Murine ईईजी में उच्च का आयोजन थीटा दोलन की स्वचालित पहचान
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
थीटा गतिविधि septohippocampal प्रणाली में उत्पन्न होता है और गहरी intrahippocampal इलेक्ट्रोड और implantable electroencephalography (ईईजी) radiotelemetry या तार प्रणाली के दृष्टिकोण का उपयोग कर दर्ज की जा सकती है। औषधीय, हिप्पोकैम्पस थीटा विषम है (द्वैतवादी सिद्धांत देखें) और प्रकार मैं और प्रकार द्वितीय थीटा में भेदभाव किया जा सकता है। ये अलग-अलग ईईजी उपप्रकार ऐसी कामोत्तेजना, अन्वेषण, सीखने और स्मृति, उच्च एकीकृत कार्य, आदि ऐसे अल्जाइमर, संरचनात्मक और कार्यात्मक septohippocampal प्रणाली के परिवर्तन के रूप में neurodegenerative रोगों में के रूप में विशिष्ट संज्ञानात्मक व्यवहार और राज्यों से संबंधित हैं बिगड़ा थीटा गतिविधि में परिणाम कर सकते हैं / दोलनों। हिप्पोकैम्पस ईईजी का एक मानक मात्रात्मक विश्लेषण एक तेजी से फूरियर परिवर्तन (FFT) आधारित आवृत्ति विश्लेषण भी शामिल है। हालांकि, इस प्रक्रिया सामान्य और विशेष रूप से संगठित अत्यधिक थीटा दोलनों में थीटा गतिविधि के बारे में जानकारी प्रदान नहीं करता है। आदेश deta प्राप्त करने के लिएहिप्पोकैम्पस में अत्यधिक का आयोजन थीटा दोलनों पर iled जानकारी, हम एक नई विश्लेषणात्मक दृष्टिकोण विकसित किया है। यह दृष्टिकोण अत्यधिक का आयोजन थीटा दोलनों और उनकी आवृत्ति विशेषताओं की अवधि के समय और लागत प्रभावी मात्रा का ठहराव के लिए अनुमति देता है।
Introduction
मस्तिष्क में थीटा गतिविधि, 2 कामोत्तेजना, ध्यान, स्वैच्छिक आंदोलन, खोजपूर्ण व्यवहार, ध्यान व्यवहार, सीखने और स्मृति, somatosensory एकीकरण, और तेजी से आँख आंदोलन (रेम) सहित विभिन्न संज्ञानात्मक और कार्यात्मक राज्यों से संबंधित है 1 सो जाओ। मुख्यतः, एक इकाई के रूप में लयबद्ध थीटा गतिविधि विभिन्न मस्तिष्क क्षेत्रों में उत्पन्न किया जा सकता है और बहुत ही संगठित और थीटा दोलनों के रूप में सिंक्रनाइज़ है। नीचे, हम विश्लेषण और थीटा गतिविधि / दोलनों कि septohippocampal प्रणाली 3, 4 के भीतर उत्पन्न कर रहे हैं की मात्रा का ठहराव पर ध्यान दिया जाएगा। पट भीतर, हिप्पोकैम्पस के लिए GABAergic, ग्लूटामेटरगिक, और कोलीनर्जिक न्यूरॉन्स परियोजना और दीक्षा और थीटा oscillatory व्यवहार के रखरखाव के लिए योगदान करते हैं। वहाँ हिप्पोकैम्पस थीटा दोलनों, पट में शुरू कर रहे हैं कि क्या IE पर चल रहे एक चर्चा है, </em> सेप्टल पेसमेकर-हिप्पोकैम्पस अनुयायी मॉडल, (extrahippocampal सिद्धांत) या आंतरिक रूप से हिप्पोकैम्पस के भीतर (intrahippocampal सिद्धांत) 5, 6, 7।
अपने मूल के बावजूद, हिप्पोकैम्पस थीटा दोलनों साल के लिए ब्याज का ध्यान केंद्रित किया गया है, विशेष रूप से ट्रांसजेनिक माउस मॉडल में। इन मॉडलों को गहरी ईईजी इलेक्ट्रोड का आरोपण के लिए और विशिष्ट संज्ञानात्मक व्यवहार और कार्यों 8 के तहत हिप्पोकैम्पस थीटा दोलनों की रिकॉर्डिंग के लिए अनुमति देते हैं। हिप्पोकैम्पस थीटा दोलनों प्रकृति में heterogenous हैं। थीटा दोलनों के तथाकथित द्वैतवादी सिद्धांत पर आधारित है, एक atropine के प्रति संवेदनशील प्रकार