バーミンガムファカルティディベロップメント助成プログラムのアラバマ大学で提供されるサポートしています。

<html> 1。精神生理学モンテシステム、（株）生理学的モニタリングシステムは、（特定の機器の表を参照）ほとんどの画像処理施設における非標準装備です。生理学的モニタリングとこのプロトコールに記載されて他の機器（図1）を設定する前に参加者の到着まで15〜30分のスケジュールを設定します。 <ol><li>標準のイーサネットクロスオーバーケーブルを（CBLETH2）を使用してBIOPAC MP150（MP150WSW）に制御室のコンピュータのオペレーティングAcqKnowledge（モンテシステム、（株））生理的な監視ソフトウェアを接続してください。 </li><li> DB25 M / Fリボンケーブルを使用して、ソフトウェア、制御室のコンピュータのオペレーティングプレゼンテーション（アルバニー、カリフォルニア州神経行動システムズ株式会社）にBIOPAC絶縁型デジタルインターフェース（STP100C）を接続します。 </li><li>シールド延長ケーブル（MECMRI - 3）を使用して制御室内のRF干渉フィルター（MRIRFIF）にBIOPAC GSRアンプ（EDA - 100C - MRI）を接続します。 </li><li> MRIスキャンのチャンバー内にシールド延長ケーブルへのRF干渉フィルター（MRIRFIF）（MECMRI - 1）を接続します。 </li><li>ラジオ透明電極（EL508）に接続する炭素繊維のリード線（リード108）にシールド延長ケーブルを接続します。注：タイトなスパイラルにリード線をツイストは、スキャン中に作成することができる皮膚コンダクタンスデータのアーティファクトを減らします。 </li><li>参加者の左手の中指、薬指の末節骨にラジオ透明電極（EL508）を取り付けます。 </li><li>機器をスキャンの性質のため、MRI室の部屋の温度はしばしば21℃以下に設定されています手の温度を維持するために毛布を持つ参加者をカバーする。 </li></ol> 2。行動反応（ジョイスティック） <ol><li> USB -ミニケーブルを使用して、ジョイスティックのfORPインタフェースユニット（フィラデルフィア、ペンシルバニア州、現在の設計、株式会社）に、制御室のコンピュータのオペレーティングプレゼンテーションソフト（アルバニー、カリフォルニア州神経行動システムズ株式会社）を接続します。 </li><li>制御室内fORPインタフェースユニットへの光ファイバケーブルを接続し、MRI室に導波管にケーブルを通しやすくします。 </li><li> MR -互換のジョイスティックに光ファイバーケーブルを接続します。 </li><li>位置に到達するための快適かつ簡単にジョイスティックを配置するために直接参加。 </li></ol> 3。刺激提示<ol><li> IFIS - SA（Invivo社、オーランド、フロリダ州）制御室のコンソール（図1）の外部VGAポートとオーディオポートに制御室のコンピュータのオペレーティングプレゼンテーションソフトウェアを接続してください。 </li><li> IFISの制御室のコンソールとIFISペリフェラルインタフェースユニットMRI室内だけでなく、周辺機器インタフェースユニットおよびオーディオ/ビジュアルディスプレイユニット間の接続の間に光ファイバケーブルの接続を確認してください。 </li><li>参加者は、ヘッドコイルに接続されたミラーを介してモニターを見ることができるようなヘッドコイルの後ろにオーディオ/ビジュアルディスプレイユニットを置きます。 </li><li>ビニールチューブを使用してIFISシステムのMR -互換のステレオヘッドフォンにオーディオ/ビジュアルディスプレイユニットの音響インターフェースボックスを接続します。 </li><li>音圧レベル計を用いて聴覚刺激の音量を校正します。 </li></ol> 4。実験手順<ol><li> 2トーンが試験中に何度も提示されること、そして音の音量が上下にそ​​の知覚閾値（図2）変化することを参加者に通知する。 </li><li>直接参加者は0〜100スケール（図3）上の評価のバーの位置を制御するためにジョイスティックを動かして、UCSを受けての彼らの期待を更新するし、どちらかの音を聞いた直後にジョイスティックボックスのボタンをプッシュする。 </li><li> 0から100までの連続的な規模でそのUCS寿命を評価するために、参加者に指示します。 0のユーザ評価を基にして彼らはUCSが提示されることはありませんが確実なことを示すことを知らせる、50の格付けは、UCSが提示されるかどうか不明な示し、そして100の定格は、UCSが提示されるが確実な示している。直接参加者は、中間の期待を示すために、規模で他の値を使用する。その後、参加者が評価をするためにジョイスティックを使用して練習することができます。 </li><li>条件刺激（CS）とUCSのような大声でホワイトノイズ（100デシベル、500ミリ秒）として2トーン（20代ITI; 10秒持続時間700＆1300 Hz）を用いて差動の恐怖条件付けの手続きへの参加者を公開します。 </li><li> CS +（UCSでcoterminating）と同じCSの3回以上の試行が連続して記載されているような疑似ランダム順でCS -（UCSなしで提示さ）の60試験の現在の60試験。 </li><li>カウンターバランスCS +とCS -間の参加者としてのトーン。 </li><li> CS +とCS -独立のボリュームを調節している。同じCSを持つ後続の試行でCSの音量を調整します。ボタンの押下が（認知裁判に続くすなわち）とした場合、CSのボリューム5dBと減少する。 （人目に審理の後、すなわち）ボタンを押すが行われていない場合、ボリューム5dBと増加する。 </li></ol><html> ve_title&quot;&gt; 5。スキャンの手順<ol><li>機能的なデータのための解剖学的な基準となる標準的な高分解能T1強調構造の画像を（例えばMPRAGE）収集。 </li><li>コンディショニングの手順の間に脳全体のBOLD fMRIを収集する。三十六、4mm厚のスライスは、比較的標準撮像パラメータ（例えば、TR = 2000ミリ秒、TE = 30ミリ秒、FOV = 24センチメートル、64x64のマトリクス）で脳をカバーする十分なはずです。 fMRIのトリガーボックスを使用して刺激提示によるfMRIの買収を同期させる。 </li></ol> 6。 SCRデータ収集＆分析<ol><li> AcqKnowledgeソフトウェアとセクション1で説明したMR -互換性のあるBIOPAC生理学的モニタリングシステムを用いて2000 Hzでサンプルの皮膚コンダクタンス。 </li><li> （図4を参照）撮像中に生成されたアーティファクトを減らすために皮膚コンダクタンスデータから1 Hzの無限インパルス応答（IIR）ローパスデジタルフィルタを適用します。 </li><li> 250ヘルツで皮膚コンダクタンスデータを再サンプリングします。 </li><li>応答の開始から応答のピークに皮膚コンダクタンスレベルの差としてSCRを計算する。 </li><li> SCRのデータは統計分析の前に、応答振幅の分布を正規化するために変換された平方根になります。 </li></ol> 7。 UCS寿命データ収集＆分析<ol><li>サンプル（40 Hz）とプレゼンテーションソフトを使用してレコードUCS寿命データ。 </li><li> CSのプレゼンテーションの最後の秒間の平均値（1秒サンプル）応答としてUCS余命を計算する。 </li></ol> 8。機能的MRIデータ収集＆分析<ol><li>機能的画像解析ソフトウェアのパッケージを（例：AFNI 18）を使用して脳画像データ（例えばスライスのタイミングの補正、画像の登録、空間スムージング）の完全な標準のプリプロセッサ。 </li><li>標準的な迷惑（例えば運動）と、CS +とCS -だけでなく、UCSの感知と人目に試験のための刺激ベースの説明変数を作成します。 </li><li>モーターの応答ベースのボタンを押したときの反応にかかわる運動を考慮するための迷惑リグレッサとして機能する基準波形を作成します。 <ol class="lalpha"><li>スティックの機能を作成して、そのボタンを押したときの応答のタイミングのためのコード。 </li><li>標準的な血行動態応答関数（HRF）でボタンを押したときのスティックの機能をコンボリューション。 </li></ol></li><li>モーターの応答ベースのジョイスティックの反応にかかわる運動を考慮するための迷惑リグレッサとして機能する基準波形を作成します。 <ol class="lalpha"><li> UCS寿命定格の傾きの変化（例えば、傾きの絶対値&gt; 10）のタイミングのためのコードがそのスティックの関数を作成します。 </li><li>正規のHRFとジョイスティックの傾きスティックの機能をコンボリューション。 </li></ol></li><li>すべての刺激ベースと迷惑リグレッサを使用して最初のレベルの分析を行います。 </li><li>アクティベーションはCSタイプ、知覚の主効果、またはCSタイプXの知覚の相互作用の主効果を示している領域を識別するための測定ANOVAを繰り返さ番目のレベルを実行します。 </li></ol> 9。代表的な結果： 方法論は、知覚されたCS -試験（図5）10,15,19の間に知覚されるCS +試験と低格付けの間に比較的高いUCS寿命の評価でここに典型的に結果を発表した。このような結果は、参加者は、CS - UCS不測の事態に気づいていることを示します。人目に臨床試験で、UCSの寿命定格は、通常、事前にCSの評価変わりません。 50を示す参加者がUCSが10,15,19（図5）を提示されるかどうかがわからないの近くにこのような人目にCS +とCS -試験に関するUCSの寿命は一般的に落ちる。人目にCS +とする差動UCS寿命の評価を生成するためには、このことができない参加者が人目にコンディショニング試験（図6）に、その不測の事態の認識を表現することができないことがCSを示します。