אנו מודים Shaili Jha והת&#39;ר Decot לקבלת סיוע בצילומים.

הצהרת אתיקה: הליך זה הוא בהתאם למכונים הלאומיים לבריאות הנחיות למחקר בבעלי חיים (מדריך לטיפול והשימוש בחי מעבדה), והוא אושר על ידי האוניברסיטה של ​​ועדת טיפול בבעלי חיים ושימוש המוסדית צפון קרוליינה. 1. השתלת האלקטרודה הצעד הראשון הוא השתלת אלקטרודה. בשלב זה, האלקטרודה מושתלת באופן חד צדדי לתוך גרעין subthalamic (STN), גרעין קטן עם משמעות translational לטיפול במחלת פרקינסון באמצעות השיטות הבאות: <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לעקר את כל הציוד כירורגי באמצעות החיטוי, או תמיסת חיטוי בי מעוקר אינו אפשרי (למשל על סטריליות אלקטרודה) הערה:. זה ניתוח הישרדות לטווח קצר, ולכן טכניקת aseptic היא חיונית. לאחר ניתוח, ניתן הדמיה בעלי חיים לאחר תקופה קצרה התאוששות (48 שעות) או עד מספר שבועות מאוחר יותר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להרדים את העכברוש (חולדות המבוגרת ספראג-Dawley 250-400 ז) באמצעות isoflurane 2.5% מנוהל באמצעות אינטובציה endotracheal והנשמה של בעלי חיים קטנים. תקן את החולדה למסגרת ניתוחית stereotactic ולהכין את האתר תוך שימוש בטכניקות הניתוחי מזוהמות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להכין ולהבטיח כי האלקטרודה היא סטרילי. האלקטרודה Microwire טונגסטן 2 ערוצי תוצרת בית משמשת לצורך הליך זה, אם כי סוגי האלקטרודה MRI תואם רבים יעבדו. סוג האלקטרודה משמש עשוי להשפיע על האזור של רקמה הפגועה באופן מכאני על ידי ההליך, באזור של רקמת מגורה, והדיוק של השתלה, וכך להשפיע על תוצאת הניסוי הכוללת. אם סוג האלקטרודה הוא לא מסוגל להיות autoclaved, השתמש povidone-יוד חיטוי לעקר את האלקטרודה ככל אפשרי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מספריים באמצעות להסיר את הקרקפת על האתר של השתלה בקוטר של כ 1.5 סנטימטר, לחשוף גבחת ולמבדה בגולגולת. הסר את השריר וfascia שמעל הגולגולתולהפסיק את כל דימום באמצעות electrocautery. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לגרד את פני השטח הגולגולת בכיוונים רבים עם אזמל כדי לשפר את ההידבקות של דבק דנטלי (שלב 1.8). רמת גבחת ומבדה בכיוון האופקי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> . למקד STN, ב3.6 מ&quot;מ אחורי לגבחת ו2.5 מ&quot;מ לרוחב קו אמצע, להשתמש במקדחה חשמלית קטן שקצו כדי ליצור חור בר מדידה כ 1.5 מ&quot;מ קוטר הערה: המיקום המדויק של STN בהתייחסות לstereotaxic קואורדינטות רשאי להשתנות על ידי זן של עכברים, משקל, ומין. יש להשתמש בחולדות מבוגרים מאותו המין כדי למזער כל שינוי במיקום. במידת האפשר, יש להשתמש בסריקות אנטומיים טרום מבצעיות או הקלטות חשמל במהלך ניתוח כדי לזהות את מיקום STN על בסיס נושא בודד. יתר על כן, אתרי סיום אלקטרודה צריכים להיות מאומתים בהיסטולוגיה כדי להבטיח דיוק היעד. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להפוך בזהירות חתך בדורה, ולהשתמש במלקחיים בוטים קטנים כדי להזיז את הדורה לצדדים של החור דואר. לעצור כל דימום באמצעות צמר גפן סטרילי טבול בתמיסת מלח. יצירת חורים לברגים אחד או יותר MR-תואמים) ולהכניס אותם בעדינות בגולגולת עד שהם יציבים. ברגים עשויים להיות ממוקמים בכל מקום שבו הם לא ישבשו את המיקום של המחבר החיצוני לאלקטרודה DBS (למשל. לא ישירות מאחורי ipsilateral STN לאלקטרודה). אנו ממליצים מיקומים בקצוות לרוחב של הגולגולת, באופן אידיאלי ישירות אחוריים לתפר למבדה. בשלב זה, את הגולגולת היא עבה יחסית, מפחיתה את הסבירות שברגים יהיו נזק הקליפה &quot;הערה:. ברגי פליז לחתוך ל 4-5 מ&quot;מ האורך משמשים בפרוטוקול זה, אם כי ברגי פלסטיק גם מתאימים. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את האלקטרודה על זרוע stereotactic, להבטיח כי הוא ישר ואנכי. לגעת באלקטרודה לגבחת, ואז להעביר את האלקטרודה אחורית בדיוק 3.6 מ&quot;מ לגבחת ו2.5 מ&quot;מ לרוחב קו אמצע ולגעת במשטח קליפת המוחעם אלקטרודה. ממשטח קליפת המוח, הכנס את מ&quot;מ 7.8 האלקטרודה ventrally. קואורדינטות אלה נקבעות על ידי התייחסות לאטלס neuroanatomical 1. