen. Angstkonditionierung Studien oft zu überwachen autonomen Reaktionen (zB Hautleitfähigkeit, SCR) als Index für Lernen und Gedächtnis 6-8. Darüber hinaus können andere Verhaltensmaßnahmen liefern wertvolle Informationen über den Lernprozess und / oder andere kognitive Funktionen, die Konditionierung beeinflussen. Zum Beispiel haben die Auswirkungen unbedingten Reiz (UCS) Anwartschaften auf die Expression der konditionierte Reaktion (CR) und unbedingten Reaktion (UCR) ein interessantes Thema wurde in mehreren neueren Studien 9-14. SCR und UCS Lebenserwartung Maßnahmen haben vor kurzem in Verbindung mit fMRI verwendet worden, um die neuronalen Substrate bewusst und unbewusst Angst Lern-und Gedächtnisprozesse 15 zu untersuchen. Obwohl diese kognitiven Prozesse können zu einem gewissen Grad nach der Konditionierung Sitzung ausgewertet werden, können post-Konditionierung Einschätzungen nicht messen Erwartungen auf eine trial-to-probeweise und sind anfällig für Störungen und Vergessen, sowie andere Faktoren, die Ergebnisse verzerren können 16,17 . Die Überwachung des autonomen und Verhaltensreaktionen gleichzeitig mit fMRI bietet einen Mechanismus, mit dem die neuronalen Substrate, die komplexen Zusammenhänge zwischen kognitiven Prozessen und Verhalten / autonome Reaktionen vermitteln beurteilt werden kann. Doch die Überwachung des autonomen und Verhaltensreaktionen in der MRT-Umgebung stellt eine Reihe von praktischen Problemen. Insbesondere 1) Standard-Verhaltens-und physiologische Überwachungseinrichtungen von eisenhaltigen Materialien, die nicht sicher in der Nähe des MRT-Scanner, 2 verwendet werden soll gebaut), wenn das Gerät außerhalb des MRT-Kammer platziert wird, kann das Kabel Projektion auf das Thema führen RF Lärm, produziert Artefakte im Gehirn Bilder, 3) Artefakte können in der Hautleitfähigkeit Signal Switching Gradienten während des Scannens, 4 hergestellt werden) die fMRI-Signal vom Motor verlangt von Verhaltensreaktionen produziert müssen möglicherweise von der Aktivität unterschieden werden in Bezug auf die kognitiven Prozesse von Interesse . Jede dieser Fragen kann mit Änderungen an der Konfiguration der physiologischen Überwachung und zusätzliche Verfahren der Datenanalyse zu lösen. Hier präsentieren wir eine Methode, um gleichzeitig zu überwachen autonomen und Verhaltensreaktionen während fMRI, und demonstrieren die Anwendung dieser Methoden, um bewusst und unbewusst Speicher Prozesse während Angstkonditionierung untersuchen.

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Investigating the Neural Mechanisms of Aware and Unaware Fear Memory with fMRI

Eine Methodik, die neuronalen Mechanismen, die bewusst und unbewusst Gedächtnisprozesse Unterstützung während Angstkonditionierung untersuchen beschrieben. Diese Methode überwacht Blood Oxygen Level Dependent (BOLD) funktioneller Kernspintomographie, Hautleitfähigkeit und unbedingten Reiz Lebenserwartung bei Pawlowschen Angstkonditionierung um die neuronalen Korrelate von unterschiedlichen Speicher-Prozesse zu beurteilen.

Die Erforschung der neuronalen Mechanismen der Aware und Unkenntnis Angst Speicher mit fMRI

Pavlovian fear conditioning is often used in combination with functional magnetic resonance imaging (fMRI) in humans to investigate the neural substrates ...

