Summary

الكشف التلقائي من التذبذبات ثيتا درجة عالية من التنظيم في الفئران EEG

Published: March 10, 2017
doi:

Summary

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.

Abstract

يتم إنشاء ثيتا النشاط في نظام septohippocampal ويمكن تسجيلها باستخدام أقطاب intrahippocampal عميقة وكهربية زرع (EEG) القياسات اللاسلكية أو نظام حبل النهج. دواء، الحصين ثيتا هي غير متجانسة (انظر نظرية إزدواجية) ويمكن التمييز في النوع الأول والنوع الثاني ثيتا. ترتبط هذه الأنواع الفرعية EEG الفردية للدول المعرفية والسلوكية المحددة، مثل الإثارة والاستكشاف والتعلم والذاكرة، ومتكاملة الوظائف العليا، وما إلى ذلك من الأمراض العصبية مثل مرض الزهايمر، الهيكلية والتعديلات الوظيفية للنظام septohippocampal يمكن أن يؤدي إلى النشاط ثيتا ضعف / التذبذبات. ويشمل التحليل الكمي المعياري للEEG الحصين والوجبات فورييه تحول (الاتحاد الفرنسي للتنس) تحليل التردد المستندة. ومع ذلك، فإن هذا الإجراء لا توفر تفاصيل حول ثيتا النشاط في التذبذبات ثيتا العامة ودرجة عالية من التنظيم على وجه الخصوص. من أجل الحصول على ديتامعلومات ILED على التذبذبات ثيتا درجة عالية من التنظيم في الحصين، قمنا بتطوير نهج تحليلي جديد. يسمح هذا النهج لتقدير زمني وفعالة من حيث التكلفة لمدة التذبذبات ثيتا درجة عالية من التنظيم والخصائص وتيرتها.

Introduction

يرتبط ثيتا النشاط في الدماغ لمختلف الدول المعرفية والوظيفية، بما في ذلك الإثارة والانتباه والحركة الطوعية، والسلوك الاستكشافي، والسلوك الانتباه والتعلم والذاكرة، والتكامل الحسية الجسدية، وحركة العين السريعة (REM) النوم 1 و 2. في المقام الأول، ثيتا النشاط ككيان الإيقاعي يمكن أن تتولد في مختلف المناطق الدماغية ودرجة عالية من التنظيم ومزامنة كما ثيتا التذبذبات. أدناه، سوف نركز على التحليل النوعي والكمي لثيتا النشاط / التذبذبات التي يتم إنشاؤها داخل منظومة septohippocampal 3 و 4. داخل الحاجز، GABAergic، مشروع glutamatergic، والخلايا العصبية كوليني إلى الحصين والمساهمة في بدء وصيانة ثيتا السلوك المتذبذب. هناك مناقشات تدور الآن حول ما إذا كانت بدأت التذبذبات الحصين ثيتا في الحاجز، أي </em> على الحاجز-منظم ضربات القلب الحصين نموذج تابع، (نظرية extrahippocampal) أو جوهريا في قرن آمون (نظرية intrahippocampal) 7.

