저자는 자신의 도움이 의견을 Matti S. Hämäläinen, Lilla Zöllei 세 익명 리뷰어 감사드립니다. 자금 출처 : R00DC010196 (AKCL), T32DC000018 (편집 판단리스트), T32DC005361 (RKM).

1. 해부학 적 데이터 수집 및 처리 <ol><li> 주제 중 하나를 자화 준비된 빠른 기울기 에코 (MPRAGE) MRI 검사를 취득. 이 특정 검사 프로토콜이 사용되는에 따라 5-10 분 걸릴 수 있습니다. </li><li> FLASH 시퀀스를 표준 MPRAGE 시퀀스 1에서 다른 조직 대조을 제공하는 EEG 데이터가 역 이미징 분석에 사용하는 경우 두 개의 빠른 낮은 각도 샷 (FLASH) MRI 스캔을 (플립 각도 = 5 °, 30 °) 취득. </li><li> 대뇌 피질의 표면을 재구성하고, 각 M / EEG 다이폴 소스 공간을 설정하는 FreeSurfer 소프트웨어 (표 참조) 2, 3을 사용합니다. <ol><li> 이 소스 공간이 MPRAGE 검사에서 분할 회색 / 흰색 물질 경계에 구속되어 있습니다. 각 반구는 ~ 1mm의 간격을두고 약 100,000 가능성이 정점을 포함하고 있습니다. 쌍극 진폭 견적 (아래 참조), 반구 당 ~ 3,000 dipoles를 얻을 7mm의 격자 간격을 사용합니다. </li></ol></li><li> 재건하다피부 바깥 쪽 두개골 및 MNE (표 참조) FreeSurfer를 사용하여 MPRAGE와 FLASH 이미지에서 내부 두개골 표면. 3 층 경계 요소 모델 (뱀)을 생성하려면 다음 표면을 사용합니다. </li></ol> 2. M / EEG 데이터 수집 <ol><li> M / EEG 기록에 대한 주제를 준비합니다. <ol><li> electrooculogram 및 참조 전극 준비뿐만 아니라 피사체의 fiducial 랜드 마크, 헤드 위치 표시기 코일 (HPI)와 EEG 전극의 디지털화에 대한 자세한 내용은 류 외 4 참조하십시오. </li></ol></li><li> 일단 주제는 HPI 코일을 사용하여 머리의 위치를​​ 측정, 멕에 장착되어 있습니다. </li><li> 녹화를 시작합니다. 청각 및 시각 자극의 프리젠 테이션을 시작합니다. <ol><li> 많은 하드웨어 및 소프트웨어 솔루션은 자극 프리젠 테이션 (예를 들면., 프리젠 테이션, E-프라임)을 수행 할 수 있습니다. 우리는 시각적 s에 대한 Psychtoolbox 5, 스탬핑 청각 자극 프리젠 테이션 및 트리거에 대한 터커 - 데이비스 기술 RZ6를 사용하여timulus 프리젠 테이션, MATLAB에 의해 제어 모두. 화면에 부착 된 마이크와 포토 다이오드를 사용하여 청각과 시각적 대기 시간을 테스트하고, 이후이 보장하는 실험 타이밍 무결성을 보장하는 데 도움이하기 전에 더 관찰 지터 (는 기본 해상도로 프리젠 테이션 프로젝터를 설정 필요로 할 수있는)이다. </li></ol></li><li> 행동 작업을 수행하는 동안이 주제는 광학 버튼 상자를 통해 청각 및 시각 자극에 응답합니다. </li><li> 오프라인 분석을 위해 모든 자극, 실험 매개 변수 및 데이터 파일을 저장합니다. </li></ol> 3. MRI 스캔 및 데이터 처리와 M / EEG 공동 등록 <ol><li> MNE 소프트웨어를 사용하여 디지타이저 데이터와 피사체의 복원 MRI 머리 모델을로드합니다. 공동 등록 절차를 시작하고 좌표 변환 (그림 2)를 완료하기 위해 자동 정렬 절차를 사용하여 수행 할 수 fiducial 랜드 마크를 선택합니다. </li><li> 소스 SP 각 쌍극자의 위치를​​ 연관각 센서의 위치와 에이스는 (1.4 참조) 세 층 벰과 함께 앞으로 솔루션을 계산하는 (2.2 참조) 기록 HPI 데이터를 결합 </li><li> 모든 기록 M / EEG 데이터를 검사하고 매우 높은 변동이 있거나 완전히 평평 채널을 확인합니다. 나쁜 채널 이러한 채널을 설정합니다. </li><li> 프로젝트 또는 공간 필드 패턴 등 눈 깜박와 심장 유물과 관련된 것과 같은 주변 환경 분야 오염 또는 기타 바람직하지 않은 생리 신호에서 유래 아웃 분리 신호 공간 투영 6 기타 노이즈 감소 기술을 (예 : 신호 공간을 분리 7 등)를 사용하여 (그림 3). <ol><li> 더 증가 할 시간 도메인 유물 제거 (예., 채널의 난리로 인해 비정상적으로 높은 진폭 신호를 포함 epochs를 제거) 및 주파수 도메인 유물 제거 (예., 50 또는 60 Hz 라인 주파수에서 필터링 대역 수준)을 적용 신호 대 잡음 비율입니다. </li></ol></li><li> 있는 대상 (예., 이전에 각 시험의 시작 200 밀리 기간) 어떤 작업을 수행하지 않은 기준 기간을 확인합니다. 잡음 견적을 (또한 공분산 행렬로 알려진)을 획득하기 위해이 기준 epochs의 평균을 생성합니다. </li><li> 관심 epochs를 (. 