우리는 촬영에 대한 지원은 Shaili 신임 CEO 및 헤더 Decot 감사합니다.

윤리 성명 :이 절차는 동물 연구 (실험 동물의 관리 및 사용을위한 설명서)를위한 건강 지침의 국립 연구소에 따라와 노스 캐롤라이나 기관 동물 관리 및 사용위원회의 대학에 의해 승인됩니다. 1. 전극 이식 첫 번째 단계는 전극의 주입이다. 이 단계에서, 전극은 일방적으로 시상 하부 핵 (STN), 다음 방법을 사용하여 파킨슨 병 치료를위한 병진 유의성 작은 ​​핵으로 주입된다 : <ol><li> .이 단기적인 생존 수술입니다, 따라서 무균 기술이 필수적이다 : 고압 증기 멸균이 주 (전극 불임에 대한 예) 할 수없는 오토 클레이브, 또는 소독액을 사용하여 모든 수술 장비를 소독. 수술 후, 동물은 짧은 회복 기간 (48 시간) 후 또는 몇 주까지 영상화 할 수 있습니다 나중에. </li><li> 기관 내 삽관 및 작은 동물 인공 호흡기를 통해 관리 2.5 % 이소 플루 란 (isoflurane)을 사용하여 쥐 (성인 흰쥐 2백50-4백g)를 마취. 정위 수술 프레임에 쥐를 수정하고 무균 기술을 사용하여 수술 부위를 준비합니다. </li><li> 준비하고 전극은 멸균 있는지 확인합니다. 많은 MRI 호환 전극 유형은 작동하지만 집에서 만든 2 채널 텅스텐 마이크로 와이어 전극은이 절차에 사용됩니다. 사용 된 전극 형 따라서 전체적인 실험 결과에 영향을 미치는, 기계적 절차, 자극 된 조직 영역 및 주입 정확도에 의해 손상된 조직 영역에 영향을 미칠 수있다. 전극 형은 멸균 될 수없는 경우에, 가능한 한 작게 전극 살균 포비돈 요오드 방부제를 사용한다. </li><li> 사용 가위는 두개골에 브레 그마 및 람다을 밝히기 위해서, 약 1.5 cm의 직경 주입의 사이트를 통해 두피를 제거합니다. 두개골을 덮는 근육과 근막을 제거모든 전기 소를 사용하여 출혈을 중지합니다. </li><li> 치과 용 시멘트의 접착력 (단계 1.8)을 개선하기 위해 메스 여러 방향으로 두개골 표면을 손상. 수평 방향 레벨 브레 그마 및 람다. </li><li> . 브레 그마 3.6 mm 후방에서 STN을 대상으로 정중선 옆 2.5 mm는, 직경 약 1.5 mm를 측정하는 버 구멍을 만들 수있는 작은 팁 전기 드릴을 사용하려면 : 좌표를 정위를 참조하는 STN의 정확한 위치는 모른다 쥐의 피로, 체중, 성별에 따라 다릅니다. 같은 성별의 성인 쥐 위치에 어떤 변화를 최소화하기 위해 사용되어야한다. 가능하면, 미리 연산 해부 검사 또는 수술 전기 녹음 개별 제목 기준 STN 위치를 식별하기 위해 사용되어야한다. 또한, 전극 종단 사이트 조직 학적 목표 정확도를 보장하기 위해 검증되어야한다. <ol><li> 조심스럽게 경질에 절개를하고, 일의 측면에 경질을 이동하는 작은 무딘 집게를 사용전자 홀. 식염수에 적신 멸균면을 사용하여 출혈을 중지합니다. 하나 이상의 MR-호환 나사 구멍)을 생성하고이 안정 될 때까지 두개골 부드럽게을 삽입합니다. 나사는이 DBS 전극의 외부 커넥터의 위치에 방해가되지 않습니다 어떤 위치에 배치 될 수있다 (예를 들면.하지 직접 전극에 STN의 동측 뒤에). 