Il lavoro è stato sostenuto da NIH 1 R21NS057718-01.

1. Si tratta di un intervento chirurgico non-sopravvivenza. Il primo passo è l&#39;impianto degli elettrodi. In questo esempio, gli elettrodi saranno impiantati nelle regioni zampa di corteccia somatosensoriale primaria di entrambi gli emisferi. <ol><li> Anestetizzare il topo (maschio ratto SD, 200-300 g) con 2% isoflurano e fissare in posizione su un sistema stereotassico chirurgico. Prima di iniziare l&#39;intervento chirurgico, in modo che l&#39;animale è ben anestetizzato e non mostra alcuna risposta ad un pizzico piedi. Rimuovere il pelo prima di aprire il cuoio capelluto. Separare i muscoli e altri tessuti al di sopra del cranio e bloccare eventuali emorragie sulla superficie ossea con un cauterizer. </li><li> Preparare un molo sulla superficie del cranio (nei pressi della linea mediana anteriore a forma di V giunzione) come un punto di fissazione per l&#39;albero degli elettrodi impiantati, con del cemento dentale. L&#39;impostazione di un piccolo set di viti in nylon nell&#39;osso prima di applicare cemento dentale può aumentare la stabilità. Le dimensioni del molo a forma di cemento dovrebbe essere di circa 5 mm di altezza e 3 x 5 mm 2 nella zona alla base (vedi Figura 1). </li><li> Utilizzando un bel trapano con punta elettrica, aprire con cautela il cranio ed esporre la dura sulla rappresentazione zampe anteriori in corteccia somatosensoriale primaria di ogni emisfero. Il diametro di ciascun foro dovrebbe essere di circa 1 mm, posizionato anteriormente al 1 millimetro e 4 mm dal bregma laterali. Al microscopio, tagliare una piccola apertura nella dura con una punta di ago della siringa, facendo attenzione ad evitare danni ai vasi. </li><li> Prima di inserire ogni elettrodo, assicurarsi che nessun sanguinamento o essudazione è presente vicino le incisioni. I microelettrodi di vetro deve essere preparato prima dell&#39;intervento chirurgico con circa 3 ~ 4 centimetri di lunghezza dell&#39;albero e impedenza di 1 ~ 5 MW. Riempire il capillare l&#39;elettrodo con artificiale CSF (ACSF) e inserire ogni elettrodo obliquamente (~ 45 °, da anteriore a posteriore) nel cervello ~ 0.4 mm dal aperto durata utilizzando il braccio stereotassica. Prima di fissare in posizione, controllare il segnale elettrico. Un&#39;estremità di un filo d&#39;argento chloridized dovrebbe essere immerso nel ACSF e l&#39;altra estremità collegata all&#39;ingresso porta all&#39;amplificatore. Un filo d&#39;argento, attaccata per via sottocutanea nella parte posteriore della pelle aperta, serve come elettrodo di riferimento. </li><li> Prima di fissaggio elettrodo, controllare l&#39;area chirurgica e assicurarsi che nessun sanguinamento o essudazione si verifica, e quindi applicare il dentifricio per sostituire la pelle rimossa e muscoli sul cranio. L&#39;uso del dentifricio migliora la qualità dell&#39;immagine MR, riducendo il divario suscettibilità al teschio / aria interfaccia. Fissare l&#39;albero elettrodo al molo preparato con cemento dentale (vedi Figura 1). </li><li> Dopo le cure del cemento dentale, trasferire l&#39;animale alla culla MRI e fissare in posizione. Monitorare condizione fisiologica del ratto s per il resto dello studio, tra cui la temperatura corporea, frequenza respiratoria, SPO 2 e frequenza