Ringraziamo Shaili Jha e Heather Decot per l&#39;assistenza con le riprese.

Etica Dichiarazione: Questa procedura è conforme con il National Institutes of Linee guida per la salute per la ricerca animale (Guida per la cura e l&#39;uso di animali da laboratorio) ed è approvato dalla University of North Carolina Istituzionale cura degli animali e del Comitato Usa. 1. Elettrodi impianto Il primo passo è elettrodo impianto. In questa fase, un elettrodo viene unilateralmente impiantato nel nucleo subtalamico (STN), un piccolo nucleo di significato traslazionale per il morbo di Parkinson utilizzando i seguenti metodi: <ol><li> Sterilizzare tutti gli apparecchi chirurgici utilizzando un autoclave, o una soluzione antisettica dove autoclave non è possibile (ad esempio per elettrodo sterilità). Nota: questo è un intervento chirurgico la sopravvivenza a breve termine e, quindi, la tecnica asettica è essenziale. Dopo l&#39;intervento chirurgico, gli animali possono essere ripreso dopo un breve periodo di recupero (48 ore) e fino a diverse settimane più tardi. </li><li> Anestetizzare il topo (per adulti Sprague-Dawley 250-400 g) con 2,5% isoflurano somministrato attraverso intubazione endotracheale e un piccolo ventilatore animali. Fissare il topo a un frame stereotassico chirurgico e preparare il sito chirurgico utilizzando tecniche asettiche. </li><li> Preparare e assicurarsi che l&#39;elettrodo è sterile. A 2 canali elettrodi di tungsteno microconduttori fatta in casa viene utilizzato per questa procedura, anche se molti tipi di elettrodi compatibile con MRI funzionerà. Il tipo di elettrodo utilizzato può influenzare la zona di tessuto danneggiato meccanicamente dalla procedura, l&#39;area di tessuto stimolato, e la precisione di impianto, influenzando così il risultato sperimentale complessivo. Se il tipo di elettrodo non è in grado di essere autoclavato, utilizzare povidone-iodio antisettico per sterilizzare l&#39;elettrodo per quanto possibile. </li><li> Utilizzando le forbici rimuovere il cuoio capelluto sopra il sito di impianto con un diametro di circa 1,5 cm di scoprire bregma e lambda sul cranio. Rimuovere il muscolo e la fascia sovrastante il cranioe arrestare tutti emorragia con elettrocauterizzazione. </li><li> Graffiare la superficie del cranio in più direzioni, con un bisturi per migliorare l&#39;adesione del cemento dentale (passo 1,8). Livello Bregma e Lambda in direzione orizzontale. </li><li> . Per indirizzare STN, 3,6 mm posteriormente al Bregma e 2,5 mm lateralmente alla linea mediana, usare un trapano elettrico piccolo-punta a creare un buco bava misura circa 1,5 mm di diametro Nota: La posizione esatta della STN in riferimento a stereotassica coordinate possono variare da ceppo ratto, peso e sesso. Ratti adulti dello stesso sesso dovrebbero essere utilizzati per ridurre al minimo qualsiasi variazione di posizione. Se possibile, le scansioni anatomiche pre-operativi o registrazioni elettriche intraoperatorie dovrebbero essere utilizzati per identificare la posizione STN su base individuale argomento. Inoltre, i siti di terminazione elettrodi devono essere istologicamente verificati per garantire l&#39;accuratezza bersaglio. <ol><li> Fare attenzione un&#39;incisione nella dura madre, e l&#39;uso di piccole pinze smussato per spostare la dura ai lati the il foro. Smettere di ogni tipo di sanguinamento con cotone sterile imbevuto di soluzione fisiologica. Creare fori per una o più viti compatibili MR) e inserire delicatamente nel cranio finché non sono stabili. Le viti possono essere collocati in qualsiasi posizione in cui essi non interferiscono con il posizionamento del connettore esterno per l&#39;elettrodo DBS (ad es. Non direttamente dietro ipsilaterale STN all&#39;elettrodo). Si consiglia posizionamenti ai bordi laterali del cranio, idealmente posteriormente direttamente alla sutura lambda. A questo punto, il cranio è relativamente spessa, riducendo la probabilità che le viti possono danneggiare la corteccia &quot;Nota:. Viti ottone tagliati a 4-5 mm di lunghezza sono utilizzati in questo protocollo, sebbene viti di plastica sono adatti. </li></ol></li><li> Posizionare l&#39;elettrodo sul braccio stereotassica, assicurandosi che sia dritto e verticale. Toccare l&#39;elettrodo di Bregma, quindi spostare l&#39;elettrodo esattamente 3,6 millimetri posteriormente al Bregma e 2,5 mm lateralmente alla linea mediana e toccare la superficie corticalecon l&#39;elettrodo. Dalla superficie corticale, inserire l&#39;elettrodo 7,8 millimetri ventrale. Queste coordinate sono determinate con riferimento ad un atlante neuroanatomica 1. </li><li> Mettere uno strato di cemento dentale sopra il cranio, inclusi viti cranio e punto di inserimento dell&#39;elettrodo. Attendere che il cemento è completamente indurito prima di rimuovere l&#39;elettrodo dal telaio stereotassico. Piegare l&#39;elettrodo all&#39;indietro e utilizzare cemento per coprire il resto del tratto elettrodo e il connettore per la durevolezza. </li></ol> 2. fMRI Preparazione Il secondo passo è l&#39;installazione di fMRI, compreso il posizionamento della bobina e la configurazione delle apparecchiature di monitoraggio fisiologico. <ol><li> Fissare la testa dell&#39;animale per impedire il movimento durante la scansione. Nota: Un sistema di bar intraauricular plastica personalizzata viene qui utilizzato per la fissazione testa. Posizionare le barre nel canale uditivo e fissare il casco in modo che la testa ruota uniformemente in the direzione verticale senza rotazione orizzontale. Fissare la posizione della testa fissando i denti superiori all&#39;apparato. </li><li> Anestetizzare il topo completamente e monitorare end tidal CO 2 per garantire la stabilità in tutte le scansioni. Per mantenere l&#39;anestesia, ventilazione e controllo fine di marea CO 2 livelli durante la scansione, un sistema di ventilazione piccolo animale compatibile MR combinato con un vaporizzatore isoflurano è qui utilizzato, se una varietà di agenti anestetici e sedazione può essere utilizzato in modo simile. Impostare il ventilatore a 45 respiri / min con un volume moderato, circa 500 ml / min di aria come volume di partenza. Impostare la isoflurano al 2% e trasferire il topo nella stanza scansione. Collegare l&#39;uscita del ventilatore al tubo endotracheale del ratto e premere con decisione per proteggere. Capnometry deve essere acquisita tramite un tubo collegato il più vicino al connettore del tubo endotracheale possibile. Regolare il volume di ventilazione per produrre un CO di fine espirazione 2 del 2,6% al 3,3%. </li&gt; <li> Utilizzare un supporto piccolo animale compatibili con MR per inserire il topo nello scanner con un bagno di acqua calda che circola per il controllo della temperatura. Nastro il tappetino del bagno sul supporto e coprire con carta assorbente pulita. Posizionare il topo sul letto ad acqua calda. </li><li> Monitoraggio dei livelli di temperatura e di biossido di carbonio sono essenziali per BOLD fMRI, mentre la saturazione arteriosa di ossigeno e la frequenza cardiaca sono anche i parametri fisiologici utili. Inserire una sonda di temperatura rettale compatibili con MR e nastro per la base della