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים שכבה של דבק דנטלי על הגולגולת כולל את הברגים בגולגולת ובנקודת כניסה האלקטרודה. חכה עד שהמלט הוא קשוח לפני הסרת האלקטרודה מהמסגרת stereotactic לחלוטין. בנד האלקטרודה אחורה ולהשתמש במלט נוסף כדי לכסות את שאר דרכי האלקטרודה ומחבר לעמידות. </li></ol> 2. fMRI הכנה השלב השני הוא ההתקנה לfMRI, כוללים מיקום של הסליל וההתקנה של ציוד ניטור פיסיולוגי. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאבטח את ראשו של בעל החיים כדי למנוע תנועה במהלך סריקת הערה:. מערכת הבר intraauricular פלסטיק מותאם אישית משמשת כאן לקיבוע ראש. הנח את הברים לתוך תעלות האוזן ומאובטחת לכיסוי הראש, כך שהראש מסתובב בצורה חלקה בהדואר כיוון אנכי ללא סיבוב אופקי. אבטח את מיקום הראש על ידי תיקון השיניים העליונות למנגנון. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הרדימי העכברוש לחלוטין ולפקח CO גאות סוף 2 כדי להבטיח יציבות לאורך כל הסריקות. כדי לשמור על CO גאות סוף ההרדמה, אוורור ובקרה 2 רמות במהלך הסריקה, מערכת אוורור חיה הקטנה MR-תואם בשילוב עם מכשיר אדים isoflurane משמשת כאן, אם כי מגוון רחב של חומרי הרדמה והרגעה עשוי לשמש באופן דומה. הגדר את מכונת ההנשמה ל45 נשימות / דקה עם נפח בינוני, כ 500 מיליליטר / דקה של אוויר כהתחלת נפח. הגדר את isoflurane עד 2% ולהעביר את החולדה לחדר הסריקה. צרף הפלט של מכונת ההנשמה להטובוס של החולדה ולחץ בחוזקה כדי לאבטח. Capnometry צריך להיות שנרכש באמצעות צינור המחובר באופן מדויק למחבר הטובוס ככל האפשר. התאם אוורור נפח לייצר CO סוף הגאות 2 של 2.6% ל.3.3%. </li&gt; <li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש בבעל חיים קטן MR-תואם להכניס את החולדה לסורק עם אמבט מים חמים במחזור לבקרת טמפרטורה. תדביק את הכרית של האמבטיה על בעל ולכסות אותו עם נייר סופג נקי. מניחים את החולדה על מיטת המים החמים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ניטור של רמות טמפרטורה ופחמן דו חמצני הינו חיוני לfMRI BOLD, ואילו רוויון חמצן בעורקים ואת קצב לב גם פרמטרים פיסיולוגיים שימושיים. הכנס בדיקה טמפרטורה רקטלית MR-תואמת וקלטת אותו לבסיס של הזנב, ולאחר מכן להתאים את הטמפרטורה של המים באמבטיה כדי לשמור על טמפרטורת גוף נורמלית ב 37 ° C. לפקח הרוויה עורקי חמצן וקצב לב באמצעות מערכת oximetry קטנה של בעלי חיים דופק, שמירתם ב95-98% ו250-350 פעימות לדקה, בהתאמה, אשר עשוי להשתנות בהתאם לסוג של הרדמה בשימוש. ריווי חמצן וקצב לב מושפעים גם על ידי עומק של הרדמה, אוורור נפח וקצב תחלופת אוויר. אוורור שיעור נפח וייתכן שיהיה צורךלהיות מאוזנת בזהירות כדי לשמור על רמות נאותות סוף הגאות CO 2 וריווי חמצן נאות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> סליל פני השטח דרוש לרכישת fMRI BOLD. מניחים את הסליל לפני השטח קרוב אל פני השטח של הראש ככל האפשר. מובטחים ברגע, הנח משחת שיניים על פני השטח של הראש על כובע הבטון על מנת לצמצם חפצי רגישות קרובים לפני שטח מוח הערה:. אנו משתמשים בסליל משטח משדר תוצרת בית עם קוטר פנימי של כ 1.6 סנטימטר, אם כי סלילי משטח גדולים יותר עשויים להיות משמש כדי לייעל את תגובת BOLD באזורים קורטיקליים עמוקים יותר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חבר את האלקטרודה מגרה למערכת ממריץ החשמלי לתכנות הערה:. אנו משתמשים TTL לתכנות מחוייט מפעילה מערכת הקשורה לגירוי דו קוטבי כדי לספק פולסים חשמליים מסונכרנים לעירורי RF מסריקות MR. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להרגעה ושיתוק במהלך רכישת נתוני ה-fMRI, השתמש קוקטייל של dexmedetomidine (0.1מ&quot;ג / קילוגרם / שעה, IP) וpancuronium (1 מ&quot;ג / קילוגרם / שעה, IP), בשילוב עם isoflurane במינון נמוך ב0.5% כדי למנוע פעילות אפילפטיים 2. עירוי תרופות, יש להשתמש במשאבת מזרק MR-תואם אם המשאבה היא להיות ממוקמת בסביבה המגנטית. לחלופין, משאבת noncompatible עשויה להיות ממוקמת מחוץ לסביבה המגנטית בלבד שצינורות צנתר מורחבים משמש. </li></ol> 3. fMRI נתונים Acquistion הצעד השלישי הוא רכישת ה-fMRI, כולל מיקום, shimming, סריקות אנטומיות, וסריקות תפקודיות. מערכת טסלה 9.4 עם סליל משטח תוצרת בית משמשת כאן, אם כי טכניקה זו עשויה להיות מותאמת למערכות גבוהה תחום אחרים ומסחרית שנעשתה סלילי ה-MRI. