Le travail a été soutenu par le NIH une R21NS057718-01.

1. Il s&#39;agit d&#39;une chirurgie non-survie. La première étape est l&#39;implantation des électrodes. Dans cet exemple, les électrodes seront implantées dans les régions du cortex somatosensoriel patte primaires des deux hémisphères. <ol><li> Anesthésier le rat (mâle chez les rats SD, 200-300 g) avec 2% d&#39;isoflurane et fixer en place d&#39;un système stéréotaxique chirurgicale. Avant de commencer la chirurgie, s&#39;assurer que l&#39;animal est bien anesthésié et ne présente pas de réponse à un pincement de l&#39;orteil. Enlever les poils avant l&#39;ouverture du cuir chevelu. Séparez les muscles et autres tissus au-dessus du crâne et de bloquer tout saignement sur la surface de l&#39;os en utilisant un cauterizer. </li><li> Préparer une jetée sur la surface du crâne (à proximité de la ligne médiane antérieure en forme de V de jonction) comme un point de fixation pour l&#39;arbre de l&#39;électrode implantée, en utilisant du ciment dentaire. Réglage d&#39;un ensemble de nylon petite vis dans l&#39;os avant d&#39;appliquer le ciment dentaire peut augmenter la stabilité. La taille de la jetée en forme avec du ciment devrait être d&#39;environ 5 mm de haut et de 3 x 5 mm 2 de surface à la base (voir figure 1). </li><li> Utiliser une perceuse électrique fines pointes, ouvrir avec précaution le crâne et exposer la durée au cours de la représentation des pattes de devant dans le cortex somatosensoriel primaire de chaque hémisphère. Le diamètre de chaque trou doit être d&#39;environ 1 mm, positionné à 1 mm en avant de 4 mm et latéral de bregma. Sous un microscope, couper une petite ouverture dans la durée en utilisant une aiguille de seringue, en veillant à éviter tout dommage navire. </li><li> Avant d&#39;insérer chaque électrode, assurez-vous qu&#39;aucun saignement ou suintement est présent près des incisions. Les microélectrodes de verre doit être préparée avant la chirurgie, avec environ 3 ~ 4 cm de longueur d&#39;arbre et l&#39;impédance de 1 ~ 5 MW. Remplir le capillaire de l&#39;électrode avec le LCR artificiel (ACSF) et insérez chaque électrode oblique (~ 45 °, d&#39;arrière en avant) dans le cerveau ~ 0,4 mm de la durée a ouvert en utilisant le bras stéréotaxique. Avant de fixer en place, vérifiez le signal électrique. Une extrémité d&#39;un fil argent chloruré devrait être plongé dans l&#39;ACSF et l&#39;autre extrémité reliée à l&#39;entrée mène à l&#39;amplificateur. Un fil d&#39;argent, attaché sous-cutanée à l&#39;arrière de la peau ouverte, sert d&#39;électrode de référence. </li><li> Avant de fixation de l&#39;électrode, vérifiez la zone chirurgicale et assurez-vous qu&#39;aucun saignement ou suintement se produit, et ensuite appliquer le dentifrice pour remplacer la peau enlevée et les muscles sur le crâne. L&#39;utilisation du dentifrice améliore la qualité de l&#39;image IRM en réduisant l&#39;inadéquation susceptibilité à l&#39;interface crâne / air. Fixez l&#39;arbre électrode à l&#39;embarcadère préparés avec du ciment dentaire (voir Figure 1). </li><li> Après les cures de ciment dentaire, le transfert de l&#39;animal au berceau IRM et fixer en place. Surveiller l&#39;état physiologique du rat s pour le reste de l&#39;étude, y compris la température du corps, rythme respiratoire, la SpO 2 et la fréquence cardiaque. </li><li> Position d&#39;une bobine de surface (émission / réception) sur la tête, avec les électrodes en saillie à partir du centre de la bobine. Un autre en forme d&#39;arche à couverture rigide qui se trouve au sommet de la station d&#39;accueil sert de support pour la fixation de l&#39;électrode conduit afin d&#39;éviter le mouvement causé par la respiration des animaux. Le conduit utilisé pour l&#39;imagerie et d&#39;enregistrer simultanément s&#39;étendre à ~ 5 m (l&#39;amplificateur est situé juste en dehors de la salle de l&#39;aimant) et sont recouverts de plastique conductrice qui sert de bouclier passif. </li><li> L&#39;anesthésie peut être commutée de l&#39;isoflurane à la médétomidine pour réduire la suppression de l&#39;activité neuronale, si désiré. Examinez le signal électrique une dernière fois avant de transférer l&#39;animal dans l&#39;aimant. Dans nos études, les paramètres d&#39;enregistrement ont été comme suit: 1000 x amplifié, 0.1Hz ~ 5 K Hz passe-bande-filtré, 60 Hz cran-filtré, 12 kHz pour la conversion analogique-numérique. </li></ol> 2. À ce stade, l&#39;animal est inséré dans le scanner IRM pour l&#39;imagerie simultanée et d&#39;enregistrement. Les animaux sont anesthésiés pendant toute la procédure d&#39;imagerie. <ol><li> A 9,4 T petits animaux système IRM (Bruker, Allemagne) a été utilisé dans nos études. Avant l&#39;enregistrement, les paramètres d&#39;imagerie doit être établie. Une image en trois plane scout est utilisé pour la position de l&#39;IRMf. Pour améliorer l&#39;homogénéité du champ magnétique, le volume d&#39;intérêt est calée à l&#39;aide FASTMAP 1. Pour les études d&#39;IRMf, une tranche d&#39;imagerie coronaire a été sélectionné, qui comprenait bilatéraux patte aires