예를 들어, 만 올바른 행동 반응과 epochs를 수집) 확인하고 실험 대조 (예를 들어, 원래 보이기 시작으로 피사체가 반대 hemifield 자신의 청각 관심을 전환 것에과 관련된 epochs에 대한 조건을 정의 -. &quot;스위치&quot;조건 - 대 제목 원래 hemifield에 관심을 유지하는 것은 -) 상태를 &quot;대기&quot;. 정의 된 조건 각각에 대해 평균 응답을 생성 할 수 있습니다. <ol><li> 이 평균은 기본 - 수정 또는 (8 참조) 실험 매개 변수에 따라 수는 없습니다, 여기에 표시된 데이터는 기본 - 수정합니다. </li></ol></li><li> 를 얻기 위해 공분산 행렬 (3.5)와 계산 된 전달 솔루션 (3.2)를 결합소스 공간에서 쌍극자 현재 추정 센서 측정을 관련 cortically 제약 최소 - 표준의 역 연산자를 배포했습니다. <ol><li> 당신도 약 제한 또는 대뇌 피질의 정상적인 방향으로 9 쌍극자 방향을 수정할 수 있습니다. </li></ol></li><li> 각 실험 조건 (그림 4)에 대한 분산 쌍극자 추정 (예., 시간에서 소스 공간의 각 쌍극자 위치에서 현재 추정)의 &quot;뇌 동영상을&quot;생성합니다. <ol><li> 당신은 겹치지 시간적 창을 사용하여 현재 추정치를 평균하여 시간에 데이터 빈, 실험 설계의 시간적 특성에 따라 수 있습니다. </li></ol></li></ol> 4. 통계 추론은 일반적인 표면 기반의 좌표계에 근거 <ol><li> Morph 공통의 (평균) 대뇌 피질의 공간로 각 과목에 대한 &quot;뇌 영화는&quot;최적의 개인 sulcal-GY을 일치 표면 기반의 좌표계를 기준으로역 학 패턴 3. 이것은 우리가 모든 과목에서 대뇌 피질의 활동을 비교하거나 평균 할 수 있습니다. (그림 5). </li><li> 여러 가지 통계 추론의 방법이 있습니다. 우리는 여기서 세 가지 접근 방식을 강조합니다. 소프트웨어 패키지에서 구현되지 않은 방법 우리가 MATLAB는 비 파라 spatio - 시간적 클러스터링 할 순열 테스트를 수행하는 데 사용하는 우리의 예에서 소프트웨어 사용자 정의를 사용하여 쓸 수 있습니다. (비 파라 메트릭 클러스터링, 4.5) 시간, 이러한 데이터의 높은 차원 (공간 X 시간 X 과목)에도 불구하고, 이러한 방식 모두 (4.3 접근 방식 ROI) 초 표준 현대적인 데스크탑 컴퓨터 하드웨어를 사용하여 수행 할 수 있습니다. </li><li> 지역 수준의 관심 (ROI) 접근 방식 <ol><li> 당신은 또는 해부학 적 투자 수익 (ROI)을 정의 (예., 자동 parcellation 알고리즘 (1)에 의해 정의) 및 / 기능 (예., 이러한 / 아니이 oculomoto을 식별 할 수 saccade 작업을 이동 이동 등의 기능 현지화 작업을 기록하여R 지역). </li><li> 당신은 또한 실험 패러다임 (예., 소리 자극의 발병 전후 즉시 기간)에 맞는 특정 시간의이자로 분석을 제한 할 수 있습니다. 당신은 또한 시간 시리즈 분석과 관련된 기타 통계 추론을 사용할 수 있습니다. </li></ol></li><li> 전체 - 뇌 Bonferroni 또는 거짓 - 디스커버리 - 속도 (루즈 벨트) 보정 <ol><li> 당신은 전체 - 뇌, 모든 시간 분석을 필요로하는 경우 Bonferroni이나 루즈 벨트 정정을 채용하고 있습니다. </li><li> 이러한 약 일반적으로 - 분산 데이터에 대한 t-테스트 또는 내 - 주제의 ANOVA 적절한 테스트 통계를 사용하여 각 쌍극자 위치에서 통계지도와마다 지점을 생성합니다. 견적에 상관 관계에 대한 수정 (예 : 보수적 인 온실-Geisser 보정 등)와 결합하여 예를 들어, 고정 다이폴 소스 10 MNE 예상 동적 통계 매개 변수 매핑에서 Z-점수는 사용할 수 있습니다. </li><li> Bonferroni에 대한수정은 비교의 수 (시간 포인트의 수를 곱한 dipoles 수)로 나눈 0.05의 유의 수준에서 임계 값에 의해 상당한 시공간 포인트를 얻습니다. 덜 보수적 인 접근 방법의 경우, 루즈 벨트 P-값을 보정 11을 사용합니다. </li></ol></li><li> 비 파라 메트릭 spatiotemporal 클러스터링 <ol><li> Bonferroni 보정보다 덜 보수적하면서 대규모 일관 공간과 측두엽 활성화 영역을 찾기 위해이 방법을 (12의 단순 확장에 따라)를 사용하고, 가족 현명한 오류 속도에 대한 제어가 루즈 벨트보다 통계적 오류를 입력 할 적은 경향이 . <ol><li> 이 방법이 순열 사용하거나 몬테 카를로 resampling 기법 때문에 데이터의 정상 상태의 가정에 의존하며, 조건 라벨이 null이 가설에 따라 교환 있다고 가정하지 않습니다. 