El trabajo fue apoyado por el NIH un R21NS057718-01.

1. Esta es una cirugía no la supervivencia. El primer paso es la implantación de los electrodos. En este ejemplo, los electrodos se implantan en las regiones de pata de la corteza somatosensorial primaria de ambos hemisferios. <ol><li> Anestesiar la rata (rata macho SD, 200-300 g) con isoflurano al 2% y fijar en su lugar en un sistema de cirugía estereotáctica. Antes de comenzar la cirugía, asegúrese de que el animal está bien anestesiado y no muestra respuesta a una pizca dedo del pie. Quite la piel antes de abrir el cuero cabelludo. Separar los músculos y otros tejidos por encima del cráneo y de bloquear cualquier sangrado en la superficie del hueso mediante un cauterizador. </li><li> Prepare un muelle en la superficie del cráneo (cerca de la línea media anterior en forma de V de unión) como un punto de fijación para el eje del electrodo implantado, con un cemento dental. Establecimiento de un conjunto de nylon pequeño tornillo en el hueso antes de aplicar el cemento dental podría aumentar la estabilidad. El tamaño del muelle en forma de cemento debe ser de aproximadamente 5 mm de altura y 3 x 5 mm 2 en el área de la base (ver Figura 1). </li><li> El uso de un taladro eléctrico con punta fina, abra cuidadosamente el cráneo y exponer la dura sobre la representación pata en la corteza somatosensorial primaria de cada hemisferio. El diámetro de cada agujero debe ser aproximadamente 1 mm, situado a 1 mm por delante y 4 mm lateral de bregma. Bajo el microscopio, corte una pequeña abertura en la duramadre con una punta de aguja de la jeringa, teniendo cuidado de evitar cualquier daño a los vasos. </li><li> Antes de la inserción de los electrodos, asegúrese de que no hay hemorragia o exudación está presente cerca de las incisiones. Los microelectrodos de vidrio deben estar preparados antes de la cirugía, con aproximadamente 3 a 4 cm de longitud del eje-y la impedancia de 1 ~ 5 mW. Llenar el capilar del electrodo con LCR artificial (ACSF) e introduzca cada electrodo oblicuo (~ 45 °, de posterior a anterior) en el cerebro ~ 0,4 mm de la dura abierto con el brazo estereotáctica. Antes de fijar en su lugar, comprobar la señal eléctrica. Un extremo de un alambre de plata chloridized deben ser sumergidos en la ACSF y el otro extremo conectado a la entrada lleva al amplificador. Un hilo de plata, que se adjunta por vía subcutánea en la parte posterior de la piel abierta, sirve como electrodo de referencia. </li><li> Antes de la fijación de electrodos, revise el área quirúrgica y asegurarse de que no haya sangrado o exudación se produce, a continuación, aplicar la crema dental para reemplazar la piel y el músculo eliminado en el cráneo. El uso de la pasta de dientes mejora la calidad de imagen de resonancia magnética mediante la reducción de la desigualdad susceptibilidad a la interfaz del cráneo / aire. Fijar el eje del electrodo hasta el muelle preparado con cemento dental (ver Figura 1). </li><li> Después de la cura de cemento dental, la transferencia del animal a la base de la RM y fijar en su lugar. Monitorear la condición fisiológica de la rata s para el resto del estudio, incluyendo la temperatura corporal, frecuencia respiratoria, SpO 2 y frecuencia cardíaca. </li><li> Posición de una bobina de superficie (transmisión / recepción) en la cabeza, con los electrodos que sobresale del centro de la bobina. Adicionales en forma de arco de tapa dura que se asienta sobre la base sirve de soporte para la fijación de los cables-electrodos con el fin de evitar el movimiento causado por la respiración del animal. Los cables utilizados para obtener imágenes y grabación simultánea se extienden a ~ 5 m (el amplificador se encuentra fuera de la habitación del imán) y se cubren con plástico conductor que sirve como un escudo pasiva. </li><li> La anestesia puede ser cambiado de isoflurano de medetomidina para reducir la supresión de la actividad neuronal, si lo desea. Examine la señal eléctrica por última vez antes de ser transferido al animal en el imán. En nuestros estudios, los parámetros de grabación fueron los siguientes: 1000 x amplificado, 0.1Hz ~ 5 K Hz pasa-banda-filtrada, 60 Hz con filtro de muesca, la frecuencia de muestreo 12 kHz para la conversión de analógico a digital. </li></ol> 2. En este punto, el animal se introduce en el escáner de resonancia magnética para obtener imágenes y grabación simultánea. Los animales son anestesiados durante todo el procedimiento de imágenes. <ol><li> A 9.4 T de animales pequeños resonancia magnética del sistema (Bruker, Alemania) fue utilizado en nuestros estudios. Antes de la grabación, los parámetros de imagen debe ser establecido. Una imagen de avión tres explorador se utiliza para colocar los escaneos fMRI. Para mejorar la homogeneidad del campo magnético, el volumen de interés es calzar con FASTMAP 1. Para los estudios de resonancia magnética funcional, una rebanada de imagen coronal fue seleccionado, que incluyó bilaterales pata áreas somatosensoriales primaria, en