対照的に、SCRの学習に関連する変更は、両方の知覚と人目にコンディショニング試験10,15,19の間に観察されている。具体的には、SCRのは、知覚よりも知覚CS +に大きくなったCS -。同様に、大規模なSCRは人目にCSの間に実証されている+ CS -試験10,15,19（図6）人目よりも。一緒に、これらの行動と自律神経のデータが人目に試験に関するコンティンジェンシー意識することなく知覚試験に関するコンティンジェンシーを意識した恐怖条件付け、および恐怖条件付けを示しています。この方法論を使用して機能イメージング研究は、知覚上の学習に関連する海馬活性化が、人目にないコンディショニング試験15（図7）実証されています。対照的に、差動扁桃体の活動は、両方認識し、人目にコンディショニング試験15日に観察された。これらの知見は、扁桃体は意識がある場合とない場合のCR式をサポートしている間に海馬は、不測の事態の認識に関連するプロセスをサポートしているという見解と一致している。 / 3083/3083fig1.jpg&quot;ALT =&quot;図1&quot;/&gt; 図1。刺激提示と行動/心理生理学的反応のモニタリングのための基本的な設備の図。プレゼンテーションソフトウェアは、右手でジョイスティックを動かすことによって作られた視聴覚刺激とモニターUCS寿命の評価を表示するために使用されます。 AcqKnowledgeソフトウェアとBIOPAC機器は、左側から皮膚コンダクタンスを監視するために使用されています。固体（モンテ）は、単一の（IFISオーディオビジュアル）の破線、および二重破線は（光ファイバージョイスティック）別個の刺激提示と応答監視システム用のケーブルを表しています。黒い矢印は、情報の流れの方向を示している。 <img src="/files/ftp_upload/3083/3083fig2.jpg" alt="図2"/> 図2。条件刺激。 CS +とCS -に同じCSの3回以上の試行が連続して提示されるように、擬似乱数の順番を提示する。 CS +とCS -独立のボリュームを変化させる。 CSが（ボタンを押すことによって示される）認識されている場合は、同じCSのその後の裁判にCSのボリューム5dBと減少。 CSが（ないボタンの押しで示される）人目にされている場合は、同じCSとその後の裁判でCSのボリューム5デシベルを上げる。 <img src="/files/ftp_upload/3083/3083fig3.jpg" alt="図3"/> 図3。UCS寿命の評価スケール。参加者は0〜100のスケールでUCSのプレゼンテーションの彼らの期待を評価するように指示します。 0のユーザ評価を基にしてUCSを提示されない確実性を示すため、100の定格は、UCSが提示される確実性を示し、50の格付けは、UCSが提示されるかどうかの不確実性を反映している。中間評価は、UCSの寿命の階調を示すために使用する必要があります。 <img src="/files/ftp_upload/3083/3083fig4.jpg" alt="図4"/> 図4：生と濾過皮膚コンダクタンスデータの比較。 A）生の皮膚コンダクタンスのデータは、fMRIの間に収集。 B）1HzのIIRローパスフィルタの適用後の皮膚コンダクタンスのデータが。 <img src="/files/ftp_upload/3083/3083fig5.jpg" alt="図5"/> 図5。UCS寿命の評価。 - 参加者は、一般的に知覚されるCS -試験で認識されているCS +試験や低寿命の高いUCSの寿命を報告する。人目にCS +とCS -試験に関するUCSの寿命は違いはありません。 <img src="/files/ftp_upload/3083/3083fig6.jpg" alt="図6"/> 図6。UCSの寿命とSCR。 UCSの寿命の違いは、一般的に示す参加者が刺激の不測の事態を認識している知覚CS +とCS -臨床試験で観察される。人目に臨床試験で、UCSの寿命定格は、通常、参加者は、不測の意識を表現することができないことを示す違いはありません。対照的に、エアコンSCRの違いは、通常、両方の知覚と人目にコンディショニングの臨床試験で観察される。そのような調査結果はと（すなわち知覚試験に関する）と（すなわち、人目に試験に関する）緊急時の意識せずに学んだ恐怖の発現を反映している。 <img src="/files/ftp_upload/3083/3083fig7.jpg" alt="図7"/> 図7。海馬と扁桃体の機能的MRI。海馬の応答は、一般的に知覚されるCS -に比べてCS +に大きいですが、コンディショニングの臨床試験を気付かれていないではない。差動扁桃体の応答は、一般的に認識し、人目に両方コンディショニング試験で観察される。これらの知見は、扁桃体は意識がある場合とない場合の恐怖の表現をサポートしている間に海馬は、不測の事態の認識に関連するプロセスをサポートしているという見解と一致している。