그 이전 두 접근법보다 더 많은 계산 집약적이지만, 그것은 여전히​​에 시간을 수행 할 수 있습니다현대적인 데스크탑 컴퓨터 하드웨어를 사용하여 단일 시스템. </li></ol></li><li> 각 쌍극 위치 및 t-test로 해당 테스트 통계를 사용하여 각 시점에서 통계지도를 생성 할 수 있습니다. </li><li> 예비 중요성 임계 값의 임계 값이지도, 예를 들어 P &lt;0.05. </li><li> 클러스터 spatio - 시간적 근접을 기준으로 해당 putative 중요한 점을, 예를 들어. 5 MS 서로의 5mm 측지 거리에 중요한 점은 같은 클러스터에 넣어 수 있습니다. hypervolume 또는 총 중요성 (예를 들면. 클러스터에서 점 t-점수의 합)를 사용하여 각각의 결과 클러스터를 점수. </li><li> 표준 순열 resampling 수행 (큰 데이터 집합, 즉 resampling 또는 몬테 카를로합니다. 과목 N&gt; 10 수, 계산에 저장) 최대 통계 (순열 테스트 예제 12 참조) 테스트합니다. 간단히, 과목의 임의의 부분 집합 (0에서 N 주제 곳 선택)에 대한, relabel 대책을 마련 조건g의 통계지도를 취득하기 전에 비교, 새로운 통계지도에서 클러스터링을 수행하고 그 relabeling의 최대 클러스터 점수를 얻습니다. 최대 통계의 분포를 얻기 위해이 N 순열까지의 새로운 임의의 relabelings에서이 절차를 수행, 모든 2 N 수 relabelings을 수행는 순열 테스트를 산출하고 몬테 카를로 (또는 임의의 산출 미만이 N relabelings 임의의 하위 집합을 사용 ) 순열 테스트합니다. </li><li> 최대 클러스터 크기가 원래 클러스터보다 더 있었다 시간의 비율을 결정하여 주어진 원본 클러스터 (원래 라벨에서)의 중요성을 확보, 예. 최대 통계 클러스터의 95 %보다 큰있었습니다 클러스터는 중요한 선언 할 수 있습니다. <ol><li> 멕 분산 소스 영상의 통계 추론에 깊이있는 토론의 경우, 13를 참조하십시오. </li></ol></li></ol></li><li> 결과 데이터 파일은 바이올라 할 수 있습니다<html> 기본적으로 즉 spatio - 시간적 대뇌 피질의 추정, STC 파일을 저장하기 위해 MNE 소프트웨어로 활용 형식을 포함하여 여러 가지에 sualized. 이은 중요한 지역에 해당 생산할 수 라벨과 함께, MATLAB과 파이썬을 위해 제공 MNE toolboxes를 사용하여 생성 할 수 있습니다. </li></ol> 5. 대표 결과 그림 6은 그림 4에 나와있는 행동 패러다임을 사용하여 대표적인 결과 집합을 표시합니다. 비 파라 spatiotemporal 클러스터링 절차 (4.5)를 사용, 오른쪽 FEF는 피사체가 표준 작업 (그림 6 왼쪽)에 비해 reorientation 작업을 수행 할 때 중요한 것으로되어 있습니다. 투자 수익 (ROI) 접근 (4.3)를 사용, 오른쪽 FEF의 시간 코스는이 두 조건이 크게 다른 것을 기간과 함께 표시됩니다. p_upload/4262/4262fig1.jpg &quot;/&gt; 그림 1. 최소 - 표준 다이폴 예상 (참조하라, 류 외의 그림 1., 2010) cortically 제약을 사용하여 &quot;뇌 동영상을&quot;생성 워크 플로우. <img alt="그림 2" src="/files/ftp_upload/4262/4262fig2.jpg" /> 그림 2. MNE 소프트웨어를 하나의 주제의 MRI 공동 종좌표 공간에 EEG 채널과 HPI 위치 공동 등록을 촉진하는 데 사용됩니다. <img alt="그림 3" src="/files/ftp_upload/4262/4262fig3.jpg" /> 그림 3. 이전과 심장 (주황색으로 강조 표시) 및 눈 깜박 (파란색 - 녹색으로 강조 표시) 라인 주파수를 제거 할 필터링 유물과 로우 패스를 제거하려면 SSP를 사용 후. 멕 데이터는 <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/4262/4262fig3large.jpg" target="_blank">큰 그림을 보려면 여기를 클릭하십시오</a> . <p클래스 = &quot;jove_content&quot;강한 : 유지 - together.within 페이지 = &quot;항상&quot;&gt; <img alt="그림 4" src="/files/ftp_upload/4262/4262fig4.jpg" /> 그림 4 한 실험 패러다임 (참고로 대상의 기본 대뇌 피질의 공간과 시청각 프리젠 테이션 (600 밀리 -600 MS에서 발표 시각적 자극에서 발표 청각 자극 포함)의 타이밍에 대한 A &quot;뇌 영화&quot;:.이 될 것입니다 ) 최종 무비 클립에서 동영상으로 제공 <img alt="그림 5" src="/files/ftp_upload/4262/4262fig5.jpg" /> 그림 5. 대상의 기본 대뇌 피질의 공간과 공동 대뇌 피질의 공간에 변형 후 매핑 된 가상 투자 수익 (ROI) 사이의 비교. <img alt="그림 6" src="/files/ftp_upload/4262/4262fig6.jpg" /> 그림 6. 두 실험 condi과 관련된 대표 spatio - 시간적 클러스터 및 시간 코스tions은 테스트.