بغض النظر عن أصلهم، كانت التذبذبات ثيتا قرن آمون في بؤرة الاهتمام لسنوات، لا سيما في نماذج الفئران المعدلة وراثيا. هذه النماذج تسمح للزرع أقطاب كهربائية EEG عميقة ولتسجيل الاهتزازات ثيتا الحصين تحت المهام المعرفية والسلوكية المحددة 8. التذبذبات الحصين ثيتا هي غير متجانسة في طبيعتها. واستنادا إلى ما يسمى نظرية الثنائي للثيتا التذبذبات، يمكن للمرء أن يفرق بين تراعي الأتروبين النوع الثاني ثيتا والأتروبين حساسة النوع الأول ثيتا 9 و 10 و 11. يمكن لهذا الأخير عادة ما يكون ذلك حافزا التي كتبها M المسكارينية 1 / M <sيو بي منبهات> 3 مستقبلات، على سبيل المثال، أريكولين، بيلوكاربين، ويوريتان. ومع ذلك، يوريتان دواء متعدد الاهداف أنه، إلى جانب تفعيل المسكارينية، كما تمارس تأثيرات معقدة على الكيانات القناة الايونية أخرى. للنوع الثاني ثيتا، ويشمل المسار المسكارينية تفعيل M 1 / م 3 ولاحق G ف / 11 (Gα) تفعيل بوساطة من فسفوليباز C β 1/4 (1/4 PLCβ)، trisphosphate اينوزيتول (المفتش 3) ، diacylglycerole (داج)، الكالسيوم 2+، وبروتين كيناز C (بي كي سي). وقد تم التحقق من صحة دور PLCβ 1 و PLCβ 4 في thetagenesis في الدراسات خروج المغلوب باستخدام PLCβ1 – / – وPLCβ4 – / – الفئران واظهار خسارة كاملة أو توهين كبير من ثيتا التذبذب 12 و 13 و 14. M إضافي M وM 5 أهداف المصب (تشاnnels / التيارات) من سلسلة إشارات المسكارينية تشمل المواصلة مختلفة، مثل M من نوع K + قناة (ك م) عبر تعتمد على الجهد K + قناة (ك ت 7)؛ بطيئة بعد فرط الاستقطاب K + قناة (كانساس برنامج مكافحة الجوع)؛ تسرب K + قناة (K تسرب)، وربما عبر TWIK ذات الصلة حمض حساسة K + قناة (TASK1 / 3)؛ الموجبة الحالية (أنا CAT)، وربما عبر قناة تسرب نا + (NALCN)؛ وأنا ح عبر فرط الاستقطاب والنوكليوتيدات بوابات قنوات دوري (HCN). وبالإضافة إلى ذلك، تم الإبلاغ عن مستقبلات م 2 / M 4 أستيل كولين (ACHRS) للتدخل في المعدل الداخلي K + قناة 3.1 (K الأشعة تحت الحمراء 3.1) والداخل المعدل K + قناة 3.2 (K الأشعة تحت الحمراء 3.2) 15.

حاليا، البرامج التحليلية المتاحة تجاريا يسمح للتحليل سريع على أساس الاتحاد الفرنسي للتنس تردد، على سبيل المثال، تحليل الطاقة (P، بالسيارات 2)أو كثافة طيف الطاقة (PSD، بالسيارات 2 / هرتز). السلطة أو كثافة طيف الطاقة (PSD) تحليل لمدى التردد ثيتا فقط يعطي نظرة شاملة من نشاطها. ومع ذلك، من أجل الحصول على نظرة مفصلة في النشاط ثيتا المعرفي والمتعلقة السلوك، وتحليل الاهتزازات ثيتا درجة عالية من التنظيم هو إلزامي. تقييم التذبذبات ثيتا درجة عالية من التنظيم هو من أهمية مركزية في مجال الأمراض العصبية والنفسية العصبية. وتتم معظم الدراسات التجريبية المرض في نماذج الفئران المعدلة وراثيا باستخدام أساليب الجراحة العصبية عالية متطورة لتسجيل سطح فوق الجافية ورسم المخ داخل المخ العميقة. وتشمل هذه التقنيات كلا النظامين حبل 16 و الاجهزة radiotelemetric 17 و 18. التذبذبات ثيتا يمكن تسجيلها كما التذبذبات ثيتا عفوية والمتعلقة السلوك تحت ظروف التسجيل على المدى الطويل. بالإضافة إلى ذلك، يمكن ثيتا التذبذبات يكون ريكوrded التالية تحريض الدوائي ولكن أيضا بعد التعرض للحيوانات مع المهام السلوكية أو المعرفية أو للمؤثرات الحسية، مثل ذيل معسر.

النهج في وقت مبكر لتوصيف وصفت ثيتا التذبذبات التي كتبها Csicsvari وآخرون. 19. مصممة الكتاب أداة شبه الآلي لتحليل ثيتا على المدى القصير (15-50 دقيقة) ليست مناسبة للتسجيلات EEG منذ فترة طويلة. لدينا وسيلة، وصفها هنا، يسمح لتحليل تسجيل EEG على المدى الطويل> 48 ح 20. Csicsvari وآخرون. 10 أشار أيضا إلى نسبة ثيتا الدلتا، ولكن لم يتم توفير الحد الأدنى لتحديد ذبذبات ثيتا درجة عالية من التنظيم. دلتا وثيتا تعريفات مجموعة مباراتنا تعريفات النطاق الترددي. كما لم يذكر ذلك صراحة، نحن نفترض أن يستخدم أسلوب قائم على الاتحاد الفرنسي للتنس التي كتبها Csicsvari وآخرون. لحساب قوة نطاقات التردد-ثيتا الدلتا. هذهمرة أخرى يختلف بشكل واضح من طريقة لدينا، لأننا حساب سعة القائم على المويجات على عدد كبير من المقاييس التردد (تردد الخطوات Δ (و) = 0.05 هرتز)، مما أدى إلى ارتفاع من الدقة. مدة الحقبة EEG تحليلها بشكل فردي مشابهة لتعريفنا.