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנס את החולדה לתוך הסורק והעמדה במרכז המגנט. השתמש בתמונת הסקאוט שלושה מטוס למרכז דווקא את החולדה בתוך המגנט ביחס לאזורים במוח של עניין, וFASTMAP shimming לhomogenize השדה המגנטי באזורים של עניין. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש ברצף T2 המשוקלל sagittal נדיר (FOV, 2.56 x 2.56 2 סנטימטר; גודל מטריצה, 256 x 256; עובי פרוס, 1.5 מ&quot;מ; TR / TE, 1500/11 ms; פקטור נדיר, 8; Flip זווית, 180 °) כדי למצוא את מיקומו של השליך הקדמי, וליישר את התמונות הבאות למיקום זה. יישר סריקות שמונה פרוסה-ירייה אחת GE-EPI (FOV, 2.56 x 2.56 2 סנטימטר; גודל מטריצה, 96 x 96, שחזר ל128 x 128; עובי פרוס, 1 מ&quot;מ; TR / TE, 1000-1014 ms) לנקודה זו עם אורינטצית העטרה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עבור סריקות תפקודיות, השתמש 70 סריקות EPI רצופות עם 1 החלטה שנייה זמנית מסונכרנת לפלט הגירוי, מוגדרת 20 שאר שניות, 10 גירוי שניות, ואחריו שאר 40 שניות. לאפשר מינימום של 90 שניות בין סריקות כדי לאפשר התאוששות עצבים וכלי דם. לרכוש סריקות חוזרות ונשנות מרובות בכל פרמטר גירוי כדי לשפר את יחס אות לרעש על ידי ממוצע. השתמש בסדרה של סריקות דמה (בדרך כלל 4-8) מייד לפני הסריקה להפחתת רעש. לאשר את תגובת BOLD בעת רכישת תמונה כדי להבטיח את הצלחתו של הניסוי בשיטה המתוארת בסעיף 4, אם כי המיצוע, coregistration וגולגולת הפשטה ניתן לדלג בהגדרה זו. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר הסריקה פונקציונלית היא מלאה, להשתמש ברצף T2 המשוקלל נדיר ספין הד (FOV, 2.56 x 2.56 2 סנטימטר; גודל מטריצה, 256 x 256; עובי פרוס, 1 מ&quot;מ; TR / TE, 2500/33 ms; ממוצעים, 8 ) כדי למדוד את המיקום האנטומי של האלקטרודה in vivo. לרכוש חלקי העטרה ועל sagittal מרובים כדי למדוד את הקצה של חפץ האלקטרודה לאורך קדמי / אחורי, צירי הגחון המדיאלי / לרוחב ועל גב / ולאשר מיקום האלקטרודה. מיקרוסקופיה תהודה מגנטית ברזולוציה גבוהה (FOV, 1.8 x 1.28 סנטימטר; גודל מטריצה, 360 x 256; עובי פרוס, 0.5 מ&quot;מ; TR / TE, 2500/12.6 ms; גורם נדיר, 8; ממוצעים, 280) ניתן להשתמש כדי לבחון את מיקום מדויק של דרכי האלקטרודה לאחר ההסרה בכבודלמבני neuroanatomical סמוכים ולאשר את הדיוק של אלקטרודה מיקום 3. </li></ol> 4. fMRI עיבוד נתונים וניתוח השלב הרביעי הוא עיבוד וניתוח של נתוני ה-fMRI, כוללים דור של מפות תגובה וחישוב של שינוי אות BOLD אחוזים. תוכניות מותאמות אישית הפועלות בסביבת מחשוב כלי תוכנת fMRI מסחריים (למשל MATLAB) או (לדוגמא. SPM, FSL, או AFNI) יכולות להיות מועסקות. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בגין עם coregistration תמונה ומיצוע של הנתונים הראשונים בתוך-נושא על ידי תדר, ואחריו על פני-כפוף הערה:. אנו להשיג קודי SPM באמצעות זה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לבצע הפשטת גולגולת כדי להסיר רקמת nonbrain באמצעות אזור המוגדר ידני של עניין (ROI) עם thresholding אות. אלגוריתמי גולגולת הפשטה אוטומטיים יכולים להיות מועסקים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לקמפל מפות תגובה על ידי חישוב מקדם המתאם של הקשר בין מיל BOLDponse לאורך זמן ואת הפרדיגמה הגירוי לכל voxel. עיכוב כמה שניות הפרדיגמה להסביר עיכוב בתגובה המודינמית עשויה להיות נחוץ. רמת הגדרה משמעותית בP &lt;0.05 לאחר תיקון Bonferroni. שיטות סטטיסטיות אחרות יכולות להיות מועסקות. תיקון להשוואות מרובות באמצעות אקראי תיאורית שדה או תיקון ברמת אשכול מבוסס על גאוס אקראי שדה ניתן לבצע במקום של תיקון Bonferroni לניתוח רגיש יותר 4 הערה:. העיכוב המודינמית עשוי להשתנות לפי אזורים במוח הממוקדים, סוכנים תרופתיים בשימוש, ופרמטרים פיסיולוגיים. זה חיוני כדי לשלוט בפרמטרים אלה על מנת למנוע השתנות בתוך-נושא ובין-נושאים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לכמת את תגובת BOLD על ידי הגדרת ROI כדי לחלץ נתונים בזמן כמובן. ממוצע שינוי אות אחוזים על פני כל voxels בתוך אותו המבנה האנטומי. גם ניתוח voxel מבחינת השימוש הכללי לינארי הדגם עשוי לשמש 5. </li></ol>