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관심 없음 충돌이 선언 없습니다.

획득 멕 / EEG 데이터의 컴퓨터에 접속 쌍극자 활성화를 추정하기 위해, 우리는 적절한 해부학 및 생리 학적 소리 제약이 적용되지 않는 고유 한 안정적인 솔루션이없는 역 문제를 해결해야합니다. MRI를 사용하고 추정 기준으로 최소 - 표준을 채택 개별 과목에 대한 취득 해부학 제약 조건을 사용하여, 우리는 센서 측정에 동의하는 역 대뇌 피질의 전류 소스 추정치에 도착하실 수 있습니다. 이 방?...

<table border="1"><tbody><tr><td> 장비 / 소프트웨어의 이름 </td><td> 회사 / 소스 </td><td></td><td></td></tr><tr><td> 306-채널 Vectorview 멕 시스템 </td><td> Eleka - Neuromag 공사, </td><td></td><td></td></tr><tr><td> 1.5 T Avanto MRI 스캐너 </td><td> 지멘스 의료 솔루션 </td><td></td><td></td></tr><tr><td> FreeSurfer </td><td></td><td></td><td> <a href="http://freesurfer.net/" target="_blank">http://freesurfer.net/</a> </td></tr><tr><td> MNE 소프트웨어 </td><td></td><td></td><td> <a href="http://www.nmr.mgh.harvard.edu/martinos/userInfo/data/sofMNE.php" target="_blank">http://www.nmr.mgh.harvard.edu/martinos/userInfo/data/sofMNE.php</a> </td></tr><tr><td> EEG 전극 </td><td> 뇌 제품, Easycap GmbH의 </td><td></td><td></td></tr><tr><td> 3Space Fastrak 시스템 </td><td> Polhemus </td><td></td><td></td></tr><tr><td> 광학 버튼 상자 (FIU-932) </td><td> 현재 디자인 </td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

mapping cortical dynamics using simultaneous meg/eeg and anatomically-constrained minimum-norm estimates: an auditory attention example

매그니토와 electroencephalography (멕 / EEG)는 같은 칵테일 파티에서 다른 소리에 참석 등의 역동적 지각과인지 작업에 참여 대뇌 피질의 네트워크를 조사 할 특히 적합 높은 시간적 해상도를 제공하는 기술을 neuroimaging 있습니다. 많은 과거의 연구는, 보통 자극 프리젠 테이션 시간 고정 활동에 즉., 자기장 또는 외부와 두피에 기록 된 전기 전위, 그리고 집중 한 센서 수준에서 기록 된 데이터를 고용했습니다. 고립 된 공간과 시간에서 확인하실 수 있습니다 뚜렷한 이극 성 패턴 만 소수가있을 때 이벤트 관련 분야 / 잠재적 인 분석이 유형의 특히 유용합니다. 또는 해부학 적 정보를 이용하여이 서로 다른 필드 패턴은 컴퓨터에 접속 전류 소스로 지역화 할 수 있습니다. 그러나,보다 지속적인 응답을 그 (예., 특정 자극에 시간이 잠겨되지 않을 수 있습니다보이기 청각 기능에 따라 두 가지를 동시에 제시 말한 자리) 중 하나를 듣고 또는 선험적 알 수없는 여러 공간 위치에 걸쳐 분산 될 수 있습니다 준비에 분산 대뇌 피질의 네트워크의 모집은 적절히 제한된 수의를 사용하여 캡처 할 수 없습니다 초점 소스. 여기, 우리는 센서 정보와 최소 - 표준 견적 (MNE)의 사용을 통해 컴퓨터에 접속 쌍극자 활성화 사이의 관계를 확립하기 위해 개인 해부학 MRI 데이터를 고용 절차를 설명합니다. 이 역 이미징 접근 방식은 우리에게 분산 소스 분석을위한 도구를 제공합니다. 설명의 목적을 위해, 우리는 FreeSurfer 및 MNE 소프트웨어를 모두 자유롭게 사용할 수를 사용하는 모든 절차를 설명합니다. 우리는 우리가 EEG / M 센서로 컴퓨터에 접속 배포 dipoles으로 인한 예상 필드 패턴을 연관 할 수있는 앞으로 모델을 생산하는 데 필요한 MRI 시퀀스 및 분석 단계를 요약합니다. Next, 우리는 환경 및 생리 학적 오염 물질의 센서 데이터를 denoising에서 우리를 용이하게 필요한 프로세스를 통해 단계 것이다. 우리는이를 통해 각 실험 조건에 관련된 뇌의 표면 (또는 &quot;뇌 영화&quot;)에서 대뇌 피질의 쌍극자 활성화 시간이 일련의 가족을 생산, 대뇌 피질의 공간에 멕 / EEG 센서 데이터를 통합 및 매핑에 대한 절차를 설명합니다. 마지막으로, 우리는 우리가 일반적으로 대뇌 피질의 좌표 공간에 따라 대상 인구 (예., 그룹 수준의 분석을 수행)에서 과학 추론을 할 수 있도록 몇 가지 통계 기법을 강조 표시됩니다.

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

우리는 자기 공명 영상 (MRI)에 의해 캡처 해부학 적 정보와 결합 마그네토와 electroencephalography (멕 / EEG)은, 청각주의와 관련된 대뇌 피질의 네트워크의 역학을 매핑 사용합니다.

동시 멕 / EEG와 해부학적인 몸의 구조 제약 최소 - 표준 견적을 사용하여 매핑 두피 역학 : 청각주의 예

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

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Research

JoVE Journal

Neuroscience

14.5K 조회수.  University of Washington. 우리는 자기 공명 영상 (MRI)에 의해 캡처 해부학 적 정보와 결합 마그네토와 electroencephalography (멕 / EEG)은, 청각주의와 관련된 대뇌 피질의 네트워크의 역학을 매핑 사용합니다.