द्वितीय थीटा और atropine-असंवेदनशील प्रकार मैं थीटा 9, 10, 11 के बीच अंतर कर सकते हैं। उत्तरार्द्ध आम तौर पर मस्करीनिक एम द्वारा प्रेरित किया जा सकता है 1 / एम <sयूबी> 3 रिसेप्टर एगोनिस्ट, जैसे, arecoline, pilocarpine, और urethane। हालांकि, urethane एक बहु लक्ष्य दवा है कि, मस्करीनिक सक्रियण इसके अलावा, यह भी अन्य आयन चैनल संस्थाओं पर जटिल प्रभाव डाल रही है। के लिए प्रकार द्वितीय थीटा, मस्करीनिक मार्ग एम 1 के सक्रियण / एम 3 और बाद में एक जी क्यू / 11 (Gα) 1/4 β phospholipase सी की मध्यस्थता सक्रियण (PLCβ 1/4), inositol trisphosphate (INSP 3) शामिल हैं , diacylglycerole (डेग), सीए 2, और प्रोटीन काइनेज सी (पीकेसी)। Thetagenesis में PLCβ 1 और 4 PLCβ की भूमिका का उपयोग कर नाकआउट अध्ययन में मान्य किया गया है PLCβ1 – / – और PLCβ4 – / – एक पूरा नुकसान या थीटा दोलन 12, 13, 14 के महत्वपूर्ण क्षीणन प्रदर्शन चूहों। अतिरिक्त एम 1, एम 3, और एम 5 बहाव के लक्ष्य (चा; nnels / धाराओं) मस्करीनिक संकेत झरना के ऐसे एम-प्रकार कश्मीर + चैनल (कश्मीर एम) वोल्टेज पर निर्भर कश्मीर + चैनल (कश्मीर वी 7) के माध्यम के रूप में विभिन्न conductances शामिल hyperpolarization कश्मीर + चैनल (एस AHP) के बाद धीमी गति से; कश्मीर + चैनल (कश्मीर रिसाव) रिसाव, शायद के माध्यम से TWIK संबंधी एसिड के प्रति संवेदनशील कश्मीर + चैनल (TASK1 / 3); केशन वर्तमान (मैं कैट), शायद ना + रिसाव चैनल के माध्यम से (NALCN); और hyperpolarization और चक्रीय न्यूक्लियोटाइड गेटेड चैनल (HCN) के माध्यम से मैं ज। इसके अलावा, एम 2 / एम 4 acetylcholine रिसेप्टर्स (AChRs) आवक सही करनेवाला के साथ हस्तक्षेप कश्मीर + चैनल 3.1 (3.1 आईआर कश्मीर) और शुद्ध आवक कश्मीर + चैनल 3.2 15 (आईआर 3.2 कश्मीर) को सूचित किया गया।
वर्तमान में, वाणिज्यिक रूप से उपलब्ध विश्लेषणात्मक सॉफ्टवेयर (पी, एम वी 2) तेजी से FFT आधारित आवृत्ति विश्लेषण, जैसे, सत्ता के विश्लेषण के लिए अनुमति देता हैया सत्ता स्पेक्ट्रम घनत्व (psd, एम वी 2 / हर्ट्ज)। पावर या बिजली स्पेक्ट्रम घनत्व (PSD) थीटा आवृत्ति रेंज के विश्लेषण केवल अपनी गतिविधि का एक वैश्विक सिंहावलोकन देता है। हालांकि, क्रम में संज्ञानात्मक और व्यवहार संबंधी थीटा गतिविधि में एक विस्तृत जानकारी प्राप्त करने के लिए, अत्यधिक का आयोजन थीटा दोलनों के विश्लेषण अनिवार्य है। अत्यधिक का आयोजन थीटा दोलनों के आकलन neurodegenerative और neuropsychiatric रोगों के क्षेत्र में केंद्रीय महत्व का है। सबसे प्रयोगात्मक रोग के अध्ययन अत्यधिक परिष्कृत तरीकों का उपयोग न्यूरोसर्जिकल एपीड्यूरल सतह और गहरी इन्ट्रासेरेब्रल EEGs रिकॉर्ड करने के लिए ट्रांसजेनिक माउस मॉडल में किया जाता है। इन तकनीकों में दोनों तार प्रणालियों 16 और radiotelemetric setups 17, 18 में शामिल हैं। थीटा दोलनों लंबे समय तक रिकॉर्डिंग की शर्तों के तहत सहज और व्यवहार संबंधी थीटा दोलनों के रूप में दर्ज किया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, थीटा दोलनों सिफारिश हो सकता हैऔषधीय प्रेरण निम्नलिखित लेकिन यह भी व्यवहार या संज्ञानात्मक कार्यों को करने के लिए या इस तरह की पूंछ बन्द रखो के रूप में संवेदी उत्तेजनाओं, करने के लिए जानवरों के प्रदर्शन के बाद rded।