<ol>
	<li>Paxinos, G., Watson, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The rat brain in stereotaxic coordinates, 5th edition. , (2004).</li><li>Fukuda, M., Vazquez, A. L., Zong, X., Kim, S. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+the+alpha(2)-adrenergic+receptor+agonist+dexmedetomidine+on+neural,+vascular+and+BOLD+fMRI+responses+in+the+somatosensory+cortex.">Effects of the alpha(2)-adrenergic receptor agonist dexmedetomidine on neural, vascular and BOLD fMRI responses in the somatosensory cortex.</a> Eur. J. Neurosci. 37 (2), 80-95 (2013).</li><li>Lai, H. Y., Younce, J. R., Albaugh, D. L., Kao, Y. C., Shih, Y. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+MRI+reveals+frequency-dependent+responses+during+deep+brain+stimulation+at+the+subthalamic+nucleus+or+internal+globus+pallidus.">Functional MRI reveals frequency-dependent responses during deep brain stimulation at the subthalamic nucleus or internal globus pallidus.</a> NeuroImage. In press, (2013).</li><li>Frackowiak, R. S. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Human Brain Function. , (2004).</li><li>Poline, J. B., Brett, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+general+linear+model+and+fMRI:+does+love+last+forever.">The general linear model and fMRI: does love last forever.</a> NeuroImage. 62, 871-880 (2012).</li><li>Min, H. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deep+brain+stimulation+induces+BOLD+activation+in+motor+and+non-motor+networks:+an+fMRI+comparison+study+of+STN+and+EN/GPi+DBS+in+large+animals.">Deep brain stimulation induces BOLD activation in motor and non-motor networks: an fMRI comparison study of STN and EN/GPi DBS in large animals.</a> NeuroImage. 63, 1408-1420 (2012).</li><li>Lozano, A. M., Lipsman, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probing+and+Regulating+Dysfunctional+Circuits+Using+Deep+Brain+Stimulation.">Probing and Regulating Dysfunctional Circuits Using Deep Brain Stimulation.</a> Neuron. 77, 406-424 (2013).</li><li>DeLong, M., Wichmann, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deep+brain+stimulation+for+movement+and+other+neurologic+disorders.">Deep brain stimulation for movement and other neurologic disorders.</a> Ann. N.Y. Acad. Sci. 1265, 1-8 (2012).</li><li>Goodman, W. K., Alterman, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deep+brain+stimulation+for+intractable+psychiatric+disorders.">Deep brain stimulation for intractable psychiatric disorders.</a> Ann. Rev. Med. 63, 511-524 (2012).</li><li>Pizzolato, G., Mandat, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deep+brain+stimulation+for+movement+disorders.">Deep brain stimulation for movement disorders.</a> Front. Integr. Neurosci. 6, 2 (2012).</li><li>Logothetis, N. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=What+we+can+do+and+what+we+cannot+do+with+fMRI.">What we can do and what we cannot do with fMRI.</a> Nature. 453, 869-878 (2008).</li><li>Li, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Therapeutic+deep+brain+stimulation+in+Parkinsonian+rats+directly+influences+motor+cortex.">Therapeutic deep brain stimulation in Parkinsonian rats directly influences motor cortex.</a> Neuron. 76, 1030-1041 (2012).</li><li>Pan, W., Thompson, G., Magnuson, M., Majeed, W., Jaeger, D., Keilholz, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Simultaneous fMRI and Electrophysiology in the Rodent. (42), (2010).</li><li>Huttunen, J. K., Grohn, O., Penttonen, M. <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+simultaneously+recorded+BOLD+response+and+neuronal+activity+in+the+rat+somatosensory+cortex.">Coupling between simultaneously recorded BOLD response and neuronal activity in the rat somatosensory cortex.</a> NeuroImage. 39, 775-785 (2008).</li><li>Logothetis, N. K., Pauls, J., Augath, M., Trinath, T., Oeltermann, A. <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, 150-157 (2001).</li><li>Shih, Y. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+scenario+for+negative+functional+magnetic+resonance+imaging+signals:+endogenous+neurotransmission.">A new scenario for negative functional magnetic resonance imaging signals: endogenous neurotransmission.</a> J. Neurosci. 29, 3036-3044 (2009).</li><li>Shih, Y. Y., Wey, H. Y., De La Garza, B. H., Duong, T. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Striatal+and+cortical+BOLD,+blood+flow,+blood+volume,+oxygen+consumption,+and+glucose+consumption+changes+in+noxious+forepaw+electrical+stimulation.">Striatal and cortical BOLD, blood flow, blood volume, oxygen consumption, and glucose consumption changes in noxious forepaw electrical stimulation.</a> J. Cereb. Blood Flow Metab. 31, 832-841 (2011).</li><li>Shmuel, A., Augath, M., Oeltermann, A., Logothetis, N. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Negative+functional+MRI+response+correlates+with+decreases+in+neuronal+activity+in+monkey+visual+area+V1.">Negative functional MRI response correlates with decreases in neuronal activity in monkey visual area V1.</a> Nat. Neurosci. 9, 569-577 (2006).</li><li>Schridde, U., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Negative+BOLD+with+large+increases+in+neuronal+activity.">Negative BOLD with large increases in neuronal activity.</a> Cereb. Cortex. 18, 1814-1827 (2008).</li><li>Shmuel, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sustained+negative+BOLD,+blood+flow+and+oxygen+consumption+response+and+its+coupling+to+the+positive+response+in+the+human+brain.">Sustained negative BOLD, blood flow and oxygen consumption response and its coupling to the positive response in the human brain.</a> Neuron. 36, 1195-1210 (2002).</li><li>Harel, N., Lee, S. -. P., Nagaoka, T., Kim, D. -. S., Kim, S. -. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Origin+of+negative+blood+oxygenation+level&#8211;dependent+fMRI+signals.">Origin of negative blood oxygenation level&#8211;dependent fMRI signals.</a> J. Cereb. Blood Flow Metab. 22, 908-917 (2002).</li><li>Lee, J. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Global+and+local+fMRI+signals+driven+by+neurons+defined+optogenetically+by+type+and+wiring.">Global and local fMRI signals driven by neurons defined optogenetically by type and wiring.</a> Nature. 465, 788-792 (2010).</li><li>Carmichael, D. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+MRI+with+active,+fully+implanted,+deep+brain+stimulation+systems:+safety+and+experimental+confounds.">Functional MRI with active, fully implanted, deep brain stimulation systems: safety and experimental confounds.</a> NeuroImage. 37, 508-517 (2007).</li><li>Tagliati, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Safety+of+MRI+in+patients+with+implanted+deep+brain+stimulation+devices.">Safety of MRI in patients with implanted deep brain stimulation devices.</a> NeuroImage. 47 Suppl 2, 53-57 (2009).</li></ol>

