私たちは、撮影の支援のためにShaili JhaにとヘザーDecotに感謝します。

倫理声明：この手順では、動物実験（実験動物の管理と使用に関する指針）のための健康ガイドラインの国立研究所に従っているとノースカロライナ機関動物実験委員会の大学によって承認されています。 1。電極注入最初のステップは、電極移植である。この工程では、電極は一方的に視床下核（STN）、次の方法を使用してパーキンソン病を治療するための並進意義を有する小核内に注入される。 <ol><li>すべてのオートクレーブを用いて、手術機器、オートクレーブ滅菌が可能ではない消毒液（電極無菌性のためなど ） を殺菌する注 ：これは短期的な生存の手術であるため、無菌技術が不可欠です。手術後、動物は簡単な回復期間（48時間）の後、または数週間後まで画像化することができる。 </li><li>気管内挿管や小動物人工呼吸器を介して投与2.5％イソフルランを用いてラット（成体SDラット250〜400グラム）を麻酔。定位手術用フレームにラットを固定し、無菌技術を使用して、手術部位を準備します。 </li><li>準備し、電極が無菌であることを確認してください。多くのMRI適合性電極の種類が機能するのに自家製の2チャンネルタングステンマイクロワイヤ電極は、この手順のために使用されます。使用される電極の種類は、全体的な実験結果に影響を与え、機械的手順によって損傷を受けた組織の領域、刺激された組織の領域、および移植の精度に影響を与えることができる。電極の種類はオートクレーブ処理することができない場合、可能な限りそのまま電極を滅菌するポビドンヨード防腐剤を使用する。 </li><li>はさみを使用すると、頭蓋骨にブレグマとラムダを明らかに、約1.5cmの直径を有する移植部位にわたって頭皮を削除します。頭蓋骨の上にある筋肉や筋膜を取り除くと電気メスを使用して、すべての出血を止める。 </li><li>歯科用セメントの接着性（ステップ1.8）を向上させるメスで複数の方向に頭蓋骨の表面を傷つける。水平方向のレベルブレグマとラムダ。 </li><li> 、ブレグマ3.6ミリメートル後方および正中線、横2.5ミリメートルで、STNをターゲットに、直径約1.5ミリメートルを測定するバーホールを作成するために、小さなチップ付き電動ドリルを使用して注意すること。定位座標を参考に、STNの正確な場所かもしれないラット系統、体重、および性別によって異なります。同じ性別の成体ラットは、位置の任意の変動を最小にするために使用されるべきである。可能な場合は、事前演算解剖学的スキャンまたは術中の電気記録は、個々の被験者毎にSTN位置を識別するために使用されるべきである。また、電極終結部位を組織学的に目標精度を保証するために検証すべきである。 <ol><li>慎重に硬膜を切開を行い、目の側面に硬膜を移動させるために小さな鈍い鉗子を使用E穴。生理食塩水に浸した滅菌綿棒を使用して、任意の出血を止める。 1つ以上のMR互換のネジ用の穴）を作成し、これらが安定するまで頭蓋骨にそっと挿入します。ネジは、彼らが（ 例えば 。直接ではなく、電極へのSTN同側の後ろ）、DBS電極用外部コネクタの配置に影響を与えることはありません任意の場所に配置することができる。私たちは、理想的に直接ラムダ縫合後方の、頭蓋骨の側縁部に配置することをお勧めします。この時点で、頭蓋骨はネジが皮質を損傷する可能性を低減する、比較的厚い」 注：プラスチックネジも適しているが、長さ4〜5 mmの切断真鍮ねじは、このプロトコルで使用される。 </li></ol></li><li>それはまっすぐ垂直であることを保証する、定位腕に電極を配置します。皮質表面を正中線と触れブレグマおよび横2.5ミリメートルに電極を正確に3.6ミリメートルの後方に移動して、ブレグマ電極をタッチ電極と。皮質表面から腹側電極7.8ミリメートルを挿入します。これらの座標は神経解剖学的ア ​​トラス1を参照することによって決定される。 </li><li>頭蓋骨のネジと電極挿入点を含む頭蓋骨の上に歯科用セメントの層を配置します。セメントが完全に前に定位フレームから電極を除去する硬化するまで待ちます。曲げ後方電極および耐久性のために、電極管とコネクタの残りの部分をカバーするために追加のセメントを使用しています。 </li></ol> 2。 