somatosensorielles primaires, dans lequel les électrodes ont été implantées. Les paramètres du PEV ont été imagerie FOV, 1,92 x 1,92 cm 2; taille de la matrice, 64 x 64; dans le plan résolution, 0,3 x 0,3 mm 2; épaisseur des tranches de 2 mm; TR / TE, 500/15 ms. </li><li> Après l&#39;installation d&#39;imagerie est terminée, l&#39;enregistrement simultané et l&#39;IRMf peut commencer. La figure 2 montre une image représentative du PEV et des enregistrements bruts pendant l&#39;imagerie. La commutation rapide des gradients de cours d&#39;acquisition d&#39;image dans les résultats des enregistrements saturés, qui persistent pendant seulement une petite partie de chaque cycle (22/500 ms). Après l&#39;acquisition d&#39;images, le signal électrique RETURns à base d&#39;une forme de non-saturés oscillation (voir Figure 3). IRMf combinée et l&#39;enregistrement peut être effectué pendant l&#39;état de repos (comme démontré dans cette étude) ou pendant la stimulation. Pour les études de relance, les paramètres d&#39;imagerie sont les mêmes que pour l&#39;étude de l&#39;état de repos, avec une stimulation électrique de la patte avant fourni avec 9 Hz, 1 ~ 4 mA. Le rat est euthanasié après la numérisation finale. </li></ol> 3. Après l&#39;imagerie simultanée et d&#39;enregistrement, les données doivent être pré-traitées avant l&#39;analyse finale. <ol><li> Nous commençons avec la suppression des artefacts de gradient à partir des enregistrements électrophysiologiques (voir figure 3). <ol><li> La structure du bruit à cause du balayage peut être extraite en faisant la moyenne toutes les 500 ms ~ (TR) sections, dont chacune correspond à l&#39;intervalle entre deux images consécutives IRMf. </li><li> Soustraire la structure moyenne du bruit à partir des enregistrements originaux. Cette méthode ne corrige que les segments d&#39;enregistrement insaturés. </li><li> Chaque segment saturé correspondant à l&#39;alternance du gradient lors de l&#39;acquisition d&#39;image est remplacée par une ligne qui passe entre le point de temps avant et le point de temps après gradient induit par la saturation. </li></ol></li><li> Les enregistrements débruitée des potentiels de champ locaux (LFPs) sont ensuite convertis aux cours du temps le pouvoir, qui aura la même résolution temporelle que le cours du temps IRMf. La puissance moyenne dans un bac de 2 secondes est utilisé pour le calcul des fréquences les plus basses (bande delta, 1 ~ 4 Hz), avec un bac 1 seconde pour la bande thêta (4 ~ 8 Hz) des fréquences, et un bac de ~ 0,5 s entre voisins signaux saturés pour des fréquences plus élevées (&gt; 8 Hz, alpha à des bandes gamma). La fenêtre coulissante pour toutes les bandes de fréquences a été déplacée par incréments de 0,5 s, correspondant au TR des données IRMf. </li><li> Pour les données d&#39;image, le prétraitement IRMf standard est effectuée, y compris la correction mouvement de la tête, lissage de l&#39;image avec 0,5 mm FWHM, et la suppression de dérive linéaire. </li><li> L&#39;analyse de corrélation croisée est réalisée entre les cours LFP le temps la puissance et le cours du temps de chaque voxel de données d&#39;imagerie. Décalages de temps variables permettre l&#39;examen de la corrélation dépendant du temps (voir Figure 4). </li></ol> Les résultats représentatifs: À titre d&#39;exemple, cette technique peut être utilisée pour étudier la relation entre l&#39;activité neuronale spontanée et les fluctuations BOLD. La figure 4 montre la corrélation entre la puissance des cartes LFP et le signal BOLD au temps écoulé entre -2,5 et 9,5 s d&#39;un rat. Les fluctuations basses fréquences BOLD (&lt;0,1 Hz) dans les zones corticales près de la pointe de l&#39;électrode sont corrélés avec les changements de puissance LFP (&lt;0,1 Hz) à un délai de 2 ~ 6 s. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig1.jpg" alt="Figure 1" /> Figure 1. Schéma de configuration de l&#39;implantation d&#39;électrodes et de la région d&#39;imagerie avec une bobine de surface. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig2.jpg" alt="Figure 2" /> Figure 2. Un représentant coronale PEV image, y compris les extrémités des électrodes, est montré dans le panneau de gauche. Le panneau de droite montre premières enregistrements électrophysiologiques avant et pendant l&#39;imagerie. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig3.jpg" alt="Figure 3" /> Figure 3. En zoomant sur ​​un cycle de balayage, il peut être vu que l&#39;artefact (en vert) lors de l&#39;imagerie peuvent être retirés à partir d&#39;enregistrements originaux (bleu). Les cours du temps débruitée (rouge) ont été utilisés pour une analyse ultérieure. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig4.jpg" alt="Figure 4" /> Figure 4. Cartes coronale (à partir d&#39;un rat typique) de la corrélation entre la puissance de l&#39;activité spontanée bande delta d&#39;une électrode et le signal de repos à l&#39;état gras au décalages de -2,5 à 9,5 s. Maximum de corrélation est observée dans SI bilatérale à environ 4 ~ 5 s chez le rat anesthésié isoflurane. Couleur barre représente Pearson r.

