O trabalho foi suportado pelo NIH um R21NS057718-01.

1. Esta é uma cirurgia não-sobrevivência. O primeiro passo é a implantação dos eletrodos. Neste exemplo, os eletrodos serão implantados nas regiões forepaw de córtex somatosensorial primário de ambos os hemisférios. <ol><li> Anestesiar o rato (rato SD masculino, 200-300 g) com 2% de isoflurano e fixar no lugar em um sistema estereotáxico cirúrgico. Antes de iniciar a cirurgia, certifique-se que o animal está bem anestesiado e não exibe nenhuma resposta a uma pitada dedo do pé. Retire a pele antes de abrir o couro cabeludo. Separar os músculos e outros tecidos acima do crânio e bloquear qualquer sangramento na superfície óssea usando um cauterizador. </li><li> Prepare um cais na superfície do crânio (perto da linha média junção V-shaped anterior) como um ponto de fixação para o eixo do eletrodo implantado, usando cimento dental. Definição de um conjunto pequeno parafuso de nylon dentro do osso, antes de aplicar cimento dental pode aumentar a estabilidade. O tamanho do cais em forma com cimento deve ser de aproximadamente 5 mm de altura e 3 x 5 mm 2 de área na base (ver Figura 1). </li><li> Usando uma broca com ponta fina elétrica, abra cuidadosamente o crânio e expor a dura sobre a representação das patas dianteiras no córtex somatosensorial primário de cada hemisfério. O diâmetro de cada furo deve ser em torno de 1 mm, posicionada a 1 mm anterior ao e 4 mm lateral do bregma. Sob um microscópio, corte uma pequena abertura na dura-máter usando uma ponta de agulha da seringa, tomando cuidado para evitar qualquer dano navio. </li><li> Antes de inserir cada eletrodo, certifique-se que nenhum sangramento ou exsudação está presente perto das incisões. Os microeletrodos de vidro deve ser preparado antes da cirurgia, com cerca de 3 ~ 4 centímetros de comprimento do eixo e impedância de 1 ~ 5 mohms. Preencher o capilar do eletrodo com CSF artificial (ACSF) e inserir cada eletrodo obliquamente (~ 45 °, de posterior para anterior) para o cérebro ~ 0,4 milímetros a partir da dura aberto usando o braço estereotáxico. Antes de fixar no lugar, verificar o sinal elétrico. Uma extremidade de um fio de prata chloridized deve ser mergulhado na ACSF ea outra extremidade conectada à entrada conduz ao amplificador. Um fio de prata, em anexo por via subcutânea na parte de trás da pele aberta, serve como eletrodo de referência. </li><li> Antes de fixação dos eletrodos, verifique a área cirúrgica e certifique-se que nenhum sangramento ou exsudação ocorre, e em seguida, aplicar pasta de dentes para substituir a pele e os músculos retirados do crânio. O uso do creme dental melhora a qualidade da imagem MR, reduzindo o descompasso susceptibilidade na interface crânio / ar. Anexar o eixo do eletrodo para o cais preparada com cimento dental (ver Figura 1). </li><li> Após a cura do cimento dental, transferir o animal para o berço de ressonância magnética e fixar no lugar. Monitorar a condição fisiológica do rato s para o restante do estudo, incluindo a temperatura corporal, taxa de respiração, SPO 2 e freqüência cardíaca. </li><li> A posição de uma bobina de superfície (transmissão / recepção) sobre a cabeça, com os eletrodos salientes do centro da bobina. Uma tampa em forma de arco rígido adicional que se senta sobre o berço serve como um suporte para fixação do eletrodo conduz a fim de evitar o movimento causado pela respiração animal. Os eletrodos utilizados para geração de imagens e gravação simultânea de estender-se a 5 m (o amplificador está localizado fora da sala de imã) e são cobertos com plástico condutor que serve como um escudo passiva. </li><li> A anestesia pode ser mudado de isoflurano a medetomidina para reduzir a supressão da atividade neural, se desejar. Examine o sinal elétrico uma última vez antes de transferir o animal para o ímã. Em nossos estudos, os parâmetros de gravação foram os seguintes: 1000 x amplificado, 0,1 Hz ~ 5 K Hz bandpass filtrada, 60 Hz notch filtrada, 12 kHz de taxa de amostragem para a conversão analógica para digital. </li></ol> 2. Neste ponto, o animal é inserido no scanner de ressonância magnética para geração de imagens e gravação simultânea. Os animais são anestesiados durante todo o procedimento de imagem. <ol><li> A 9,4 T pequenos animais MRI sistema (Bruker, Alemanha) foi utilizado em nossos estudos. Antes da gravação, parâmetros de imagem deve ser estabelecida. A imagem de três escuteiros avião é usado para posicionar a exames de ressonância magnética. Para melhorar a homogeneidade do campo magnético, o volume de interesse é espessurados usando FASTMAP 1. Para estudos de fMRI, uma