coda, e quindi regolare la temperatura del bagno d&#39;acqua per mantenere la temperatura corporea normale a 37 ° C. Controllo saturazione arteriosa di ossigeno e frequenza cardiaca usando un piccolo sistema pulsossimetria animale, mantenendoli al 95-98% e 250-350 bpm, rispettivamente, che possono variare a seconda del tipo di anestetici utilizzati. Saturazione di ossigeno e la frequenza cardiaca sono entrambi influenzati dalla profondità dell&#39;anestesia, il volume di ventilazione e tasso di ventilazione. Volume di ventilazione e la velocità potrebbe essere necessarioessere attentamente bilanciata per mantenere adeguati livelli di CO 2 di fine espirazione e un&#39;adeguata saturazione di ossigeno. </li><li> Una bobina di superficie è necessaria per l&#39;acquisizione BOLD fMRI. Posizionare la bobina di superficie il più vicino alla superficie della testa come possibile. Una volta fissato, collocare dentifricio sulla superficie della testa sul tappo cemento al fine di ridurre gli artefatti di suscettibilità vicino alla superficie del cervello Nota:. Usiamo un ricetrasmettitore bobina di superficie casalingo con un diametro interno di circa 1,6 cm se bobine di superficie più grande può essere utilizzato per ottimizzare la risposta BOLD nelle regioni subcorticali più profondi. </li><li> Collegare l&#39;elettrodo stimolante ad un sistema stimolatore elettrico programmabile Nota:. Usiamo un TTL programmabile su misura sistema collegato a uno stimolatore bipolare per fornire impulsi elettrici sincronizzati eccitazioni RF dalle scansioni MR attivazione. </li><li> Per la sedazione e la paralisi durante l&#39;acquisizione dei dati fMRI, utilizzare un cocktail di dexmedetomidina (0,1mg / kg / ora, ip) e pancuronium (1 mg / kg / ora, ip), in combinazione con isoflurano basso dosaggio a 0,5% per evitare che l&#39;attività epilettica 2. Per infusione di farmaci, una pompa a siringa compatibile MR può essere utilizzato se la pompa deve essere collocato nell&#39;ambiente magnetico. In alternativa, una pompa Incompatibile può essere posizionato all&#39;esterno dell&#39;ambiente magnetico purché si usano tubi catetere estesa. </li></ol> 3. fMRI dati Acquistion Il terzo passo è l&#39;acquisizione fMRI, tra cui il posizionamento, spessoramento, scansioni anatomiche e scansioni funzionali. Un sistema 9.4 Tesla con bobina di superficie casalingo è qui utilizzato, sebbene questa tecnica può essere adattato ad altri sistemi ad alto campo e commercialmente fatto bobine MRI. <ol><li> Inserire il ratto nello scanner e posizione nel centro del magnete. Utilizzare un&#39;immagine esploratore tre piani per centrare con precisione il ratto all&#39;interno del magnete rispetto alle regioni cerebrali di interesse, e FastMap spessoramento a omogescere il campo magnetico in corrispondenza delle zone di interesse. </li><li> Utilizzare un sagittale T2-pesate sequenza RARE (FOV, 2,56 x 2,56 centimetri 2; dimensione della matrice, 256 x 256, spessore di strato 1,5 mm, TR / TE, 1500-1511 ms; Factor RARE, 8; Ciabatta dall&#39;alto, 180 °) per trovare la posizione della commessura anteriore, e allineare le immagini successive a questa posizione. Allineare otto fetta scansioni GE-EPI scatto singolo (FOV, 2,56 x 2,56 centimetri 2; dimensione della matrice, 96 x 96, ricostruita a 128 x 128, spessore fetta, 1 millimetro; TR / TE, 1000-1014 ms) a questo punto con orientamento coronale. </li><li> Per le scansioni funzionali, utilizzare 70 consecutivi scansioni EPI con risoluzione di 1 secondo temporale sincronizzata con l&#39;uscita di stimolazione, impostare a 20 sec di riposo, 10 stimolazione sec, seguito da 40 secondi di riposo. Lasciare un minimo di 90 secondi tra le scansioni per consentire il recupero neurovascolare. Acquisire più scansioni ripetute per ogni parametro di stimolazione per migliorare il rapporto segnale-rumore calcolando la media. Utilizzare una serie di scansioni fittizi (in genere 4-8) Immediatamente prima scansione per la riduzione del rumore. Confermare la risposta BOLD al momento dell&#39;acquisizione dell&#39;immagine per garantire il successo dell&#39;esperimento con il metodo descritto nel paragrafo 4, anche se media, coregistrazione e cranio-strippaggio possono essere saltati in questa impostazione. </li><li> Dopo la scansione funzionale è completo, utilizzare una rara sequenza T2-pesate spin-echo (FOV, 2,56 x 2,56 centimetri 2; dimensione della matrice, 256 x 256, spessore di strato, 1 mm; TR / TE, 2500/33 ms; medie, 8 ) per misurare la posizione anatomica dell&#39;elettrodo in vivo. Acquisire più sezioni coronali e sagittali per misurare la punta del manufatto elettrodo lungo anteriore / posteriore, assi ventrale mediale / laterale e dorsale / e confermare il posizionamento degli elettrodi. Microscopia ad alta risoluzione risonanza magnetica (FOV, 1,8 x 1,28 centimetri, dimensione della matrice, 360 x 256, spessore fetta, 0,5 millimetri; TR / TE, 2500/12.6 ms; fattore RARE, 8, medie, 280) possono essere utilizzati per esaminare la precisa localizzazione del tratto dell&#39;elettrodo dopo rimozione rispettoai vicini strutture neuroanatomiche e confermare l&#39;esattezza di posizionamento degli elettrodi 3. </li></ol> 4. fMRI Data Processing and Analysis Il quarto passo è l&#39;elaborazione e l&#39;analisi dei dati fMRI, compresa la produzione di mappe di risposta e calcolo della percentuale variazione del segnale BOLD. Possono essere impiegati programmi personalizzati in esecuzione all&#39;interno di un ambiente di calcolo (ad esempio MATLAB) o commerciali strumenti software fMRI (ad es. SPM, FSL, o AFNI). <ol><li> Inizia con coregistrazione immagine e la media dei dati prima entro i soggetti in base alla frequenza, seguito da tutta soggetto Nota:. Compiamo questo utilizzando i codici SPM. </li><li> Eseguire cranio nudo per rimuovere il tessuto nonbrain usando regione definita manualmente di interesse (ROI) con segnale soglia. Algoritmi cranio strippaggio automatici possono essere utilizzati. </li><li> Compilare mappe risposta calcolando il coefficiente di correlazione del rapporto tra res BOLDponse nel tempo e il paradigma di stimolazione per ciascun voxel. Ritardare il paradigma alcuni secondi per spiegare il ritardo nella risposta emodinamica può essere necessario. Impostare il livello significativa a p &lt;0.05 dopo la correzione di Bonferroni. Altri metodi statistici possono essere impiegati. Correzione per confronti multipli utilizzando casuale Field Theory o correzione a livello di cluster basato su gaussiana casuale campo può essere eseguito in luogo della correzione Bonferroni per analisi più sensibile 4 Nota:. Il ritardo emodinamica può variare in base alle regioni cerebrali mirati, agenti farmacologici utilizzati, e parametri fisiologici. E &#39;fondamentale controllare questi parametri al fine di evitare la variabilità intra-soggetto e tra soggetti. </li><li> Quantificare la risposta BOLD definendo un ROI per estrarre i dati in tempo portate. Media la variazione del segnale per cento attraverso tutti i voxel all&#39;interno della stessa struttura anatomica. Analisi voxel-wise utilizzando il modello lineare generale può essere utilizzato anche 5. </li></ol>