fMRIの準備第二段階は、生理学的監視装置のコイルとセットアップの配置など、fMRIのためのセットアップです。 <ol><li>スキャン中の動きを防ぐために動物の頭を固定します（注）。カスタムプラスチック耳介内バーシステムは、ヘッドの固定のためにここに使用されます。外耳道に棒を置き、ヘッドが目でスムーズに回転するようにヘッドピースへの安全なno水平回転にE垂直方向。装置に上の歯を固定することによりヘッド位置を固定します。 </li><li>すべてのスキャン全体の安定性を確保するために、完全にラットを麻酔し、呼気終末CO 2を監視します。麻酔薬および鎮静剤の様々な類似の様式で用いてもよいが、麻酔、換気及び制御呼気終末CO 2の走査中レベルを維持するために、イソフルラン気化器と組み合わせたMR互換の小動物換気システムは、ここで使用される。起動ボリュームとして、約500ミリリットル/分の空気、適度なボリュームで45回/分の人工呼吸器を設定します。 2％イソフルランを設定し、スキャン室にラットを移す。ラットの気管内チューブに人工呼吸器の出力を接続し、固定するためにしっかりと押してください。カプノメトリは、可能な気管内チューブコネクタにできるだけ近く接続されたチューブを使用して取得する必要があります。 3.3％に2.6％の呼気終末CO 2を生成するために換気量を調整します。 </李&gt; <li>温度制御のための循環湯浴でスキャナにラットを挿入するために、MR互換の小動物ホルダーを使用してください。ホルダーに風呂のパッドをテープとクリーンな吸収紙でそれをカバーしています。温水床にラットを配置します。 </li><li>動脈血酸素飽和度および心拍数もまた有用生理的パラメータでありながら、温度および二酸化炭素レベルのモニタリングは、BOLD fMRIのに必須である。 MR互換の直腸温度プローブ及び尾の基部にテープを挿入し、次いで37℃で正常な体温を維持するために、水浴の温度を調整する使用される麻酔薬の種類に依存して変化してもよく、それぞれ、95〜98％でそれらを維持し、250〜350拍、小動物パルス酸素濃度計システムを使用して、動脈血酸素飽和度と心拍数を監視する。酸素飽和度と心拍数の両方麻酔の深さ、換気量及び換気速度によって影響される。換気量と率が必要な場合があります慎重に、十分な呼気終末CO 2濃度と十分な酸素飽和度を維持するためにバランスをとる。 </li><li>表面コイルは太字fMRIの取得のために必要とされる。できるだけヘッドの表面に近い表面コイルを配置します。一旦固定、脳表面近傍に感受性アーチファクトを低減するために、セメントキャップ上のヘッドの表面に練り歯磨きを配置注 ：より大きな表面コイルであってもよいけれども我々は、約1.6センチ内径自家製トランシーバ表面コイルを使用より深い皮質下領域でのBOLD応答を最適化するために使用。 </li><li>プログラム可能な電気刺激システムに刺激電極を接続します（注）。我々は、MRスキャンからのRF励起に同期した電気パルスを提供するために、バイポーラ刺激装置に接続されたシステムをトリガするカスタムメイドのプログラム可能なTTLを使用しています。 </li><li> fMRIのデータ収集中の鎮静や麻痺のため、デクスメデトミジンのカクテルを使用します（0.1mg / kgの/時間、IP）およびてんかんの活動2を防ぐために、0.5％の低用量イソフルランと組み合わせたパンクロニウム（1 mg / kgの/時間、IP）。ポンプは磁気環境に置かれる場合は薬剤注入のために、MR互換のシリンジポンプを使用しなければならない。あるいは、互換性のないポンプは、拡張カテーテルチューブが使用されていることを条件とする磁気環境の外側に配置されてもよい。 </li></ol> 3。 fMRIのデータ集録 第三段階は、位置決め、シム調整、解剖学的スキャン、機能的なスキャンを含め、fMRIの獲得である。この技術は、他の高磁場システムに適合し、商業的にMRIコイルを製造することができるものの自家製表面コイルを有する9.4テスラシステムは、ここで使用される。 <ol><li>磁石の中心にあるスキャナと位置にラットを挿入します。正確に関心のある脳領域に対する磁石の中にラットを中央に3面スカウト画像を使用し、FASTMAPは均質にシム調整関心のある領域での磁場をnize。 </li><li>矢状T2強調RAREシーケンス（;マトリックスサイズ、256×256、スライス厚、1.5ミリメートル、TR / TE、1500年から1511年MS】RAREファクター、8;フリップ角、180°FOV、2.56 X 2.56センチメートル2）を使用します前交連の位置を見つけて、この場所に次の画像を整列する。ここまで8スライスシングルショットGE-EPIスキャン（TR / TE、1000年から1014年MS】128×128に再構成されたマトリックスサイズ、96×96、、、スライス厚、1ミリメートルFOV、2.56 X 2.56センチメートル2）を合わせます冠状向きで。 </li><li>機能的なスキャンの場合、40秒の残りに続いて20秒の残りの部分に設定した刺激出力に同期した1秒の時間分解能、10秒刺激、と70の連続した​​EPIスキャンを使用しています。スキャンの間の90秒の最小値は神経血管の回復を可能にすることができます。平均することによって信号対雑音比を改善するために、各刺激パラメータに複数の繰り返しスキャンを取得する。 （通常は4-8ダミー一連のスキャンを使用）ノイズ低減のために走査する直前。平均化、coregistrationと頭蓋骨ストリッピングは、この設定では省略してもよいけれども、セクション4で説明した方法を用いた実験の成功を確実にするために、画像取得時のBOLD応答を確認してください。 </li><li>機能的なスキャンが完了すると、T2強調RAREスピンエコーシーケンス（FOV、2.56 X 2.56センチメートル2を使用し、マトリックスサイズ、256×256、スライス厚、1ミリメートル、TR / TE、33分の2500 MS】平均、8 ）in vivoでの電極の解剖学的位置を測定する。前方/後方、内側/外側および背側/腹軸に沿った電極アーティファクトの先端を測定し、電極配置を確認するために、複数の冠状および矢状断面を獲得。高分解能磁気共鳴顕微鏡（FOV、1.8×1.28センチメートル、マトリックスサイズ360×256、スライス厚が0.5mm、TR / TE、2500/12.6ミリ秒、RARE因子、8、平均値、280）を調べるために使用され得るに関して除去後の電極管の正確な位置近くの神経解剖構造にし、電極配置3の正確さを確認。 </li></ol> 4。 fMRIのデータ処理と解析第四のステップは、応答マップおよびパーセントBOLD信号の変化の計算の生成を含むfMRIのデータの処理および分析である。コンピューティング環境（ 例えば、MATLAB）または市販fMRIのソフトウェアツール（ 例えば 。SPM、FSL、又はAFNI）内で実行されているカスタムプログラムを使用することができる。 <ol><li>全体で被写体に続く、周波数によって第被験者内データの画像coregistrationと平均で始まる注 ：私たちは、SPMのコードを使用してこれを実現。 </li><li>信号しきい値に関心のある、手動で定義された領域（ROI）を使用してnonbrain組織を除去するためにストリッピング頭蓋骨を実行します。自動頭蓋骨ストリッピングアルゴリズムを使用することができる。 </li><li> BOLD解像度間の関係の相関係数を計算することによって応答マップをコンパイルする時間と各ボクセルのための刺激パラダイムの上ponse。血行動態応答遅れを考慮して、パラダイム、数秒の遅延が発生することがある必要があるかもしれません。ボンフェローニ補正後、p &lt;0.05で有意水準を設定します。他の統計的方法を用いてもよい。確率場理論を用いて多重比較を補正またはガウス確率場に基づくクラスタレベル補正は、より高感度分析4のためにボンフェローニ補正の代わりに実行することができる（注）。血行動態の遅延が目標と脳領域に基づいて異なる場合があり、薬理学的薬剤は、使用そして生理的パラメータ。これは、被験者内および被験者間での変動を防止するために、これらのパラメータを制御することが重要である。 </li><li>経時データを抽出するROIを定義することによってBOLD応答を定量化する。同じ解剖学的構造内のすべてのボクセル間でのパーセントの信号変化を平均。一般線形モデルを用いたボクセルごとの分析もまた使用されてもよい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>