fatia de imagem coronal foi selecionado, que incluiu bilateral forepaw áreas somatossensorial primário, no qual os eletrodos foram implantados. Os parâmetros de imagem foram EPI FOV, 1,92 x 1,92 centímetros 2; tamanho da matriz, 64 x 64; no plano de resolução, 0,3 x 0,3 mm 2; espessura de corte, 2 mm; TR / TE, 500/15 ms. </li><li> Após a configuração de imagem é a gravação completa, simultânea e fMRI pode começar. A Figura 2 mostra uma imagem representativa e EPI-primas durante as gravações de imagem. A mudança rápida dos gradientes durante resultados de aquisição de imagem em gravações saturada, que persistem por apenas uma pequena porção de cada ciclo de scan (22/500 ms). Após a aquisição da imagem, o sinal elétrico Returns a linha de base com uma forma de não-saturado oscilação (ver Figura 3). FMRI combinado e gravação podem ser realizadas durante o estado de repouso (como demonstrado neste estudo) ou durante a estimulação. Para estudos de estímulo, os parâmetros de imagem são os mesmos que para o estudo do estado de repouso, com a estimulação elétrica da pata dianteira fornecido com 9 Hz, 1 ~ 4 mA. O rato é sacrificado após a verificação final. </li></ol> 3. Depois de imagem e gravação simultânea, os dados devem ser pré-processados ​​antes da análise final. <ol><li> Começamos com a remoção dos artefatos gradiente das gravações eletrofisiológicas (ver Figura 3). <ol><li> A estrutura de ruído devido à digitalização pode ser extraída, pela média dos ~ 500 ms (TR) seções, cada uma das quais corresponde ao intervalo entre dois períodos consecutivos de imagens fMRI. </li><li> Subtrair a estrutura ruído médio das gravações originais. Este método corrige apenas os segmentos de gravação insaturados. </li><li> Cada segmento saturado correspondente a alternância de gradiente durante a aquisição de imagem é substituída por uma linha, que passa entre o ponto de tempo antes e após o ponto no tempo gradiente induzido por saturação. </li></ol></li><li> As gravações denoised de potenciais de campo locais (LFPs) são convertidos em cursos de potência do tempo, que terá a mesma resolução temporal como o curso do tempo fMRI. A potência média dentro de um bin de 2 segundos é usado para calcular as freqüências mais baixas (delta banda, 1 a 4 Hz), com uma lata de 1 segundo para faixa teta (4 a 8 Hz) freqüências, e uma caixa de ~ 0,5 s entre vizinhos sinais de saturação para freqüências mais altas (&gt; 8 Hz, alfa para bandas de gama). A janela deslizante para todas as bandas de freqüência foi movido em incrementos de 0,5 s, combinando com o TR dos dados fMRI. </li><li> Para dados de imagem, pré-processamento de fMRI padrão é realizada, incluindo correção de cabeça movimento, suavização da imagem com 0,5 FWHM mm, e remoção de drift linear. </li><li> Análise de correlação cruzada é realizada entre os cursos de poder LFP tempo e ao longo do tempo de cada voxel de dados de imagem. Lapsos de tempo variando permitir o exame de tempo-dependente de correlação (ver Figura 4). </li></ol> Resultados representativos: Como exemplo, esta técnica pode ser usada para investigar a relação entre a atividade neural espontânea e flutuações BOLD. A Figura 4 mostra os mapas de correlação entre o poder LFP eo sinal BOLD em lapsos de tempo entre -2,5 e 9,5 s de um rato. As flutuações de baixa freqüência BOLD (&lt;0,1 Hz) de áreas corticais perto da ponta do eletrodo são correlacionadas com as mudanças de energia LFP (&lt;0,1 Hz) com um atraso de 2 a 6 s. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig1.jpg" alt="Figura 1" /> Figura 1. Configuração esquemática do implante de eletrodos e região de imagem com uma bobina de superfície. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig2.jpg" alt="Figura 2" /> Figura 2. Um representante coronal imagem EPI, incluindo as pontas dos eletrodos, é mostrado no painel da esquerda. O painel direito mostra-prima gravações eletrofisiológicas antes e durante o exame. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig3.jpg" alt="Figura 3" /> Figura 3. By zoom em um ciclo de varredura, pode-se ver que o artefato (verde) durante o exame pode ser removido de gravações originais (azul). Os cursos tempo denoised (vermelho) foram utilizados para análise posterior. <img src="/files/ftp_upload/1901/1901fig4.jpg" alt="Figura 4" /> Figura 4. Coronal mapas (de um rato normal) de correlação entre o poder da atividade espontânea banda delta de um eletrodo eo sinal de descanso estado BOLD em defasagens de -2,5 a 9,5 s. Máxima correlação é observada em SI bilateral em cerca de 4 ~ 5 s em ratos anestesiados com isoflurano. Cor da barra representa Pearson r.

