Nous tenons à remercier le cerveau Products GmbH pour fournir leur équipement, d&#39;expertise et d&#39;aide. Cette étude a été financée par le Ministère fédéral de l&#39;Économie et de la technologie grâce à une subvention de l&#39;Agence spatiale allemande (DLR) 50WB0819.

1. Procédure expérimentale <ol><li> Sur terrain préparation pré-vol - La préparation sujet est fait dans une pièce séparée à l&#39;aéroport. (1-2 heures avant le vol) <ol><li> Montage du bouchon EEG / SPIR <ol><li> Les électrodes et les capteurs PIR sont attachés au cuir chevelu à l&#39;aide d&#39;un plafond EEG. Cette méthode garantit la bonne position des capteurs. </li><li> La taille de la calotte est déterminée par la taille de la tête du sujet </li><li> L&#39;opérateur s&#39;assure de la bonne position du bouchon. L&#39;électrode Cz est sur le vertex (le point milieu entre le nasion et l&#39;oignon), le PO9-PO10 et les électrodes FP1-Fp2 sont horizontales, le bouchon est symétrique. </li><li> L&#39;électrode de la fréquence cardiaque est placé sur la poitrine </li></ol></li><li> Minimisation des Impédance <ol><li> Les électrodes cérébrales actiCAP produits sont connectés à la boîte de contrôle. </li><li> Chaque électrode contient LED, qui virent au rouge, quand la mesure d&#39;impédance est démarré. </li><li> Les cheveux sont éloignés de la pointe de l&#39;électrode avec une aiguille à pointe émoussée. </li><li> Gel est injecté entre la pointe de l&#39;électrode et la surface de la peau. </li><li> La couleur de la LED change, avec la diminution de l&#39;impédance. La couleur initiale rouge devient jaune, le jaune devient vert, si la valeur d&#39;impédance cible est atteint. </li><li> L&#39;impédance cible est de 25 kOhm, puisque les électrodes actives offrent un bon rapport signal-bruit de rationnement ci-dessous de cette valeur. C&#39;est pourquoi la préparation de la PAC est rapide et pratique. </li><li> L&#39;opérateur commence à travailler sur les électrodes de référence et la terre, et répète pour tous les autres électrodes. </li></ol></li></ol></li><li> A bord de préparation avant le vol <ol><li> Pré-mesures <ol><li> Les sujets sont placés dans le dispositif expérimental, les ceintures de sécurité sont fixés librement </li><li> Les câbles sont connectés, les batteries sont chargées. </li><li> L&#39;opérateur démarre le module de l&#39;EEG et SPIR, les contrôles de la connectivité et la qualité du signal EEG / SPIR. </li><li> Enregistrement de repos Etat EEG / SPIR. Les sujets n&#39;ont pas la tâche. </li><li> L&#39;enregistrement est arrêté. </li><li> Les sujets réalisent la tâche cognitive sur le terrain. La tâche cognitive est une tâche d&#39;attention / calcul ( <a href="http://itunes.apple.com/us/app/chalkboard-challenge/id317961833?mt=8">http://itunes.apple.com/us/app/chalkboard-challenge/id317961833?mt=8</a> ), où les sujets ont à identifier ce côté d&#39;une équation qui est plus grand que le d&#39;autres en relation avec rapidité et précision. </li></ol></li><li> D&#39;entreposer l&#39;équipement <ol><li> L&#39;opérateur enregistre la caméra et les iPhones pour le décollage. </li></ol></li></ol></li><li> Dans la mesure de vol <ol><li> Préparation <ol><li> Opérateur monte la vidéo-caméra à la main courante et l&#39;enregistrement commence. </li><li> Les iPhones sont placées sur le haut de la jambe des sujets. </li><li> L&#39;opérateur démarre le module de l&#39;EEG et SPIR, les contrôles de la qualité du signal EEG / NIRS, et commence l&#39;enregistrement. </li></ol></li><li> Mesure <ol><li> Les sujets réalisent la tâche cognitive pendant deux blocs de cinq paraboles entre parabole 11-15 et 16-20. Tâche sera exécutée dans un ordre aléatoire en apesanteur ou la gravité normale. Seul l&#39;état de repos EEG / SPIR est enregistrée pendant les 10 premières paraboles. Les paraboles dernière sera utilisée en cas de manquant mesures précédentes (voir Figure 1). </li><li> L&#39;opérateur contrôle l&#39;enregistrement, et instruit les sujets. L&#39;opérateur va écrire tous les résultats des tests cognitifs et des temps. </li></ol></li></ol></li><li> Sur la terre après le vol de mesure <ol><ol><li> Repos Etat EEG / SPIR mesure est effectuée. </li></ol></ol></li></ol> Nous nous attendons à trouver plus d&#39;activation cérébrale en apesanteur, comme indiqué précédemment (Schneider et al. Al 2008 + 2009). Nous attendons encore pour voir une augmentation du tissu oxygéné dans le cerveau frontal en apesanteur et inférieure du tissu oxygéné dans hypergravité. La tâche d&#39;attention est censé être altérée au cours du vol par rapport à l&#39;ensemble de vol pré et post et peut-être encore plus en apesanteur due à l&#39;activation centrale élevée et l&#39;excitation en apesanteur. 