Detección automática de muy organizada oscilaciones theta en el EEG murino

Theta activity in the hippocampus is related to specific cognitive and behavioral stages. Here, we describe an analytical method to detect highly-organized theta oscillations within the hippocampus using a time-frequency (i.e., wavelet analysis)-based approach.

Theta actividad se genera en el sistema septohippocampal y se puede grabar utilizando profundas electrodos intrahipocampal y de radiotelemetría o del sistema de sujeción enfoques electroencefalografía implantable (EEG). Farmacológicamente, theta del hipocampo es heterogénea (véase la teoría dualista) y se puede diferenciar en tipo I y tipo II theta. Estos subtipos de EEG individuales están relacionados con estados cognitivos y de comportamiento específicos, tales como la excitación, la exploración, el aprendizaje y la memoria, funciones de integración más altas, etc. En las enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer, alteraciones funcionales del sistema septohippocampal estructural y puede dar lugar a deterioro de la actividad theta / oscilaciones. Un análisis cuantitativo estándar del hipocampo EEG incluye un análisis de frecuencia basado en Fast-Fourier-Transformación (FFT). Sin embargo, este procedimiento no proporciona detalles acerca de la actividad theta en oscilaciones generales y altamente organizados theta en particular. Con el fin de obtener detaILED información sobre las oscilaciones theta altamente organizadas en el hipocampo, hemos desarrollado un nuevo método analítico. Este enfoque permite la cuantificación en tiempo y rentable de la duración de las oscilaciones theta altamente organizadas y sus características de frecuencia.

Actividad theta en el cerebro está relacionada con diferentes estados cognitivos y funcionales, incluyendo la excitación, la atención, el movimiento voluntario, el comportamiento exploratorio, el comportamiento de la atención, el aprendizaje y la memoria, la integración somatosensorial, y el movimiento ocular rápido (REM) ^{1, 2.} Principalmente, theta actividad como una entidad rítmica se puede generar en diversas regiones cerebrales y está altamente organizado y sincronizado como oscilaciones theta. A continuación, nos centraremos en el análisis y la cuantificación de la actividad theta / oscilaciones que se generan dentro del sistema septohippocampal ^{3, 4.} Dentro del tabique, GABAérgicas, glutamatérgicas, y las neuronas colinérgicas del proyecto para el hipocampo y contribuir a la iniciación y mantenimiento de theta comportamiento oscilatorio. Existe un debate en curso sobre si las oscilaciones theta del hipocampo se inician en el tabique, es decir, El marcapasos-septal del hipocampo modelo de seguidor, (teoría extrahippocampal) o intrínsecamente en el hipocampo (la teoría intrahipocámpica) ^{5, 6, 7.}

Independientemente de su origen, las oscilaciones theta del hipocampo han estado en el foco de interés desde hace años, sobre todo en modelos de ratones transgénicos. Estos modelos permiten la implantación de electrodos EEG profundas y para el registro de las oscilaciones theta del hipocampo en virtud de las tareas cognitivas y conductuales específicas ^8. oscilaciones theta del hipocampo son heterogéneos en la naturaleza. Sobre la base de la llamada teoría dualista de oscilaciones theta, se puede diferenciar entre atropina sensible tipo II theta y atropina insensible tipo I theta ^{9, 10, 11.} Este último normalmente puede ser inducida por muscarínicos M ₁ / M _{3 del receptor, por ejemplo, arecolina, pilocarpina, y uretano. Sin embargo, uretano es un fármaco de objetivos múltiples que, además de la activación de los receptores muscarínicos, también ejerce efectos complejos sobre otras entidades de canales iónicos. Para el tipo II theta, la vía muscarínico incluye la activación de M 1 / M 3 y una posterior G q / 11 (Gα) mediada por la activación de la fosfolipasa C β 1/4 (PLCß 1/4), trifosfato de inositol (InsP 3) , diacylglycerole (DAG), Ca2 ^+, y la proteína quinasa C (PKC). El papel de PLCß 1 y PLCß 4 en thetagenesis ha sido validado en estudios de eliminación directa usando PLCβ1 ^{- / -} y PLCβ4 ^{- / -} ratones que muestran una pérdida completa o atenuación significativa de theta de oscilación ^{12, 13, 14.} M adicional 1, 3 M, y M 5 objetivos de abajo (CHAnnels / corrientes) de la cascada de señalización de los receptores muscarínicos incluyen varios conductancias, tales como M-tipo canal de K ⁺ (K M) a través de K ⁺ dependientes de voltaje canales (K v 7); lento después de hiperpolarización canal de K ⁺ (Ks AHP); fugas canal de K ⁺ (fuga K), probablemente a través relacionado TWIK-K ⁺ sensibles a los ácidos canal (TASK1 / 3); corriente de cationes (I CAT), probablemente a través del canal de fuga ^de Na ⁺ (NALCN); y yo h a través de hiperpolarización y canales de nucleótidos cíclicos cerrada (HCN). Además, se informó de los receptores M 2 / M 4 de acetilcolina (AChR) para interferir con rectificador interno canal de K ⁺ 3,1 (K IR 3.1) y hacia dentro del rectificador canal de K ⁺ 3,2 (K IR 3.2) ^15.}