<ol>
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Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+scenario+for+negative+functional+magnetic+resonance+imaging+signals:+endogenous+neurotransmission.">A new scenario for negative functional magnetic resonance imaging signals: endogenous neurotransmission.</a> J. Neurosci. 29, 3036-3044 (2009).</li><li>Shih, Y. Y., Wey, H. Y., De La Garza, B. H., Duong, T. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Striatal+and+cortical+BOLD,+blood+flow,+blood+volume,+oxygen+consumption,+and+glucose+consumption+changes+in+noxious+forepaw+electrical+stimulation.">Striatal and cortical BOLD, blood flow, blood volume, oxygen consumption, and glucose consumption changes in noxious forepaw electrical stimulation.</a> J. Cereb. 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H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Global+and+local+fMRI+signals+driven+by+neurons+defined+optogenetically+by+type+and+wiring.">Global and local fMRI signals driven by neurons defined optogenetically by type and wiring.</a> Nature. 465, 788-792 (2010).</li><li>Carmichael, D. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+MRI+with+active,+fully+implanted,+deep+brain+stimulation+systems:+safety+and+experimental+confounds.">Functional MRI with active, fully implanted, deep brain stimulation systems: safety and experimental confounds.</a> NeuroImage. 37, 508-517 (2007).</li><li>Tagliati, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Safety+of+MRI+in+patients+with+implanted+deep+brain+stimulation+devices.">Safety of MRI in patients with implanted deep brain stimulation devices.</a> NeuroImage. 47 Suppl 2, 53-57 (2009).</li></ol>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Simultanea DBS e fMRI rappresenta un toolkit sperimentale promettente per l&#39;identificazione e la caratterizzazione delle risposte globali a valle alla stimolazione circuito neurale, in vivo. Il principale vantaggio di questa tecnica rispetto ad altri strumenti disponibili, come le registrazioni elettrofisiologiche, risiede nella natura relativamente imparziale di fMRI, per cui una vasta e diversificata area di tessuto cerebrale può essere esaminato per tempi di risposta di DBS in qualsiasi bersaglio. Sebbe...

