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Method Article
Theta activity in the hippocampus is related to specific cognitive and behavioral stages. Here, we describe an analytical method to detect highly-organized theta oscillations within the hippocampus using a time-frequency (i.e., wavelet analysis)-based approach.
Theta activité est générée dans le système septohippocampique et peut être enregistré en utilisant des électrodes intrahippocampique profondes et électroencéphalographie implantable (EEG) radiotélémétriques ou système d'attache des approches. Pharmacologiquement, hippocampique thêta est hétérogène (voir la théorie dualiste) et peuvent être différenciées en type I et de type II thêta. Ces sous-types EEG individuels sont liés aux états cognitifs et comportementaux spécifiques, tels que l'excitation, l'exploration, l'apprentissage et la mémoire, les fonctions d'intégration plus élevés, etc. Dans les maladies neurodégénératives telles que la maladie d'Alzheimer, la structure et des altérations fonctionnelles du système septohippocampique peut entraîner une activité thêta avec facultés affaiblies / oscillations. Une analyse quantitative standard de l'EEG hippocampique comprend une rapide transformation de Fourier (FFT) à base de l'analyse de fréquence. Toutefois, cette procédure ne fournit pas de détails sur l'activité thêta en oscillations générales et hautement organisés thêta en particulier. Afin d'obtenir detainformations iLED sur les oscillations thêta hautement organisées dans l'hippocampe, nous avons développé une nouvelle approche analytique. Cette approche permet la quantification de temps et de coût-efficacité de la durée des oscillations thêta fortement organisées et leurs caractéristiques de fréquence.
Theta activité dans le cerveau est liée à différents états cognitifs et fonctionnels, y compris l' éveil, l' attention, le mouvement volontaire, comportement exploratoire, le comportement de l' attention, l' apprentissage et la mémoire, l' intégration somatosensoriel, et des mouvements oculaires rapides (REM) dormir 1, 2. Principalement, l'activité thêta comme une entité rythmique peut être produite dans différentes régions cérébrales et est hautement organisée et synchronisée comme thêta oscillations. Ci - dessous, nous allons nous concentrer sur l'analyse et la quantification de l' activité thêta / oscillations qui sont générés dans le système septohippocampique 3, 4. Dans le septum, GABAergique, glutamatergiques, et les neurones cholinergiques projet à l'hippocampe et de contribuer à l'initiation et le maintien du thêta comportement oscillatoire. Il y a une discussion en cours sur l' opportunité oscillations hippocampique thêta sont initiées dans le septum, à savoir, Le modèle septal pacemaker-hippocampique suiveur, (théorie extrahippocampal) ou intrinsèquement au sein de l'hippocampe (théorie intrahippocampique) 5, 6, 7.
Quelle que soit leur origine, les oscillations thêta hippocampique ont été au centre d'intérêt pendant des années, en particulier dans les modèles de souris transgéniques. Ces modèles permettent l'implantation d'électrodes EEG profondes et pour l'enregistrement des oscillations thêta hippocampique sous tâches cognitives et comportementales spécifiques 8. oscillations thêta hippocampique sont hétérogènes dans la nature. Basé sur la théorie dite dualiste de thêta oscillations, on peut différencier les atropine-sensibles de type II thêta et atropine insensible type I thêta 9, 10, 11. Ce dernier peut généralement être induite par M muscariniques 1 / M 3 récepteurs, par exemple, l' arécoline, pilocarpine et uréthane. Cependant, l'uréthane est un médicament multi-cibles qui, en plus de l'activation muscariniques, exerce également des effets complexes sur les autres entités du canal ionique. Pour le type II thêta, la voie muscariniques comprend l'activation de M 1 / M 3 et Gq / 11 (Ga) d'activation de la phospholipase C médiée β 04.01 (04.01 PLCβ), inositol trisphosphate ultérieure (InsP 3) , diacylglycerole (DAG), le Ca 2+, et la protéine kinase C (PKC). Le rôle de PLCβ 1 et PLCβ 4 thetagenesis a été validée dans des études de knock-out en utilisant PLCβ1 - / - et PLCβ4 - / - souris présentant une perte complète ou une atténuation significative de thêta oscillation 12, 13, 14. M additionnel 1, M 3 et M 5 cibles en aval (channels / courants) de la cascade de signalisation muscariniques comprennent divers conductances, tels que M-Type K + canal (K M) par l' intermédiaire dépendant de la tension K + canal (K v 7); lent après hyperpolarisation canal K + (Ks AHP); fuite canal K + (K fuite), probablement via TWIK-lié canal K + sensible à l' acide (TASK1 / 3); courant de cations (I CAT), probablement via le canal de fuite Na + (NALCN); et je h via hyperpolarisation et nucléotidiques gated canaux cycliques (HCN). En outre, les récepteurs M 2 / M 4 acétylcholine (CCRS) ont été signalés à interférer avec redresseur entrant K + canal 3.1 (K ir 3.1) et vers l' intérieur redresseur K + canal 3.2 (K ir 3.2) 15.