2. Les résultats représentatifs Cartographie de la transition de la phase hypergravité à l&#39;apesanteur, nous avons pu observer l&#39;activité cérébrale accrue corticale dans le cortex frontal et une diminution de l&#39;activité dans le cortex temporal et occipital 2000 - 2350 ms après le début de l&#39;apesanteur (figure 2a, b). sLORETA a permis la localisation de cette activation accrue frontal dans l&#39;aire de Brodmann 9 du cortex préfrontal dorsolatéral, qui est connue pour être impliquée dans les fonctions exécutives avec l&#39;intégration des informations sensorielles et mnémoniques dans le cadre de la planification motrice, d&#39;organisation et de régulation, (figure 3a, b). En outre, sous réserve 2 ont montré une augmentation de la zone 6 de Brodmann, le cortex prémoteur, qui joue un rôle dans l&#39;orientation sensorielle dans le cadre de la stabilisation du corps (voir figure 3b). En moyenne sur les 10 premières paraboles, l&#39;analyse a révélé une diminution SPIR oxygénée hémoglobine (HHb) la concentration de ces deux sujets dans hypergravité ainsi que l&#39;augmentation hémoglobine oxygénée (O2Hb) en apesanteur. Pour l&#39;hémoglobine HHb dans une réserve, nous avons trouvé une tendance d&#39;augmentation de la phase préalable à l&#39;apesanteur hypergravité ainsi qu&#39;à une diminution au cours de la phase de l&#39;apesanteur et hypergravité après apesanteur. Dans ce O2Hb objet était de retour à la normale 10 à 15 sec après la parabole. En revanche l&#39;objet 2 a montré une légère augmentation avec la diminution des O2Hb dans la phase hypergravité avant apesanteur, une augmentation en apesanteur et une diminution au cours hypergravité après apesanteur. Pour cette O2Hb sujet restait à être diminué d&#39;environ 30 secondes suivantes parabole (figure 4a, b) La tâche cognitive conduit à une diminution des scores de performance pour les deux participants à la pesanteur normale au cours du vol par rapport à une session de contrôle en amont. Seulement 2 sujet a montré un score diminué dans weightlessnes (figure 5). <img src="/files/ftp_upload/2670/2670fig1.jpg" alt="Figure 1" /> Figure 1. Séquence de vol parabolique. Ordre des tâches et des mesures pendant le vol, le nombre de paraboles sont indiqués en gris, les numéros avec une apostrophe indiquer la longueur des pauses plus longues entre les paraboles. <img src="/files/ftp_upload/2670/2670fig2a.jpg" alt="Figure 2a" /> <img src="/files/ftp_upload/2670/2670fig2b.jpg" alt="Figure 2b" /> Vue Cartographie figure 2 de deux sujets au cours de la période de 500 ms avant l&#39;apesanteur (dans hypergravité) jusqu&#39;à 2500 ms en apesanteur. Voir ci-dessus est de la tête; petits cercles indiquent les positions des électrodes, diminue la couleur bleue et jaune à la couleur rouge augmente l&#39;activité de micro électrocorticale Volt. <img src="/files/ftp_upload/2670/2670fig3a.jpg" alt="La figure 3a" /> <img src="/files/ftp_upload/2670/2670fig3b.jpg" alt="Figure 3b" /> Figure 3 Trois vues LORETA. (En haut: d&#39;en haut, en bas à gauche: le côté gauche, en bas à droite: à l&#39;arrière) de deux sujets au cours de la période de 2000 ms jusqu&#39;à 2350 ms après le début de l&#39;apesanteur. La couleur rouge indique l&#39;activité cérébrale accrue. <img src="/files/ftp_upload/2670/2670fig4a.jpg" alt="La figure 4a" /> <img src="/files/ftp_upload/2670/2670fig4b.jpg" alt="Figure 4b" /> La figure 4 trace SPIR (rouge: l&#39;hémoglobine oxygénée, bleu: hémoglobine désoxygénée, noir: le niveau de gravité). Au cours de la période d&#39;un parabole de 40 secondes avant la parabole en gravité normale (1G: zone jaune), au cours de la phase de hypergravité première (1,8 G: zone bleue), l&#39;apesanteur (0G: zone rouge) et la phase hypergravité seconde (1,8 g: zone bleue) jusqu&#39;à 40 secondes après la parabole. Niveau de gravité est affiché inverse (baisse de la trace signifie augmentation de la gravité à partir de 0 égale à la pesanteur normale (1G). Les données indiquées sont une moyenne de plus de 10 paraboles. <img src="/files/ftp_upload/2670/2670fig5.jpg" alt="Figure 5" /> Figure 5. Score de performance de la tâche cognitive des participants 1 (bleu trace) et 2 (trace rouge) pour la formation des mesures avant le vol et le vol en apesanteur (0G) et la gravité normale (1G).