우리는 이상적으로 직접 람다 봉합에 후부, 두개골의 측면 가장자리에 배치를 권장합니다. 이 시점에서, 두개골 나사 피질 손상 될 가능성을 감소, 상대적으로 두께가 &quot;주 :. 플라스틱 나사도 적합하지만, 길이 4-5 ㎜로 절단 금관 악기 나사,이 프로토콜에 사용됩니다. </li></ol></li><li> 똑바로 수직임을 보장 정위 팔에 전극을 배치합니다. 브레 그마에 전극을 터치 한 후 대뇌 피질의 표면을 중간 선 및 터치 정확히 3.6 mm의 브레 그마에 후방 2.5 mm 측면 전극으로 이동전극. 대뇌 피질의 표면에서 배쪽으로 전극 7.8 mm를 삽입합니다. 이 좌표는 신경 해부학 아틀라스 1을 참조하여 결정된다. </li><li> 두개골 나사와 전극 삽입 지점을 포함하여 두개골을 통해 치과 용 시멘트의 레이어를 놓습니다. 시멘트가 완전히 전에 정위 프레임에서 전극을 제거하는 경화 될 때까지 기다립니다. 벤드 전극은 이전 버전과 내구성 전극 기관 및 커넥터의 나머지 부분을 충당하기 위해 추가로 시멘트를 사용합니다. </li></ol> 2. fMRI를 준비 두 번째 단계는 생리적 모니터링 장비의 코일 및 설치 위치 등의 fMRI를위한 셋업이다. <ol><li> 스캔하는 동안 움직임을 방지하기 위해 동물의 머리를 고정 참고 :. 사용자 지정 플라스틱 intraauricular 바 시스템이 머리 고정 용 여기에 사용됩니다. 귀 운하에 막대를 놓고 머리가 일에 원활하게 회전되도록 투구에 고정수평 방향의 회전 전자 수직 방향. 장치에 상부 치아를 고정하여 머리의 위치를​​ 고정합니다. </li><li> 완전히 쥐를 마취하고 모든 검사를 통해 안정성을 보장하기 위해 최종 갯벌 CO 2를 모니터링 할 수 있습니다. 마취 및 진정 작용 화제의 다양성이 유사한 방식으로 사용될 수도 있지만 마취, 환기 및 조절 단부 조력 CO에게 스캔하는 동안이 수준을 유지하기 위해, 이소 플루 란 기화기와 결합 MR 호환 작은 동물 환기 시스템은, 여기에서 사용된다. 시작 볼륨으로 공기의 적당한 볼륨, 약 500 ㎖ / 분으로 45 호흡 / 분에 인공 호흡기를 설정합니다. 2 %에 이소 플루 란을 설정하고 스캔 방에 쥐를 전송합니다. 쥐의 기관 내 튜브로 인공 호흡기의 출력을 연결하고 보안을 단단히 누릅니다. Capnometry 가능한 기관 내 튜브 커넥터에 가깝게 연결 관을 이용하여 취득한다. 3.3 %에 2.6 %의 호 기말 이산화탄소를 생산하는 환기 볼륨을 조절합니다. </리&gt; <li> 온도 제어를위한 순환 온수 욕조가있는 스캐너에 쥐를 삽입 MR-호환 작은 동물 홀더를 사용합니다. 홀더에 목욕 패드를 테이프와 깨끗한 흡수 종이로 커버. 뜨거운 물 침대에 쥐를 놓습니다. </li><li> 동맥 산소 포화도와 심박수가 유용 생리 학적 파라미터를하는 동안 온도와 이산화탄소 수준의 모니터링, BOLD의 fMRI에 필수적이다. MR-호환 직장 온도 프로브와 꼬리의 기초에 테이프를 넣고 37 ℃에서 정상 체온을 유지하기 위해 물을 욕조의 온도를 조정 사용 마취제의 유형에 따라 달라질 수있는 각각 95-98%에서 그들을 유지 250-350 BPM, 작은 동물 맥박 산소 시스템을 사용하여 산소 포화도 및 심박수를 모니터링. 