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	<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>

Les deux enregistrements électrophysiologiques et IRMf BOLD sont séparément bien développé des techniques. Toutefois, l&#39;enregistrement simultané et l&#39;imagerie est difficile en raison de l&#39;interférence mutuelle 2 des deux modalités. Ici nous fournissons une solution possible pour des expériences combinées dans le rongeur. La méthode modifiée de l&#39;implantation d&#39;électrodes minimise l&#39;influence sur la qualité de l&#39;image, et la suppression des artefacts pour les enregistr...

simultaneous fmri and electrophysiology in the rodent brain

Afin d&#39;examiner les bases neurales du niveau d&#39;oxygénation du sang dépendantes (BOLD) imagerie par résonance magnétique (IRM) du signal, nous avons développé un modèle de rongeur dans laquelle données d&#39;IRM fonctionnelle et<em&gt; In vivo</em&gt; Enregistrement intracorticale peuvent être effectuées simultanément. La combinaison de l&#39;enregistrement d&#39;IRM et électriques est techniquement difficile, car les électrodes utilisées pour l&#39;enregistrement fausser les images IRM et l&#39;acquisition d&#39;IRM induit du bruit dans l&#39;enregistrement électrique. Afin de minimiser les interférences mutuelles des deux modalités, des microélectrodes de verre ont été utilisés plutôt que de métal et d&#39;un algorithme de suppression du bruit a été mis en œuvre pour les données de l&#39;électrophysiologie. Dans nos études, deux microélectrodes ont été séparément implanté dans bilatéraux primaires cortex somato-sensoriels (SI) du rat et fixé en place. Une tranche coronale couvrant les extrémités des électrodes a été sélectionné pour l&#39;IRM fonctionnelle. Arbres électrodes et les positions de fixation ne sont pas inclus dans la tranche d&#39;image pour éviter les artefacts d&#39;imagerie. Le cuir chevelu enlevé a été remplacé avec du dentifrice à réduire les déséquilibres de sensibilité et d&#39;éviter les artefacts de Gibbs sonne dans les images. La structure des artefacts induits dans les enregistrements électriques par les champs magnétiques de commutation rapide lors de l&#39;acquisition des images a été caractérisée par une moyenne de tous les cycles d&#39;analyse pour chaque exécution. La structure du bruit lors de l&#39;imagerie a ensuite été soustrait à partir d&#39;enregistrements originaux. Les cours du temps débruitée ont ensuite été utilisés pour une analyse approfondie en combinaison avec les données IRMf. À titre d&#39;exemple, l&#39;acquisition simultanée a été utilisée pour déterminer la relation entre les signaux spontanés IRMf BOLD et à bande limitée activité intracorticale électrique. IRMf simultanée et enregistrement électrophysiologique chez le rongeur va fournir une plateforme pour de nombreuses applications intéressantes en neurosciences, en plus d&#39;élucider la relation entre le signal IRMf BOLD et l&#39;activité neuronale.