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利害の衝突は宣言されません。

ここで説明する恐怖条件付けの方法論は知ってと気づかない恐怖の記憶過程の神経機構を調査する手段を提供します。このメソッドは、行動の自律、およびfMRIデータの同時モニタリングを活用しています。監視行動（すなわち、UCSの平均余命）と自律神経系の反応（すなわちSCR）は、この方法の重要なコンポーネントです。 SCRは、CR式のインデックスを提供する一方、UCSの寿命は、不測の事...

<table border="1"><tbody><tr><td>機器の</td><td>会社</td><td>アイテム数</td></tr><tr><td>統合された機能イメージングシステム（IFIS - SA） </td><td> Invivo（株）、オーランド、フロリダ州</td><td></td></tr><tr><td>マスターコントロールユニット（制御室にある） ペリフェラルインタフェースユニット（MRI室にある） オーディオ/ビジュアルディスプレイユニット（MRI室にある）、含まれています： <ul><li> 6.4&quot;（対角）液晶ディスプレイのビデオスクリーン<ul><li> 640 × 480の解像度と視野の15 °のフィールド</li></ul></li><li>音響インタフェースボックス<ul><li>空気音はステレオで提供</li></ul></li><li> MR -互換性のあるステレオヘッドフォン</li></ul></td><td></td><td></td></tr><tr><td>生体モニタリングシステム</td><td>モンテシステム、（株）、ゴレタ、カリフォルニア州</td><td></td></tr><tr><td> Windows用のデータ収集及び解析システム（MP150） 絶縁型デジタルインタフェース（ ディジタルインタフェース ） 電気皮膚反応（GSR）アンプ MRIケーブル/トランスデューサアンプのセットにフィルターシステムは、含まれています： <ul><li> MRI延長ケーブル（フィルタの商工会議所） </li><li> RF干渉フィルタ</li><li> MRI延長ケーブル（GSRアンプはフィルタする） </li></ul> 追加のコンポーネント： DB25 M / Fリボンケーブル 使い捨てradiotranslucent電極 炭素繊維は、リード</td><td></td><td valign="top"> MP150WSW STP100C EDA100C - MRI MECMRI - TRANS - MECMRI - 1 - MRIRFIF - MECMRI - 3 CBL110C EL508 LEAD108 </td></tr><tr><td> JOYSTICK </td><td>現在のデザイン、（株）、フィラデルフィア、ペンシルバニア州</td><td></td></tr><tr><td>レガシージョイスティック</td><td></td><td> HH - JOY - 4 </td></tr><tr><td>レガシーfORPインタフェース</td><td></td><td> FIU - 005 </td></tr></tbody></table>