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

Functional Mapping with Simultaneous MEG and EEG

We use magnetoencephalography (MEG) and electroencephalography (EEG) to locate and determine the temporal evolution in brain areas involved in the processing of simple sensory stimuli. We will use somatosensory stimuli to locate the hand somatosensory areas, auditory stimuli to locate the auditory cortices, visual stimuli in four quadrants of the visual field to locate the early visual areas. These type of experiments are used for functional mapping in epileptic and brain tumor patients to locate eloquent cortices. In basic neuroscience similar experimental protocols are used to study the orchestration of cortical activity. The acquisition protocol includes quality assurance procedures, subject preparation for the combined MEG/EEG study, and acquisition of evoked-response data with somatosensory, auditory, and visual stimuli. We also demonstrate analysis of the data using the equivalent current dipole model and cortically-constrained minimum-norm estimates. Anatomical MRI data are employed in the analysis for visualization and for deriving boundaries of tissue boundaries for forward modeling and cortical location and orientation constraints for the minimum-norm estimates.

We use magnetoencephalography (MEG) and electroencephalography (EEG) to map brain areas involved in the processing of simple sensory stimuli.

동시 MEG와 EEG와 기능 매핑

We use magnetoencephalography (MEG) and electroencephalography (EEG) to locate and determine the temporal evolution in brain areas involved in the ...

연구

신경과학

Preparation and Culture of Chicken Auditory Brainstem Slices

The chicken auditory brainstem is a well-established model system that has been widely used to study the anatomy and physiology of auditory processing at discreet periods of development 1-4 as well as mechanisms for temporal coding in the central nervous system 5-7.
Here we present a method to prepare chicken auditory brainstem slices that can be used for acute experimental procedures or to culture organotypic slices for long-term experimental manipulations.
The chicken auditory brainstem is composed of nucleus angularis, magnocellularis, laminaris and superior olive. These nuclei are responsible for binaural sound processing and single coronal slice preparations preserve the entire circuitry. Ultimately, organotypic slice cultures can provide the opportunity to manipulate several developmental parameters such as synaptic activity, expression of pre and postsynaptic components, expression of aspects controlling excitability and differential gene expression
This approach can be used to broaden general knowledge about neural circuit development, refinement and maturation.

The chicken auditory brainstem is comprised of nuclei responsible for binaural sound processing. A single coronal slice preparation maintains the entire circuitry while the cultured approach provides a unique preparation to study the development of neuronal structure and auditory function at the molecular, cellular and network levels.

치킨 청각 Brainstem 슬라이스의 준비 및 문화

The chicken auditory brainstem is a well-established model system that has been widely used to study the anatomy and physiology of auditory processing at ...

Recording Human Electrocorticographic (ECoG) Signals for Neuroscientific Research and Real-time Functional Cortical Mapping