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Research

JoVE Journal

Neuroscience

12.8K Aufrufe.  University of Alabama at Birmingham. Eine Methodik, die neuronalen Mechanismen, die bewusst und unbewusst Gedächtnisprozesse Unterstützung während Angstkonditionierung untersuchen beschrieben. Diese Methode überwacht Blood Oxygen Level Dependent (BOLD) funktioneller Kernspintomographie, Hautleitfähigkeit und unbedingten Reiz Lebenserwartung bei Pawlowschen Angstkonditionierung um die neuronalen Korrelate von unterschiedlichen Speicher-Prozesse zu beurteilen.

Serie: Investigating the Neural Mechanisms of Aware and Unaware Fear Memory with fMRI

Simultaneous fMRI and Electrophysiology in the Rodent Brain

To examine the neural basis of the blood oxygenation level dependent (BOLD) magnetic resonance imaging (MRI) signal, we have developed a rodent model in which functional MRI data and in vivo intracortical recording can be performed simultaneously. The combination of MRI and electrical recording is technically challenging because the electrodes used for recording distort the MRI images and the MRI acquisition induces noise in the electrical recording. To minimize the mutual interference of the two modalities, glass microelectrodes were used rather than metal and a noise removal algorithm was implemented for the electrophysiology data. In our studies, two microelectrodes were separately implanted in bilateral primary somatosensory cortices (SI) of the rat and fixed in place. One coronal slice covering the electrode tips was selected for functional MRI. Electrode shafts and fixation positions were not included in the image slice to avoid imaging artifacts. The removed scalp was replaced with toothpaste to reduce susceptibility mismatch and prevent Gibbs ringing artifacts in the images. The artifact structure induced in the electrical recordings by the rapidly-switching magnetic fields during image acquisition was characterized by averaging all cycles of scans for each run. The noise structure during imaging was then subtracted from original recordings. The denoised time courses were then used for further analysis in combination with the fMRI data. As an example, the simultaneous acquisition was used to determine the relationship between spontaneous fMRI BOLD signals and band-limited intracortical electrical activity. Simultaneous fMRI and electrophysiological recording in the rodent will provide a platform for many exciting applications in neuroscience in addition to elucidating the relationship between the fMRI BOLD signal and neuronal activity.

We have developed a method for simultaneous functional magnetic resonance imaging and electrophysiological recording in the rodent brain, providing a platform for the investigation of the relationship between neural activity and the blood oxygenation level dependent (BOLD) MRI 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 ...

Forschung

Neurowissenschaften

Extinction Training During the Reconsolidation Window Prevents Recovery of Fear

Fear is maladaptive when it persists long after circumstances have become safe. It is therefore crucial to develop an approach that persistently prevents the return of fear. Pavlovian fear-conditioning paradigms are commonly employed to create a controlled, novel fear association in the laboratory. After pairing an innocuous stimulus (conditioned stimulus, CS) with an aversive outcome (unconditioned stimulus, US) we can elicit a fear response (conditioned response, or CR) by presenting just the stimulus alone1,2 . Once fear is acquired, it can be diminished using extinction training, whereby the conditioned stimulus is repeatedly presented without the aversive outcome until fear is no longer expressed3. This inhibitory learning creates a new, safe representation for the CS, which competes for expression with the original fear memory4. Although extinction is effective at inhibiting fear, it is not permanent. Fear can spontaneously recover with the passage of time. Exposure to stress or returning to the context of initial learning can also cause fear to resurface3,4.
Our protocol addresses the transient nature of extinction by targeting the reconsolidation window to modify emotional memory in a more permanent manner. Ample evidence suggests that reactivating a consolidated memory returns it to a labile state, during which the memory is again susceptible to interference5-9. This window of opportunity appears to open shortly after reactivation and close approximately 6hrs later5,11,16, although this may vary depending on the strength and age of the memory15. By allowing new information to incorporate into the original memory trace, this memory may be updated as it reconsolidates10,11. Studies involving non-human animals have successfully blocked the expression of fear memory by introducing pharmacological manipulations within the reconsolidation window, however, most agents used are either toxic to humans or show equivocal effects when used in human studies12-14. Our protocol addresses these challenges by offering an effective, yet non-invasive, behavioral manipulation that is safe for humans.
By prompting fear memory retrieval prior to extinction, we essentially trigger the reconsolidation process, allowing new safety information (i.e., extinction) to be incorporated while the fear memory is still susceptible to interference. A recent study employing this behavioral manipulation in rats has successfully blocked fear memory using these temporal parameters11. Additional studies in humans have demonstrated that introducing new information after the retrieval of previously consolidated motor16, episodic17, or declarative18 memories leads to interference with the original memory trace14. We outline below a novel protocol used to block fear recovery in humans.