investigating the neural mechanisms of aware and unaware fear memory with fmri

パブロフ恐怖条件付けは、多くの場合、連想学習1-5の神経基質を調査するために、ヒトにおける機能的磁気共鳴画像（fMRI）と組み合わせて使用されています。これらの研究では、それは脳活動の違いが学習関連、人間の行動と相関していることを確認するために空調の行動の証拠を提供することが重要です。 学習と記憶6-8の指標として、恐怖条件付けの研究は、多くの場合、自律神経系の反応を（SCRなどの皮膚コンダクタンス応答）の監視。さらに、他の行動措置は、学習過程および/または調節に影響を及ぼすその他の認知機能に関する貴重な情報を提供することができます。例えば、無条件刺激（UCS）寿命が条件反応（CR）と無条件反応の発現に与える影響は（UCR）9月14日いくつかの最近の研究に興味のあるトピックとなっている。 SCRとUCS寿命対策が最近知ってと気づかない恐怖の学習と記憶のプロセス15の神経基質を調査するfMRIと組み合わせて使用されている。これらの認知プロセスはコンディショニングのセッションの後、ある程度まで評価することができますが、ポストコンディショニングの評価は、試験から試験的に期待を測定し、干渉の影響を受けやすいと忘れているだけでなく、結果16,17を歪める可能性のある他の要因ができない。 fMRIを同時に自律神経と行動反応を監視することが認知過程と自律神経/行動応答の間の複雑な関係を媒介する神経回路基板を評価することができるメカニズムを提供します。しかし、MRI環境下で自律神経と行動反応を監視することは現実的な問題の数を引き起こします。具体的には、1）標準的な行動や生理モニタリング機器を安全にMRIスキャナ、2の近くに使用することができない鉄系材料で構成されている）この装置は、MRIスキャン室の外に配置されている場合、対象に投影するケーブルはRFノイズをこと運ぶことができます）脳の画像、3のアーティファクトを生成する成果物は、行動反応のモーターの要求によって生成されるfMRI信号は、関心の認知過程に関連した活動と区別する必要があるかもしれません）スキャン、4時の勾配を切り替えることにより、皮膚コンダクタンス信号内で製造することができる。これらの各問題は、生理学的モニタリング装置および追加データの分析手順のセットアップへの変更で解決することができます。ここでは、同時にfMRIの中に自律神経と行動反応を監視するための方法論を提示し、恐怖条件付けの間に認識し、気づいていないメモリのプロセスを調査するためにこれらのメソッドの使用方法を示しています。

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Investigating the Neural Mechanisms of Aware and Unaware Fear Memory with fMRI

恐怖条件付け中に認識し、気づいていないメモリのプロセスをサポートする神経機構を調査する方法が説明されています。このメソッドは、異なるメモリプロセスの神経相関を評価するために条件反射の恐怖条件付け中に血中酸素レベル依存（BOLD）機能的磁気共鳴イメージング、皮膚コンダクタンスの応答、および無条件刺激の寿命を監視します。

fMRIの持つ認識と非認識恐怖記憶の神経機構を調査する

Pavlovian fear conditioning is often used in combination with functional magnetic resonance imaging (fMRI) in humans to investigate the neural substrates ...

investigating-neural-mechanisms-aware-unaware-fear-memory-with

Research

JoVE Journal

Neuroscience

12.8K ビュー.  University of Alabama at Birmingham. 恐怖条件付け中に認識し、気づいていないメモリのプロセスをサポートする神経機構を調査する方法が説明されています。このメソッドは、異なるメモリプロセスの神経相関を評価するために条件反射の恐怖条件付け中に血中酸素レベル依存（BOLD）機能的磁気共鳴イメージング、皮膚コンダクタンスの応答、および無条件刺激の寿命を監視します。

ビデオ: Investigating the Neural Mechanisms of Aware and Unaware Fear Memory with fMRI

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.

齧歯類の脳における同時fMRIと電気生理学

To examine the neural basis of the blood oxygenation level dependent (BOLD) magnetic resonance imaging (MRI) signal, we have developed a rodent model in ...