Determinare gli effetti a valle globali delle attività del circuito neurale rappresenta una sfida importante e obiettivo per molte aree dei sistemi neuroscienze. Una scarsità di strumenti attualmente disponibili che soddisfano questa esigenza, e quindi vi è una richiesta di maggiore accessibilità delle opportune configurazioni sperimentali. Uno di questi metodi per valutare l&#39;effetto globale di attivazione circuito neurale si basa sull&#39;applicazione simultanea di profonda stimolazione elettrica del cervello (DBS) e risonanza magnetica funzionale (fMRI). DBS-fMRI permette l&#39;individuazione di risposte a valle all&#39;attivazione circuito su larga scala spaziale, e può essere applicato a qualsiasi bersaglio stimolazione. Questo set di strumenti è molto adatto per studi preclinici traslazionali, compresa la caratterizzazione delle risposte alla stimolazione ad alta frequenza terapeutico. Oltre a accesso ad uno scanner adatto MRI, successo esperimenti DBS-fMRI richiedono considerazione di una serie di variables, compreso il tipo di elettrodo, metodo sedazione, e la manutenzione dei parametri fisiologici. Ad esempio, la scelta dell&#39;elettrodo dovrebbe essere basata su fattori relativi alla stimolazione efficacia (ad es. Dimensioni piombo e conduttanza, mono-vs bipolare), così come la compatibilità MR ed elettrodo formato manufatto. Artefatti elettrodi variano in funzione del materiale dell&#39;elettrodo e dimensioni, così come la sequenza di scansione utilizzata; approfondita test pre-sperimentale dovrebbe essere impiegato per determinare il tipo di elettrodo appropriato per ciascuno studio. In generale, gli elettrodi di tungsteno Microconduttori sono raccomandati per questo protocollo. Scelta di paralitica e sedativo dovrebbe essere fatto per immobilizzare efficacemente l&#39;animale e ridurre gli effetti soppressivi di alcuni sedativi sul segnale di livello di ossigeno nel sangue-dipendente (BOLD). Infine, è fondamentale per mantenere l&#39;animale a parametri fisiologici ottimale, inclusa la temperatura corporea e la saturazione di ossigeno. Il protocollo che abbiamo sviluppato per la DBS-FMRI supera molti di questi potenziali ostacoli, e nelle nostre mani, fornisce risultati robusti e coerenti. Inoltre, queste procedure sperimentali possono essere facilmente adottati per la combinazione di fMRI con metodi di stimolazione alternativi, tra cui la stimolazione optogenetic.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="573">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:216px;">Isoflurane (Forane)</td>
			<td style="width:71px;">Baxter</td>
			<td style="width:119px;">1001936060</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:216px;">Dexmedetomidine (Dexdomitor)</td>
			<td style="width:71px;">Pfizer</td>
			<td style="width:119px;">145108-58-3</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:216px;">Pancuronium Bromide</td>
			<td style="width:71px;">Selleckchem</td>
			<td style="width:119px;">S2497</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:216px;">9.4T Small Animal MRI</td>
			<td style="width:71px;">Bruker</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:167px;">BioSpec System with BGA-9S gradient</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:216px;">Sterotactic Frame</td>
			<td style="width:71px;">Kopf</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:167px;">Model 962</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:216px;">Small Animal Ventilator</td>
			<td style="width:71px;">CWE, Inc.&#160;</td>
			<td style="width:119px;">12-02100</td>
			<td style="width:167px;">Model SAR-830</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:216px;">Dental Cement</td>
			<td style="width:71px;">A-M Systems</td>
			<td style="width:119px;">525000</td>
			<td style="width:167px;">Teets Cold Curing</td>
		</tr>
		<tr height="85">
			<td height="85" style="height:85px;width:216px;">MouseOx Plus System</td>
			<td style="width:71px;">STARR Life Science Corp.</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="64">
			<td height="64" style="height:64px;width:216px;">Capnometer</td>
			<td style="width:71px;">Surgivet, Smith Medical</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:167px;">V9004 Series</td>
		</tr>
		<tr height="85">
			<td height="85" style="height:85px;width:216px;">Stimulus Isolator</td>
			<td style="width:71px;">World Precision Instruments</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:167px;">Model A365</td>
		</tr>
		<tr height="64">
			<td height="64" style="height:64px;width:216px;">MR-compatible Brass Screws</td>
			<td style="width:71px;">McMaster Carr</td>
			<td>94070A031</td>
			<td style="width:167px;">0-80 thread size, 1/4 inch. Can be cut to desired length.</td>
		</tr>
		<tr height="64">
			<td height="64" style="height:64px;width:216px;">Tungsten Wire</td>
			<td style="width:71px;">California Fine Wire Company</td>
			<td>100211</td>
			<td style="width:167px;">Used to construct MR-compatible stimulating microelectrode</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:216px;">Syringe Pump</td>
			<td style="width:71px;">Harvard Appartus</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:167px;">Model PHD 2000 (not MRI-compatible)</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