Klausberger وآخرون. 21 أيضا الاستفادة من نسب ثيتا الدلتا لتحليل تسجيلات EEG على المدى الطويل. ومع ذلك، هناك اختلافات كبيرة مقارنة نهجنا: أ) مدة الحقبة EEG أطول من ذلك بكثير، أي لا يقل عن 6 ق. ب) يتم تعيين نسبة ثيتا دلتا 4، وهو أعلى بكثير من الحد المسموح به، ويرتبط لمختلف التعاريف نطاق التردد؛ وثالثا) من المرجح أن يكون على أساس نهج الاتحاد الفرنسي للتنس، التي تفتقر إلى الدقة العالية، وخاصة للنوافذ زمنية قصيرة جدا تعريف الطاقة (2 ثانية، أي 5 دورات لالتذبذبات مع تردد 2.5 هرتز). في مثل هذه الحالات، وهو إجراء قائم على المويجات هو أكثر يوصى.دراسة من قبل كابلان وآخرون. 22 تحسب فقط قوة ثيتا بينما يتجاهل نسبة القوة ثيتا الدلتا. وهكذا، فإن كابلان الاقتراب 22 لا يمكن أن تفرق بين عمليات ثيتا الغنية المعرفية يرافقه دلتا مرتفعة أو منخفضة.

في بروتوكول التالية، وسوف نقدم نهجنا التحليلي القائم على المويجات لتحليل موثوق التذبذبات ثيتا درجة عالية من التنظيم في تسجيلات EEG قرن آمون من الفئران. وبما أن هذا الإجراء يعمل تلقائيا، ويمكن تطبيقه على مجموعات كبيرة من البيانات والقياسات EEG على المدى الطويل.

Protocol

تم إجراء جميع التجارب على الحيوانات وفقا للمبادئ التوجيهية للمجلس المحلي والمؤسسي على رعاية الحيوان (جامعة بون، BfArM، LANUV، ألمانيا). وبالإضافة إلى ذلك، تم إجراء جميع التجارب على الحيوانات وفقا للتشريعات متفوقة، على سبيل المثال، توجيه مجلس الجماعات الأوروبية من 2…

Representative Results

ثيتا النشاط يمكن تسجيلها في مجموعة واسعة من مناطق الجهاز العصبي المركزي (CNS). هنا، نقدم تحليلا لثيتا التذبذبات من قرن آمون الفئران. يمكن أن تحدث هذه التذبذبات خلال الدول السلوكية والمعرفية المختلفة. يوصى بدرجة كبيرة لتحليل ثيتا التذبذبات في إطار …

Discussion

ثيتا النشاط من أهمية مركزية في الفسيولوجيا العصبية النظامية. ويمكن أن يلاحظ في مناطق الدماغ المختلفة، وخاصة في قرن آمون، حيث يرتبط ذلك إلى الدول السلوكية والمعرفية المحددة. وبالإضافة إلى ذلك، ثيتا الحصين يمكن التفريق دواء إلى حساسة الأتروبين من النوع الثاني والأتر?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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.