神経科学

Extinction Training During the Reconsolidation Window Prevents Recovery of Fear

Fear is maladaptive when it persists long after circumstances have become safe. It is therefore crucial to develop an approach that persistently prevents the return of fear. Pavlovian fear-conditioning paradigms are commonly employed to create a controlled, novel fear association in the laboratory. After pairing an innocuous stimulus (conditioned stimulus, CS) with an aversive outcome (unconditioned stimulus, US) we can elicit a fear response (conditioned response, or CR) by presenting just the stimulus alone1,2 . Once fear is acquired, it can be diminished using extinction training, whereby the conditioned stimulus is repeatedly presented without the aversive outcome until fear is no longer expressed3. This inhibitory learning creates a new, safe representation for the CS, which competes for expression with the original fear memory4. Although extinction is effective at inhibiting fear, it is not permanent. Fear can spontaneously recover with the passage of time. Exposure to stress or returning to the context of initial learning can also cause fear to resurface3,4.
Our protocol addresses the transient nature of extinction by targeting the reconsolidation window to modify emotional memory in a more permanent manner. Ample evidence suggests that reactivating a consolidated memory returns it to a labile state, during which the memory is again susceptible to interference5-9. This window of opportunity appears to open shortly after reactivation and close approximately 6hrs later5,11,16, although this may vary depending on the strength and age of the memory15. By allowing new information to incorporate into the original memory trace, this memory may be updated as it reconsolidates10,11. Studies involving non-human animals have successfully blocked the expression of fear memory by introducing pharmacological manipulations within the reconsolidation window, however, most agents used are either toxic to humans or show equivocal effects when used in human studies12-14. Our protocol addresses these challenges by offering an effective, yet non-invasive, behavioral manipulation that is safe for humans.
By prompting fear memory retrieval prior to extinction, we essentially trigger the reconsolidation process, allowing new safety information (i.e., extinction) to be incorporated while the fear memory is still susceptible to interference. A recent study employing this behavioral manipulation in rats has successfully blocked fear memory using these temporal parameters11. Additional studies in humans have demonstrated that introducing new information after the retrieval of previously consolidated motor16, episodic17, or declarative18 memories leads to interference with the original memory trace14. We outline below a novel protocol used to block fear recovery in humans.

Conditioned fear can be diminished through an inhibitory process called extinction, but can resurface under conditions such as the passage of time or exposure to stress. Our protocol presents a novel way of preventing fear recovery by introducing extinction during the reconsolidation window (the re-storage phase of a reactivated memory).

再固定ウィンドウの間に絶滅の訓練は恐怖の回復を防ぎ

Fear is maladaptive when it persists long after circumstances have become safe. It is therefore crucial to develop an approach that persistently prevents ...

Optical Recording of Suprathreshold Neural Activity with Single-cell and Single-spike Resolution

Signaling of information in the vertebrate central nervous system is often carried by populations of neurons rather than individual neurons. Also propagation of suprathreshold spiking activity involves populations of neurons. Empirical studies addressing cortical function directly thus require recordings from populations of neurons with high resolution. Here we describe an optical method and a deconvolution algorithm to record neural activity from up to 100 neurons with single-cell and single-spike resolution. This method relies on detection of the transient increases in intracellular somatic calcium concentration associated with suprathreshold electrical spikes (action potentials) in cortical neurons. High temporal resolution of the optical recordings is achieved by a fast random-access scanning technique using acousto-optical deflectors (AODs)1. Two-photon excitation of the calcium-sensitive dye results in high spatial resolution in opaque brain tissue2. Reconstruction of spikes from the fluorescence calcium recordings is achieved by a maximum-likelihood method. Simultaneous electrophysiological and optical recordings indicate that our method reliably detects spikes (&gt;97% spike detection efficiency), has a low rate of false positive spike detection (&lt; 0.003 spikes/sec), and a high temporal precision (about 3 msec) 3. This optical method of spike detection can be used to record neural activity in vitro and in anesthetized animals in vivo3,4.

Understanding the function of the vertebrate central nervous system requires recordings from many neurons because cortical function arises on the level of populations of neurons. Here we describe an optical method to record suprathreshold neural activity with single-cell and single-spike resolution, dithered random-access scanning. This method records somatic fluorescence calcium signals from up to 100 neurons with high temporal resolution. A maximum-likelihood algorithm deconvolves the underlying suprathreshold neural activity from the somatic fluorescence calcium signals. This method reliably detects spikes with high detection efficiency and a low rate of false positives and can be used to study neural populations in vitro and in vivo.

単一セルと単スパイク分解能で閾値上神経活動の光記録

Signaling of information in the vertebrate central nervous system is often carried by populations of neurons rather than individual neurons. Also ...

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.

fMRIと拡散強調画像を用いた脳の構造と機能の同時分析

The study of complex computational systems is facilitated by network maps, such as circuit diagrams. Such mapping is particularly informative when ...