<ol>
	<li>Gruetter, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automatic,+localized+in+vivo+adjustment+of+all+first-+and+second-order+shim+coils.">Automatic, localized in vivo adjustment of all first- and second-order shim coils.</a> Magn Reson Med. 29 (6), 804-804 (1993).</li><li>Logothetis, N. K., Pauls, J., Augath, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neurophysiological+investigation+of+the+basis+of+the+fMRI+signal.">Neurophysiological investigation of the basis of the fMRI signal.</a> Nature. 412 (6843), 150-150 (2001).</li><li>Nir, Y., Fisch, L., Mukamel, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coupling+between+neuronal+firing+rate,+gamma+LFP,+and+BOLD+fMRI+is+related+to+interneuronal+correlations.">Coupling between neuronal firing rate, gamma LFP, and BOLD fMRI is related to interneuronal correlations.</a> Curr Biol. 17 (15), 1275-1275 (2007).</li></ol>

A gravação eletrofisiológicos e fMRI BOLD são separadamente bem desenvolvido técnicas. No entanto, ao mesmo tempo de gravação e imagem é um desafio devido à interferência mútua 2 das duas modalidades. Aqui nós fornecemos uma solução possível para experimentos combinados no roedor. O método modificado de implante de eletrodos minimiza influência sobre a qualidade da imagem, ea remoção de artefatos para as gravações elétrica é necessário remover o ruído induzido pela aquisição da imag...