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

La production de cet article a été parrainé par les produits du cerveau, GmbH. Roland Csuhaj est un employé de produits du cerveau, GmbH, qui fabrique un instrument utilisé dans cet article.

En raison de manque de méthodes d&#39;imagerie cérébrale dans des conditions extrêmes jusqu&#39;à présent processus sous-jacents neurophysiologiques pour dépréciation des performances cognitives et l&#39;état mental n&#39;ont pas été évaluées. Dans ce papier nous avons été en mesure d&#39;afficher des changements dans l&#39;activité cérébrale corticale et le niveau d&#39;oxygénation dans le cadre d&#39;un vol parabolique et de localiser ces changements dans le cerveau en utilisant l&#39;EEG combiné avec Loreta et SPIR. Comme prévu, nous avons trouvé une augmentation de l&#39;activité électrocorticale en apesanteur, qui a été localisée dans les régions frontales (aires de Brodmann 9 6). Les résultats indiquent que près de 2000 ms après l&#39;activité cérébrale corticale de transition est altérée principalement dans les régions frontales du cerveau. On pourrait supposer que cette activité a augmenté dans l&#39;aire de Brodmann 6 et 9 reflète les mécanismes du cerveau détection et de traitement des conditions de gravité a changé afin de maintenir la stabilité du corps ainsi que la capacité du moteur dans des conditions de gravité est altérée. En ce qui concerne les changements hémodynamiques, la SPIR a révélé que la O2Hb du cerveau frontal diminue de façon spectaculaire dans la phase hypergravité première et augmente en apesanteur, tandis que, HHB a montré que des changements modérés. En conséquence cet effet ne peut être attribué à un déplacement de volume sanguin uniquement. Plus vraisemblablement, cela semble refléter une sorte d&#39;autorégulation cérébrale, d&#39;autant que l&#39;augmentation de la O2Hb intervient longtemps avant la transition, passant de 1,8 G 0G (en particulier dans la figure 4). En revanche O2Hb et HHB fois diminution de la phase hypergravité secondes. Les résultats de la tâche cognitive montrent aucune dépréciation clair pendant la pesanteur normale ou en apesanteur à bord par rapport à une session de contrôle en amont. Basé sur les résultats de deux sujets sans déclaration claire est possible si les vols paraboliques en apesanteur ou en collaboration avec son augmentation de l&#39;activité cérébrale et le niveau d&#39;oxygénation ont une influence sur les performances cognitives. Des études antérieures donnent à croire que dans ce contexte, le stress pourrait aussi jouer un rôle (Schneider et coll. 2007), pourtant aucun changement dans la concentration de cortisol pourrait être obtenue pour les deux sujets. Des données supplémentaires sont nécessaires pour valider ces résultats et pour permettre la corrélation des changements dans l&#39;activité cérébrale corticale, des changements hémodynamiques ainsi que les performances cognitives. Ce document vise à montrer que la surveillance des changements locaux dans l&#39;activité cérébrale corticale et niveau d&#39;oxygénation à travers les différentes phases de gravité a changé est possible en utilisant l&#39;EEG en combinaison avec la SPIR et Loreta. Ces résultats sont un succès pour la recherche spatiale et permettra d&#39;afficher des changements complexes et locaux d&#39;activité du cerveau cortical dans hypergravité ou l&#39;apesanteur et la corrélation de test mental ou moteur avec des changements objectifs dans le cerveau. La prochaine étape est d&#39;appliquer cette méthode au cours des missions spatiales de longue durée.