Actualmente, el software de análisis comercialmente disponible permite el análisis rápido basado en FFT de frecuencia, por ejemplo, el análisis de la potencia (P, mV ²⁾o densidad espectral de potencia (PSD, mV ² / Hz). Poder o densidad espectral de potencia (PSD) el análisis de la gama de frecuencias theta sólo da una visión global de su actividad. Sin embargo, con el fin de obtener una visión detallada de la actividad theta cognitivo y relacionados con el comportamiento, el análisis de las oscilaciones theta altamente organizadas es obligatorio. La evaluación de las oscilaciones theta altamente organizadas es de importancia central en el campo de las enfermedades neurodegenerativas y neuropsiquiátricos. La mayoría de los estudios de enfermedades experimentales se llevan a cabo en modelos de ratones transgénicos utilizando enfoques de neurocirugía altamente sofisticados para grabar superficie epidural y profundos EEGs intracerebrales. Estas técnicas incluyen tanto los sistemas de sujeción ¹⁶ y configuraciones radiotelemétrico ^{17, 18.} oscilaciones theta pueden ser registrados como oscilaciones theta espontáneas y relacionados con el comportamiento bajo condiciones de grabación a largo plazo. Además, las oscilaciones theta pueden ser recorded después de la inducción farmacológica, sino también después de la exposición de los animales a las tareas cognitivas o conductuales o a los estímulos sensoriales, como la cola pellizcos.

A principios enfoques para caracterizar las oscilaciones theta fueron descritos por Csicsvari et al. ^19. Los autores diseñaron una herramienta semi-automatizado para el análisis theta corto plazo de (15 - 50 min) que no es adecuado para los registros de EEG desde hace mucho tiempo. Nuestro método, que se describe aquí, permite el análisis de la grabación de EEG a largo plazo> 48 h ^20. Csicsvari et al. ¹⁰ También se hace referencia a la relación theta-delta, pero no se proporciona ningún umbral para la determinación de las oscilaciones theta altamente organizadas. Las definiciones de rango delta y theta se ajustan a nuestras definiciones de rango de frecuencias. Ya que no se menciona explícitamente, suponemos que un método basado en FFT es utilizado por Csicsvari et al. para calcular la potencia de las bandas de frecuencia theta-delta. Estade nuevo se diferencia claramente de nuestro método, ya que calculamos amplitudes basado en wavelets en un gran número de escalas de frecuencia (frecuencia de los pasos Δ (f) = 0,05 Hz), dando como resultado mucho más alta precisión. La duración de la época EEG analizado individualmente es similar a nuestra definición.

Klausberger et al. ²¹ también hacen uso de relaciones de theta-delta para el análisis de los registros de EEG a largo plazo. Sin embargo, hay tres grandes diferencias en comparación con nuestro enfoque: i) la duración de época EEG es mucho más largo, es decir, al menos 6 s; ii) la relación de theta-delta se establece en 4, que es mucho mayor que nuestro umbral, y se relaciona con diferentes definiciones rango de frecuencia; y iii) es probable que se basa en un enfoque FFT, que carece de alta precisión, en particular para ventanas de tiempo muy cortos la definición de potencia (2 s, es decir, 5 ciclos de oscilaciones con una frecuencia de 2,5 Hz). En tales casos, un procedimiento basado en wavelets es más recomendable.Un estudio realizado por Caplan et al. ^22, calculado exclusivamente de potencia theta sin tener en cuenta la relación de potencia theta-delta. Por lo tanto, el enfoque de Caplan ²² no puede diferenciar entre los procesos cognitivos theta rico acompañado por un alto o bajo delta.

En el siguiente protocolo, presentaremos nuestro enfoque analítico basado en wavelets para analizar de forma fiable las oscilaciones theta altamente organizados en registros de EEG del hipocampo de los ratones. Dado que este procedimiento funciona de forma automática, que se puede aplicar a grandes conjuntos de datos y mediciones de EEG a largo plazo.

Todos los experimentos con animales se realizó de acuerdo con las directrices del Consejo Local e institucional de los Animales (Universidad de Bonn, BfArM, LANUV, Alemania). Además, todos los experimentos con animales se llevó a cabo de conformidad con la legislación superior, por ejemplo, la Directiva del Consejo Comunidades Europeas de 24 de noviembre de 1986 (86/609 / CEE), o la legislación regional o nacional individual. Se hizo un esfuerzo específico para reducir al mínimo el número de animales utilizados, así como su sufrimiento.