Actuellement, le logiciel d' analyse disponible dans le commerce permet rapide analyse de fréquence FFT, par exemple, l' analyse de la puissance (P, mV 2)ou une densité spectrale de puissance (PSD 2 mV / Hz). Puissance ou de la densité spectrale de puissance (PSD) analyse de la gamme de fréquences thêta ne donne un aperçu global de son activité. Toutefois, afin d'obtenir un aperçu détaillé de l'activité thêta cognitif et lié le comportement, l'analyse des oscillations thêta hautement organisés est obligatoire. L'évaluation des oscillations thêta hautement organisés est d'une importance capitale dans le domaine des maladies neurodégénératives et neuropsychiatriques. La plupart des études sur les maladies expérimentales sont réalisées dans des modèles de souris transgéniques en utilisant des approches neurochirurgicales hautement sophistiqués pour enregistrer surface péridurale et EEGs intracérébrales profondes. Ces techniques comprennent les deux systèmes d'attache 16 et les configurations radiotélémétrique 17, 18. oscillations thêta peuvent être enregistrées comme des oscillations thêta spontanées et liés au comportement dans des conditions d'enregistrement à long terme. En outre, thêta oscillations peuvent être recorded après induction pharmacologique, mais aussi suite à l'exposition des animaux à des tâches comportementales ou cognitives ou aux stimuli sensoriels, tels que la queue de pincement.
Les premières approches pour caractériser thêta oscillations ont été décrites par Csicsvari et al. 19. Les auteurs ont conçu un outil semi-automatisé pour l'analyse de thêta à court terme (15 - 50 min) qui ne convient pas pour les enregistrements EEG de longue date. Notre méthode, décrite ici, permet l'analyse à long terme de l' enregistrement EEG> 48 h 20. Csicsvari et al. 10 également fait référence au rapport thêta-delta, mais pas de seuil pour la détermination des oscillations thêta hautement organisés est fourni. Les définitions de la gamme delta et thêta correspondent à nos définitions de la gamme de fréquence. Comme il est pas explicitement mentionné, nous présumons qu'une méthode FFT est utilisée par Csicsvari et al. pour calculer la puissance des bandes de fréquences thêta-delta. Ceà nouveau se distingue nettement de notre procédé, étant donné que l'on calcule les amplitudes en ondelettes sur un grand nombre d'échelles de fréquence (Δ étapes (f) = 0,05 Hz), ce qui entraîne une précision beaucoup plus élevée. La durée de la période d'EEG individuellement analysées est similaire à notre définition.
Klausberger et al. 21 font également l' utilisation de rapports de thêta-delta pour l'analyse des enregistrements EEG à long terme. Cependant, il y a trois différences majeures par rapport à notre approche: i) la durée de l' époque EEG est beaucoup plus longue, à savoir, au moins 6 s; ii) le rapport thêta-delta est réglé sur 4, ce qui est beaucoup plus élevé que notre seuil, et est lié à des définitions différentes de la gamme de fréquences; et iii) la définition de puissance est susceptible d'être basée sur une approche FFT, qui manque de précision, en particulier pour les très courtes fenêtres de temps (2 s, à savoir, 5 cycles pour oscillations avec une fréquence de 2,5 Hz). Dans un tel cas, une procédure par ondelettes est plus recommandable.Une étude menée par Caplan et al. 22 uniquement calculée puissance thêta , tout en ignorant le rapport de puissance delta thêta. Ainsi, l'approche Caplan 22 ne peut pas différencier entre les processus thêta riches cognitifs accompagnés d'un delta élevé ou faible.
Dans le protocole suivant, nous présenterons notre approche basée sur les ondelettes analytiques pour analyser de manière fiable oscillations thêta hautement organisées en enregistrements EEG hippocampiques de souris. Étant donné que cette procédure fonctionne automatiquement, il peut être appliqué à de grands ensembles de données et les mesures EEG à long terme.
Tout l'expérimentation animale a été réalisée selon les directives du Conseil local et institutionnel de protection des animaux (Université de Bonn, BfArM, LANUV, Allemagne). En outre, toute expérimentation animale a été réalisée conformément à la législation supérieure, par exemple, des Communautés européennes Directive du Conseil du 24 Novembre 1986 (86/609 / CEE), ou de la législation régionale ou nationale individuelle. effort particulier a été fait pour réduire au minimum le nombre d'animaux utilisés, ainsi que leurs souffrances.