deep brain stimulation with simultaneous fmri in rodents

Per visualizzare le risposte neuronali globali e valle a stimolazione cerebrale profonda (DBS) a vari obiettivi, abbiamo sviluppato un protocollo per l&#39;utilizzo del livello di ossigeno nel sangue dipendente (BOLD), la risonanza magnetica funzionale (fMRI) per roditori di immagine con simultanea DBS. DBS fMRI presenta una serie di sfide tecniche, tra cui la precisione di elettrodi impianto, MR artefatti creati dalla elettrodo, scelta dell&#39;anestesia e paralitico per ridurre al minimo gli effetti neuronali e contemporaneamente eliminando il movimento degli animali, e il mantenimento di parametri fisiologici, deviazione da cui è possibile confondere la segnale BOLD. Il nostro laboratorio ha sviluppato una serie di procedure che sono in grado di superare la maggior parte di questi possibili problemi. Per la stimolazione elettrica, viene utilizzato un tungsteno bipolare microelettrodo casalingo, stereotactically inserito nel sito di stimolazione nel soggetto anestetizzato. In preparazione per l&#39;imaging, i roditori sono fissati su un copricapo di plastica etrasferito al foro del magnete. Per la sedazione e paralisi durante la scansione, un cocktail di dexmedetomidina e pancuronio è continuamente infuso, insieme a una dose minima di isoflurano; questa preparazione minimizza l&#39;effetto massimale BOLD degli anestetici volatili. In questo esperimento esempio, la stimolazione del nucleo subtalamico (STN) produce risposte BOLD che si osservano soprattutto nelle regioni corticali omolaterali, centrato in corteccia motoria. Simultanea DBS e fMRI permette la modulazione univoca dei circuiti neurali dipende dalla posizione di stimolazione e parametri di stimolazione, e permette l&#39;osservazione di modulazioni neuronali gratuitamente polarizzazione regionale. Questa tecnica può essere utilizzata per esplorare gli effetti a valle di modulazione circuiti neurali in quasi ogni regione del cervello, con implicazioni sia sperimentale e clinica DBS.

Dati funzionali rappresentativi sono stati acquisiti secondo il protocollo sopra in un singolo ratto con un elettrodo di stimolazione impiantato nel nucleo subtalamico sul lato destro. Un esempio di configurazione essenziale per DBS fMRI acquisizione dell&#39;immagine è fornito in Figura 1. La stimolazione è stata applicata coerente con il protocollo di cui sopra, con un&#39;ampiezza di 0,3 mA, frequenza di 130 Hz e larghezza di impulso di 0,09 msec. L&#39;attivazione robusta di corteccia motoria ipsi...