1. Los animales de vivienda y Condiciones de grabación de EEG

1. Los ratones domésticos en filtro-top jaulas o utilizan jaulas ventiladas individualmente.
2. Transferencia de los ratones de la instalación de animales para armarios ventilados en salas de laboratorio especiales que sean apropiados para animales implantados y grabaciones telemétricos.
3. Realizar toda la experimentación animal, incluyendo la implantación de electrodos EEG y las grabaciones posteriores, en condiciones estándar (22 ° C TEMtura, ciclo de 12 h / 12 h luz-oscuridad, 50-60% de humedad relativa, la atenuación del ruido, etc.) ^18.
4. Antes de la implantación del transmisor de radiofrecuencia, alojamiento de los animales en grupos de 3 - 4 de tipo II jaulas de policarbonato transparente, con comida y agua ad libitum. No se aísle ratones individuales, ya que esto puede causar estrés e interferir con la experimentación y los resultados posteriores.
5. No utilice las condiciones de vivienda abiertos, pero el uso de armarios ventilados lugar durante la experimentación y la grabación.

2. Electrodo radiotelemétrico EEG Implantación y EEG Grabaciones

1. Anestesiar los ratones utilizando narcóticos inyección, por ejemplo, ketaminehydrochloride / xylazinehydrochloride (100/10 mg / kg, por vía intraperitoneal, ip) o narcóticos de inhalación, por ejemplo, isoflurano ^{17, 18.}
   1. Para la narcosis isoflurano, coloque el ratón en una inducción cHamber con 4-5% de isoflurano y 0,8-1% de oxígeno o Carbógeno (5% de _CO2 y 95% de _O2).
   2. Colocar una mascarilla de silicio sobre la nariz / boca del animal para controlar la profundidad deseada de anestesia y evitar la exposición a experimentador isoflurano usando un sistema de recolección de residuos.
   3. Utilice anestésicos inyectables, por ejemplo, esketaminhydrochloride (100 mg / kg, ip) y xylazinehydrochloride (10 mg / kg, ip), si la anestesia de inhalación no está disponible.
   4. Monitorear la profundidad de la anestesia mediante la comprobación del reflejo de pinzamiento del rabo, reflejo del pie de presión, y la tasa de respiración. Tenga en cuenta que la respiración artificial a través de la intubación traqueal no es necesario en ratones.
2. Implante el transmisor de radiofrecuencia en una bolsa subcutánea en la parte posterior del animal.
   1. Quitar el pelo del cuerpo del cuero cabelludo y el tratamiento previo del cuero cabelludo afeitado con dos desinfectantes, es decir, 70% de etanol y una limpieza a base de yodo.
   2. El uso de un bisturí, haceruna incisión en el cuero cabelludo desde la frente hasta la región nucheal.
   3. A partir de la incisión de la nuca, preparar una bolsa subcutánea en un lado de la parte posterior del animal mediante la realización de una disección roma con tijeras quirúrgicas o una sonda quirúrgica.
   4. Inserte el transmisor en la bolsa subcutánea y depositar el exceso de longitud del transmisor flexibles conduce a la bolsa también. Prestar especial atención a la prevención de la contaminación de la zona quirúrgica y el implante transmisor. Aislar adecuadamente estéril de áreas no estériles usando cortinas.
3. Colocar el animal experimental en el marco estereotáxico, por ejemplo, un dispositivo estereotáxico 3D computarizado. Fijar el cráneo con una abrazadera de nariz y oído bares.
4. Tratar previamente el cráneo con un 0,3% de H ₂ O ₂ para eliminar el tejido más lejos de la calavera y para iluminar las suturas craneales y craniometrics puntos de referencia, bregma y lambda.
5. barrenos en las coordenadas de la elección(Véase el paso 2.6) usando un taladro neuroquirúrgico de alta velocidad en un modo libre de presión a la velocidad máxima.
   NOTA: perforación sin presión evita el avance repentino de la cabeza de perforación y daños en la corteza. Para una craneotomía, se recomienda un taladro de alta velocidad de neurocirugía. Elija diámetros estándar de perforación de cabeza de 0,3 - 0,5 mm, dependiendo del diámetro del electrodo.
6. seleccionar cuidadosamente el tipo de electrodo, teniendo en cuenta la impedancia, diámetro, revestimiento, etc.
   NOTA: tungsteno con recubrimiento de parileno o electrodos de acero inoxidable son los más comunes. Los tipos de electrodos deben ser escogidos de acuerdo con los requisitos experimentales. Como una maniobra preventiva, esterilizar puntas de los electrodos antes de la implantación utilizando etanol al 70%. Tenga en cuenta que el revestimiento del electrodo no permite la esterilización por calor.
7. Para grabaciones intrahipocámpica CA1 EEG, perforar un agujero estereotáxica en las siguientes coordenadas: bregma, -2 mm; mediolateral, 1,5 mm (hemisferio derecho); dorsoventral, 1,3 mm (Target región: Cornu ammonis (CA1) capa piramidal). Para el electrodo de referencia, perforar un agujero por encima de la corteza cerebelosa en las siguientes coordenadas estereotáxica: bregma, -6,2 mm, mediolateral, 0 mm; dorsoventral, 0 mm.
   NOTA: El electrodo cerebelosa sirve como un electrodo de pseudoreference, como el cerebelo es una región del cerebro en lugar silencioso. Las coordenadas estereotáxica se derivaron de un atlas del cerebro de un ratón estándar.
8. Antes de la inserción de los electrodos, acortar a la longitud requerida. Mecánicamente cortar la porción extracraneal del electrodo a la hélice de acero inoxidable del transmisor.
   NOTA: soldadura debe evitarse, ya que esto puede introducir ruido sustancial en el sistema.
9. Una el electrodo al brazo vertical del dispositivo estereotáxico e insertar el electrodo de acuerdo con las coordenadas estereotáxicas antes mencionados.
10. Fijar los electrodos utilizando cemento de ionómero de vidrio y espere hasta que el cemento se haya endurecido totalmente.
11. Cierre el cuero cabelludoel uso de más años y más de suturas no absorbibles con 5-0 o 6-0 material de sutura.
12. Para el tratamiento del dolor postoperatorio, administrar carprofeno (5 mg / kg, por vía subcutánea, sc) una vez al día durante 4 días consecutivos después de la implantación. Tenga en cuenta que el carprofeno se debe inyectar antes de la incisión inicial (etapa 2.2.2).
13. Permitir que los animales se recuperen durante 10 - 14 días después del implante antes de iniciar las grabaciones y / o experimentos de inyección.