Conditioned fear can be diminished through an inhibitory process called extinction, but can resurface under conditions such as the passage of time or exposure to stress. Our protocol presents a novel way of preventing fear recovery by introducing extinction during the reconsolidation window (the re-storage phase of a reactivated memory).

Extinction Training Während der Rückverfestigung Fenster Verhindert Recovery-of Fear

Fear is maladaptive when it persists long after circumstances have become safe. It is therefore crucial to develop an approach that persistently prevents ...

Optical Recording of Suprathreshold Neural Activity with Single-cell and Single-spike Resolution

Signaling of information in the vertebrate central nervous system is often carried by populations of neurons rather than individual neurons. Also propagation of suprathreshold spiking activity involves populations of neurons. Empirical studies addressing cortical function directly thus require recordings from populations of neurons with high resolution. Here we describe an optical method and a deconvolution algorithm to record neural activity from up to 100 neurons with single-cell and single-spike resolution. This method relies on detection of the transient increases in intracellular somatic calcium concentration associated with suprathreshold electrical spikes (action potentials) in cortical neurons. High temporal resolution of the optical recordings is achieved by a fast random-access scanning technique using acousto-optical deflectors (AODs)1. Two-photon excitation of the calcium-sensitive dye results in high spatial resolution in opaque brain tissue2. Reconstruction of spikes from the fluorescence calcium recordings is achieved by a maximum-likelihood method. Simultaneous electrophysiological and optical recordings indicate that our method reliably detects spikes (&gt;97% spike detection efficiency), has a low rate of false positive spike detection (&lt; 0.003 spikes/sec), and a high temporal precision (about 3 msec) 3. This optical method of spike detection can be used to record neural activity in vitro and in anesthetized animals in vivo3,4.

Understanding the function of the vertebrate central nervous system requires recordings from many neurons because cortical function arises on the level of populations of neurons. Here we describe an optical method to record suprathreshold neural activity with single-cell and single-spike resolution, dithered random-access scanning. This method records somatic fluorescence calcium signals from up to 100 neurons with high temporal resolution. A maximum-likelihood algorithm deconvolves the underlying suprathreshold neural activity from the somatic fluorescence calcium signals. This method reliably detects spikes with high detection efficiency and a low rate of false positives and can be used to study neural populations in vitro and in vivo.

Optische Aufnahme überschwellige neuronale Aktivität mit Single-Cell-und Single-Spike Auflösung

Signaling of information in the vertebrate central nervous system is often carried by populations of neurons rather than individual neurons. Also ...

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 ...

Whole Cell Patch Clamp for Investigating the Mechanisms of Infrared Neural Stimulation

It has been demonstrated in recent years that pulsed, infrared laser light can be used to elicit electrical responses in neural tissue, independent of any further modification of the target tissue. Infrared neural stimulation has been reported in a variety of peripheral and sensory neural tissue in vivo, with particular interest shown in stimulation of neurons in the auditory nerve. However, while INS has been shown to work in these settings, the mechanism (or mechanisms) by which infrared light causes neural excitation is currently not well understood. The protocol presented here describes a whole cell patch clamp method designed to facilitate the investigation of infrared neural stimulation in cultured primary auditory neurons. By thoroughly characterizing the response of these cells to infrared laser illumination in vitro under controlled conditions, it may be possible to gain an improved understanding of the fundamental physical and biochemical processes underlying infrared neural stimulation.

Infrared nerve stimulation has been proposed as an alternative to electrical stimulation in a range of nerve types, including those associated with the auditory system. This protocol describes a patch clamp method for studying the mechanism of infrared nerve stimulation in a culture of primary auditory neurons.