la que los electrodos se implantaron. Los parámetros de imagen del PAI se FOV, 1,92 x 1,92 cm 2, tamaño de la matriz, 64 x 64, en el plano de resolución, 0,3 x 0,3 mm 2, grosor de corte, 2 mm; TR / TE, 500/15 ms. </li><li> Después de la configuración de imagen es la grabación completa, simultánea y fMRI puede comenzar. La figura 2 muestra una imagen representativa del PAI y las grabaciones en bruto durante la exploración. El rápido cambio de los gradientes en los resultados de la adquisición de imágenes en las grabaciones saturadas, que persisten durante sólo una pequeña parte de cada ciclo (22 / 500 ms). Después de la adquisición de la imagen, la señal eléctrica RETURns de línea de base con una forma de no-saturadas oscilación (ver Figura 3). FMRI combinado y la grabación se llevó a cabo durante el estado de reposo (como se demuestra en este estudio) o durante la estimulación. Para los estudios de estímulo, los parámetros de imagen son las mismas que para el estudio de estado de reposo, con la estimulación eléctrica de la pata delantera suministrado con 9 Hz, 1 a 4 mA de corriente. La rata es la eutanasia después de la exploración final. </li></ol> 3. Después de la filmación y grabación simultánea, los datos deben ser pre-procesados ​​antes del análisis final. <ol><li> Comenzamos con la eliminación de los artefactos pendiente de las grabaciones electrofisiológicas (ver Figura 3). <ol><li> La estructura del ruido en las imágenes escaneadas se pueden extraer el promedio de todas ~ 500 ms (TR) secciones, cada una de las cuales corresponde al intervalo entre dos imágenes consecutivas fMRI. </li><li> Reste la estructura promedio de ruido de las grabaciones originales. Este método sólo corrige los segmentos de la grabación no saturadas. </li><li> Cada segmento saturado correspondiente a la alternancia de gradiente durante la adquisición de la imagen se sustituye por una línea que pasa entre el instante anterior y el punto de tiempo después de gradiente inducido por la saturación. </li></ol></li><li> Las grabaciones denoised de los potenciales de campo local (LFPs) se convierten entonces en los cursos de tiempo el poder, el cual tendrá la misma resolución temporal como el transcurso del tiempo fMRI. La potencia media dentro de un recipiente de 2 segundos se utiliza para el cálculo de las frecuencias más bajas (banda delta, del 1 al 4 Hz), con un cubo de 1 segundo para la banda theta (4 a 8 Hz) frecuencias, y una bandeja de ~ 0,5 s entre vecinos señales de saturación de las frecuencias más altas (&gt; 8 Hz, a las bandas alfa gamma). La ventana deslizante para todas las bandas de frecuencia se trasladó en incrementos de 0,5 s, coincidiendo con el TR de los datos de la fMRI. </li><li> Para los datos de la imagen, preprocesamiento fMRI estándar se lleva a cabo, incluida la corrección de la cabeza de movimiento, se suaviza la imagen con FWHM de 0,5 mm, y la eliminación de la deriva lineal. </li><li> Análisis de correlación cruzada se lleva a cabo entre los cursos de tiempo LFP poder y la evolución en el tiempo de cada voxel de datos de imágenes. Diferentes lapsos de tiempo permitir el examen de la correlación en función del tiempo (ver Figura 4). </li></ol> Los resultados representativos: A modo de ejemplo, esta técnica puede ser utilizada para investigar la relación entre la actividad neuronal espontánea y las fluctuaciones de BOLD. Figura 4 muestra los mapas de correlación entre el poder LFP y la señal BOLD en lapsos de tiempo entre -2,5 y 9,5 s de una rata. Las fluctuaciones de baja frecuencia BOLD (&lt;0,1 Hz) de las áreas corticales, cerca de la punta del electrodo se correlacionan con los cambios de energía LFP (&lt;0,1 Hz) con un retraso de 2 ~ 6 s. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig1.jpg" alt="Figura 1" /> Figura 1. Esquema de configuración de la implantación de electrodos y de la región de imagen con una bobina de superficie. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig2.jpg" alt="Figura 2" /> Figura 2. Un representante de la corona la imagen del PAI, incluyendo las puntas de los electrodos, se muestra en el panel izquierdo. El panel derecho muestra los registros electrofisiológicos en bruto antes y durante la exploración. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig3.jpg" alt="Figura 3" /> Figura 3. Al hacer zoom sobre un ciclo, se puede observar que el artefacto (verde) durante la exploración puede ser removido de las grabaciones originales (azul). Los cursos a tiempo denoised (rojo) se utilizaron para su posterior análisis. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig4.jpg" alt="Figura 4" /> Figura 4. Mapas coronal (a partir de una rata normal) de la correlación entre la potencia de la actividad espontánea de la banda delta de un electrodo y la señal BOLD descanso estado en lapsos de tiempo, -2,5 a 9,5 s. Máxima correlación se observa en el SI bilateral en aproximadamente 4 ~ 5 s en ratas anestesiadas con isoflurano. Color de la barra representa 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>