3. Las grabaciones espontáneas de oscilaciones theta y farmacológico de inducción

1. Activar el transmisor de radiofrecuencia mediante el interruptor magnético. Colocar el animal con su jaula en el plato receptor. Realizar registros de EEG del hipocampo a largo plazo por lo menos durante 24-48 h.
   NOTA: El análisis del EEG amplitud y características de frecuencia del EEG de grabaciones de larga duración proporciona una visión detallada de la dependencia circadiano de las oscilaciones theta y su asociación con el comportamiento específico ycondiciones cognitivas / tareas. combinar siempre registros de EEG con supervisión por vídeo de los animales de experimentación.
2. Para la inducción farmacológica de oscilaciones theta, administrar una dosis única de uretano (800 mg / kg ip) o una sola dosis de un muscarínicos agonistas del receptor, por ejemplo, pilocarpina (10 mg / kg ip), arecolina (0,3 mg / kg ip) o oxotremorina (/ kg ip 0,03 mg). Tratar previamente los ratones con N-metilescopolamina (0,5 mg / kg ip) para evitar reacciones muscarínicos periféricos. Recién disolver todos los fármacos en solución de NaCl al 0,9% o Ringer.
   NOTA: Superior dosis de agonistas de los receptores muscarínicos pueden resultar en la inducción de convulsiones en animales de experimentación. Además, consideran que las dosificaciones indicadas aquí representan puntos de referencia que requieren estudios de dosis-efecto antes de la línea de ratón bajo investigación. Tenga en cuenta que de uretano es un mutágeno y carcinógeno que requiere precauciones adecuadas en el almacenamiento y la manipulación.
3. Inyectar atropina (50 mg / kg, ip) para diferenciar la atropina sensible tipo IIde tipo atropina y minúsculas que las oscilaciones theta.
   NOTA: La dosis de atropina es de nuevo especie y cepa-dependiente y requiere una evaluación dosis-efecto antes. El momento óptimo de la inyección de atropina depende de la farmacodinámica de los agonistas de los receptores muscarínicos. Para la identificación de tipo II theta, se recomienda la inyección de atropina 1 h después de la administración de uretano.
4. Trate de evitar la posterior aplicación de varios fármacos, como la administración sistémica de fármacos altera los patrones de transcripción y traducción a nivel mundial, que influyen en posteriores registros de EEG. Tenga en cuenta que, de corta duración oscilaciones theta también puede ser inducida por estímulos sensoriales, como el maletero o la pata de pellizco.
5. Extracto / conjuntos de datos representativa de exportación de EEG de la pre-fase (línea de base) y la fase post-inyección de la grabación total del EEG como archivos TXT o ASCI, teniendo en cuenta la farmacocinética de los fármacos de aplicación y las exigencias del protocolo de estudio individual.