著者らは、開示することは何もありません。

同時DBSとfMRIのは、 生体内で神経回路の刺激に対するグローバル下流応答の同定および特徴のための有望な実験的なツールキットを表します。このような電気生理学的記録のような他の利用可能なツール、上のこの技術の主な利点は、脳組織の大規模で多様な領域を任意のターゲットでDBSに対する応答性を調べることができるのfMRIの比較的公平な自然の中にあります。記載されている?...

神経回路活動のグローバルな下流の効果を決定することは、システム神経科学の多くの分野の大きな課題と目標を表しています。ツールの不足は、このニーズを満たすことが現在利用可能であるので、適当な実験装置のアクセシビリティの向上が求められている。神経回路の活性化のグローバル結果を評価するためのこのような方法の一つは、脳深部電気刺激（DBS）の同時適用および機能的MRI（fMRIの）に依存している。 DBS-fMRIの空間は、大規模での回路活性化の下流応答の検出を可能にし、実質的に任意の刺激の標的に適用することができる。このツールセットは、治療の高頻度刺激に対する応答の特性評価を含め、翻訳前臨床試験のために非常に適している。 適切なMRIスキャナへのアクセスに加えて、成功したDBS-fMRIの実験はヴァリアブルの数を考慮する必要電極の種類、鎮静法、生理学的パラメータの維持を含むエス。例えば、電極の選択は刺激効力（ 例えばリードサイズとコンダクタンス、モノ対バイポーラ）のほか、MR互換性と電極アーティファクトサイズに関する要因に基づいている必要があります。電極アーチファクトは、電極材料およびサイズ​​、ならびに使用されるスキャン順序に応じて変化し、事前に十分な実験的試験は、各試験に適した電極タイプを決定するために使用されるべきである。一般的には、タングステンマイクロワイヤ電極は、このプロトコルをお勧めします。麻痺や鎮静の選択は、効果的に動物を固定化し、血液酸素レベル依存（BOLD）信号上の特定の鎮静剤の抑制効果を減少させるためになされるべきである。最後に、体温および酸素飽和度を含む最適な生理学的パラメータで動物を維持するために重要である。 私たちは、DBSのために開発したプロトコル-fMRIのは、これらの潜在的な障害の多くを克服し、私たちの手で、堅牢で一貫性のある結果を提供します。さらに、これらの実験手順を容易にoptogenetic刺激を含む代替的な刺激方法とのfMRIとの組み合わせを採用することができる。

<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

様々なターゲットに深部脳刺激（DBS）、グローバルおよび下流のニューロンの応答を可視化するために、我々は、血中酸素レベル依存（BOLD）、機能的磁気共鳴画像法（fMRI）の同​​時DBSの画像げっ歯類にを使用するためのプロトコルを開発した。 DBSのfMRIは、電極注入の精度、電極によって作成されたMRアーチファクト、同時に動物の動きを排除し、任意のニューロンの影響を最小限に抑える麻酔および麻痺の選択、及び生理学的パラメータの維持を含む多くの技術的課題、交絡可能な偏差を示すBOLD信号。私たちの研究室では、これらの潜在的な問題のほとんどを解決することのできる一連の手順を開発しました。電気刺激のために、自家製のタングステンバイポーラ微小電極は、麻酔をかけた被験者において刺激部位に定位的に挿入され、使用されています。撮影準備のために、げっ歯類、プラスチックヘッドピースに固定されている磁石ボアに転送される。スキャン中の鎮静や麻痺のために、デクスメデトミジンおよびパンクロニウムのカクテルは、イソフルランの最小量と一緒に、継続的に注入される。この準備には、揮発性麻酔薬のBOLD天井効果を最小限に抑えます。この実験例では、視床下核（STN）の刺激は、運動野を中心に、同側皮質領域で主に観察されたBOLD応答を生成します。同時DBSとfMRIのは、刺激の位置と刺激パラメータに関する神経回路の明確な変調に依存でき、地域の偏りのない、神経変調の観察が可能。この技術は、実験的および臨床的DBSの双方に影響して、ほぼすべての脳領域において神経回路を調節する下流の効果を探索するために使用することができる。

代表的な機能のデータは右側の視床下核に注入された刺激電極を持つ単一のラットにおける上記プロトコルに従って取得した。 DBS fMRIの画像取得のために必須のセットアップの説明図を図1に提供される。刺激は、0.3ミリアンペア、130 Hzおよび0.09ミリ秒のパルス幅の周波数の振幅と、上記のプロトコルと一致し塗布した。同側運動皮質の強い活性化が一貫して刺激対象の視床下核...