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Deep Brain Stimulation with Simultaneous fMRI in Rodents

Questo protocollo descrive un metodo standard per la simultanea risonanza magnetica funzionale e la stimolazione cerebrale profonda nei roditori. L&#39;uso combinato di questi strumenti sperimentali consente l&#39;esplorazione di attività downstream globale in risposta alla stimolazione elettrica a qualsiasi bersaglio cervello.

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 ...

deep-brain-stimulation-with-simultaneous-fmri-in-rodents

Research

JoVE Journal

Neuroscience

14.0K Views.  University of North Carolina.  Questo protocollo descrive un metodo standard per la simultanea risonanza magnetica funzionale e la stimolazione cerebrale profonda nei roditori. L'uso combinato di questi strumenti sperimentali consente l'esplorazione di attività downstream globale in risposta alla stimolazione elettrica a qualsiasi bersaglio cervello. 

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Simultaneous fMRI and Electrophysiology in the Rodent Brain

To examine the neural basis of the blood oxygenation level dependent (BOLD) magnetic resonance imaging (MRI) signal, we have developed a rodent model in which functional MRI data and in vivo intracortical recording can be performed simultaneously. The combination of MRI and electrical recording is technically challenging because the electrodes used for recording distort the MRI images and the MRI acquisition induces noise in the electrical recording. To minimize the mutual interference of the two modalities, glass microelectrodes were used rather than metal and a noise removal algorithm was implemented for the electrophysiology data. In our studies, two microelectrodes were separately implanted in bilateral primary somatosensory cortices (SI) of the rat and fixed in place. One coronal slice covering the electrode tips was selected for functional MRI. Electrode shafts and fixation positions were not included in the image slice to avoid imaging artifacts. The removed scalp was replaced with toothpaste to reduce susceptibility mismatch and prevent Gibbs ringing artifacts in the images. The artifact structure induced in the electrical recordings by the rapidly-switching magnetic fields during image acquisition was characterized by averaging all cycles of scans for each run. The noise structure during imaging was then subtracted from original recordings. The denoised time courses were then used for further analysis in combination with the fMRI data. As an example, the simultaneous acquisition was used to determine the relationship between spontaneous fMRI BOLD signals and band-limited intracortical electrical activity. Simultaneous fMRI and electrophysiological recording in the rodent will provide a platform for many exciting applications in neuroscience in addition to elucidating the relationship between the fMRI BOLD signal and neuronal activity.

We have developed a method for simultaneous functional magnetic resonance imaging and electrophysiological recording in the rodent brain, providing a platform for the investigation of the relationship between neural activity and the blood oxygenation level dependent (BOLD) MRI signal.

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 ...

Ricerca

Neuroscienze

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 ...

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 ...

TMS: Using the Theta-Burst Protocol to Explore Mechanism of Plasticity in Individuals with Fragile X Syndrome and Autism

Fragile X Syndrome (FXS), also known as Martin-Bell Syndrome, is a genetic abnormality found on the X chromosome.1,2 Individuals suffering from FXS display abnormalities in the expression of FMR1 - a protein required for typical, healthy neural development.3 Recent data has suggested that the loss of this protein can cause the cortex to be hyperexcitable thereby affecting overall patterns of neural plasticity.4,5
In addition, Fragile X shows a strong comorbidity with autism: in fact, 30% of children with FXS are diagnosed with autism, and 2 - 5% of autistic children suffer from FXS.6
Transcranial Magnetic Stimulation (a non-invasive neurostimulatory and neuromodulatory technique that can transiently or lastingly modulate cortical excitability via the application of localized magnetic field pulses 7,8) represents a unique method of exploring plasticity and the manifestations of FXS within affected individuals. More specifically, Theta-Burst Stimulation (TBS), a specific stimulatory protocol shown to modulate cortical plasticity for a duration up to 30 minutes after stimulation cessation in healthy populations, has already proven an efficacious tool in the exploration of abnormal plasticity.9,10 
Recent studies have shown the effects of TBS last considerably longer in individuals on the autistic spectrum - up to 90 minutes.11 This extended effect-duration suggests an underlying abnormality in the brain's natural plasticity state in autistic individuals - similar to the hyperexcitability induced by Fragile X Syndrome.
In this experiment, utilizing single-pulse motor-evoked potentials (MEPs) as our benchmark, we will explore the effects of both intermittent and continuous TBS on cortical plasticity in individuals suffering from FXS and individuals on the Autistic Spectrum.

In this article, we examine the effects of Theta-Burst TMS stimulation on cortical plasticity in individuals suffering from Fragile X syndrome and individuals on the autistic spectrum.

TMS: Utilizzo del Theta Burst protocollo Esplora Mechasnism di plasticità in individui con Sindrome X Fragile e autismo

Fragile X Syndrome (FXS), also known as Martin-Bell Syndrome, is a genetic abnormality found on the X chromosome.1,2 Individuals suffering from FXS ...