4.Validación de colocación de electrodos EEG

1. La eutanasia a los animales por su inclusión en una cámara de incubación e introducir 100% de dióxido de carbono. Use una tasa de relleno de 10 a 30% del volumen de la cámara por min con dióxido de carbono añadido a la de aire existente en la cámara de incubación; esto dará lugar a una rápida pérdida de conocimiento con un mínimo de estrés a los animales.
2. Retire el ratón de la cámara una vez que ocurre un paro respiratorio y un color de ojos se desvaneció persiste durante 2-3 min.
3. Cortar los electrodos de acero inoxidable y el explante del transmisor de radiofrecuencia. Decapitar al ratón usando tijeras o una guillotina y retire el cerebro desde el neurocráneo mediante manipulación suave con tijeras quirúrgicas y fórceps.
4. Fijar los cerebros en paraformaldehído al 4% en solución salina tampón fosfato (PBS) (pH 7,4) durante la noche. Para protección por el frío, la transferencia de los cerebros y el 30% de glucosa y almacenar a 4 ° C hasta su posterior procesamiento.
   NOTA: El paraformaldehído es considerado peligroso por la OSHA 2012 Hazard estándar de la comunicación (29 CFR 1910.1200). Tomar las precauciones necesarias: utilizar equipo de protección personal, garantizar una ventilación adecuada, y evitar la formación de polvo. Además, eliminar las fuentes de ignición y tomar medidas de precaución contra las descargas estáticas. Paraformaldehído no debe ser liberado en el medio ambiente.
5. Montar el cerebro extraído en el soporte de tejido de un criostato usando un adhesivo y cortar los cerebros en 40 - 75 micras cortes coronales. Montar las rebanadas en portaobjetos de vidrio y teñir con azul de Nissl usando el procedimiento histológico estándar; este procedimiento se visualice el canal rama que refleja la posición del electrodo anterior. Tenga en cuenta que también es posible cortar rebanadas coronales del cerebro nativa utilizando un vibroslicer
6. Incorporar sólo aquellos animales que cumplen los criterios de colocación correcta de los electrodos de EEG; para la región CA1, la punta del electrodo de profundidad debería ser localizada dentro de la capa CA1 piramidal.

5. Adquisición de datos

1. Registro CA1 EEG intrahipocámpica con una tasa de muestreo correspondiente, sin a priori filtro de corte.
   NOTA: La velocidad de muestreo, que es transmisor-específica, determina el límite superior de frecuencia del análisis del EEG.
2. Procesar los datos registrados con un software de análisis. Programa de tiempo-frecuencia de los análisis y cálculos con los procedimientos de medida para el control adecuado de los métodos de análisis (Figura 5) ^20.
3. Cortar el EEG registrado en secciones con una longitud de 1 h cada uno. Utilizar los procesadores rápidos, ya que el tiempo de cálculo es alto. Además, hacer uso de un software que puede paralelizar la computación de múltiples núcleos ^20.

6. Análisis de los datos EEG

1. Analizar los segmentos de datos utilizando un complejo Morlet wavelet para calcular tanto la frecuencia como la amplitud de las oscilaciones.
   NOTA: Este wavelet (por ejemplo, Ψ (x) = (π b)^{(- 1/2)} exp (2 π i c x) exp (-x ² / b), donde b es el parámetro de ancho de banda, la frecuencia central c, y i la unidad imaginaria) a menudo se ha aplicado en la literatura para estudiar EEG de datos, ya que garantiza una resolución óptima en frecuencia y tiempo de ^{23, 24.}
2. Utilice un ajuste de la frecuencia del parámetro de ancho de banda y el centro que en particular pesos la resolución de frecuencia para distinguir las diferencias de frecuencia en el nivel de 0,1 Hz mientras que todavía no descuidar una resolución de tiempo suficiente.
   NOTA: Los procesos neuronales en la banda gamma son de corta duración ^{de 25 años,} y esto también puede ser cierto para ritmos theta. Por lo tanto, el enfoque analítico debe tener en cuenta la resolución temporal adecuada.
3. Analizar los datos de EEG en el rango de frecuencia de 0,2 a 12 Hz, con un tamaño de paso de 0,1 Hz, incluyendo así el delta típico, elta, y la frecuencia alfa rangos.
4. Establecer un instrumento analítico automatizado, complejo para la elaboración de la arquitectura de frecuencia theta, que puede sustituir a una inspección visual estándar de oscilaciones theta; este procedimiento se denomina el método de detección theta (TDM).
5. Calcule el cociente de la amplitud máxima en el rango de frecuencia theta (3.5 a 8.5 Hz) y la amplitud máxima en el rango de frecuencia delta superior (2-3,4 Hz) para las ventanas de tiempo de 2,5 s cada uno.
   NOTA: El valor de este cociente sirve como medida para decidir si se ha producido una oscilación theta. La definición de la gama de frecuencia theta puede variar dependiendo del estado y neuroanatomical circuitería / sistema funcional para ser analizados.
6. Clasificar un segmento como una "época oscilatoria theta," si la relación calculada durante este segmento está por encima de 1,5.
   NOTA: Esto garantiza que la amplitud máxima theta es al menos 50% mayor que la amplitud en la banda delta superior durante el relacionado 2,5-s EEGsegmento. Tenga en cuenta que la relación puede ser que necesite la adaptación en función de la línea y / o especie utilizada. Un intervalo de 2,5 s representa una duración mínima de una oscilación theta, evita las detecciones de falsos positivos de ciertas épocas ruidosos, y se encuentra dentro de las definiciones gama de otras publicaciones ^{19, 26.} El rango de frecuencia delta superior sirve como una banda de frecuencia de control porque aparece actividad delta fisiológicamente relevante durante épocas no theta, por ejemplo, durante sueño de ondas lentas, lo cual es altamente humedecido durante la actividad theta.
7. Repita este procedimiento para cada sección de 1 h; Por lo tanto, cada sección se compone de 1.440 segmentos de EEG con longitudes de 2,5 s cada uno.
8. evaluar estadísticamente los datos de las épocas de oscilación theta identificados.
9. Calcular las estadísticas de los tiempos de duración total del detectados theta épocas; grupos distintos o predefinidos; ciclos, como la luz / oscuridad; y otros parámetros.
   NOTA: StatiSTICS puede incluir t-test, ANOVA, MANOVA o, en función de la variable, el número de grupos, las condiciones, etc.
10. Calcular las estadísticas de la amplitud de las épocas theta detectado, pero sólo en el rango de frecuencia theta (03/05 a 08/05 Hz).
11. Evaluar las estadísticas de la frecuencia de las épocas theta detectado, pero sólo en el rango de frecuencia theta (03/05 a 08/05 Hz).
    NOTA: La frecuencia theta de una época theta se define como la frecuencia perteneciente a la amplitud máxima theta de una época theta.