יש המחברים אין לחשוף.

DBS סימולטני וfMRI מייצגים ערכת כלים ניסיוניות מבטיחים לזיהוי והאפיון של תגובות במורד הזרם העולמית לגירוי מעגלים עצבי, in vivo. היתרון העיקרי של שיטה זו על פני כלים זמינים אחרים, כגון קלטות אלקטרו, טמון בטבע יחסית משוחד של ה-fMRI, לפיה שטח גדול ומגוון של רקמת המוח יכול להיבחן להיענות לDBS בכל יעד. אף על פי הפרוטוקול המתואר הוא ספציפי לDBS-fMRI בחולדה, הדמייה של תגובות DBS יש גם ערכה בהצלחה באורגניזמים מודל אחרים, ובכלל זה חזירים 6. אולי היישום הברור ביותר לטכניקה זו הוא המודלים של DBS כמיושם טיפולי להפרעות נוירולוגיות ופסיכיאטריות מסוימות, כלומר. המחלה 7-9 פרקינסון. בחולי מחלת פרקינסון, גירוי בתדר גבוה בשני subthגרעין alamic (STN) או pallidus גלובוס הפנימי (GPI) הוא יעיל להקלה על סימפטומים מוטוריים רבים 10. DBS בתדירות גבוה בכל אחת מתוצאות ביעדים אלה בהפעלה משמעותית בתוך שני S6 מנוע והאזור הלימבית הקנונית. האפיון של תגובות fMRI מרחבית דינמיות אלה, כאשר כהשלמה ניתוח התנהגותי, עשוי לסייע בזיהוי של מעגלי DBS טיפוליים. המסקנות שהוסקה ממחקרים כאלה צריכים לתרגם בקלות למרפאת, במיוחד לחידוד של DBS במטרות והרחבה של DBS למטרות חדשות לטיפול במחלות והפרעות שונות קיימים. מגבלות כלליות של fMRI כבר נסקרו בהרחבה במקומות אחרים 11, למרות כמה מגבלות ספציפיות הם רלוונטיים במיוחד לDBS-fMRI. DBS עלול לגרום לשינויי temporally דינמיים בפעילות הסלולר 12 שלא יכול להיפתר במידה מספקת עם fMRI. לניסויים הדורשים זמני עדינהרזולוציה יותר מאשר כיום יכולה להיות מוצעת על ידי fMRI לבד, אנו מציעים קלטות אלקטרו, שעשוי להירכש בשילוב עם fMRI 13-15. סוגיה נוספת נוגעת לתגובות BOLD המורכבים ציינו בתגובה לפעילות עצבית 16-21. fMRI מאפשר זיהוי של האזורים המווסת על ידי DBS, אם כי יש לנקוט זהירות בעת הסקת מסקנות הכיוון של אפנון זו מבוסס על נתוני ה-fMRI לבד. היישום של שיטות מרובות fMRI (למשל BOLD, זרימת דם מוחית, שיתוק נפח דם, קישוריות פונקציונלית, ו-MRI משופר מנגן), כמו גם נתונים אלקטרו והיסטולוגית, צריך לחזק את מסקנות כאלה. רבים מהפרטים שנמסרו בפרוטוקול זה יכול להיות מאומץ בקלות לשיטות גירוי חלופיות, כוללים optogenetic מיקוד 22. עבור ניסויי optogenetic, נהג לייזר יכול להיות ממשק עם תוכנת גירוי להשיג TTL מפעילה של לאסאה קטניות. עבור ניסויים כאלה, חשוב להשתמש בכבל תיקון באורך מתאים, כך שהסיבים האופטיים יכולים להיות מצמידים את נהג לייזר הממוקם מחוץ לחדר של הסורק. Opto-fMRI מאפשר זיהוי של שינויי neurovascular הנגרמים על ידי אפנון סלקטיבית של פעילות בתוך אוכלוסיות תאים מוגדרות מבחינה גנטית, ואילו לא ניתן לייחס תגובות DBS-fMRI חשמל בקלות לגיוס של מעגלים ספציפיים. עם זאת, DBS החשמלי צפוי של ערך translational גדול יותר ללימוד DBS הטיפולי, אשר אך ורק מסתמך על גירוי חשמלי באוכלוסיות חולה. חששות לבטיחות ונזק לרקמות מקומיות הם שיקולים חשובים להדמייה עם DBS בו זמנית בשתי הגדרות המחקר קליניות ובעלי חיים, וכבר דנו בהרחבה במקום אחר (קרמייקל 23,24). אמנם יש לי רצפי MRI רבים הפוטנציאל לגרום לחימום משמעותי ונזק לרקמות, גירוי פרמטריםnd רצפי סריקה בפרוטוקול זה נועדו למזער גורמים אלה, במיוחד אורכו של כל רצף סריקה בין תקופות מנוחה. ככזה, תגובות לגירוי לאחר עשרות סריקות הן עמידים באופן עקבי במחקרי פיילוט, ואין סימנים של נזק לרקמות מקומיות נראים בהדמיה שלאחר המוות, המאשרים שפרוטוקול זה הוא בטוח בכל הקשור לאספקה ​​שוטפת ותאימות MR של האלקטרודה משמשת . הגמישות של הליך DBS-fMRI שתואר, בשילוב עם השפע של מידע שנמסר לגבי פרופילי אפנון אזוריים בתגובה לדי.בי. אס, להפוך את זה הליך אידיאלי עבור מגוון רחב של יישומים במדעי המוח ברמת מערכות.