Neuroimaging studies of human cognitive, sensory, and motor processes are usually based on noninvasive techniques such as electroencephalography (EEG), magnetoencephalography or functional magnetic-resonance imaging. These techniques have either inherently low temporal or low spatial resolution, and suffer from low signal-to-noise ratio and/or poor high-frequency sensitivity. Thus, they are suboptimal for exploring the short-lived spatio-temporal dynamics of many of the underlying brain processes. In contrast, the invasive technique of electrocorticography (ECoG) provides brain signals that have an exceptionally high signal-to-noise ratio, less susceptibility to artifacts than EEG, and a high spatial and temporal resolution (i.e., &lt;1 cm/&lt;1 millisecond, respectively). ECoG involves measurement of electrical brain signals using electrodes that are implanted subdurally on the surface of the brain. Recent studies have shown that ECoG amplitudes in certain frequency bands carry substantial information about task-related activity, such as motor execution and planning1, auditory processing2 and visual-spatial attention3. Most of this information is captured in the high gamma range (around 70-110 Hz). Thus, gamma activity has been proposed as a robust and general indicator of local cortical function1-5. ECoG can also reveal functional connectivity and resolve finer task-related spatial-temporal dynamics, thereby advancing our understanding of large-scale cortical processes. It has especially proven useful for advancing brain-computer interfacing (BCI) technology for decoding a user's intentions to enhance or improve communication6 and control7. Nevertheless, human ECoG data are often hard to obtain because of the risks and limitations of the invasive procedures involved, and the need to record within the constraints of clinical settings. Still, clinical monitoring to localize epileptic foci offers a unique and valuable opportunity to collect human ECoG data. We describe our methods for collecting recording ECoG, and demonstrate how to use these signals for important real-time applications such as clinical mapping and brain-computer interfacing. Our example uses the BCI2000 software platform8,9 and the SIGFRIED10 method, an application for real-time mapping of brain functions. This procedure yields information that clinicians can subsequently use to guide the complex and laborious process of functional mapping by electrical stimulation.
Prerequisites and Planning:
Patients with drug-resistant partial epilepsy may be candidates for resective surgery of an epileptic focus to minimize the frequency of seizures. Prior to resection, the patients undergo monitoring using subdural electrodes for two purposes: first, to localize the epileptic focus, and second, to identify nearby critical brain areas (i.e., eloquent cortex) where resection could result in long-term functional deficits. To implant electrodes, a craniotomy is performed to open the skull. Then, electrode grids and/or strips are placed on the cortex, usually beneath the dura. A typical grid has a set of 8 x 8 platinum-iridium electrodes of 4 mm diameter (2.3 mm exposed surface) embedded in silicon with an inter-electrode distance of 1cm. A strip typically contains 4 or 6 such electrodes in a single line. The locations for these grids/strips are planned by a team of neurologists and neurosurgeons, and are based on previous EEG monitoring, on a structural MRI of the patient's brain, and on relevant factors of the patient's history. Continuous recording over a period of 5-12 days serves to localize epileptic foci, and electrical stimulation via the implanted electrodes allows clinicians to map eloquent cortex. At the end of the monitoring period, explantation of the electrodes and therapeutic resection are performed together in one procedure.
In addition to its primary clinical purpose, invasive monitoring also provides a unique opportunity to acquire human ECoG data for neuroscientific research. The decision to include a prospective patient in the research is based on the planned location of their electrodes, on the patient's performance scores on neuropsychological assessments, and on their informed consent, which is predicated on their understanding that participation in research is optional and is not related to their treatment. As with all research involving human subjects, the research protocol must be approved by the hospital's institutional review board. The decision to perform individual experimental tasks is made day-by-day, and is contingent on the patient's endurance and willingness to participate. Some or all of the experiments may be prevented by problems with the clinical state of the patient, such as post-operative facial swelling, temporary aphasia, frequent seizures, post-ictal fatigue and confusion, and more general pain or discomfort.
At the Epilepsy Monitoring Unit at Albany Medical Center in Albany, New York, clinical monitoring is implemented around the clock using a 192-channel Nihon-Kohden Neurofax monitoring system. Research recordings are made in collaboration with the Wadsworth Center of the New York State Department of Health in Albany. Signals from the ECoG electrodes are fed simultaneously to the research and the clinical systems via splitter connectors. To ensure that the clinical and research systems do not interfere with each other, the two systems typically use separate grounds. In fact, an epidural strip of electrodes is sometimes implanted to provide a ground for the clinical system. Whether research or clinical recording system, the grounding electrode is chosen to be distant from the predicted epileptic focus and from cortical areas of interest for the research. Our research system consists of eight synchronized 16-channel g.USBamp amplifier/digitizer units (g.tec, Graz, Austria). These were chosen because they are safety-rated and FDA-approved for invasive recordings, they have a very low noise-floor in the high-frequency range in which the signals of interest are found, and they come with an SDK that allows them to be integrated with custom-written research software. In order to capture the high-gamma signal accurately, we acquire signals at 1200Hz sampling rate-considerably higher than that of the typical EEG experiment or that of many clinical monitoring systems. A built-in low-pass filter automatically prevents aliasing of signals higher than the digitizer can capture. The patient's eye gaze is tracked using a monitor with a built-in Tobii T-60 eye-tracking system (Tobii Tech., Stockholm, Sweden). Additional accessories such as joystick, bluetooth Wiimote (Nintendo Co.), data-glove (5th Dimension Technologies), keyboard, microphone, headphones, or video camera are connected depending on the requirements of the particular experiment.
Data collection, stimulus presentation, synchronization with the different input/output accessories, and real-time analysis and visualization are accomplished using our BCI2000 software8,9. BCI2000 is a freely available general-purpose software system for real-time biosignal data acquisition, processing and feedback. It includes an array of pre-built modules that can be flexibly configured for many different purposes, and that can be extended by researchers' own code in C++, MATLAB or Python. BCI2000 consists of four modules that communicate with each other via a network-capable protocol: a Source module that handles the acquisition of brain signals from one of 19 different hardware systems from different manufacturers; a Signal Processing module that extracts relevant ECoG features and translates them into output signals; an Application module that delivers stimuli and feedback to the subject; and the Operator module that provides a graphical interface to the investigator.
A number of different experiments may be conducted with any given patient. The priority of experiments will be determined by the location of the particular patient's electrodes. However, we usually begin our experimentation using the SIGFRIED (SIGnal modeling For Realtime Identification and Event Detection) mapping method, which detects and displays significant task-related activity in real time. The resulting functional map allows us to further tailor subsequent experimental protocols and may also prove as a useful starting point for traditional mapping by electrocortical stimulation (ECS).
Although ECS mapping remains the gold standard for predicting the clinical outcome of resection, the process of ECS mapping is time consuming and also has other problems, such as after-discharges or seizures. Thus, a passive functional mapping technique may prove valuable in providing an initial estimate of the locus of eloquent cortex, which may then be confirmed and refined by ECS. The results from our passive SIGFRIED mapping technique have been shown to exhibit substantial concurrence with the results derived using ECS mapping10.
The protocol described in this paper establishes a general methodology for gathering human ECoG data, before proceeding to illustrate how experiments can be initiated using the BCI2000 software platform. Finally, as a specific example, we describe how to perform passive functional mapping using the BCI2000-based SIGFRIED system.

Recording Human Electrocorticographic ECoG Signals for Neuroscientific Research and Real-time Functional Cortical Mapping

We present a method for collecting electrocorticographic signals for research purposes from humans who are undergoing invasive epilepsy monitoring. We show how to use the BCI2000 software platform for data collection, signal processing and stimulus presentation. Specifically, we demonstrate SIGFRIED, a BCI2000-based tool for real-time functional brain mapping.

Neuroscientific 연구 및 실시간 기능성 두피 매핑을위한 인적 Electrocorticographic (ECoG) 신호를 녹음하기

Neuroimaging studies of human cognitive, sensory, and motor processes are usually based on noninvasive techniques such as electroencephalography (EEG), ...