simultaneous fmri and electrophysiology in the rodent brain

Para examinar a base neural do nível de oxigenação do sangue dependente (BOLD) ressonância magnética do sinal (MRI), desenvolvemos um modelo de roedores nos quais dados de MRI e funcional<em&gt; In vivo</em&gt; Gravação intracortical podem ser realizadas simultaneamente. A combinação de gravação de ressonância magnética e elétrica é um desafio técnico, pois os eletrodos usados ​​para gravação de distorcer as imagens de ressonância magnética e ressonância magnética induz a aquisição de ruído na gravação elétrica. Para minimizar a interferência mútua das duas modalidades, microeletrodos de vidro foram usados ​​ao invés de metal e um algoritmo de remoção de ruído foi implementado para os dados de eletrofisiologia. Em nossos estudos, dois microeletrodos foram implantados em separado bilateral primária córtex somatosensorial (SI) do rato e fixos no lugar. Uma fatia coronal cobrindo as pontas eletrodo foi selecionado para a ressonância magnética funcional. Eixos e posições de fixação de eletrodos não foram incluídos na fatia imagem para evitar artefatos de imagem. O couro cabeludo removido foi substituído por creme dental para reduzir e prevenir a incompatibilidade susceptibilidade artefatos Gibbs toque nas imagens. A estrutura artefato induzido nas gravações elétricas por campos magnéticos em rápida mudança na aquisição da imagem foi caracterizado pela média de todos os ciclos de varreduras para cada execução. A estrutura de ruído durante a imagem foi então subtraído gravações originais. Os cursos tempo denoised foram então usados ​​para posterior análise em combinação com os dados fMRI. Como exemplo, a aquisição simultânea foi utilizado para determinar a relação entre sinais BOLD fMRI espontânea e banda limitada atividade intracortical elétrica. FMRI e gravação simultânea eletrofisiológicas no roedor irá fornecer uma plataforma para muitas aplicações interessantes em neurociências, além de elucidar a relação entre o sinal de fMRI BOLD ea atividade neuronal.

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Simultaneous fMRI and Electrophysiology in the Rodent Brain

Nós desenvolvemos um método para ressonância magnética funcional simultânea e gravação eletrofisiológicas no cérebro de roedores, proporcionando uma plataforma para a investigação da relação entre a atividade neural e sinalizar o nível de oxigenação do sangue (BOLD) dependente de ressonância magnética.

FMRI simultânea e Eletrofisiologia no cérebro de roedores

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

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Research

JoVE Journal

Neuroscience

13.3K visualizações.  Emory University. Nós desenvolvemos um método para ressonância magnética funcional simultânea e gravação eletrofisiológicas no cérebro de roedores, proporcionando uma plataforma para a investigação da relação entre a atividade neural e sinalizar o nível de oxigenação do sangue (BOLD) dependente de ressonância magnética.

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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.

Concepção e Construção de um Headstage Custo Efetivo de Estimulação Neural Simultânea e Gravação no labirinto aquático

Headstage preamplifiers and source followers are commonly used to study neural activity in behavioral neurophysiology experiments. Available commercial ...

Neurociência

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.

Combinando Estimulação Magnética Transcraniana e fMRI para o Exame da rede de modo padrão

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 ...

Co-analysis of Brain Structure and Function using fMRI and Diffusion-weighted Imaging

The study of complex computational systems is facilitated by network maps, such as circuit diagrams. Such mapping is particularly informative when studying the brain, as the functional role that a brain area fulfills may be largely defined by its connections to other brain areas. In this report, we describe a novel, non-invasive approach for relating brain structure and function using magnetic resonance imaging (MRI). This approach, a combination of structural imaging of long-range fiber connections and functional imaging data, is illustrated in two distinct cognitive domains, visual attention and face perception. Structural imaging is performed with diffusion-weighted imaging (DWI) and fiber tractography, which track the diffusion of water molecules along white-matter fiber tracts in the brain (Figure 1). By visualizing these fiber tracts, we are able to investigate the long-range connective architecture of the brain. The results compare favorably with one of the most widely-used techniques in DWI, diffusion tensor imaging (DTI). DTI is unable to resolve complex configurations of fiber tracts, limiting its utility for constructing detailed, anatomically-informed models of brain function. In contrast, our analyses reproduce known neuroanatomy with precision and accuracy. This advantage is partly due to data acquisition procedures: while many DTI protocols measure diffusion in a small number of directions (e.g., 6 or 12), we employ a diffusion spectrum imaging (DSI)1, 2 protocol which assesses diffusion in 257 directions and at a range of magnetic gradient strengths. Moreover, DSI data allow us to use more sophisticated methods for reconstructing acquired data. In two experiments (visual attention and face perception), tractography reveals that co-active areas of the human brain are anatomically connected, supporting extant hypotheses that they form functional networks. DWI allows us to create a "circuit diagram" and reproduce it on an individual-subject basis, for the purpose of monitoring task-relevant brain activity in networks of interest.

