Summary

マウス脳波で高度に組織化されたシータ振動の自動検出

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

シータ活動が中隔海馬のシステムで生成され、深い海馬内の電極及び植込み型脳波(EEG)radiotelemetryまたはテザーシステムアプローチを使用して記録することができます。薬理学的に、海馬シータは不均一である(二元的な理論を参照)、I型およびII型シータに分化させることができます。これらの個々の脳波のサブタイプは、アルツハイマー病などの神経変性疾患において等覚醒、探査、学習や記憶、高い統合的な機能、特定の認知および行動状態に関連している、中隔海馬システムの構造的および機能的変化が損なわシータ活性をもたらすことができます/振動。海馬EEGの標準定量分析は、高速フーリエ変換(FFT)ベースの周波数分析を含んでいます。しかし、この手順は、一般、特に高度に組織化さシータ振動でシータ活動に関する詳細を提供していません。 DETAを得るために海馬で高度に組織化さシータ振動に関する情報をILED、我々は新しい分析手法を開発しました。このアプローチは、高度に組織化さシータ振動とその周波数特性の持続期間の時間と費用対効果の定量化を可能にします。

Introduction

脳内のシータ活動は覚醒、注意、随意運動、探索行動、注目の行動、学習および記憶、体性感覚の統合、および急速眼球運動(REM)1を寝て、2を含む様々な認知および機能状態、に関連しています。主に、リズミカルなエンティティとしてシータ活動は、様々な脳の領域で生成することができ、高度に組織化とシータ振動として同期されます。以下では、シータ活動/中隔海馬システム3、4内で生成される振動の解析と定量化に焦点を当てます。セプタム内では、GABA作動性、グルタミン酸、およびコリン作動性ニューロンのプロジェクト海馬へとシータ振動挙動の開始および維持に貢献しています。海馬シータ振動はすなわち 、中隔に開始されたかどうかについて継続的な議論があり </em>海馬内の中隔ペースメーカー海馬フォロワーモデル、(extrahippocampal理論)または本質(海馬内理論)5、6、7。

かかわらず、その起源の、海馬シータ振動は、特にトランスジェニックマウスモデルでは、年間の関心の焦点になっています。これらのモデルは、深いEEG電極の移植のために、特定の認知および行動のタスク8下の海馬シータ振動の記録を可能にします。海馬シータ振動は、本質的に不均一です。シータ振動のいわゆる二元的な理論に基づいて、一方がアトロピン感応型間IIシータおよびアトロピン非感受性型Iシータ9、10、11区別することができます。後者は、典型的には、1 / MムスカリンMにより誘導することができます<sUB> 3受容体アゴニスト、 例えば、アレコリン、ピロカルピン、およびウレタン。しかし、ウレタンムスカリン活性化に加えて、他のイオンチャネルエンティティの複雑な効果を発揮する、多標的薬物です。 II型シータについては、ムスカリン性経路は、M 1の活性化/ M 3およびその後のG q/ 11(Gα)1/4βホスホリパーゼCの媒介活性化(PLCβ1/4)、イノシトール三リン酸(INSP 3)が含ま 、diacylglycerole(DAG) Ca 2+、およびプロテインキナーゼC(PKC)。 – / –およびPLCβ4 – / –シータ振動12、13、14の完全な喪失または重大な減衰を示すマウスthetagenesisでPLCβ1およびPLCβ4の役割は、ノックアウトPLCβ1を用いた研究で確認されています。追加のM 1、M 3、およびM 5下流の標的(CHA;ムスカリン性シグナル伝達カスケードのnnels /電流)は、電位依存性K +チャネル(K V 7)を介してM型K +チャネル(K M)などの様々なコンダクタンスを含みます過分極K +チャネル(KS AHP)の後に遅いです。おそらくTWIK関連の酸感受性K +チャネルを介してリークK +チャネル(K 漏れ )、(TASK1 / 3);おそらくのNa +漏洩チャネルを介してカチオン電流(I CAT)、(NALCN)。過分極および環状ヌクレオチド依存性チャネル(HCN)を介して、私の時間 。また、M 2 / M 4アセチルコリン受容体(AChRs)は内向き整流K + 3.1(3.1 IR K)をチャネルと内向き整流K + 3.2(KIR 3.2)15チャネルを妨害することが報告されました。