Simultaneous Whole-cell Recordings from Photoreceptors and Second-order Neurons in an Amphibian Retinal Slice Preparation

One of the central tasks in retinal neuroscience is to understand the circuitry of retinal neurons and how those connections are responsible for shaping the signals transmitted to the brain. Photons are detected in the retina by rod and cone photoreceptors, which convert that energy into an electrical signal, transmitting it to other retinal neurons, where it is processed and communicated to central targets in the brain via the optic nerve. Important early insights into retinal circuitry and visual processing came from the histological studies of Cajal1,2 and, later, from electrophysiological recordings of the spiking activity of retinal ganglion cells - the output cells of the retina3,4.
A detailed understanding of visual processing in the retina requires an understanding of the signaling at each step in the pathway from photoreceptor to retinal ganglion cell. However, many retinal cell types are buried deep in the tissue and therefore relatively inaccessible for electrophysiological recording. This limitation can be overcome by working with vertical slices, in which cells residing within each of the retinal layers are clearly visible and accessible for electrophysiological recording.
Here, we describe a method for making vertical sections of retinas from larval tiger salamanders (Ambystoma tigrinum). While this preparation was originally developed for recordings with sharp microelectrodes5,6, we describe a method for dual whole-cell voltage clamp recordings from photoreceptors and second-order horizontal and bipolar cells in which we manipulate the photoreceptor's membrane potential while simultaneously recording post-synaptic responses in horizontal or bipolar cells. The photoreceptors of the tiger salamander are considerably larger than those of mammalian species, making this an ideal preparation in which to undertake this technically challenging experimental approach. These experiments are described with an eye toward probing the signaling properties of the synaptic ribbon - a specialized synaptic structure found in a only a handful of neurons, including rod and cone photoreceptors, that is well suited for maintaining a high rate of tonic neurotransmitter release7,8 - and how it contributes to the unique signaling properties of this first retinal synapse.

We describe the preparation of thin retinal slices from aquatic tiger salamanders (Ambystoma tigrinum) and explain how we use these slices to study synaptic processing in the retina by obtaining dual whole-cell voltage clamp recordings from photoreceptors and second-order horizontal and bipolar cells.

양서류 망막 슬라이스 준비 광수와 2 차 신경 세포에서 동시에 전체 세포 녹음

One of the central tasks in retinal neuroscience  is to understand the circuitry of retinal neurons and how those connections are  responsible for shaping ...

Functional Imaging of Auditory Cortex in Adult Cats using High-field fMRI

Current knowledge of sensory processing in the mammalian auditory system is mainly derived from electrophysiological studies in a variety of animal models, including monkeys, ferrets, bats, rodents, and cats. In order to draw suitable parallels between human and animal models of auditory function, it is important to establish a bridge between human functional imaging studies and animal electrophysiological studies. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) is an established, minimally invasive method of measuring broad patterns of hemodynamic activity across different regions of the cerebral cortex. This technique is widely used to probe sensory function in the human brain, is a useful tool in linking studies of auditory processing in both humans and animals and has been successfully used to investigate auditory function in monkeys and rodents. The following protocol describes an experimental procedure for investigating auditory function in anesthetized adult cats by measuring stimulus-evoked hemodynamic changes in auditory cortex using fMRI. This method facilitates comparison of the hemodynamic responses across different models of auditory function thus leading to a better understanding of species-independent features of the mammalian auditory cortex.

Functional studies of the auditory system in mammals have traditionally been conducted using spatially-focused techniques such as electrophysiological recordings. The following protocol describes a method of visualizing large-scale patterns of evoked hemodynamic activity in the cat auditory cortex using functional magnetic resonance imaging.

하이 필드의 fMRI를 사용하여 성인 고양이의 청각 피질의 기능적 이미징

Current knowledge of sensory processing in the mammalian auditory system is mainly derived from electrophysiological studies in a variety of animal ...

Optogenetic Stimulation of the Auditory Nerve

Direct electrical stimulation of spiral ganglion neurons (SGNs) by cochlear implants (CIs) enables open speech comprehension in the majority of implanted deaf subjects1-6. Nonetheless, sound coding with current CIs has poor frequency and intensity resolution due to broad current spread from each electrode contact activating a large number of SGNs along the tonotopic axis of the cochlea7-9. Optical stimulation is proposed as an alternative to electrical stimulation that promises spatially more confined activation of SGNs and, hence, higher frequency resolution of coding. In recent years, direct infrared illumination of&#160;the cochlea has been used to evoke responses in the auditory nerve10. Nevertheless it requires higher energies than electrical stimulation10,11 and uncertainty remains as to the underlying mechanism12. Here we describe a method based on optogenetics to stimulate SGNs with low intensity blue light, using transgenic mice with neuronal expression of channelrhodopsin 2 (ChR2)13 or virus-mediated expression of the ChR2-variant CatCh14. We used micro-light emitting diodes (&#181;LEDs) and fiber-coupled lasers to stimulate ChR2-expressing SGNs through a small artificial opening (cochleostomy) or the round window. We assayed the responses by scalp recordings of light-evoked potentials (optogenetic auditory brainstem response: oABR) or by microelectrode recordings from the auditory pathway and compared them with acoustic and electrical stimulation.

Cochlear implants (CIs) enable hearing by direct electrical stimulation of the auditory nerve. However, poor frequency and intensity resolution limits the quality of hearing with CIs. Here we describe optogenetic stimulation of the auditory nerve in mice as an alternative strategy for auditory research and developing future CIs.

청각 신경의 자극 Optogenetic

Direct electrical stimulation of spiral ganglion neurons (SGNs) by cochlear implants (CIs) enables open speech comprehension in the majority of implanted ...