Theta actividad se puede grabar en una amplia gama de regiones del sistema nervioso central (SNC). A continuación, presentamos un análisis de las oscilaciones theta del hipocampo murino. Tales oscilaciones pueden ocurrir durante diferentes estados de comportamiento y cognitivas. Es muy recomendable para analizar las oscilaciones theta bajo ambos a largo plazo, relacionada con las tareas a corto plazo, y condiciones espontáneos inducidos farmacológicamente.
La Figura 1 ilustra una grabación intrahipocampal CA1 representante en condiciones de control. Si el animal no está en una espontánea "estado theta," la intrahipocámpica EEG se caracteriza a menudo por gran amplitud irregular-actividad (LIA). La administración de agonistas de los receptores muscarínicos (por ejemplo, arecolina, pilocarpina, o uretano) resulta en oscilaciones theta altamente organizadas que se pueden bloquear por la atropina (50 mg / kg, ip, Figura 1).

Con el fin de cuantificar las oscilaciones theta altamente organizados con una resolución de tiempo apropiado, se utilizó la herramienta de detección para clasificar theta 2,5 s épocas de EEG, ya sea negativo o theta-theta-positivo (Figura 2). Sobre la base de esta clasificación, es posible cuantificar la duración total de las oscilaciones theta en condiciones espontáneas o tareas cognitivas y conductuales específicas.

Con el fin de analizar un segmento de EEG de 30 min (como para uretano farmacológico / atropina theta disección), que primero se realizó un análisis de tiempo-frecuencia para una gama de frecuencias de 0,2 a 12 Hz, que muestra la amplitud (mV) en un color- de manera codificada (Figura 3 A). Como se hace evidente en la Figura 3 A, la actividad theta de alta amplitud, que se confirma por una inspección visual del EEG (flechas blancas), se acompaña de una baja amplitud en el rango de frecuencia delta. Luego, las amplitudes máximas de latheta (3,5-8,5 Hz) y delta (2-3,4 Hz) rangos de frecuencia se representan gráficamente (Figura 3 B). Estudios de correlación sistemática revelaron que la proporción de amplitud máxima theta de la amplitud delta máxima superior a 1,5, lo que indica oscilaciones theta altamente organizadas (Figura 3 C).
La figura 4 muestra cómo uretano puede inducir oscilaciones theta del hipocampo (círculos blancos en la figura 4 II). Uretano es un fármaco de objetivos múltiples que pueden desencadenar theta tipo II debido a su acción agonista sobre los receptores muscarínicos. Después de una inyección de atropina (Figura 4 III), se suprimen estas oscilaciones theta tipo II (oscilaciones theta atropina y minúsculas). Es importante tener en cuenta que los agonistas de los receptores muscarínicos, además de atropina, tienen propiedades farmacocinéticas individuales que afectan a las características de tiempo de ocurrencia theta y el bloqueo theta. Cabe señalar que el tipo I theta atropina insensible permanece UNAFFected por antagonistas de los receptores muscarínicos.