Whole Cell Patch-Clamp für erforschen die Mechanismen der Infrarot Neural Stimulation

It has been  demonstrated in recent years that pulsed, infrared laser light can be used to  elicit electrical responses in neural tissue, independent of ...

Optogenetic Perturbation of Neural Activity with Laser Illumination in Semi-intact Drosophila Larvae in Motion

Drosophila larval locomotion is a splendid model system in developmental and physiological neuroscience, by virtue of the genetic accessibility of the underlying neuronal components in the circuits1-6. Application of optogenetics7,8 in the larval neural circuit allows us to manipulate neuronal activity in spatially and temporally patterned ways9-13. Typically, specimens are broadly illuminated with a mercury lamp or LED, so specificity of the target neurons is controlled by binary gene expression systems such as the Gal4-UAS system14,15. In this work, to improve the spatial resolution to "sub-genetic resolution", we locally illuminated a subset of neurons in the ventral nerve cord using lasers implemented in a conventional confocal microscope. While monitoring the motion of the body wall of the semi-intact larvae, we interactively activated or inhibited neural activity with channelrhodopsin16,17 or halorhodopsin18-20, respectively. By spatially and temporally restricted illumination of the neural tissue, we can manipulate the activity of specific neurons in the circuit at a specific phase of behavior. This method is useful for studying the relationship between the activities of a local neural assembly in the ventral nerve cord and the spatiotemporal pattern of motor output.

Optogenetic Perturbation of Neural Activity with Laser Illumination in Semi-intact Drosophila Larvae in Motion

Here we describe a protocol for optogenetic manipulation of motoneuronal activity while monitoring changes in motor output (muscle contraction) in semi-intact Drosophila larvae using lasers within a conventional confocal microscope. This technique enables researchers to achieve local perturbation of neural activity in a few neuromeres to elucidate the dynamics of motor circuits.

Optogenetische Störung der neuronalen Aktivität mit Laser Illumination in Semi-intakt<em&gt; Drosophila</em&gt; Larven in Motion

Drosophila larval locomotion is a splendid model system in developmental and physiological neuroscience, by virtue of the genetic accessibility of 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 ...

A Protocol for the Administration of Real-Time fMRI Neurofeedback Training

Neurologic disorders are characterized by abnormal cellular-, molecular-, and circuit-level functions in the brain. New methods to induce and control neuroplastic processes and correct abnormal function, or even shift functions from damaged tissue to physiologically healthy brain regions, hold the potential to dramatically improve overall health. Of the current neuroplastic interventions in development, neurofeedback training (NFT) from functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) has the advantages of being completely non-invasive, non-pharmacologic, and spatially localized to target brain regions, as well as having no known side effects. Furthermore, NFT techniques, initially developed using fMRI, can often be translated to exercises that can be performed outside of the scanner without the aid of medical professionals or sophisticated medical equipment. In fMRI NFT, the fMRI signal is measured from specific regions of the brain, processed, and presented to the participant in real-time. Through training, self-directed mental processing techniques, that regulate this signal and its underlying neurophysiologic correlates, are developed. FMRI NFT has been used to train volitional control over a wide range of brain regions with implications for several different cognitive, behavioral, and motor systems. Additionally, fMRI NFT has shown promise in a broad range of applications such as the treatment of neurologic disorders and the augmentation of baseline human performance. In this article, we present an fMRI NFT protocol developed at our institution for modulation of both healthy and abnormal brain function, as well as examples of using the method to target both cognitive and auditory regions of the brain.

The ability to induce and/or control neural plasticity may be critical in future treatments for neurologic disorders and the recovery from brain injury. In this paper, we present a protocol on the use of neurofeedback training with functional magnetic resonance imaging to modulate human brain function.

Ein Protokoll für die Verwaltung von Real-Time-fMRT Neurofeedback Training

Neurologic disorders are characterized by abnormal cellular-, molecular-, and circuit-level functions in the brain. New methods to induce and control ...