Whole Cell Patch Clamp for Investigating the Mechanisms of Infrared Neural Stimulation

It has been demonstrated in recent years that pulsed, infrared laser light can be used to elicit electrical responses in neural tissue, independent of any further modification of the target tissue. Infrared neural stimulation has been reported in a variety of peripheral and sensory neural tissue in vivo, with particular interest shown in stimulation of neurons in the auditory nerve. However, while INS has been shown to work in these settings, the mechanism (or mechanisms) by which infrared light causes neural excitation is currently not well understood. The protocol presented here describes a whole cell patch clamp method designed to facilitate the investigation of infrared neural stimulation in cultured primary auditory neurons. By thoroughly characterizing the response of these cells to infrared laser illumination in vitro under controlled conditions, it may be possible to gain an improved understanding of the fundamental physical and biochemical processes underlying infrared neural stimulation.

Infrared nerve stimulation has been proposed as an alternative to electrical stimulation in a range of nerve types, including those associated with the auditory system. This protocol describes a patch clamp method for studying the mechanism of infrared nerve stimulation in a culture of primary auditory neurons.

赤外線神経刺激のメカニズムを調査するための全細胞パッチクランプ

It has been  demonstrated in recent years that pulsed, infrared laser light can be used to  elicit electrical responses in neural tissue, independent of ...

Optogenetic Perturbation of Neural Activity with Laser Illumination in Semi-intact Drosophila Larvae in Motion

Drosophila larval locomotion is a splendid model system in developmental and physiological neuroscience, by virtue of the genetic accessibility of the underlying neuronal components in the circuits1-6. Application of optogenetics7,8 in the larval neural circuit allows us to manipulate neuronal activity in spatially and temporally patterned ways9-13. Typically, specimens are broadly illuminated with a mercury lamp or LED, so specificity of the target neurons is controlled by binary gene expression systems such as the Gal4-UAS system14,15. In this work, to improve the spatial resolution to "sub-genetic resolution", we locally illuminated a subset of neurons in the ventral nerve cord using lasers implemented in a conventional confocal microscope. While monitoring the motion of the body wall of the semi-intact larvae, we interactively activated or inhibited neural activity with channelrhodopsin16,17 or halorhodopsin18-20, respectively. By spatially and temporally restricted illumination of the neural tissue, we can manipulate the activity of specific neurons in the circuit at a specific phase of behavior. This method is useful for studying the relationship between the activities of a local neural assembly in the ventral nerve cord and the spatiotemporal pattern of motor output.

Optogenetic Perturbation of Neural Activity with Laser Illumination in Semi-intact Drosophila Larvae in Motion

Here we describe a protocol for optogenetic manipulation of motoneuronal activity while monitoring changes in motor output (muscle contraction) in semi-intact Drosophila larvae using lasers within a conventional confocal microscope. This technique enables researchers to achieve local perturbation of neural activity in a few neuromeres to elucidate the dynamics of motor circuits.

半無傷でレーザー照射による神経活動のOptogeneticの摂動<em&gt;ショウジョウバエ</emイン·モーション&gt;幼虫

Drosophila larval locomotion is a splendid model system in developmental and physiological neuroscience, by virtue of the genetic accessibility of 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.

げっ歯類での同時のfMRIと脳深部刺激

In order to visualize the global and downstream neuronal responses to deep brain stimulation (DBS) at various targets, we have developed a protocol for ...

A Protocol for the Administration of Real-Time fMRI Neurofeedback Training

Neurologic disorders are characterized by abnormal cellular-, molecular-, and circuit-level functions in the brain. New methods to induce and control neuroplastic processes and correct abnormal function, or even shift functions from damaged tissue to physiologically healthy brain regions, hold the potential to dramatically improve overall health. Of the current neuroplastic interventions in development, neurofeedback training (NFT) from functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) has the advantages of being completely non-invasive, non-pharmacologic, and spatially localized to target brain regions, as well as having no known side effects. Furthermore, NFT techniques, initially developed using fMRI, can often be translated to exercises that can be performed outside of the scanner without the aid of medical professionals or sophisticated medical equipment. In fMRI NFT, the fMRI signal is measured from specific regions of the brain, processed, and presented to the participant in real-time. Through training, self-directed mental processing techniques, that regulate this signal and its underlying neurophysiologic correlates, are developed. FMRI NFT has been used to train volitional control over a wide range of brain regions with implications for several different cognitive, behavioral, and motor systems. Additionally, fMRI NFT has shown promise in a broad range of applications such as the treatment of neurologic disorders and the augmentation of baseline human performance. In this article, we present an fMRI NFT protocol developed at our institution for modulation of both healthy and abnormal brain function, as well as examples of using the method to target both cognitive and auditory regions of the brain.