Materials

Carprofen (Rimadyl VET – Injektionslösung) Pfizer PZN 0110208208 20ml
binocular surgical magnification microscope Zeiss Stemi 2000 0000001003877, 4355400000000, 0000001063306, 4170530000000, 4170959255000, 4551820000000, 4170959040000, 4170959050000
Dexpanthenole (Bepanthen Wund- und Heilsalbe) Bayer PZN: 1578818
drapes (sterile) Hartmann PZN 0366787
70% ethanol Carl Roth 9065.5
0.3% / 3% hydrogene peroxide solution Sigma 95321 30% stock solution
gloves (sterile) Unigloves 1570
dental glas ionomer cement KentDental /NORDENTA 957 321
heat-based surgical instrument sterilizer F.S.T. 18000-50
high-speed dental drill Adeor SI-1708
Inhalation narcotic system (isoflurane) Harvard Apparatus GmbH 34-1352, 10-1340, 34-0422, 34-1041, 34-0401, 34-1067, 72-3044, 34-0426, 34-0387, 34-0415, 69-0230
Isoflurane Baxter 250 ml PZN 6497131
Ketamine Pfizer PZN 07506004
Lactated Ringer's solution (sterile) Braun L7502
Nissl staining solution Armin Baack BAA31712159
pads (sterile) ReWa Krankenhausbedarf 2003/01
Steel and tungsten electrodes parylene coated FHC Inc., USA UEWLGESEANND
stereotaxic frame Neurostar 51730M ordered at Stoelting
(Stereo Drive-New Motorized Stereotaxic)
tapes (sterile) BSN medical GmbH & Co. KG 626225
TA10ETA-F20 DSI 270-0042-001X Radiofrequency transmitter 3.9 g, 1.9 cc, input voltage range ± 2.5 mV, channel bandwidth (B) 1-200 Hz, nominal sampling rate (f) 1000 Hz (f = 5B) temperature operating range 34-41 °C warranted battery life 4 months
TL11M2-F20EET DSI 270-0124-001X Radiofrequency transmitter 3.9 g, 1.9 cc, input voltage range ± 1.25 mV, channel bandwidth (B) 1-50 Hz, nominal sampling rate (f) 250 Hz (f = 5B) temperature operating range 34-41 °C warranted battery life 1.5 months
Vibroslicer 5000 MZ Electron Microscopy Sciences 5000-005
Xylazine (Rompun) Bayer PZN: 1320422
Matlab Mathworks Inc. programming, computing and visualization software
SPSS IBM statistical analysis software