cardiaca. </li><li> Posizionare una bobina di superficie (trasmissione / ricezione) sopra la testa, con gli elettrodi sporgenti dal centro della bobina. Un ulteriore forma di arco copertina rigida che si trova in cima alla culla serve da supporto per il fissaggio degli elettrodi porta per evitare il movimento causato dalla respirazione animale. I cavi utilizzati per l&#39;imaging e registrazione simultanee estendere a ~ 5 m (l&#39;amplificatore si trova appena fuori la sala magnete) e sono ricoperte di plastica conduttiva che funge da scudo passiva. </li><li> L&#39;anestesia può essere commutato da isoflurano per medetomidina per ridurre la soppressione di attività neurale se lo si desidera. Esaminare il segnale elettrico un&#39;ultima volta prima di trasferire l&#39;animale nel magnete. Nei nostri studi, i parametri di registrazione sono state le seguenti: x 1000 amplificato, 0,1 Hz ~ 5 K Hz banda filtrata, 60 Hz-notch filtrata, 12 kHz frequenza di campionamento di conversione da analogico a digitale. </li></ol> 2. A questo punto, l&#39;animale viene inserito nello scanner per l&#39;imaging MRI e registrazione simultanee. Gli animali sono anestetizzati durante l&#39;intera procedura di imaging. <ol><li> Una T 9,4 piccoli animali risonanza magnetica del sistema (Bruker, Germania) è stato utilizzato nei nostri studi. Prima della registrazione, i parametri di imaging deve essere stabilito. A tre immagini Scout aereo viene utilizzato per posizionare le scansioni fMRI. Per migliorare l&#39;omogeneità del campo magnetico, il volume di interesse spessorato con FASTMAP 1. Per gli studi fMRI, una fetta di imaging coronale è stato selezionato, che includeva bilaterali zampe anteriori aree somatosensoriale primaria, in cui sono stati impiantati degli elettrodi. I parametri di imaging sono stati EPI FOV, 1,92 x 1,92 centimetri 2; dimensione della matrice, 64 x 64; risoluzione in piano, 0,3 x 0,3 mm 2, spessore fetta, 2 mm; TR / TE, 500/15 ms. </li><li> Dopo l&#39;installazione di imaging è completa, la registrazione simultanea e fMRI può iniziare. La Figura 2 mostra un&#39;immagine rappresentativa EPI e registrazioni prime durante l&#39;imaging. La commutazione rapida delle pendenze nei risultati di acquisizione di immagini in registrazioni saturi, che persistono per solo una piccola parte di ogni ciclo di scansione (22 / 500 ms). Dopo l&#39;acquisizione dell&#39;immagine, la retur segnale elettricons alla linea di base con una forma di non-saturo oscillazione (vedi figura 3). FMRI combinato e la registrazione può essere effettuata durante lo stato di riposo (come dimostrato in questo studio) o durante stimolazione. Per gli studi di stimolo, i parametri di imaging sono gli stessi per lo studio stato di riposo, con la stimolazione elettrica delle zampe anteriori in dotazione con 9 Hz, 1 ~ 4 mA di corrente. Il ratto è eutanasia dopo la scansione finale. </li></ol> 3. Dopo l&#39;imaging e registrazione simultanee, i dati devono essere pre-trattati prima dell&#39;analisi finale. <ol><li> Cominciamo con la rimozione dei manufatti gradiente dalle registrazioni elettrofisiologiche (vedi figura 3). <ol><li> La struttura di rumore a causa di scansione può essere estratto da tutti i media ~ 500 ms (TR) sezioni, ognuna delle quali corrisponde l&#39;intervallo