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

Des études antérieures sur les processus cognitifs, mentaux et / ou le moteur lors de courts-, l&#39;apesanteur à moyen et long terme n&#39;ont été de nature descriptive, et axé sur les aspects psychologiques. Jusqu&#39;à présent, l&#39;observation objective des paramètres neurophysiologiques n&#39;a pas été effectué - sans doute parce que les moyens techniques et méthodologiques n&#39;ont pas été disponibles -, les enquêtes sur les effets neurophysiologiques de l&#39;apesanteur sont à leurs balbutiements (Schneider et al 2008).. Alors que les techniques d&#39;imagerie telles que la tomographie par émission de positrons (TEP) et l&#39;imagerie par résonance magnétique (IRM) serait difficilement applicable dans l&#39;espace, le non-invasive spectroscopie proche infrarouge (SPIR) technique représente une méthode de cartographie des processus hémodynamiques dans le cerveau en temps réel qui est à la fois relativement peu coûteux et qui peuvent être utilisés même dans des conditions extrêmes. La combinaison avec l&#39;électroencéphalographie (EEG) ouvre la possibilité de suivre le processus électrocorticale dans des conditions changeantes gravité avec une résolution plus fine temporelle ainsi que la localisation profonde, par exemple avec electrotomography (LORETA). Des études antérieures ont montré une augmentation de l&#39;activité de fréquence bêta dans des conditions normales de gravité et d&#39;une diminution des conditions d&#39;apesanteur lors d&#39;un vol parabolique (Schneider et al. 2008a + b). Des études ont révélé des changements d&#39;inclinaison différente de la fonction cérébrale, ce qui laisse suggérer que les changements en vol parabolique pourrait refléter des processus émotionnels plutôt que des changements hémodynamiques. Cependant, il est encore difficile de savoir si ce sont des effets de la gravité modifiés ou les changements hémodynamiques dans le cerveau. Combinant EEG / Loreta et SPIR devrait pour la première fois permettent de cartographier les effets de l&#39;apesanteur et la gravité réduite sur les deux processus hémodynamiques et électrophysiologiques dans le cerveau. Initialement, ce qui doit être fait dans le cadre d&#39;une étude de faisabilité au cours d&#39;un vol parabolique. Ensuite, il est également prévu d&#39;utiliser les deux techniques pendant un vol spatial à moyen et long terme. On peut supposer que la redistribution à long terme du volume sanguin et de la hausse de l&#39;apport d&#39;oxygène au cerveau va entraîner des changements dans le système nerveux central qui sont aussi responsables de processus anémiques, et qui peut à son tour de réduire les performances (De Santo et coll. 2005), ce qui signifie qu&#39;ils pourraient être cruciales pour le succès et la sécurité d&#39;une mission (Genik et al. 2005, Ellis 2000). Selon ces résultats, il sera nécessaire de développer et employer des contre-mesures étendues. Les premiers résultats de l&#39;étude suggèrent que MARS500, en plus de leur importance dans le contexte des systèmes cardiovasculaire et locomoteur, le sport et l&#39;activité physique peut jouer un rôle dans l&#39;amélioration des paramètres neurocognitifs. Avant que cela puisse être pleinement établi, toutefois, il semble nécessaire d&#39;en apprendre davantage sur l&#39;influence de l&#39;évolution des conditions de gravité sur les processus neurophysiologiques et de la déficience neurocognitive associée.