प्रारंभिक चिह्नित करने के लिए थीटा दोलनों Csicsvari एट अल द्वारा वर्णित किया गया दृष्टिकोण। 19। (- 50 मिनट 15) है कि लंबे समय ईईजी रिकॉर्डिंग के लिए उपयुक्त नहीं है लेखकों अल्पकालिक थीटा विश्लेषण के लिए एक अर्ध-स्वचालित उपकरण बनाया गया है। हमारे विधि, यहाँ वर्णित है, लंबी अवधि के ईईजी रिकॉर्डिंग> 48 h 20 के विश्लेषण के लिए अनुमति देता है। Csicsvari एट अल। 10 भी थीटा-डेल्टा अनुपात करने के लिए भेजा है, लेकिन अत्यधिक का आयोजन थीटा दोलनों के निर्धारण के लिए कोई सीमा प्रदान की जाती है। डेल्टा और थीटा रेंज परिभाषाएँ हमारे आवृत्ति रेंज परिभाषाएँ मेल खाते हैं। के रूप में यह स्पष्ट रूप से उल्लेख नहीं किया है, हम अनुमान है कि एक FFT आधारित पद्धति Csicsvari एट अल द्वारा किया जाता है। थीटा-डेल्टा आवृत्ति बैंड की बिजली की गणना करने के लिए। इसफिर से स्पष्ट रूप से, हमारे विधि से अलग है क्योंकि हम आवृत्ति तराजू की एक बड़ी संख्या (आवृत्ति कदम Δ (च) = 0.05 हर्ट्ज) पर तरंगिका आधारित आयाम की गणना, बहुत उच्च परिशुद्धता में जिसके परिणामस्वरूप। व्यक्तिगत विश्लेषण किया ईईजी युग की अवधि हमारी परिभाषा के समान है।
Klausberger एट अल। 21 भी लंबे समय तक ईईजी रिकॉर्डिंग के विश्लेषण के लिए थीटा-डेल्टा अनुपातों का इस्तेमाल करते हैं। हालांकि, वहाँ तीन प्रमुख मतभेद हमारे दृष्टिकोण की तुलना में कर रहे हैं: i) ईईजी युग की अवधि, बहुत लंबे समय तक है यानी, कम से कम 6 S; ii) थीटा-डेल्टा अनुपात 4 के लिए सेट कर दिया जाता है, जो हमारी सीमा से काफी ज्यादा है, और अलग आवृत्ति रेंज परिभाषाएँ से संबंधित है; और iii) बिजली की परिभाषा (एक FFT दृष्टिकोण है, जो उच्च परिशुद्धता का अभाव है, विशेष रूप से बहुत ही कम समय के लिए खिड़कियों के आधार पर किए जाने की संभावना है 2 एस, यानी, 2.5 हर्ट्ज की एक आवृत्ति) के साथ दोलनों के लिए 5 चक्रों। ऐसे मामलों में, एक तरंगिका आधारित प्रक्रिया को और अधिक recommendable है।कैपलन एट अल द्वारा एक अध्ययन में। 22 पूरी तरह थीटा बिजली की गणना करते हुए थीटा-डेल्टा शक्ति अनुपात की अनदेखी। इस प्रकार, कैपलन दृष्टिकोण 22 संज्ञानात्मक थीटा अमीर प्रक्रियाओं एक उच्च या कम डेल्टा के साथ के बीच अंतर नहीं कर सकते हैं।
निम्नलिखित प्रोटोकॉल में, हम हमारे विश्लेषणात्मक तरंगिका आधारित दृष्टिकोण प्रस्तुत मज़बूती से चूहों से हिप्पोकैम्पस ईईजी रिकॉर्डिंग में अत्यधिक का आयोजन थीटा दोलनों का विश्लेषण करने के लिए होगा। चूंकि इस प्रक्रिया को स्वचालित रूप से काम करता है, यह बड़े डेटा सेट और लंबी अवधि ईईजी माप के लिए लागू किया जा सकता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
थीटा गतिविधि प्रणालीगत neurophysiology में केंद्रीय प्रासंगिक है। यह मस्तिष्क के विभिन्न क्षेत्रों में मनाया जा सकता है, विशेष रूप से हिप्पोकैम्पस, जहां यह विशिष्ट व्यवहार और संज्ञानात्मक राज्यों से संबंधित …
Divulgaciones
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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