קביעת ההשפעות במורד הזרם הגלובלית של פעילות מעגלים עצבית מהווה אתגר גדול ומטרה לתחומים רבים של מדעי המוח מערכות. מחסור בכלים זמין כרגע שלענות על צורך זה, ובכך יש ביקוש לנגישות מוגברת של מערכי הניסוי המתאימים. שיטה אחת כזו להערכת התוצאה הגלובלית של הפעלת מעגלים עצבית מסתמכת על היישום בו זמני של גירוי מוחי העמוק חשמלי (DBS) וה-MRI התפקודי (fMRI). DBS-fMRI מאפשר זיהוי של תגובות במורד הזרם להפעלת מעגלים על קנה מידה מרחבי גדול, ויכול להיות מיושם בכמעט כל יעד גירוי. כלים זה מתאים מאוד למחקרים פרה translational, כוללים האפיון של תגובות לגירוי בתדר גבוה טיפולי. בנוסף לגישה לסורק MRI מתאים, ניסויי DBS-fMRI מוצלחים דורשים התחשבות במספר variables, כולל סוג האלקטרודה, שיטת הרגעה, ותחזוקה של פרמטרים פיסיולוגיים. לדוגמא, בחירת האלקטרודה צריכה להיות מבוססת על גורמים הנוגעים ליעילות גירוי (למשל. גודל עופרת ומוליכות, מונו לעומת דו קוטבית), כמו גם תאימות MR וגודל חפץ האלקטרודה. חפצי האלקטרודה משתנים בהתאם לחומר האלקטרודה וגודל, כמו גם רצף הסריקה משמש; בדיקות שלפני ניסוי יסודיים צריכה להיות מועסקות על מנת לקבוע את סוג האלקטרודה המתאים לכל מחקר. באופן כללי, אלקטרודות טונגסטן Microwire מומלצות לפרוטוקול זה. בחירה של שיתוק והרגעה צריכה להיעשות כדי לשתק ביעילות בבעלי החיים ולהפחית את ההשפעות מדכאות של תרופות הרגעה מסוימות באות ברמת דם בחמצן תלויה (BOLD). לבסוף, זה הוא קריטי כדי לשמור על בעלי החיים בפרמטרים פיסיולוגיים אופטימליים, הכוללים טמפרטורת גוף וריווי חמצן. הפרוטוקול שפיתחנו לDBS-FMRI מתגבר רבים של מכשולים הפוטנציאליים אלה, ובידות שלנו, מספק תוצאות חזקות ועקביות. בנוסף, הפרוצדורות הללו ניתן לאמץ בקלות לשילוב של fMRI עם שיטות גירוי חלופיות, כוללים גירוי optogenetic.