Un resumen de toda la herramienta de detección y cuantificación theta se representa en la Figura 5. Es el resultado en el cálculo de la amplitud, la frecuencia y suma / media theta duración. En contraste con las técnicas descritas anteriormente, se hace uso de un enfoque basado en la wavelet con alta precisión. La herramienta de análisis descrito aquí tiene varios campos de aplicación. Oscilaciones theta se generan en el sistema septohippocampal y con frecuencia se deterioran por procesos neurodegenerativos, por ejemplo, en la enfermedad de Alzheimer. Numerosos modelos de ratón de la enfermedad de Alzheimer se han descrito que varían en homología, isomorfismo, y la previsibilidad. Algunos de estos modelos fueron reportados a exhibir una reducción de la actividad theta, mientras que otros, se mostró a mostrar un aumento en la actividad theta, la razón por la que queda por determinar. Hemos aplicado con éxito la detección theta tool descrito aquí para caracterizar la arquitectura theta oscilatoria alteración en el modelo 5XFAD de la enfermedad de Alzheimer ^8. Sin embargo, también podría aplicarse en la investigación de la epilepsia y enfermedades neuropsiquiátricas.

Figura 1: oscilaciones theta en ratones C57BL / 6. Radiotelemétrico grabación CA1 intrahipocampal en condiciones espontáneas (I) y después de la inyección de uretano (800 mg / kg, ip, II). Después de la inyección de uretano, las oscilaciones theta altamente organizadas se hacen visibles, que puede ser bloqueada por atropina (50 mg / kg, ip). Esta cifra ha sido modificado a partir de la referencia ^20, con autorización. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: Un análisis basado en wavelets de un EEG de grabación profunda CA1 de un ratón C57BL / 6. (A y B) dos épocas 2,5-s EEG se representan, clasificada visualmente como no-theta y theta segmentos, respectivamente. (C y D) Análisis tiempo-frecuencia de los segmentos CA1 del EEG que se muestran en A y B en el rango de 0,2 a 12 Hz, siendo un código de colores de la amplitud. El análisis de tiempo-frecuencia en C exhibe arquitectura irregular, fluctuante theta con respecto a las frecuencias y tiempo, mientras que un segmento con oscilaciones theta altamente sincronizadas se caracteriza por un no fluctuante theta regular, de alta amplitud de una frecuencia casi constante de 6 Hz. La relación de la máxima amplitud máxima de theta delta es de 1,25 en C y 4,67 en D, la clasificación clara de B como un segmento de EEG theta oscilación. Esta cifra se ha reproducido de referencia 20, con autorización. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: Una herramienta de detección basada en ondas Theta. (A) análisis de tiempo-frecuencia de un segmento de EEG 30 min (no se muestra) que se ha registrado después de la administración de uretano. El análisis basado en la wavelet Morlet complejo se llevó a cabo en el intervalo de 0,2 a 12 Hz, con la amplitud (mV) es un código de colores. (B) La imagen muestra la amplitud máxima de la banda de frecuencia theta (03/05 a 08/05 Hz, verde) y la banda delta superior (2-3,4 Hz, rojo) para el segmento de EEG de 30 min. (C) Esta figura ilustra la relación de la amplitud máxima theta(verde en B) y la amplitud delta máximo (rojo en B). Tenga en cuenta que las oscilaciones theta sincronizados altamente correlacionados con relaciones suprathreshold en C. Esta cifra fue reproducido de la referencia 20, con autorización. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4: Análisis basada en ondas de oscilaciones theta inducida farmacológicamente, altamente organizada. segmentos Representante 30-min EEG (no mostrados) se analizan en el rango de frecuencia de 0 a 12 Hz con la amplitud (mV) es un código de colores. Una inyección de uretano a 800 mg / kg, ip, dio como resultado la aparición fragmentada de las oscilaciones theta altamente organizados, con una frecuencia predominante de aproximadamente 6 Hz (círculos blancos). Después de una aropine inyección de 50 mg / kg, ip, estas oscilaciones theta se abolió. Esta cifra se ha reproducido de referencia 20, con autorización. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5: Diagrama de flujo que ilustra la cuantificación de la altamente organizada oscilaciones theta Grabado del Murino CA1. Tipo II oscilaciones theta se pueden analizar utilizando un control de la grabación (fase), una post-inyección de fase (por ejemplo, uretano, arecolina, o pilocarpina), y una fase de post-atropina (A1). 30 segmentos min EEG (A2) de cada fase son de tiempo-frecuencia analizado en el rango de 0,2 a 12 Hz utilizando un enfoque basado en wavelets (B1 y B2). A continuación, los segmen thetat se inicia la detección (C1), dando una mirada más cercana a las características de tiempo-frecuencia de rango theta (3,5-8,5 Hz, C2) y el rango delta superior (2-3,4 Hz, C3) para épocas de EEG que son 2,5 s cada uno (C4 y C5). Posteriormente, la amplitud se analizó en el rango de frecuencia theta y delta que representan los valores máximos (C6 y C7). Si la amplitud máxima de theta / delta supera 1,5, el 2,5 s segmento de EEG se clasifica como una época de oscilación theta altamente organizada (C8), con una amplitud y frecuencia definida (D1-D3). Esta herramienta de detección theta permite la cuantificación de theta arquitectura de oscilación (E1). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Theta actividad es de importancia central en la neurofisiología sistémica. Se puede observar en varias regiones del cerebro, particularmente en el hipocampo, en el que está relacionado con estados de comportamiento y cognitivos específicos. Además, theta del hipocampo se puede diferenciar farmacológicamente en atropina sensible de tipo II y de tipo I theta atropina y minúsculas. El tipo I se cree que está relacionada con la locomoción, como caminar o correr ^{27, 28, 29, 30, 31,} mientras que el tipo II se puede observar durante el estado de alerta en la inmovilidad ^{27, 28, 29, 30.} Estados de alerta-inmovilidad pueden ser inducidas por el tono o los estímulos táctiles poco frecuentes y aleatorias, por ejemplo ^32. theta Tipo II también se relaciona con passive la rotación de todo el cuerpo ^14. Durante el sueño paradójico, ambos ritmos theta atropina-sensible y resistente a la atropina están presentes ^33. El estado de reposo, la inmovilidad se caracteriza por una actividad grande irregular (LIA) ^27.