We describe a novel approach for simultaneous analysis of brain function and structure using magnetic resonance imaging (MRI). We assess brain structure with high-resolution diffusion-weighted imaging and white-matter fiber tractography. Unlike standard structural MRI, these techniques allow us to directly relate anatomical connectivity to functional properties of brain networks.

Co-análise de estrutura e função cerebral usando ressonância magnética funcional e imagem ponderada em difusão

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

Simultaneous Electroencephalography, Real-time Measurement of Lactate Concentration and Optogenetic Manipulation of Neuronal Activity in the Rodent Cerebral Cortex

Although the brain represents less than 5% of the body by mass, it utilizes approximately one quarter of the glucose used by the body at rest1. The function of non rapid eye movement sleep (NREMS), the largest portion of sleep by time, is uncertain. However, one salient feature of NREMS is a significant reduction in the rate of cerebral glucose utilization relative to wakefulness2-4. This and other findings have led to the widely held belief that sleep serves a function related to cerebral metabolism. Yet, the mechanisms underlying the reduction in cerebral glucose metabolism during NREMS remain to be elucidated.
	One phenomenon associated with NREMS that might impact cerebral metabolic rate is the occurrence of slow waves, oscillations at frequencies less than 4 Hz, in the electroencephalogram5,6. These slow waves detected at the level of the skull or cerebral cortical surface reflect the oscillations of underlying neurons between a depolarized/up state and a hyperpolarized/down state7. During the down state, cells do not undergo action potentials for intervals of up to several hundred milliseconds. Restoration of ionic concentration gradients subsequent to action potentials represents a significant metabolic load on the cell8; absence of action potentials during down states associated with NREMS may contribute to reduced metabolism relative to wake.
	Two technical challenges had to be addressed in order for this hypothetical relationship to be tested. First, it was necessary to measure cerebral glycolytic metabolism with a temporal resolution reflective of the dynamics of the cerebral EEG (that is, over seconds rather than minutes). To do so, we measured the concentration of lactate, the product of aerobic glycolysis, and therefore a readout of the rate of glucose metabolism in the brains of mice. Lactate was measured using a lactate oxidase based real time sensor embedded in the frontal cortex. The sensing mechanism consists of a platinum-iridium electrode surrounded by a layer of lactate oxidase molecules. Metabolism of lactate by lactate oxidase produces hydrogen peroxide, which produces a current in the platinum-iridium electrode. So a ramping up of cerebral glycolysis provides an increase in the concentration of substrate for lactate oxidase, which then is reflected in increased current at the sensing electrode. It was additionally necessary to measure these variables while manipulating the excitability of the cerebral cortex, in order to isolate this variable from other facets of NREMS.
	We devised an experimental system for simultaneous measurement of neuronal activity via the elecetroencephalogram, measurement of glycolytic flux via a lactate biosensor, and manipulation of cerebral cortical neuronal activity via optogenetic activation of pyramidal neurons. We have utilized this system to document the relationship between sleep-related electroencephalographic waveforms and the moment-to-moment dynamics of lactate concentration in the cerebral cortex. The protocol may be useful for any individual interested in studying, in freely behaving rodents, the relationship between neuronal activity measured at the electroencephalographic level and cellular energetics within the brain.

A procedure is described for manipulating the activity of cerebral cortical pyramidal neurons optogenetically while the electroencephalogram, electromyogram, and cerebral lactate concentration are monitored. Experimental recordings are performed on cable-tethered mice while they undergo spontaneous sleep/wake cycles. Optogenetic equipment is assembled in our laboratory; recording equipment is commercially available.

Eletroencefalografia simultânea, em tempo real de medição da concentração de lactato e Manipulação optogenética da atividade neuronal do córtex cerebral de roedores

Although the brain represents less than 5% of the body  by mass, it utilizes approximately one quarter of the glucose used by the body  at rest1. The ...