산소 포화도와 심박수는 모두 마취, 환기 볼륨 및 환기 속도의 깊이에 의해 영향을 받는다. 환기 볼륨과 속도를해야 할 수도 있습니다정중 적절한 기말 CO 2 레벨 및 충분한 산소 포화도를 유지하도록 균형을 이루어야한다. </li><li> 표면 코일 BOLD fMRI를 획득 필요합니다. 가능한 한 머리의 표면에 가까운 표면 코일을 배치합니다. 일단 확보 뇌 표면 근처 감수성 아티팩트를 감소시키기 위하여 시멘트 캡 헤드의 표면에 치약을 배치 참고. 큰 표면 코일이있을 수 있지만 우리는 약 1.6 cm의 내경이 제 송수신기 표면 코일을 사용 깊은 피질 영역에서 BOLD 반응을 최적화하는 데 사용됩니다. </li><li> 프로그램 전기 자극 시스템에 자극 전극을 연결 참고 :. 우리는 MR 검사에서 RF의 음원 정보에 동기화 된 전기 펄스를 전달하기 위해 바이폴라 자극기에 연결된 시스템을 트리거 맞춤 프로그램 TTL을 사용합니다. </li><li> 의 fMRI 데이터 수집 동안 진정 작용과 마비를 들어, (dexmedetomidine의 칵테일을 사용하여 0.1간질 활동 2 방지하기 위해 0.5 %의 낮은 복용량의 이소 플루 란과 함께 ㎎ / ㎏ / 시간, IP) 및 pancuronium (1 ㎎ / ㎏ / 시간, IP). 펌프는 자기 환경에 배치 될 경우 약물 주입의 경우, MR-호환 주사기 펌프가 사용되어야한다. 대안 적으로, noncompatible 펌프 확장 카테터 튜브를 사용하는 것을 제공 자기 환경 외부에 배치 될 수있다. </li></ol> 3. 의 fMRI 데이터 취득 방식 세 번째 단계는 위치, shimming, 해부학 적 검사 및 기능 검사를 포함, fMRI를 수집합니다. 이 기술은 다른 높은 - 장 시스템에 적응 및 상업적 MRI 코일 제조 될 수 있지만 제 표면 코일 9​​.4 테슬라 시스템은, 여기에서 사용된다. <ol><li> 자석의 중심에 스캐너와 위치에 쥐를 삽입합니다. 정확하게 관심의 뇌 영역에 대한 자석 내에서 쥐의 중심을 세 가지면 스카우트 이미지를 사용하여 FASTMAP는 균질 할 shimming관심 영역에 자기장을 nize. </li><li> 시상 T2 강조 RARE 순서 (, 매트릭스 크기 256 X 256, 슬라이스 두께 1.5 ㎜, TR / TE, 11분의 1,500 MS, 드물게 계수, 8, 각 플립, 180 ° FOV, 2.56 X 2.56 cm 2)를 사용하여 앞쪽에 접합면의 위치를​​ 찾고,이 위치 이후의 이미지를 정렬합니다. 이 점에 여덟 조각 단발 GE-EPI 스캔 (TR / TE, 14분의 1,000 MS, 128 x 128의에 복원 행렬의 크기, 96 X 96,,, 슬라이스 두께 1mm FOV, 2.56 X 2.56 cm 2)에 맞 춥니 다 관상 방향으로. </li><li> 기능 검사의 경우, 40 초 휴식 한 다음 20 초 휴식으로 설정 자극 출력 동기화 일초 시간 해상도, 10 초 자극과 70 연속 EPI 스캔을 사용합니다. 신경 혈관 복구를 할 수 있도록 스캔 사이 90 초 최소 허용합니다. 평균화함으로써 신호 대 잡음비를 향상시키기 위해 각 자극 파라미터에서 다수 반복 검사를 획득. 