1. animaux Logement et EEG Conditions d'enregistrement
2. radiotélémétrique EEG Electrode Implantation et EEG Recordings
3. Les enregistrements spontanés de Theta Oscillations et Pharmacological Induction
4.Validation de l'EEG Placement des électrodes
5. L'acquisition des données
6. Analyse des données EEG
Theta activité peut être enregistrée dans une large gamme de système nerveux central (SNC) régions. Ici, nous présentons une analyse des oscillations thêta de l'hippocampe de souris. Ces oscillations peuvent se produire pendant les différents états comportementaux et cognitifs. Il est fortement recommandé d'analyser thêta oscillations dans les deux à long terme, à court terme liées à la tâche, et les conditions spontanées pharmacologiquement induites.
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Theta activité est d'une importance centrale dans la neurophysiologie systémique. On peut observer dans les diverses régions du cerveau, en particulier dans l'hippocampe, où elle est liée à des états comportementaux et cognitifs spécifiques. En outre, hippocampique thêta peut être pharmacologiquement différenciée en atropine sensible de type II et de type I thêta atropine insensible. Type I est pensé pour être lié à la locomotion, comme la marche ou la course 27,
The authors have nothing to disclose.
The authors would like to thank Dr. Christina Ginkel (German Center for Neurodegenerative Diseases, DZNE) and Dr. Robert Stark (DZNE) for their assistance with animal breeding and animal healthcare. This work was financially supported by the Federal Institute for Drugs and Medical Devices (Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte, BfArM), Bonn, Germany.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Carprofen (Rimadyl VET - Injektionslösung) | Pfizer | PZN 0110208208 | 20ml |
binocular surgical magnification microscope | Zeiss Stemi 2000 | 0000001003877, 4355400000000, 0000001063306, 4170530000000, 4170959255000, 4551820000000, 4170959040000, 4170959050000 | |
Dexpanthenole (Bepanthen Wund- und Heilsalbe) | Bayer | PZN: 1578818 | |
drapes (sterile) | Hartmann | PZN 0366787 | |
70% ethanol | Carl Roth | 9065.5 | |
0.3% / 3% hydrogene peroxide solution | Sigma | 95321 | 30% stock solution |
gloves (sterile) | Unigloves | 1570 | |
dental glas ionomer cement | KentDental /NORDENTA | 957 321 | |
heat-based surgical instrument sterilizer | F.S.T. | 18000-50 | |
high-speed dental drill | Adeor | SI-1708 | |
Inhalation narcotic system (isoflurane) | Harvard Apparatus GmbH | 34-1352, 10-1340, 34-0422, 34-1041, 34-0401, 34-1067, 72-3044, 34-0426, 34-0387, 34-0415, 69-0230 | |
Isoflurane | Baxter 250 ml | PZN 6497131 | |
Ketamine | Pfizer | PZN 07506004 | |
Lactated Ringer's solution (sterile) | Braun | L7502 | |
Nissl staining solution | Armin Baack | BAA31712159 | |
pads (sterile) | ReWa Krankenhausbedarf | 2003/01 | |
Steel and tungsten electrodes parylene coated | FHC Inc., USA | UEWLGESEANND | |
stereotaxic frame | Neurostar | 51730M | ordered at Stoelting |
(Stereo Drive-New Motorized Stereotaxic) | |||
tapes (sterile) | BSN medical GmbH & Co. KG | 626225 | |
TA10ETA-F20 | DSI | 270-0042-001X | Radiofrequency transmitter 3.9 g, 1.9 cc, input voltage range ± 2.5 mV, channel bandwidth (B) 1 - 200 Hz, nominal sampling rate (f) 1,000 Hz (f = 5B) temperature operating range 34 - 41 °C warranted battery life 4 months |
TL11M2-F20EET | DSI | 270-0124-001X | Radiofrequency transmitter 3.9 g, 1.9 cc, input voltage range ± 1.25 mV, channel bandwidth (B) 1 - 50 Hz, nominal sampling rate (f) 250 Hz (f = 5B) temperature operating range 34 - 41 °C warranted battery life 1.5 months |
Vibroslicer 5000 MZ | Electron Microscopy Sciences | 5000-005 | |
Xylazine (Rompun) | Bayer | PZN: 1320422 | |
Matlab | Mathworks Inc. | programming, computing and visualization software | |
SPSS | IBM | statistical analysis software |
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