Deep Brain Stimulation with Simultaneous fMRI in Rodents

In order to visualize the global and downstream neuronal responses to deep brain stimulation (DBS) at various targets, we have developed a protocol for using blood oxygen level dependent (BOLD) functional magnetic resonance imaging (fMRI) to image rodents with simultaneous DBS. DBS fMRI presents a number of technical challenges, including accuracy of electrode implantation, MR artifacts created by the electrode, choice of anesthesia and paralytic to minimize any neuronal effects while simultaneously eliminating animal motion, and maintenance of physiological parameters, deviation from which can confound the BOLD signal.&#160;Our laboratory has developed a set of procedures that are capable of overcoming most of these possible issues. For electrical stimulation, a homemade tungsten bipolar microelectrode is used, inserted stereotactically at the stimulation site in the anesthetized subject. In preparation for imaging, rodents are fixed on a plastic headpiece and transferred to the magnet bore. For sedation and paralysis during scanning, a cocktail of dexmedetomidine and pancuronium is continuously infused, along with a minimal dose of isoflurane; this preparation minimizes the BOLD ceiling effect of volatile anesthetics. In this example experiment, stimulation of the subthalamic nucleus (STN) produces BOLD responses which are observed primarily in ipsilateral cortical regions, centered in motor cortex. Simultaneous DBS and fMRI allows the unambiguous modulation of neural circuits dependent on stimulation location and stimulation parameters, and permits observation of neuronal modulations free of regional bias. This technique may be used to explore the downstream effects of modulating neural circuitry at nearly any brain region, with implications for both experimental and clinical DBS.

This protocol describes a standard method for simultaneous functional magnetic resonance imaging and deep brain stimulation in the rodent. The combined use of these experimental tools allows for the exploration of global downstream activity in response to electrical stimulation at virtually any brain target.

Estimulação Cerebral Profunda com fMRI simultâneo em Roedores

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

In vivo Optogenetic Stimulation of the Rodent Central Nervous System

The ability to probe defined neural circuits in awake, freely-moving animals with cell-type specificity, spatial precision, and high temporal resolution has been a long sought tool for neuroscientists in the systems-level search for the neural circuitry governing complex behavioral states. Optogenetics is a cutting-edge tool that is revolutionizing the field of neuroscience and represents one of the first systematic approaches to enable causal testing regarding the relation between neural signaling events and behavior. By combining optical and genetic approaches, neural signaling can be bi-directionally controlled through expression of light-sensitive ion channels (opsins) in mammalian cells. The current protocol describes delivery of specific wavelengths of light to opsin-expressing cells in deep brain structures of awake, freely-moving rodents for neural circuit modulation. Theoretical principles of light transmission as an experimental consideration are discussed in the context of performing in vivo optogenetic stimulation. The protocol details the design and construction of both simple and complex laser configurations and describes tethering strategies to permit simultaneous stimulation of multiple animals for high-throughput behavioral testing.

In vivo Optogenetic Stimulation of the Rodent Central Nervous System

Optogenetics has become a powerful tool for use in behavioral neuroscience experiments. This protocol offers a step-by-step guide to the design and set-up of laser systems, and provides a full protocol for carrying out multiple and simultaneous in vivo optogenetic stimulations compatible with most rodent behavioral testing paradigms.

In vivo Optogenetic estimulação do sistema nervoso central de roedores

The ability to probe defined neural circuits in awake, freely-moving animals with cell-type specificity, spatial precision, and high temporal resolution ...

Simultaneous Electrophysiological Recording and Micro-injections of Inhibitory Agents in the Rodent Brain

Here we describe a method for the construction of a single-use &#8220;injectrode&#8221; using commercially accessible and affordable parts. A probing system was developed that allows for the injection of a drug while recording electrophysiological signals from the affected neuronal population. This method provides a simple and economical alternative to commercial solutions. A glass pipette was modified by combining it with a hypodermic needle and a silver filament. The injectrode is attached to commercial microsyringe pump for drug delivery. This results in a technique that provides real-time pharmacodynamics feedback through multi-unit extracellular signals originating from the site of drug delivery. As a proof of concept, we recorded neuronal activity from the superior colliculus elicited by flashes of light in rats, concomitantly with delivery of drugs through the injectrode. The injectrode recording capacity permits the functional characterization of the injection site favoring precise control over the localization of drug delivery. Application of this method also extends far beyond what is demonstrated here, as the choice of chemical substance loaded into the injectrode is vast, including tracing markers for anatomic experiments.