<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

על מנת להמחיש את התגובות עצביות הגלובליות או במורד לגירוי מוחי עמוק (DBS) לעבר מטרות שונות, פיתחנו פרוטוקול לשימוש ברמת חמצן בדם הדמיה תלויה (BOLD) תפקודית בתהודה מגנטית (fMRI) כדי מכרסמים תמונה עם DBS בו זמנית. DBS fMRI מציג מספר האתגרים טכניים, כולל דיוק של השתלת האלקטרודה, חפצי MR נוצרו על ידי אלקטרודה, הבחירה של הרדמה ושיתוק כדי למזער השפעות עצביות תוך ביטול תנועה של בעלי חיים, ותחזוקה של פרמטרים פיסיולוגיים במקביל, סטייה ממנו יכולים לבלבל אות BOLD. המעבדה שלנו פיתחה סדרה של נהלים שאינם מסוגל להתגבר על רוב הבעיות אפשריות אלה. לגירוי חשמלי, משמשת microelectrode דו קוטבי טונגסטן תוצרת בית, הוכנס stereotactically באתר הגירוי בנושא ההרדמה. כהכנה להדמיה, מכרסמים הם קבועים בכיסוי ראש מפלסטיק והועבר לשעמם את המגנט. להרגעה ושיתוק במהלך סריקה, קוקטייל של dexmedetomidine וpancuronium הוא החדיר ברציפות, יחד עם מינון מינימאלי של isoflurane; הכנה זו ממזערת את אפקט תקרת BOLD של חומרי הרדמה נדיפים. בדוגמא של ניסוי זה, גירוי של גרעין subthalamic (STN) מייצר תגובות BOLD שהם נצפו בעיקר באזורים בקליפת המוח ipsilateral, שמרכזו בקליפת המוח מוטורי. DBS סימולטני וfMRI מאפשר האפנון חד משמעי של מעגלים עצביים תלוי במיקום גירוי ופרמטרי גירוי, ומאפשרים תצפית של מודולציות העצבית ללא משוא פנים אזוריים. טכניקה זו יכולה לשמש כדי לחקור את ההשפעות במורד הזרם של ויסות מעגלים עצביים כמעט בכל אזור במוח, עם השלכות על DBS הן ניסיוני והקליני.