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Simultaneous fMRI and Electrophysiology in the Rodent Brain

Nous avons développé une méthode pour l&#39;imagerie simultanée par résonance magnétique fonctionnelle et l&#39;enregistrement électrophysiologique dans le cerveau de rongeurs, en fournissant une plateforme pour l&#39;étude de la relation entre l&#39;activité neuronale et le niveau d&#39;oxygénation du sang dépendantes (BOLD) du signal IRM.

IRMf simultanées et l&#39;électrophysiologie dans le cerveau de rongeurs

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 vues.  Emory University. Nous avons développé une méthode pour l'imagerie simultanée par résonance magnétique fonctionnelle et l'enregistrement électrophysiologique dans le cerveau de rongeurs, en fournissant une plateforme pour l'étude de la relation entre l'activité neuronale et le niveau d'oxygénation du sang dépendantes (BOLD) du signal IRM.

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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.

Conception et construction d&#39;un Headstage rentable pour la stimulation neuronale et enregistrement simultanés dans le labyrinthe de l&#39;eau

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

Recherche

Neurosciences

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.

Alliant la stimulation magnétique transcrânienne et l&#39;IRMf pour examiner le réseau en mode par défaut

The default mode network is a group of brain regions that are active when an individual is not focused on the outside world and the brain is at "wakeful ...

Co-analysis of Brain Structure and Function using fMRI and Diffusion-weighted Imaging

The study of complex computational systems is facilitated by network maps, such as circuit diagrams. Such mapping is particularly informative when studying the brain, as the functional role that a brain area fulfills may be largely defined by its connections to other brain areas. In this report, we describe a novel, non-invasive approach for relating brain structure and function using magnetic resonance imaging (MRI). This approach, a combination of structural imaging of long-range fiber connections and functional imaging data, is illustrated in two distinct cognitive domains, visual attention and face perception. Structural imaging is performed with diffusion-weighted imaging (DWI) and fiber tractography, which track the diffusion of water molecules along white-matter fiber tracts in the brain (Figure 1). By visualizing these fiber tracts, we are able to investigate the long-range connective architecture of the brain. The results compare favorably with one of the most widely-used techniques in DWI, diffusion tensor imaging (DTI). DTI is unable to resolve complex configurations of fiber tracts, limiting its utility for constructing detailed, anatomically-informed models of brain function. In contrast, our analyses reproduce known neuroanatomy with precision and accuracy. This advantage is partly due to data acquisition procedures: while many DTI protocols measure diffusion in a small number of directions (e.g., 6 or 12), we employ a diffusion spectrum imaging (DSI)1, 2 protocol which assesses diffusion in 257 directions and at a range of magnetic gradient strengths. Moreover, DSI data allow us to use more sophisticated methods for reconstructing acquired data. In two experiments (visual attention and face perception), tractography reveals that co-active areas of the human brain are anatomically connected, supporting extant hypotheses that they form functional networks. DWI allows us to create a "circuit diagram" and reproduce it on an individual-subject basis, for the purpose of monitoring task-relevant brain activity in networks of interest.

We describe a novel approach for simultaneous analysis of brain function and structure using magnetic resonance imaging (MRI). We assess brain structure with high-resolution diffusion-weighted imaging and white-matter fiber tractography. Unlike standard structural MRI, these techniques allow us to directly relate anatomical connectivity to functional properties of brain networks.

Co-analyse de la structure du cerveau et son fonctionnement en utilisant l&#39;IRMf et imagerie de diffusion

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.

Électroencéphalographie simultanée, en temps réel Mesure de la concentration de lactate et manipulation optogenetic de l&#39;activité neuronale dans le cortex cérébral des rongeurs

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 stimulation cérébrale profonde avec simultanée IRMf chez les rongeurs

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 optogénétiques stimulation du système nerveux central pour rongeurs

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.

Simultanée électrophysiologique Enregistrement et micro-injections d&#39;agents inhibiteurs dans le cerveau des rongeurs

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.

Aiguilles personnalisées pour Microinjections dans le cerveau des rongeur

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

Simultaneous Cryosectioning of Multiple Rodent Brains

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

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

Cryosectioning simultanée de plusieurs cerveaux de rongeurs

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

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

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

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

Utilisation de la fluorescence proche infrarouge et de la numérisation haute résolution pour mesurer l’expression des protéines dans le cerveau des rongeurs

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