現在、市販の解析ソフトウェアは、(P、mVの2)高速FFTによる周波数解析、 例えば、電力の分析を可能にしますまたはパワースペクトル密度(PSD、mVの2 /ヘルツ)。電力またはシータ周波数範囲のパワースペクトル密度(PSD)分析は、その活性の全体概要を示します。しかし、認知と行動に関連したシータ活動への詳細な洞察を得るために、高度に組織化さシータ振動の解析が必須です。高度に組織化さシータ振動の評価は、神経変性および神経精神疾患の分野で非常に重要です。ほとんどの実験的疾患研究は硬膜外表面及び深部脳脳波を記録するために、高度に洗練された神経外科的アプローチを使用して、トランスジェニックマウスモデルにおいて行われます。これらの技術は、テザーシステム16とradiotelemetricセットアップ17、18の両方が含まれます。シータ振動長期記録条件の下で自発的及び行動関連シータ振動として記録することができます。また、シータ振動がRECOすることができます薬理学的誘導後だけでなく、行動や認知タスクへの、またはそのような尾がピンチなどの感覚刺激に対する動物の曝露後のrded。

早期シータ振動がCsicsvari によって記載された特徴づけるために近づきます 19。長時間EEG記録には適していません – (50分15)著者らは、短期シータ分析のための半自動化ツールを開発しました。ここで説明する私たちの方法は、> 48時間20長期脳波記録の分析を可能にします。 Csicsvari ら。 10はまたシータ-デルタ比と呼ばれるが、高度に組織化さシータ振動の決意にはしきい値が提供されていません。デルタとシータ範囲の定義は、私たちの周波数範囲の定義と一致しています。それが明示的に言及されていないように、我々は、FFTベースの方法はCsicsvari によって使用されていること前提としています。シータ・デルタ周波数帯域の電力を計算します。この我々ははるかに高い精度が得られ、周波数スケールの大きな数(周波数はΔ(F)= 0.05 Hzのステップ)にウェーブレットベースの振幅を計算するので、再び明らかに、我々の方法は異なります。個別に分析したEEGエポックの持続時間は、私たちの定義と同様です。

Klausberger ら。 図21は 、長期のEEG記録の分析のためのシータ-デルタ比を利用します。しかし、我々のアプローチに比べて3主要な違いがあります:ⅰ)EEGエポック時間、 すなわち、少なくとも6秒、はるかに長いですが、 II)、シータ、デルタ比は、我々のしきい値よりもはるかに高く、異なる周波数範囲の定義に関連している、4に設定されています。およびiii)電力の定義は、特に、非常に短い時間枠(2秒、 すなわち、2.5ヘルツの周波数で振動するための5サイクル)のために、高精度に欠けるFFT方式に基づいてされる可能性があります。このような場合には、ウェーブレットに基づく手順がより推奨されます。キャプランの研究シータ-デルタ電力比を無視し22は、単独シータ電力を計算しました。このように、カプラン・アプローチ22は、高いか低いデルタを伴う認知シータ豊富なプロセスを区別することはできません。

以下のプロトコルでは、我々は確実にマウスから海馬EEG記録で高度に組織化さシータ振動を解析するために、当社の分析ウェーブレットベースのアプローチを提示します。この手順は自動的に動作するので、それは大きなデータセットおよび長期EEG測定に適用することができます。

Protocol

すべての動物実験は、ローカルおよび機関動物ケア協議会(ボン大学、BfArM、LANUV、ドイツ)のガイドラインに従って行いました。また、すべての動物実験は、優れた法律、 例えば、1986年11月24日(609分の86 / EEC)の欧州共同体理事会指令、または個々の地域または国の法律に準じて行きました。具体的な努力を使用する動物の数、ならびにそれらの苦痛を最小限にするためになされま?…

Representative Results

シータ活性は、中枢神経系(CNS)領域の広い範囲で記録することができます。ここでは、マウスの海馬からシータ振動の分析を提示します。このような振動は異なる行動と認知の状態の間に発生する可能性があります。非常に両方の自発的、長期的、タスク関連の短期的、および薬理学的に誘導される条件下でシータ振動を解析することをお勧めします。 …

Discussion

シータ活動は、全身の神経生理学において中心的な関連性があります。これは、特にそれが特定の行動および認知の状態に関連する海馬において、種々の脳領域で観察することができます。加えて、海馬のシータは、薬理学的にアトロピン感受性型IIおよびアトロピン非感受性型Iシータに分化させることができます。タイプIIは、アラート不動状態<sup class="x…

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

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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).

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