Time-dependent Increase in the Network Response to the Stimulation of Neuronal Cell Cultures on Micro-electrode Arrays

Micro-electrode arrays (MEAs) can be used to investigate drug toxicity, design paradigms for next-generation personalized medicine, and study network dynamics in neuronal cultures. In contrast with more traditional methods, such as patch-clamping, which can only record activity from a single cell, MEAs can record simultaneously from multiple sites in a network, without requiring the arduous task of placing each electrode individually. Moreover, numerous control and stimulation configurations can be easily applied within the same experimental setup, allowing for a broad range of dynamics to be explored. One of the key dynamics of interest in these in vitro studies has been the extent to which cultured networks display properties indicative of learning. Mouse neuronal cells cultured on MEAs display an increase in response following training induced by electrical stimulation. This protocol demonstrates how to culture neuronal cells on MEAs; successfully record from over 95% of the plated dishes; establish a protocol to train the networks to respond to patterns of stimulation; and sort, plot, and interpret the results from such experiments. The use of a proprietary system for stimulating and recording neuronal cultures is demonstrated. Software packages are also used to sort neuronal units. A custom-designed graphical user interface is used to visualize post-stimulus time histograms, inter-burst intervals, and burst duration, as well as to compare the cellular response to stimulation before and after a training protocol. Finally, representative results and future directions of this research effort are discussed.

Mouse neuronal cells cultured on multi-electrode arrays display an increase in response following electrical stimulation. This protocol demonstrates how to culture neurons, how to record activity, and how to establish a protocol to train the networks to respond to patterns of stimulation.

Zeitabhängige Erhöhung der Netzwerkreaktion auf die Stimulation von neuronalen Zellkulturen auf Mikroelektroden-Arrays

Micro-electrode arrays (MEAs) can be used to investigate drug toxicity, design paradigms for next-generation personalized medicine, and study network ...

Simultaneous Recordings of Cortical Local Field Potentials, Electrocardiogram, Electromyogram, and Breathing Rhythm from a Freely Moving Rat

Monitoring the physiological dynamics of the brain and peripheral tissues is necessary for addressing a number of questions about how the brain controls body functions and internal organ rhythms when animals are exposed to emotional challenges and changes in their living environments. In general experiments, signals from different organs, such as the brain and the heart, are recorded by independent recording systems that require multiple recording devices and different procedures for processing the data files. This study describes a new method that can simultaneously monitor electrical biosignals, including tens of local field potentials in multiple brain regions, electrocardiograms that represent the cardiac rhythm, electromyograms that represent awake/sleep-related muscle contraction, and breathing signals, in a freely moving rat. The recording configuration of this method is based on a conventional micro-drive array for cortical local field potential recordings in which tens of electrodes are accommodated, and the signals obtained from these electrodes are integrated into a single electrical board mounted on the animal's head. Here, this recording system was improved so that signals from the peripheral organs are also transferred to an electrical interface board. In a single surgery, electrodes are first separately implanted into the appropriate body parts and the target brain areas. The open ends of all of these electrodes are then soldered to individual channels of the electrical board above the animal's head so that all of the signals can be integrated into the single electrical board. Connecting this board to a recording device allows for the collection of all of the signals into a single device, which reduces experimental costs and simplifies data processing, because all data can be handled in the same data file. This technique will aid the understanding of the neurophysiological correlates of the associations between central and peripheral organs.

This study introduces a method for the simultaneous recording of local field potentials in the brain, electrocardiograms, electromyograms, and breathing signals of a freely moving rat. This technique, which reduces experimental costs and simplifies data analysis, will contribute to the understanding of the interactions between the brain and peripheral organs.

Gleichzeitige Aufnahmen der kortikalen lokales Feld Potentiale, Elektrokardiogramm, Elektromyogramm und Atemrhythmus aus einem frei beweglichen Ratte

Monitoring the physiological dynamics of the brain and peripheral tissues is necessary for addressing a number of questions about how the brain controls ...