The ability to induce and/or control neural plasticity may be critical in future treatments for neurologic disorders and the recovery from brain injury. In this paper, we present a protocol on the use of neurofeedback training with functional magnetic resonance imaging to modulate human brain function.

管理のリアルタイム fMRI ニューロフィード バック トレーニングのプロトコル

Neurologic disorders are characterized by abnormal cellular-, molecular-, and circuit-level functions in the brain. New methods to induce and control ...

Time-dependent Increase in the Network Response to the Stimulation of Neuronal Cell Cultures on Micro-electrode Arrays

Micro-electrode arrays (MEAs) can be used to investigate drug toxicity, design paradigms for next-generation personalized medicine, and study network dynamics in neuronal cultures. In contrast with more traditional methods, such as patch-clamping, which can only record activity from a single cell, MEAs can record simultaneously from multiple sites in a network, without requiring the arduous task of placing each electrode individually. Moreover, numerous control and stimulation configurations can be easily applied within the same experimental setup, allowing for a broad range of dynamics to be explored. One of the key dynamics of interest in these in vitro studies has been the extent to which cultured networks display properties indicative of learning. Mouse neuronal cells cultured on MEAs display an increase in response following training induced by electrical stimulation. This protocol demonstrates how to culture neuronal cells on MEAs; successfully record from over 95% of the plated dishes; establish a protocol to train the networks to respond to patterns of stimulation; and sort, plot, and interpret the results from such experiments. The use of a proprietary system for stimulating and recording neuronal cultures is demonstrated. Software packages are also used to sort neuronal units. A custom-designed graphical user interface is used to visualize post-stimulus time histograms, inter-burst intervals, and burst duration, as well as to compare the cellular response to stimulation before and after a training protocol. Finally, representative results and future directions of this research effort are discussed.

Mouse neuronal cells cultured on multi-electrode arrays display an increase in response following electrical stimulation. This protocol demonstrates how to culture neurons, how to record activity, and how to establish a protocol to train the networks to respond to patterns of stimulation.

マイクロ電極アレイにおけるニューロン細胞培養の刺激に対するネットワーク応答の時間依存的増加

Micro-electrode arrays (MEAs) can be used to investigate drug toxicity, design paradigms for next-generation personalized medicine, and study network ...

Simultaneous Recordings of Cortical Local Field Potentials, Electrocardiogram, Electromyogram, and Breathing Rhythm from a Freely Moving Rat

Monitoring the physiological dynamics of the brain and peripheral tissues is necessary for addressing a number of questions about how the brain controls body functions and internal organ rhythms when animals are exposed to emotional challenges and changes in their living environments. In general experiments, signals from different organs, such as the brain and the heart, are recorded by independent recording systems that require multiple recording devices and different procedures for processing the data files. This study describes a new method that can simultaneously monitor electrical biosignals, including tens of local field potentials in multiple brain regions, electrocardiograms that represent the cardiac rhythm, electromyograms that represent awake/sleep-related muscle contraction, and breathing signals, in a freely moving rat. The recording configuration of this method is based on a conventional micro-drive array for cortical local field potential recordings in which tens of electrodes are accommodated, and the signals obtained from these electrodes are integrated into a single electrical board mounted on the animal's head. Here, this recording system was improved so that signals from the peripheral organs are also transferred to an electrical interface board. In a single surgery, electrodes are first separately implanted into the appropriate body parts and the target brain areas. The open ends of all of these electrodes are then soldered to individual channels of the electrical board above the animal's head so that all of the signals can be integrated into the single electrical board. Connecting this board to a recording device allows for the collection of all of the signals into a single device, which reduces experimental costs and simplifies data processing, because all data can be handled in the same data file. This technique will aid the understanding of the neurophysiological correlates of the associations between central and peripheral organs.

This study introduces a method for the simultaneous recording of local field potentials in the brain, electrocardiograms, electromyograms, and breathing signals of a freely moving rat. This technique, which reduces experimental costs and simplifies data analysis, will contribute to the understanding of the interactions between the brain and peripheral organs.

皮質局所電界電位、心電図、筋電図、呼吸リズム自由行動ラットからの同時録音

Monitoring the physiological dynamics of the brain and peripheral tissues is necessary for addressing a number of questions about how the brain controls ...