tra due immagini consecutive fMRI. </li><li> Sottrarre la struttura media rumore dalle registrazioni originali. Questo metodo corregge solo i segmenti di registrazione insaturi. </li><li> Ogni segmento saturo corrispondente al gradiente alternarsi durante l&#39;acquisizione dell&#39;immagine viene sostituita da una linea che passa tra il punto di tempo prima e il punto di tempo dopo il gradiente indotto saturazione. </li></ol></li><li> Le registrazioni denoised dei potenziali di campo locale (LFPs) vengono poi convertiti in corsi di tempo il potere, che avrà la stessa risoluzione temporale come il periodo di tempo fMRI. La potenza media all&#39;interno di un bin di 2 secondi è utilizzato per calcolare le frequenze più basse (bande delta, 1 ~ 4 Hz), con un bidone 1 secondo per banda theta (4 ~ 8 Hz) le frequenze, e un contenitore di circa 0,5 s tra vicini segnali saturi per frequenze più elevate (&gt; 8 Hz, alfa bande gamma). La finestra scorrevole per tutte le bande di frequenza è stata spostata con incrementi di 0,5 s, corrispondente al TR dei dati fMRI. </li><li> Per i dati di immagine, pre-elaborazione fMRI standard viene eseguita, inclusa la correzione testa del movimento, levigante immagine FWHM con 0,5 mm, e la rimozione deriva lineare. </li><li> Analisi di correlazione incrociata si svolge tra i corsi di potenza LFP tempo e il campo da tempo da ogni voxel dei dati di imaging. Ritardi variabili nel tempo consentire l&#39;esame di dipendenti dal tempo di correlazione (vedi Figura 4). </li></ol> Rappresentante dei risultati: A titolo di esempio, questa tecnica può essere utilizzata per indagare il rapporto tra attività neurale e spontanea fluttuazioni BOLD. La Figura 4 mostra le mappe di correlazione tra il potere LFP e il segnale BOLD in intervalli di tempo tra -2,5 e 9,5 s da un ratto. Le fluttuazioni a bassa frequenza BOLD (&lt;0,1 Hz) da aree corticali nei pressi della punta dell&#39;elettrodo sono correlati con i cambiamenti della forza LFP (&lt;0,1 Hz) con un ritardo di 2 ~ 6 s. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig1.jpg" alt="Figura 1" /> Figura 1. Configurazione schematica di impianto di elettrodi e regione di imaging con una bobina di superficie. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig2.jpg" alt="Figura 2" /> Figura 2. Un rappresentante coronale immagine EPI, tra le punte degli elettrodi, viene mostrato nel pannello di sinistra. Il pannello di destra mostra prime registrazioni elettrofisiologiche prima e durante l&#39;imaging. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig3.jpg" alt="Figura 3" /> Figura 3. By ingrandimento di un ciclo di scansione, si può osservare che l&#39;artefatto (verde) durante l&#39;imaging può essere rimosso dal registrazioni originali (blu). I corsi tempo denoised (rosso) sono stati utilizzati per ulteriori analisi. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig4.jpg" alt="Figura 4" /> Figura 4. Mappe coronale (da un ratto tipico) di correlazione tra il potere della spontanea attività banda delta da un elettrodo e il riposo stato del segnale BOLD al momento ritardi da -2,5 a 9,5 s. Massima correlazione si osserva in SI bilaterale a circa 4 ~ 5 s in isoflurano-ratto anestetizzato. Colore barra rappresenta 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>