Ambos registro electrofisiológico y fMRI BOLD por separado bien desarrollado técnicas. Sin embargo, al mismo tiempo de grabación de imagen y es un reto debido a la interferencia mutua 2 de las dos modalidades. A continuación presentamos una posible solución para experimentos combinados en los roedores. El método modificado de la implantación de electrodos minimiza la influencia en la calidad de la imagen, y la eliminación de artefactos para la grabación eléctrica es necesaria para eliminar el ruido ...

simultaneous fmri and electrophysiology in the rodent brain

Para examinar las bases neuronales del nivel de oxigenación de la sangre depende de (BOLD) imágenes por resonancia magnética (MRI) de la señal, hemos desarrollado un modelo de roedores en los que los datos de resonancia magnética funcional y<em&gt; In vivo</em&gt; Grabación intracortical se pueden realizar simultáneamente. La combinación de la grabación magnética y eléctrica es técnicamente difícil ya que los electrodos utilizados para la grabación de distorsionar las imágenes de resonancia magnética y la adquisición de MRI produce ruido en el registro eléctrico. Para reducir al mínimo la interferencia mutua de las dos modalidades, microelectrodos de vidrio fueron utilizados en lugar de metal y un algoritmo de eliminación de ruido se llevó a cabo para los datos de electrofisiología. En nuestros estudios, dos microelectrodos fueron implantados por separado en los acuerdos bilaterales corteza somatosensorial primaria (SI) de la rata y fijos en su lugar. Un corte coronal que cubre la punta del electrodo fue seleccionado para la resonancia magnética funcional. Ejes de los electrodos y la fijación de posiciones no fueron incluidos en la sección de imagen para evitar los artefactos de imagen. El cuero cabelludo se retiró reemplazado con pasta de dientes para reducir la falta de sensibilidad y evitar artefactos Gibbs sonando en las imágenes. La estructura del artefacto inducido en las grabaciones eléctricas por los campos de rápido cambio magnético en la adquisición de imágenes se ha caracterizado por un promedio de todos los ciclos de los análisis para cada carrera. La estructura de ruido durante la exploración se resta luego de las grabaciones originales. Los cursos a tiempo denoised se utilizaron para su posterior análisis en combinación con los datos de la fMRI. A modo de ejemplo, la adquisición simultánea se utilizó para determinar la relación entre las señales de resonancia magnética funcional BOLD espontánea y de banda limitada actividad eléctrica cortical. FMRI simultánea y registro electrofisiológico en el roedor proporcionará una plataforma para muchas aplicaciones interesantes de la neurociencia, además de aclarar la relación entre la señal BOLD fMRI y la actividad neuronal.

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Simultaneous fMRI and Electrophysiology in the Rodent Brain

Hemos desarrollado un método de traducción simultánea de imágenes de resonancia magnética funcional y de registro electrofisiológico en el cerebro de roedores, proporcionando una plataforma para la investigación de la relación entre la actividad neuronal y el nivel de oxigenación de la sangre depende de (BOLD) señal de resonancia magnética.

FMRI simultánea y electrofisiología en el cerebro de roedores

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

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Research

JoVE Journal

Neuroscience

13.3K vistas.  Emory University. Hemos desarrollado un método de traducción simultánea de imágenes de resonancia magnética funcional y de registro electrofisiológico en el cerebro de roedores, proporcionando una plataforma para la investigación de la relación entre la actividad neuronal y el nivel de oxigenación de la sangre depende de (BOLD) señal de resonancia magnética.

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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.

Diseño y construcción de un cabezal rentable para la estimulación simultánea neural y de grabación en el laberinto de agua

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

Investigación

Neurociencias

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.

La combinación de Estimulación Magnética Transcraneal y fMRI para examinar la red en modo por defecto

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-análisis de la estructura y función cerebral mediante resonancia magnética funcional y la difusión de imágenes ponderado

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.

Electroencefalografía simultánea, en tiempo real Medición de la concentración de lactato y Manipulación optogenético de la actividad neuronal en la corteza cerebral de roedores

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.

La estimulación cerebral profunda con simultánea fMRI en roedores

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 optogenético la estimulación del sistema nervioso central de roedores

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.

Grabación simultánea electrofisiológico y micro-inyecciones de agentes inhibitorios en el cerebro de roedores

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.

Agujas personalizadas para microinyecciones en el cerebro de roedor

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

Evaluation of Synapse Density in Hippocampal Rodent Brain Slices

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

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

Evaluación de la densidad de sinapsis en rebanadas de hipocampo cerebral de roedor

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

Simultaneous Cryosectioning of Multiple Rodent Brains

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

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

Cryosectioning simultánea de varios cerebros de roedores

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