Here, we craft a glass pipette with dual functions: inhibition of deep brain structures by microinjections of drugs and real-time monitoring of their effects through simultaneous electrophysiological recordings.

Gravação simultânea eletrofisiológica e micro-injeções de agentes inibidores no cérebro do roedor

Here we describe a method for the construction of a single-use &#8220;injectrode&#8221; using commercially accessible and affordable parts. A probing ...

Personalized Needles for Microinjections in the Rodent Brain

Microinjections have been used for a long time for the delivery of drugs or toxins within specific brain areas and, more recently, they have been used to deliver gene or cell therapy products. Unfortunately, current microinjection techniques use steel or glass needles that are suboptimal for multiple reasons: in particular, steel needles may cause tissue damage, and glass needles may bend when lowered deeply into the brain, missing the target region. In this article, we describe a protocol to prepare and use quartz needles that combine a number of useful features. These needles do not produce detectable tissue damage and, being very rigid, ensure reliable delivery in the desired brain region even when using deep coordinates. Moreover, it is possible to personalize the design of the needle by making multiple holes of the desired diameter. Multiple holes facilitate the injection of large amounts of solution within a larger area, whereas large holes facilitate the injection of cells. In addition, these quartz needles can be cleaned and re-used, such that the procedure becomes cost-effective.

We describe here a protocol for microinjection in the rodent brain that uses quartz needles. These needles do not produce detectable tissue damage and ensure reliable delivery even in deep regions. Moreover, they can be adapted to research needs by personalized designs and can be re-used.

Agulhas personalizadas para alevinos do cérebro de roedor

Microinjections have been used for a long time for the delivery of drugs or toxins within specific brain areas and, more recently, they have been used to ...

Evaluation of Synapse Density in Hippocampal Rodent Brain Slices

In the brain, synapses are specialized junctions between neurons, determining the strength and spread of neuronal signaling. The number of synapses is tightly regulated during development and neuronal maturation. Importantly, deficits in synapse number can lead to cognitive dysfunction. Therefore, the evaluation of synapse number is an integral part of neurobiology. However, as synapses are small and highly compact in the intact brain, the assessment of absolute number is challenging. This protocol describes a method to easily identify and evaluate synapses in hippocampal rodent slices using immunofluorescence microscopy. It includes a three-step procedure to evaluate synapses in high-quality confocal microscopy images by analyzing the co-localization of pre- and postsynaptic proteins in hippocampal slices. It also explains how the analysis is performed and gives representative examples from both excitatory and inhibitory synapses. This protocol provides a solid foundation for the analysis of synapses and can be applied to any research investigating the structure and function of the brain.

A protocol for accurately identifying and analyzing synapses in hippocampal slices using immunofluorescence is outlined in this article.

Avaliação da densidade de sinapse em fatias Hippocampal cérebro de roedor

In the brain, synapses are specialized junctions between neurons, determining the strength and spread of neuronal signaling. The number of synapses is ...

Simultaneous Cryosectioning of Multiple Rodent Brains

Histology and immunohistochemistry are routine methods of analysis to visualize microscopic anatomy and localize proteins within biological tissue. In neuroscience, as well as a plethora of other scientific fields, these techniques are used. Immunohistochemistry can be done on slide mounted tissue or free-floating sections. Preparing slide-mounted samples is a time intensive process. The following protocol for a technique, called the Megabrain, reduced the time taken to cryosection and mount brain tissue by up to 90% by combining multiple brains into a single frozen block. Furthermore, this technique reduced variability seen between staining rounds, in a large histochemical study. The current technique has been optimized for using rodent brain tissue in downstream immunohistochemical analyses; however, it can be applied to different scientific fields that use cryosectioning.

Here, we present a protocol to freeze and section brain tissue from multiple animals as a timesaving alternative to processing single brains. This reduces staining variability during immunohistochemistry and reduces time cryosectioning and imaging.

Cryosectioning simultânea de vários cérebros de roedores

Histology and immunohistochemistry are routine methods of analysis to visualize microscopic anatomy and localize proteins within biological tissue. In ...