נתונים תפקודיים נציג נרכשו על פי הפרוטוקול הנ&quot;ל בחולדה אחת עם אלקטרודה מגרה מושתלת לגרעין subthalamic בצד ימין. איור של התקנה חיונית לרכישת תמונת DBS fMRI מסופק באיור 1. גירוי יושם בקנה אחד עם הפרוטוקול לעיל, עם אמפליטודה של 0.3 mA, תדירות 130 הרץ והרוחב פולס של 0.09 אלפיות שניים. הפעלה חזקה של הקורטקס מוטורי ipsilateral כבר דמיינו באופן עקבי באמצעות פרוטוקול זה עם גרעין subthalamic כמטרה הגירוי. בדגם גירוי מרובע גל, אות BOLD תהיה צפוי להיות מווסתת ביחס לנקודת ההתחלה (מצב ללא גירוי) עם מהלך זמן בקורלציה לתקופת הגירוי. תגובות BOLD הנה חיוביות שנצפו באזור במוח הצפוי (איור 2) ועם דפוס ON / OFF בקורלציה טובה להפרדיגמה הגירוי, תוך לקיחה בחשבון<html> עיכוב המודינמית קצר (איור 3). מהמפה (איור 2), אטלס neuroanatomical מעולף 1 עשוי להיות המשמש להגדרת אזורים מדויקים של עניין להשוות את השפעת BOLD באזורים במוח אדם. לSTN DBS תגובת BOLD בקליפת המוח המוטורי מוצגת באיור 3, אם כי אזורים של עניין יכולים להיות ממוקמים בכל אזור במוח. תגובות אלו עשויות אז להיות בממוצע בין סריקות ולאחר מכן בין נושאים לזהות אזורים במוח אשר מייצרים תגובה עקבית לגירוי. מיקוד של מבני neuroanatomical אחרים עשוי לייצר דפוסי תגובה שונים מאלה המוצגים בניסוי הזה. בנוסף, אפילו במידה קטנה של אי דיוק במיקום האלקטרודה עשויה לייצר הבדלים גדולים בתגובה לכך, כמו הבדלים במאי בסוגי האלקטרודה ופרמטרי גירוי חשמלי 3. / Ftp_upload/51271/51271fig1highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/51271/51271fig1.jpg &quot;/&gt; איור 1. ערכה של תצורת ה-fMRI בסיסית עם סליל פני השטח, עמדת אלקטרודה וסנכרון ממריץ. <img alt="איור 2" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51271/51271fig2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51271/51271fig2.jpg" /> איור 2. תמונות EPI נציג שכותרתו עם מקדמי מתאם מחיה בודדת, אחורי אל קדמי פרוסות מוצגות משמאל לימין. בר צבע מצביע על מקדמי מתאם בכל voxel. <img alt="איור 3" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51271/51271fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51271/51271fig3.jpg" /> איור 3. % טיפוסיים BOLD לאורך זמן מחיה אחת בממוצע לכל סריקות מרובות בואותם הפרמטרים הגירוי: 0.3 mA, 130 הרץ, 0.09 רוחב פולס msec צהובים בר מציין פרק זמן שבו הגירוי היה מוחל על גרעין subthalamic.. החזר על ההשקעה הייתה בתוך קליפת המוח מוטורי הערה:. פרמטרים גירוי אלה הם בטווח הסטנדרטי עבור DBS בSTN, אבל ייתכן שיהיה הצורך להיות שונה עבור אתרי גירוי חלופי.

Watch this Scientific Journal Video about Deep Brain Stimulation with Simultaneous fMRI in Rodents at JoVE.com

Deep Brain Stimulation with Simultaneous fMRI in Rodents

פרוטוקול זה מתאר שיטה סטנדרטית להדמיה תפקודית בתהודה המגנטית בו זמנית וגירוי מוחי עמוק במכרסמים. השימוש בשילוב של כלים ניסיוניים האמורים, מאפשר החקירה של פעילות במורד הזרם העולמית בתגובה לגירוי חשמלי בכמעט כל יעד במוח.

גירוי מוחי עמוק עם fMRI סימולטני במכרסמים

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

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Neuroscience

14.0K Views.  University of North Carolina.  פרוטוקול זה מתאר שיטה סטנדרטית להדמיה תפקודית בתהודה המגנטית בו זמנית וגירוי מוחי עמוק במכרסמים. השימוש בשילוב של כלים ניסיוניים האמורים, מאפשר החקירה של פעילות במורד הזרם העולמית בתגובה לגירוי חשמלי בכמעט כל יעד במוח. 

Video: 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.

FMRI Electrophysiology סימולטני במוח מכרסמים

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

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.

עיצוב ובנייה של Headstage העלות האפקטיבית של גירוי עצבי סימולטני הקלטה של ​​מבוך המים

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.

שילוב של גירוי מגנטי fMRI Transcranial ולבחון את רשת מצב ברירת מחדל

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: שימוש בפרוטוקול תטא-Burst לחקור Mechasnism של פלסטיות של אנשים עם תסמונת X שביר אוטיזם ו

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

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

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

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

המדינה תלות השפעות על TMS: מבט על התנהגות Phosphene מניע

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

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

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

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

התקן TMS NeuroStar: ניהול ה-FDA פרוטוקול מאושר לטיפול דיכאון

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.

ניתוח שינויי ביטוי הגנים בהיפוקמפוס העכברוש לאחר Deep Brain Stimulation של Anterior התלמוס הגרעין

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.

טכניקת קיבוע אקריליק שרף דפוס מבוסס ראש במכרסמים

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.

טראנס גירוי חשמלי מוחי בחולדות התראה

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

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

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

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

הגדרת מיקום גירוי באמצעות התקן הדיגיטציה תלת-ממדי עם Transcranial High Definition הגדרה ישירה הגירוי הנוכחי

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