Entrambe le registrazioni elettrofisiologiche e fMRI BOLD separatamente ben sviluppato tecniche. Tuttavia, allo stesso tempo di registrazione e di imaging è impegnativo a causa delle interferenze reciproche 2 delle due modalità. Qui forniamo una possibile soluzione per esperimenti combinati nel roditore. Il metodo modificato di impianto dell&#39;elettrodo riduce al minimo l&#39;influenza sulla qualità dell&#39;immagine, e la rimozione degli artefatti per le registrazioni elettrica sia necessaria per rimuov...

simultaneous fmri and electrophysiology in the rodent brain

Per esaminare le basi neurali del livello di ossigenazione del sangue dipendente (BOLD), risonanza magnetica (MRI) del segnale, abbiamo sviluppato un modello di roditore in cui dati di risonanza magnetica funzionale e<em&gt; In vivo</emRegistrazione&gt; intracorticale possono essere eseguite contemporaneamente. La combinazione di registrazione risonanza magnetica ed elettrica è tecnicamente impegnativo, perché gli elettrodi utilizzati per la registrazione di distorcere le immagini MRI e l&#39;acquisizione MRI induce rumore nella registrazione elettrica. Per ridurre al minimo l&#39;interferenza reciproca delle due modalità, microelettrodi di vetro sono stati utilizzati invece che in metallo e un algoritmo di rimozione del rumore è stato implementato per i dati di elettrofisiologia. Nei nostri studi, due microelettrodi impiantati sono stati separatamente negli accordi bilaterali corteccia somatosensoriale primaria (SI) del ratto e fissato in posizione. Una fetta coronale che copre le punte degli elettrodi è stato selezionato per la risonanza magnetica funzionale. Alberi di elettrodi e le posizioni di fissaggio non sono stati inclusi nella porzione di immagine per evitare artefatti di imaging. Il cuoio capelluto rimosso è stato sostituito con un dentifricio per ridurre la mancata corrispondenza suscettibilità ed evitare artefatti Gibbs ronzio nelle immagini. La struttura artefatto indotto nelle registrazioni elettrica dalla rapida commutazione dei campi magnetici durante l&#39;acquisizione dell&#39;immagine è stato caratterizzato da una media di tutti i cicli di scansioni per ogni esecuzione. La struttura di rumore durante l&#39;imaging è stato poi sottratto da registrazioni originali. I corsi tempo denoised sono stati poi utilizzati per ulteriori analisi, in combinazione con i dati fMRI. A titolo di esempio, la simultanea acquisizione è stata utilizzata per determinare la relazione tra i segnali spontanei fMRI BOLD e banda limitata attività intracorticale elettrica. FMRI simultanea e registrazione elettrofisiologica nei roditori fornirà una piattaforma per molte applicazioni interessanti nel campo delle neuroscienze, oltre a chiarire il rapporto tra il segnale fMRI BOLD e l&#39;attività neuronale.

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Simultaneous fMRI and Electrophysiology in the Rodent Brain

Abbiamo sviluppato un metodo per il controllo simultaneo risonanza magnetica funzionale e la registrazione elettrofisiologica del cervello dei roditori, fornendo una piattaforma per l&#39;indagine del rapporto tra attività neurale e il livello di ossigenazione blood dipendente (BOLD) segnale RM.

FMRI simultanea ed Elettrofisiologia nel cervello roditori

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 Views.  Emory University. Abbiamo sviluppato un metodo per il controllo simultaneo risonanza magnetica funzionale e la registrazione elettrofisiologica del cervello dei roditori, fornendo una piattaforma per l'indagine del rapporto tra attività neurale e il livello di ossigenazione blood dipendente (BOLD) segnale RM.

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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.

Progettazione e Costruzione di un Headstage conveniente per simultanea Stimolazione Neurale e registrazione nel Labirinto d&#39;acqua

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

Ricerca

Neuroscienze

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 combinazione di stimolazione magnetica transcranica e fMRI per esaminare il modo predefinito della rete

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-analisi della struttura e delle funzioni cerebrali con fMRI e Diffusion-weighted imaging

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.

Elettroencefalografia simultanea, in tempo reale misura della concentrazione di lattato e la manipolazione Optogenetic di attività neuronale nella corteccia cerebrale Rodentia

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 stimolazione cerebrale profonda con simultanea fMRI in Roditori

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 optogenetic stimolazione del sistema nervoso centrale Roditore

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.

Registrazione simultanea elettrofisiologici e micro-iniezioni di agenti inibitori nel cervello del roditore

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.

Personalizzato aghi per microiniezioni nel cervello del roditore

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 simultanea di più cervelli roditore

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.

Utilizzo della fluorescenza Near-Infrared e scansione ad alta risoluzione per misurare l'espressione proteica nel cervello del roditore

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 ...

Methods Article

FMRI simultanea ed Elettrofisiologia nel cervello roditori