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

L&#39;effet de l&#39;apesanteur et hypergravité sur les deux processus hémodynamiques et électrophysiologiques dans le cerveau va être suivi pendant un vol parabolique par des techniques EEG et SPIR. Une étude de faisabilité d&#39;une expérience de plus complexe, ce qui est prévu de réaliser pendant un vol spatial à moyen et long terme.

Cohérence entre la fonction cérébrale corticale et la performance neurocognitifs dans des conditions de gravité Changé

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

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Research

JoVE Journal

Neuroscience

19.4K vues.  German Sport University Cologne. L'effet de l'apesanteur et hypergravité sur les deux processus hémodynamiques et électrophysiologiques dans le cerveau va être suivi pendant un vol parabolique par des techniques EEG et SPIR. Une étude de faisabilité d'une expérience de plus complexe, ce qui est prévu de réaliser pendant un vol spatial à moyen et long terme.

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

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

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

Cartographie dynamique corticales à l&#39;aide MEG / EEG simultanés et anatomique contrainte minimum-norm Budget: un exemple L&#39;attention auditive

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

Recherche

Neurosciences

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

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

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

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

Diluée-skull Technique fenêtre corticale pour<em&gt; In Vivo</em&gt; Tomographie par cohérence optique d&#39;imagerie

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

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

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

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

Juxtasomal Biocytin étiquetage pour étudier la structure-fonction de relation corticale individuelle neurones

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

Subtype-selective Electroporation of Cortical Interneurons

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

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

Sous-sélective électroporation corticaux Interneurones

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

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

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

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

Imagerie fibres sérotoninergiques dans la moelle épinière de souris Utilisation du CLARITY / Technique CUBIC

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

Studying Brain Function in Children Using Magnetoencephalography

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

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

Étudier le fonctionnement du cerveau chez les enfants à l’aide de magnétoencéphalographie

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

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

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

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

Implantation chronique d’ensemble-corticale Electrocorticographic tableau dans l’ouistiti commun

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

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

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

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

Analyse cytométrique en flux de paramètres mitochondriaux multiples dans des cellules souches pluripotentes induites par l’homme et leurs dérivés neuronaux et gliaux

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

Investigation of Spatial Interaction Between Astrocytes and Neurons in Cleared Brains

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

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

Étude de l’interaction spatiale entre les astrocytes et les neurones dans les cerveaux nettoyés

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

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

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

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

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

Génération robuste et hautement reproductible d’organoïdes cérébraux corticaux pour la modélisation de la sénescence neuronale cérébrale in vitro

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