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Deep Brain Stimulation with Simultaneous fMRI in Rodents

このプロトコルは、齧歯類における同時機能的磁気共鳴画像法及び深部脳刺激のための標準的な方法を記載している。これらの実験のツールを併用することは事実上すべての脳のターゲットに電気的刺激に反応して世界的な下流の活動の探査が可能になります。

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 ...

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

Research

JoVE Journal

Neuroscience

14.0K ビュー.  University of North Carolina. このプロトコルは、齧歯類における同時機能的磁気共鳴画像法及び深部脳刺激のための標準的な方法を記載している。これらの実験のツールを併用することは事実上すべての脳のターゲットに電気的刺激に反応して世界的な下流の活動の探査が可能になります。 

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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.

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

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.

水迷路における同時神経刺激および記録のためのコスト効率のヘッドステージの設計と構築

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.

デフォルトモードのネットワークを検査する経頭蓋磁気刺激とfMRIを組み合わせ

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：脆弱X症候群と自閉症の可塑性のMechasnismを探検するシータバーストプロトコルを使用する

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 ...

State-Dependency Effects on TMS:  A Look at Motive Phosphene Behavior

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is 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.1,2 Within the field of TMS, the term state dependency refers to the initial, baseline condition of the particular neural region targeted for stimulation. As can be inferred, the effects of TMS can (and do) vary according to this primary susceptibility and responsiveness of the targeted cortical area.3,4,5

In this experiment, we will examine this concept of state dependency through the elicitation and subjective experience of motive phosphenes. Phosphenes are visually perceived flashes of small lights triggered by electromagnetic pulses to the visual cortex. These small lights can assume varied characteristics depending upon which type of visual cortex is being stimulated. In this particular study, we will be targeting motive phosphenes as elicited through the stimulation of V1/V2 and the V5/MT+ complex visual regions.6

In this article, we examine the effects of visually relevant state dependency on TMS induced motive phosphenic presentations.

TMSの状態 - 依存性の効果：動機の閃光の挙動を見

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a non-invasive neurostimulatory and neuromodulatory technique that can transiently or lastingly modulate ...

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.

NeuroStar TMSデバイス：うつ病の治療薬としてFDA承認されたプロトコルを実施

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.

視床前核の脳深部刺激後のラット海馬における遺伝子発現の変化の解析

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.

げっ歯類でのアクリル樹脂成形ベースヘッド固定法

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.

警告齧歯動物で経頭蓋脳の電気的刺激

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

Stimulation Location Determination using a 3D Digitizer with High-Definition Transcranial Direct Current Stimulation

The abundance of neuroimaging data and rapid development of machine learning has made it possible to investigate brain activation patterns. However, causal evidence of brain area activation leading to a behavior is often left missing. Transcranial direct current stimulation (tDCS), which can temporarily alter brain cortical excitability and activity, is a noninvasive neurophysiological tool used to study causal relationships in the human brain. High-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS) is a noninvasive brain stimulation (NIBS) technique that produces a more focal current compared to conventional tDCS. Traditionally, the stimulation location has been roughly determined through the 10-20 EEG system, because determining precise stimulation points can be difficult. This protocol uses a 3D digitizer with HD-tDCS to increase accuracy in determination of stimulation points. The method is demonstrated using a 3D digitizer for more accurate localization of stimulation points in the right temporo-parietal junction (rTPJ).

Presented here is a protocol to achieve higher accuracy in determination of stimulation location combining a 3D digitizer with high-definition transcranial direct current stimulation.

高精細経頭蓋直流刺激を用いた3Dデジタイザーを用いた刺激位置決定

The abundance of neuroimaging data and rapid development of machine learning has made it possible to investigate brain activation patterns. However, ...