References

  1. Vanderwolf, C. H. Hippocampal electrical activity and voluntary movement in the rat. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 26, 407-418 (1969).
  2. Kahana, M. J., Seelig, D., Madsen, J. R. Theta returns. Curr Opin Neurobiol. 11, 739-744 (2001).
  3. Varga, V., et al. The presence of pacemaker HCN channels identifies theta rhythmic GABAergic neurons in the medial septum. J Physiol. 586, 3893-3915 (2008).
  4. Takano, Y., Hanada, Y. The driving system for hippocampal theta in the brainstem: an examination by single neuron recording in urethane-anesthetized rats. Neurosci Lett. 455, 65-69 (2009).
  5. Goutagny, R., Manseau, F., Jackson, J., Danik, M., Williams, S. In vitro activation of the medial septum-diagonal band complex generates atropine-sensitive and atropine-resistant hippocampal theta rhythm: an investigation using a complete septohippocampal preparation. Hippocampus. 18, 531-535 (2008).
  6. Manseau, F., Goutagny, R., Danik, M., Williams, S. The hippocamposeptal pathway generates rhythmic firing of GABAergic neurons in the medial septum and diagonal bands: an investigation using a complete septohippocampal preparation in vitro. J Neurosci. 28, 4096-4107 (2008).
  7. Hangya, B., Borhegyi, Z., Szilagyi, N., Freund, T. F., Varga, V. GABAergic neurons of the medial septum lead the hippocampal network during theta activity. J Neurosci. 29, 8094-8102 (2009).
  8. Siwek, M. E., et al. Altered theta oscillations and aberrant cortical excitatory activity in the 5XFAD model of Alzheimer’s disease. Neural Plast. 2015, 781731 (2015).
  9. Buzsaki, G. Theta oscillations in the hippocampus. Neuron. 33, 325-340 (2002).
  10. Buzsaki, G., et al. Hippocampal network patterns of activity in the mouse. 神经科学. 116, 201-211 (2003).
  11. Buzsaki, G., Moser, E. I. Memory navigation and theta rhythm in the hippocampal-entorhinal system. Nat Neurosci. 16, 130-138 (2013).
  12. Shin, J. Theta rhythm heterogeneity in humans. Clin Neurophysiol. 121, 456-457 (2010).
  13. Shin, J., et al. Phospholipase C beta 4 in the medial septum controls cholinergic theta oscillations and anxiety behaviors. J Neurosci. 29, 15375-15385 (2009).
  14. Shin, J., Kim, D., Bianchi, R., Wong, R. K., Shin, H. S. Genetic dissection of theta rhythm heterogeneity in mice. Proc Natl Acad Sci U S A. 102, 18165-18170 (2005).
  15. Brown, D. A., Adams, P. R. Muscarinic suppression of a novel voltage-sensitive K+ current in a vertebrate neurone. Nature. 283, 673-676 (1980).
  16. Senkov, O., Mironov, A., Dityatev, A. A novel versatile hybrid infusion-multielectrode recording (HIME) system for acute drug delivery and multisite acquisition of neuronal activity in freely moving mice. Front Neurosci. 9, 425 (2015).
  17. Lundt, A., et al. EEG Radiotelemetry in Small Laboratory Rodents: A Powerful State-of-the Art Approach in Neuropsychiatric, Neurodegenerative, and Epilepsy Research. Neural Plast. 2016, 8213878 (2016).
  18. Papazoglou, A., et al. Non-restraining EEG radiotelemetry: epidural and deep intracerebral stereotaxic EEG electrode placement. J Vis Exp. (112), (2016).
  19. Csicsvari, J., Hirase, H., Czurko, A., Buzsaki, G. Reliability and state dependence of pyramidal cell-interneuron synapses in the hippocampus: an ensemble approach in the behaving rat. Neuron. 21, 179-189 (1998).
  20. Muller, R., et al. Atropine-sensitive hippocampal theta oscillations are mediated by Cav2.3 R-type Ca2+ channels. 神经科学. 205, 125-139 (2012).
  21. Klausberger, T., et al. Brain-state- and cell-type-specific firing of hippocampal interneurons in vivo. Nature. 421, 844-848 (2003).
  22. Caplan, J. B., Madsen, J. R., Raghavachari, S., Kahana, M. J. Distinct patterns of brain oscillations underlie two basic parameters of human maze learning. J Neurophysiol. 86, 368-380 (2001).
  23. Montgomery, S. M., Buzsaki, G. Gamma oscillations dynamically couple hippocampal CA3 and CA1 regions during memory task performance. Proc Natl Acad Sci U S A. 104, 14495-14500 (2007).
  24. Kronland-Martinet, R., Morlet, J., Grossman, A. Analysis of sound patterns through wavelet transform. Int J Pattern Recognit Artif Intell. 1, 29 (1987).
  25. Buzsaki, G., Wang, X. J. Mechanisms of gamma oscillations. Annu Rev Neurosci. 35, 203-225 (2012).
  26. Goutagny, R., Jackson, J., Williams, S. Self-generated theta oscillations in the hippocampus. Nat Neurosci. 12, 1491-1493 (2009).
  27. Bland, B. H. The physiology and pharmacology of hippocampal formation theta rhythms. Prog Neurobiol. 26, 1-54 (1986).
  28. Leung, L. S. Generation of theta and gamma rhythms in the hippocampus. Neurosci Biobehav Rev. 22, 275-290 (1998).
  29. Shin, J., Talnov, A. A single trial analysis of hippocampal theta frequency during nonsteady wheel running in rats. Brain Res. 897, 217-221 (2001).
  30. Shin, J. A unifying theory on the relationship between spike trains, EEG, and ERP based on the noise shaping/predictive neural coding hypothesis. Biosystems. 67, 245-257 (2002).
  31. Kramis, R., Vanderwolf, C. H., Bland, B. H. Two types of hippocampal rhythmical slow activity in both the rabbit and the rat: relations to behavior and effects of atropine, diethyl ether, urethane, and pentobarbital. Exp Neurol. 49, 58-85 (1975).
  32. Lu, B. L., Shin, J., Ichikawa, M. Massively parallel classification of single-trial EEG signals using a min-max modular neural network. IEEE Trans Biomed Eng. 51, 551-558 (2004).
  33. Robinson, T. E., Kramis, R. C., Vanderwolf, C. H. Two types of cerebral activation during active sleep: relations to behavior. Brain Res. 124, 544-549 (1977).
check_url/cn/55089?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Müller, R., Papazoglou, A., Soos, J., Lundt, A., Wormuth, C., Henseler, C., Ehninger, D., Broich, K., Weiergräber, M. Automatic Detection of Highly Organized Theta Oscillations in the Murine EEG. J. Vis. Exp. (121), e55089, doi:10.3791/55089 (2017).

View Video