The NeuroStar TMS Device: Conducting the FDA Approved Protocol for Treatment of Depression

The Neuronetics NeuroStar Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) System is a class II medical device that produces brief duration, pulsed magnetic fields. These rapidly alternating fields induce electrical currents within localized, targeted regions of the cortex which are associated with various physiological and functional brain changes.1,2,3
In 2007, O'Reardon et al., utilizing the NeuroStar device, published the results of an industry-sponsored, multisite, randomized, sham-stimulation controlled clinical trial in which 301 patients with major depression, who had previously failed to respond to at least one adequate antidepressant treatment trial, underwent either active or sham TMS over the left dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC). The patients, who were medication-free at the time of the study, received TMS five times per week over 4-6 weeks.4
The results demonstrated that a sub-population of patients (those who were relatively less resistant to medication, having failed not more than two good pharmacologic trials) showed a statistically significant improvement on the Montgomery-Asberg Depression Scale (MADRS), the Hamilton Depression Rating Scale (HAMD), and various other outcome measures. In October 2008, supported by these and other similar results5,6,7, Neuronetics obtained the first and only Food and Drug Administration (FDA) approval for the clinical treatment of a specific form of medication-refractory depression using a TMS Therapy device (FDA approval K061053).
In this paper, we will explore the specified FDA approved NeuroStar depression treatment protocol (to be administered only under prescription and by a licensed medical profession in either an in- or outpatient setting).

In this article, we examine the methodology and considerations relevant to the FDA approved depression treatment protocol using the Neuronetics NeuroStar TMS device.

Il dispositivo TMS NeuroStar: Condurre la FDA ha approvato protocollo per il trattamento della depressione

The Neuronetics NeuroStar Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) System is a class II medical device that produces brief duration, pulsed magnetic ...

Analysis of Gene Expression Changes in the Rat Hippocampus After Deep Brain Stimulation of the Anterior Thalamic Nucleus

Deep brain stimulation (DBS) surgery, targeting various regions of the brain such as the basal ganglia, thalamus, and subthalamic regions, is an effective treatment for several movement disorders that have failed to respond to medication. Recent progress in the field of DBS surgery has begun to extend the application of this surgical technique to other conditions as diverse as morbid obesity, depression and obsessive compulsive disorder. Despite these expanding indications, little is known about the underlying physiological mechanisms that facilitate the beneficial effects of DBS surgery. One approach to this question is to perform gene expression analysis in neurons that receive the electrical stimulation. Previous studies have shown that neurogenesis in the rat dentate gyrus is elicited in DBS targeting of the anterior nucleus of the thalamus1. DBS surgery targeting the ATN is used widely for treatment refractory epilepsy. It is thus of much interest for us to explore the transcriptional changes induced by electrically stimulating the ATN. In this manuscript, we describe our methodologies for stereotactically-guided DBS surgery targeting the ATN in adult male Wistar rats. We also discuss the subsequent steps for tissue dissection, RNA isolation, cDNA preparation and quantitative RT-PCR for measuring gene expression changes. This method could be applied and modified for stimulating the basal ganglia and other regions of the brain commonly clinically targeted. The gene expression study described here assumes a candidate target gene approach for discovering molecular players that could be directing the mechanism for DBS.

The mechanism underlying the therapeutic effects of Deep Brain Stimulation (DBS) surgery needs investigation. The methods presented in this manuscript describe an experimental approach to examine the cellular events triggered by DBS by analyzing the gene expression profile of candidate genes that can facilitate neurogenesis post DBS surgery.

Analisi delle variazioni di espressione genica nel Rat Hippocampus Dopo stimolazione cerebrale profonda del nucleo anteriore talamiche

Deep brain stimulation (DBS) surgery, targeting various regions of the brain such as the basal ganglia, thalamus, and subthalamic regions, is an effective ...

Acrylic Resin Molding Based Head Fixation Technique in Rodents

Head fixation is a technique of immobilizing animal's head by attaching a head-post on the skull for rigid clamping. Traditional head fixation requires surgical attachment of metallic frames on the skull. The attached frames are then clamped to a stationary platform resulting in immobilization of the head. However, metallic frames for head fixation have been technically difficult to design and implement in general laboratory environment. In this study, we provide a novel head fixation method. Using a custom-made head fixation bar, head mounter is constructed during implantation surgery. After the application of acrylic resin for affixing implants such as electrodes and cannula on the skull, additional resins applied on top of that to build a mold matching to the port of the fixation bar. The molded head mounter serves as a guide rails, investigators conveniently fixate the animal&#8217;s head by inserting the head mounter into the port of the fixation bar. This method could be easily applicable if implantation surgery using dental acrylics is necessary and might be useful for laboratories that cannot easily fabricate CNC machined metal head-posts.

Traditional head fixation techniques have used metallic frames attached on the skull as an interface for head fixation apparatus. This protocol demonstrates a frameless, acrylic resin molding based head fixation technique for behavioral tasks in rodents.

Acrilico Resina Molding Based Testa tecnica di fissazione in Roditore

Head fixation is a technique of immobilizing animal's head by attaching a head-post on the skull for rigid clamping. Traditional head fixation requires ...