더미 일련의 스캔 (일반적으로 4-8을 사용하여) 소음 감소를 위해 주사 직전에. 평균, coregistration와 두개골 - 스트립이 설정에서 생략 될 수 있지만, 4 장에서 설명 된 방법을 사용하여 실험의 성공을 보장하기 위해 영상 획득시 BOLD 반응을 확인합니다. </li><li> 기능 검사가 완료되면, T2 강조 RARE 스핀 에코 시퀀스 (FOV, 2.56 X 2.56 cm 2를 사용하여, 매트릭스의 크기 256 X 256, 슬라이스 두께 1 ㎜, TR / TE, 33분의 2,500 MS, 평균, 8 ) 생체 내에서 전극의 해부학 적 위치를 측정한다. 전방 / 후방 / 중간 측면과 지느러미 / 복부 축을 따라 전극 이슈의 끝을 측정 전극의 위치를​​ 확인하기 위해 여러 관상 및 시상 부분을 취득. 고해상도 자기 공명 현미경 (FOV, 1.8 × 1.28 cm, 매트릭스 크기 360 × 256, 슬라이스 두께 0.5 mm; TR / TE, 2500/12.6 MS; RARE 계수, 8; 평균, 280)을 조사하는데 사용될 수있다 관련하여 제거한 후, 전극 요로의 정확한 위치근처의 신경 해부학 적 구조와 전극 배치 3의 정확성을 확인합니다. </li></ol> 4. 의 fMRI 데이터 처리 및 분석 네번째 단계는 처리 및 응답지도 및 퍼센트 BOLD 신호 변화의 연산의 발생 등의 fMRI 데이터의 분석이다. 컴퓨팅 환경 내에서 (예를 들어, MATLAB) 또는 상업적 fMRI를 소프트웨어 도구 (예. SPM, FSL, 또는 AFNI)를 실행하는 사용자 지정 프로그램이 사용될 수있다. <ol><li> 에서 피사체 뒤에 피험자 내 주파수에 의해 첫 번째 이미지의 coregistration 및 데이터의 평균으로 시작 참고 :. 우리는이 사용 SPM 코드를 달성. </li><li> 신호 임계 값과 관심을 수동으로 정의 된 영역 (ROI)를 사용하여 nonbrain 조직을 제거하기 위해 스트립 두개골을 수행합니다. 자동 두개골 스트리핑 알고리즘이 사용될 수있다. </li><li> BOLD 입술 사이의 관계의 상관 계수를 산출함으로써 응답 맵을 컴파일시간과 각 복셀에 대한 자극의 패러다임에 ponse. 혈역학 적 응답 지연을 고려하여 패러다임 몇 초를 지연하는 것은 필요할 수 있습니다. P에서 설정 상당한 수준의 &lt;Bonferroni 보정 후 0.05. 다른 통계적 방법이 사용될 수있다. 가우스 랜덤 필드를 기반으로 임의의 필드 이론 또는 클러스터 레벨 보정을 사용하여 여러 비교를 위해 수정하는 것은 더 민감 분석 4 Bonferroni 보정 대신 수행 할 수 있습니다 :. 혈역학 지연이 대상 뇌 영역에 따라 달라질 수 있습니다, 약물 에이전트 사용 생리 학적 매개 변수입니다. 이 주제 내 및 간 주제 변동을 방지하기 위해 이들 파라미터를 제어하기 위해 중요하다. </li><li> 시간 코스 데이터를 추출 할 수있는 투자 수익 (ROI)을 정의하여 BOLD 반응을 정량화. 같은 해부학 적 구조 내에서 모든 복셀에 걸쳐 %의 신호 변화를 평균. 일반 선형 모델을 이용하여 복셀 - 방향 분석도 5를 사용할 수있다. </li></ol>