Touchscreen Sustained Attention Task (SAT) for Rats

Sustained attention is the ability to monitor intermittent and unpredictable events over a prolonged period of time. This attentional process subserves other aspects of cognition and is disrupted in certain neurodevelopmental, neuropsychiatric, and neurodegenerative disorders. Thus, it is clinically important to identify mechanisms that impair and improve sustained attention. Such mechanisms are often first discovered using rodent models. Therefore, several behavior procedures for testing aspects of sustained attention have been developed for rodents. One, first described by McGaughy and Sarter (1995), called the sustained attention task (SAT), trains rats to distinguish between signal (i.e., brief light presentation) and non-signal trials. The signals are short and thus require careful attention to be perceived. Attentional demands can be increased further by introducing a distractor (e.g., flashing houselight). We have modified this task for touchscreen operant chambers, which are configured with a touchscreen on one wall that can present stimuli and record responses. Here we detail our protocol for SAT in touchscreen chambers. Additionally, we present standard measures of performance in male and female Sprague-Dawley rats. Comparable performance on this task in both sexes highlights its use for attention studies, especially as more researchers are including female rodents in their experimental design. Moreover, the easy implementation of SAT for the increasingly popular touchscreen chambers increases its utility.

Touchscreen Sustained Attention Task SAT for Rats

Sustained attention, or continuously monitoring situations for intermittent and unpredictable events, is a critical aspect of cognition. Here we detail how to test sustained attention in rats using touchscreen operant chambers. We demonstrate comparable performance in male and female rats, making this task useful for studying attention in both sexes.

터치 스크린 지속 주의 작업 (토) 쥐에 대 한

Sustained attention is the ability to monitor intermittent and unpredictable events over a prolonged period of time. This attentional process subserves ...

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.

대뇌 피 질의 로컬 필드 전위, 심전도, 치십시오, 그리고 자유롭게 움직이는 쥐에서 리듬 호흡의 동시 녹음

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

Rat Model of Widespread Cerebral Cortical Demyelination Induced by an Intracerebral Injection of Pro-Inflammatory Cytokines

Multiple sclerosis (MS) is the most common immune-mediated disease of the central nervous system (CNS) and progressively leads to physical disability and death, caused by white matter lesions in the spinal cord and cerebellum, as well as by demyelination in grey matter. Whilst conventional models of experimental allergic encephalomyelitis are suitable for the investigation of the cell-mediated inflammation in the spinal and cerebellar white matter, they fail to address grey matter pathologies. Here, we present the experimental protocol for a novel rat model of cortical demyelination allowing the investigation of the pathological and molecular mechanisms leading to cortical lesions. The demyelination is induced by an immunization with low-dose myelin oligodendrocyte glycoprotein (MOG) in an incomplete Freund&#39;s adjuvant followed by a catheter-mediated intracerebral delivery of pro-inflammatory cytokines. The catheter, moreover, enables multiple rounds of demyelination without causing injection-induced trauma, as well as the intracerebral delivery of potential therapeutic drugs undergoing a preclinical investigation. The method is also ethically favorable as animal pain and distress or disability are controlled and relatively minimal. The expected timeframe for the implementation of the entire protocol is around 8 - 10 weeks.

The protocol presented here allows the reproduction of a widespread grey matter demyelination of both cortical hemispheres in adult male Dark Agouti rats. The method comprises of intracerebral implantation of a catheter, subclinical immunization against myelin oligodendrocyte glycoprotein, and intracerebral injection of a pro-inflammatory cytokine mixture through the implanted catheter.

프로 염증 성 사이토카인의 인트레이스렐 주입에 의해 유도된 광범위한 대뇌 피질 탈량의 쥐 모델

Multiple sclerosis (MS) is the most common immune-mediated disease of the central nervous system (CNS) and progressively leads to physical disability and ...

Statistical Modelling of Cortical Connectivity Using Non-invasive Electroencephalograms

Non-invasive electrophysiological recordings are useful for the evaluation of nervous system function. These techniques are inexpensive, fast, replicable, and less resource-intensive than imaging. Further, the functional data produced have excellent temporal resolution, which is not achievable with structural imaging.
Current applications of electroencephalograms (EEG) are limited by data processing methods. Standard analysis techniques using raw time series data at individual channels are very limited methods of interrogating nervous system activity. More detailed information about cortical function can be achieved by examining relationships between channels and deriving statistical models of how areas are interacting, allowing visualization of connectivity between networks.
This manuscript describes a method for deriving statistical models of cortical network activity by recording EEG in a standard manner, then examining the interelectrode coherence measures to assess relationships between the recorded areas. Higher order interactions can be further examined by assessing the covariance between the coherence pairs, producing high-dimensional &#34;maps&#34; of network interactions. These data constructs can be examined to assess cortical network function and its relationship to pathology in ways not achievable with traditional techniques.
This approach offers greater sensitivity to network level interactions than is achievable with raw time series analysis. It is, however, limited by the complexity of drawing specific mechanistic conclusions about the underlying neural populations and the high volumes of data generated, requiring more advanced statistical techniques for evaluation, including dimensionality reduction and classifier-based approaches.

Standard EEG analysis techniques offer limited insight into nervous system function. Deriving statistical models of cortical connectivity offers far greater ability to investigate underlying network dynamics. Improved functional assessment opens new possibilities for diagnosis, prognostication, and outcome prediction in nervous system diseases.

비침습적 뇌전도를 이용한 피질 연결의 통계적 모델링

Non-invasive electrophysiological recordings are useful for the evaluation of nervous system function. These techniques are inexpensive, fast, replicable, ...