Transcranial Electrical Brain Stimulation in Alert Rodents

Transcranial electrical brain stimulation can modulate cortical excitability and plasticity in humans and rodents. The most common form of stimulation in humans is transcranial direct current stimulation (tDCS). Less frequently, transcranial alternating current stimulation (tACS) or transcranial random noise stimulation (tRNS), a specific form of tACS using an electrical current applied randomly within a pre-defined frequency range, is used. The increase of noninvasive electrical brain stimulation research in humans, both for experimental and clinical purposes, has yielded an increased need for basic, mechanistic, safety studies in animals. This article describes a model for transcranial electrical brain stimulation (tES) through the intact skull targeting the motor system in alert rodents. The protocol provides step-by-step instructions for the surgical set-up of a permanent epicranial electrode socket combined with an implanted counter electrode on the chest. By placing a stimulation electrode into the epicranial socket, different electrical stimulation types, comparable to tDCS, tACS, and tRNS in humans, can be delivered. Moreover, the practical steps for tES in alert rodents are introduced. The applied current density, stimulation duration, and stimulation type may be chosen depending on the experimental needs. The caveats, advantages, and disadvantages of this set-up are discussed, as well as safety and tolerability aspects.

This protocol describes a surgical set-up for a permanent epicranial electrode socket and an implanted chest electrode in rodents. By placing a second electrode into the socket, different types of transcranial electrical brain stimulation can be delivered to the motor system in alert animals through the intact skull.

Stimolazione elettrica cerebrale transcranica in roditori avvisi

Transcranial electrical brain stimulation can modulate cortical excitability and plasticity in humans and rodents. The most common form of stimulation in ...

Real-Time fMRI Brain Mapping in Animals

Dynamic fMRI responses vary largely according to the physiological conditions of animals either under anesthesia or in awake states. We developed a real-time fMRI platform to guide experimenters to monitor fMRI responses instantaneously during acquisition, which can be used to modify the physiology of animals to achieve desired hemodynamic responses in animal brains. The real-time fMRI set-up is based on a 14.1T preclinical MRI system, enabling the real-time mapping of dynamic fMRI responses in the primary forepaw somatosensory cortex (FP-S1) of anesthetized rats. Instead of a retrospective analysis to investigate confounding sources leading to the variability of fMRI signals, the real-time fMRI platform provides a more effective scheme to identify dynamic fMRI responses using customized macro-functions and a common neuroimage analysis software in the MRI system. Also, it provides immediate troubleshooting feasibility and a real-time biofeedback stimulation paradigm for brain functional studies in animals.

Animal brain functional mapping can benefit from the real-time functional magnetic resonance imaging (fMRI) experimental set-up. Using the latest software implemented in the animal MRI system, we established a real-time monitoring platform for small animal fMRI.

Mappatura cerebrale fMRI in tempo reale negli animali

Dynamic fMRI responses vary largely according to the physiological conditions of animals either under anesthesia or in awake states. We developed a ...

In vivo Positron Emission Tomography to Reveal Activity Patterns Induced by Deep Brain Stimulation in Rats

Deep brain stimulation (DBS) is an invasive neurosurgical technique based on the application of electrical pulses to brain structures involved in the patient&#39;s pathophysiology. Despite the long history of DBS, its mechanism of action and appropriate protocols remain unclear, highlighting the need for research aiming to solve these enigmas. In this sense, evaluating the in vivo effects of DBS using functional imaging techniques represents a powerful strategy to determine the impact of stimulation on brain dynamics. Here, an experimental protocol for preclinical models (Wistar rats), combined with a longitudinal study [18F]-fluorodeoxyclucose positron emission tomography (FDG-PET), to assess the acute consequences of DBS on brain metabolism is described. First, animals underwent stereotactic surgery for bilateral implantation of electrodes into the prefrontal cortex. A post-surgical computerized tomography (CT) scan of each animal was acquired to verify electrode placement. After one week of recovery, a first static FDG-PET of each operated animal without stimulation (D1) was acquired, and two days later (D2), a second FDG-PET was acquired while animals were stimulated. For that, the electrodes were connected to an isolated stimulator after administering FDG to the animals. Thus, animals were stimulated during the FDG uptake period (45 min), recording the acute effects of DBS on brain metabolism. Given the exploratory nature of this study, FDG-PET images were analyzed by a voxel-wise approach based on a paired T-test between D1 and D2 studies. Overall, the combination of DBS and imaging studies allows describing the neuromodulation consequences on neural networks, ultimately helping to unravel the conundrums surrounding DBS.

In vivo Positron Emission Tomography to Reveal Activity Patterns Induced by Deep Brain Stimulation in Rats

We describe a preclinical experimental method to evaluate metabolic neuromodulation induced by acute deep brain stimulation with in vivo FDG-PET. This manuscript includes all experimental steps, from stereotaxic surgery to the application of the stimulation treatment and the acquisition, processing, and analysis of PET images.

In vivo Tomografia ad emissione di positroni per rivelare i modelli di attività indotti dalla stimolazione cerebrale profonda nei ratti

Deep brain stimulation (DBS) is an invasive neurosurgical technique based on the application of electrical pulses to brain structures involved in the ...