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동시 DBS와의 fMRI는 생체 내에서 신경 회로의 자극에 글로벌 다운 스트림 응답의 식별 및 특성화를위한 유망한 실험 키트를 나타냅니다. 이러한 전기 생리학 녹음 등 다른 사용 가능한 도구를 통해이 기술의 가장 큰 장점은 뇌 조직의 크고 다양한 지역은 대상에서 DBS에 대한 응답을 검사 할 수있다 fMRI를, 상대적으로 공정한 성격에있다. 설명 프로토콜이 쥐에서 DBS-fMRI를 위해 특정이지만, DBS...

신경 회로의 활동의 글로벌 다운 스트림 효과를 결정하는 시스템 신경 과학의 여러 분야에 대한 주요 도전과 목표를 나타냅니다. 전통의 소수는이 요구를 충족 현재 사용할 수 있으며, 따라서 적절한 실험 셋업이 쉽게 사용이 요구되고있다. 신경 회로 활성화의 글로벌 결과를 평가하기위한 하나의 방법은 뇌 심부 전기 자극 (DBS)과 기능적 MRI (fMRI를)의 동시 응용 프로그램에 의존합니다. DBS-의 fMRI는 큰 공간적 스케일 회로 활성화에 하류 반응의 검출을 허용하고, 실질적으로 어떤 자극 타겟에 적용될 수있다. 이 도구 세트는 치료 고주파 자극에 대한 반응의 특성을 포함하여 번역 전임상 연구에 매우 적합하다. 적합한 MRI 스캐너에 접근 이외에, 성공적인 DBS-의 fMRI 실험 variabl의 수의 고려가 필요전극 형, 진정 방법 및 생체 변수의 유지 보수 등 에스. 예를 들어, 전극의 선택은 자극 효과 (예. 리드 크기 및 컨덕턴스, 모노 - 대 바이폴라)뿐만 아니라 MR 호환성 이슈 및 전극 크기와 관련된 요인에 근거한다. 전극 아티팩트는 전극 재료와 크기뿐만 아니라, 사용 된 스캔 순서에 의해서, 철저한 사전 실험 테스트는 각 연구에 적합한 전극 유형을 결정하기 위해 사용되어야한다. 일반적으로, 텅스텐 마이크로 와이어 전극은이 프로토콜에 대한 권장합니다. 중풍 및 진정제의 어워드 효과적으로 동물을 고정화하고 혈액 산소 수준 의존 (BOLD) 신호에서 특정 진정제의 억제 효과를 줄이기 위하여 만들어 져야한다. 마지막으로는 체온, 산소 포화도 등 최적의 생리 학적 파라미터에 동물을 유지하는 것이 중요하다. 우리는 DBS를 위해 개발 한 프로토콜-의 fMRI는 이러한 잠재적 인 많은 장애물을 극복하고, 우리의 손에, 강력하고 일관된 결과를 제공합니다. 또한,이 실험 절차는 용이 optogenetic 자극 포함한 대안 자극 방법의 fMRI와의 조합을 채용 할 수있다.