En general, las oscilaciones theta se pueden grabar en condiciones espontáneas, pero también después de la inducción farmacológica (por ejemplo, a través de la aplicación de agonistas de los receptores muscarínicos, tales como uretano, pilocarpina, arecolina, oxotremorina, etc.). Tenga en cuenta que, farmacodinámicamente, uretano es un fármaco multi-diana que puede mejorar theta tipo II sino que también inhiben el tipo I theta. Por el contrario, la pilocarpina, arecolina y oxotremorina inducir selectivamente tipo II theta. Dependiendo de la farmacocinética de los agonistas muscarínicos utilizados, se necesita una cantidad variable de tiempo hasta que se produzcan oscilaciones theta. Tipo II puede ser bloqueado eficazmente por la atropina. Críticamente, el dosabios de agonistas y antagonistas muscarínicos para inducir y bloque de tipo II oscilaciones theta son especies y dependiente de la cepa. Por lo tanto, es absolutamente esencial para llevar a cabo estudios de dosis-efecto para desentrañar la dosis óptima para la inducción de oscilaciones theta y para su bloqueo de una pregunta científica específica. De corta duración oscilaciones theta también puede ser inducida por estímulos sensoriales, como el maletero o la pata de pellizco.

Existen diferentes enfoques para caracterizar la actividad theta en general. enfoques basados ​​en FFT, lo que resulta en (relacionados con la banda de frecuencia) densidad espectral de potencia (PSD) de análisis / parcelas continuas o discontinuas o en un análisis de potencia para las bandas de frecuencia individuales, son enfoques estándar que proporcionan información valiosa sobre las características de frecuencia.

Sin embargo, para lograr una visión más compleja en la arquitectura theta, enfoques adicionales parecen ser necesarios. En particular, uno podría estar interesado en los diferentes órganosizational estados de teta y sus frecuencias, las cuales no pueden ser evaluados directamente y con precisión por los procedimientos antes mencionados. Por el contrario, la técnica de análisis que aquí se presenta es novedoso basado en wavelets y capaz de evaluar altamente organizadas, oscilaciones theta a corto plazo. Ellos no corresponden al poder theta estándar, que también considera paroxística, la actividad theta discontinua. El objetivo es obtener características específicas de tiempo y frecuencia en el EEG de datos que son típicos de épocas theta. Por lo tanto, el nuevo método evita que las clasificaciones de falsos positivos de theta épocas. El procedimiento automatizado garantiza la evaluación de los conjuntos de datos de EEG de larga duración y por lo tanto incluye comparaciones estadísticas fiables de los ciclos fisiológicos (luz / oscuridad ciclo o ritmo circadiano) durante los estudios a largo plazo.

Este protocolo es de especial importancia en el análisis de datos de EEG obtenida de modelos animales de enfermedades neurodegenerativas, en particular en la caracteríszación de la arquitectura theta altamente organizada en el septohippocampal y otros sistemas neurales. El análisis theta compleja y de alta precisión se podría determinar las huellas digitales de EEG que pueden servir como biomarcadores de EEG en el futuro.

The authors have nothing to disclose.

The authors would like to thank Dr. Christina Ginkel (German Center for Neurodegenerative Diseases, DZNE) and Dr. Robert Stark (DZNE) for their assistance with animal breeding and animal healthcare. This work was financially supported by the Federal Institute for Drugs and Medical Devices (Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte, BfArM), Bonn, Germany.