<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

다양한 대상에 깊은 뇌 자극 (DBS)에 대한 글로벌 및 다운 스트림의 연결 반응을 시각화하기 위해, 우리는 혈액의 산소 수준의 종속 (BOLD) 기능성 자기 공명 영상 (fMRI) 동시 DBS와 이미지 설치류를 사용하기위한 프로토콜을 개발했습니다. DBS의 fMRI 전극 주입 정밀도를 포함하는 다수의 기술적 문제를, 선물, MR을 동시에 동물의 움직임, 그리고 생리 학적 매개 변수의 유지 보수를 제거하면서 모든 신경 세포의 영향을 최소화하기 위해 마취 및 마비의 전극, 선택에 의해 만들어진 유물, 편차가있는 혼동 할 수있는 BOLD 신호. 우리의 실험실이 가능한 대부분의 문제를 극복 할 수있는 일련의 절차를 개발했습니다. 전기 자극의 경우, 집에서 만든 텅스텐 바이폴라 미세 전극은 마취 제목에 자극이 사이트에서 정위 삽입, 사용됩니다. 영상을 준비, 설치류는 플라스틱 투구에 고정되어마그넷 보어로 전송. 스캔하는 동안 진정 작용과 마비를 들어, dexmedetomidine과 pancuronium의 칵테일은 지속적으로 이소 플루 란 최소한의 복용량과 함께 주입되고,이 혼합물은 휘발성 마취제의 BOLD 천장 효과를 최소화 할 수 있습니다. 이 예제 실험에서 시상 하부 핵 (STN)의 자극은 운동 피질을 중심으로, 동측 대뇌 피질의 지역에서 주로 관찰된다 BOLD 반응을 생산하고 있습니다. 동시 DBS와 fMRI를 자극 위치와 자극의 매개 변수에 대한 신경 회로의 명확한 변조 따라 허용하고, 지역 편견의 연결 변조의 관찰을 허용합니다. 이 기술은 실험과 임상 모두 DBS에 대한 의미와 함께, 거의 모든 뇌 영역에서 신경 회로를 변조의 하류 효과를 탐구하는 데 사용할 수 있습니다.

주제 기능적 데이터는 우측의 시상 하부 핵 이식 자극 전극과 하나의 쥐에서 상기 프로토콜에 따라 취득 하였다. DBS의 fMRI 영상 획득을위한 필수 설정의 그림은 그림 1에 제공된다. 자극은 0.3 mA, 130 Hz에서 0.09 밀리의 펄스 폭의 주파수의 진폭과, 상기 프로토콜과 일치 도포 하였다. 동측 운동 피질의 강력한 활성화를 지속적으로 자극을 대상으로 시상 하부 핵으로이 프로토콜을 사용하...

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Deep Brain Stimulation with Simultaneous fMRI in Rodents

이 프로토콜은 설치류에서 동시에 기능성 자기 공명 영상과 깊은 두뇌 자극을위한 표준 방법을 설명합니다. 이러한 실험 도구를 함께 사용은 거의 모든 뇌 대상에 전기 자극에 대한 응답으로 글로벌 다운 스트림 활동의 탐사 할 수 있습니다.

설치류에 동시 fMRI를 깊은 뇌 자극

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 조회수.  University of North Carolina.  이 프로토콜은 설치류에서 동시에 기능성 자기 공명 영상과 깊은 두뇌 자극을위한 표준 방법을 설명합니다. 이러한 실험 도구를 함께 사용은 거의 모든 뇌 대상에 전기 자극에 대한 응답으로 글로벌 다운 스트림 활동의 탐사 할 수 있습니다. 

비디오: Deep Brain Stimulation with Simultaneous fMRI in Rodents

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.

쥐 두뇌에 동시 fMRI와 전기 생리학

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

연구

신경과학

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.

동시 신경 자극과 워터 미로에서 녹음을위한 설계 및 비용 효율적인 Headstage 구축

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.

기본 모드 네트워크를 검사하기 위해 Transcranial 자석 자극과 fMRI를 결합

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 : 연약한 X 증후군 및 자폐증과 개인의 소성의 Mechasnism를 탐험하는 세타 - 버스트 프로토콜을 사용하여

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

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

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

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

NeuroStar TMS 장치 : FDA를 실시는 우울증 치료 프로토콜을 승인

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.

전방 시상 핵의 깊은 뇌 자극 후 쥐 해마의 유전자 발현 변화 분석

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.

설치류에 아크릴 수지 성형 기반 헤드 고정 기법

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.

경고 설치류에 Transcranial 전기 두뇌 자극

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

Real-Time fMRI Brain Mapping in Animals

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

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

동물의 실시간 fMRI 뇌 매핑

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

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

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

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

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

생체 내 쥐의 심부 뇌 자극에 의해 유도 된 활동 패턴을 밝히기위한 양전자 방출 단층 촬영

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

Methods Article

설치류에 동시 fMRI를 깊은 뇌 자극