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-Aktivität wird im septohippocampalen System erzeugt und kann mit tiefen intrahippocampal Elektroden und implantierbare Elektroenzephalographie (EEG) oder Radiotelemetrie Haltegurtsystem Ansätze werden aufgezeichnet. Pharmakologisch, Hippokampus-Theta ist heterogen (siehe dualistische Theorie) und kann in Typ I und Typ II Theta unterschieden werden. Diese einzelnen EEG-Subtypen sind im Zusammenhang mit spezifischen kognitiven und Verhaltenszustände, wie Erregung, Exploration, Lernen und Gedächtnis, höhere integrative Funktionen usw. bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer, strukturelle und funktionelle Veränderungen des septohippocampalen System kann zu einer Beeinträchtigung der Theta-Aktivität führen / Schwingungen. Eine Standard quantitative Analyse des hippocampal EEG umfasst eine Fast-Fourier-Transformation (FFT) basierenden Frequenzanalyse. Allerdings ist dieses Verfahren keine Details liefern über Theta-Aktivität im Allgemeinen und hochorganisierten Theta-Oszillationen im Besonderen. Um Deta zu erhalteniled Informationen über hochorganisierten theta Schwingungen im Hippocampus, haben wir einen neuen analytischen Ansatzes entwickelt. Dieser Ansatz ermöglicht eine zeit- und kosteneffektive Quantifizierung der Dauer der hochorganisierten theta Schwingungen und deren Frequenzcharakteristik.
Theta – Aktivität im Gehirn zu unterschiedlichen kognitiven und funktionalen Zustände im Zusammenhang, einschließlich Erregung, Aufmerksamkeit, willkürliche Bewegung, Erkundungsverhalten, Aufmerksamkeit Verhalten, Lernen und Gedächtnis, somatosensorischen Integration und schnelle Augenbewegungen (REM) Schlaf 1, 2. Grundsätzlich kann Theta-Aktivität als eine rhythmische Einheit in verschiedenen Hirnregionen erzeugt werden und ist sehr gut organisiert und synchronisiert als Theta-Oszillationen. Im Folgenden werden wir uns auf die Analyse und Quantifizierung von Theta – Aktivität / Schwingungen konzentrieren , die 3, innerhalb des septohippocampalen System erzeugt werden 4. Innerhalb des Septum, GABAergic, glutamatergen und cholinergen Neuronen Projekt zum Hippocampus und tragen zur Initiierung und Aufrechterhaltung von Theta Schwingungsverhalten. Es gibt eine anhaltende Diskussion darüber , ob Hippokampus – Theta – Oszillationen im Septum initiiert werden, das heißt, </em> Der septalen Schrittmacher-Hippokampus – Folger – Modell, (extrahippocampal Theorie) oder intrinsisch innerhalb des Hippocampus (intrahippocampal Theorie) 5, 6, 7.
Unabhängig von ihrer Herkunft, der Hippocampus-Theta-Oszillationen sind seit Jahren im Fokus des Interesses gewesen, vor allem in transgenen Mausmodellen. Diese Modelle erlauben für die Implantation von tiefen EEG – Elektroden und für die Aufzeichnung von Hippocampus – Theta – Oszillationen unter spezifischen kognitiven und Verhaltens Aufgaben 8. Hippokampus-Theta-Oszillationen sind heterogen in der Natur. Auf der Grundlage der so genannten dualistische Theorie der Theta – Oszillationen kann man zwischen Atropin empfindlichen Typ – II – Theta und Atropin unempfindliche Typ – I – Theta 9, 10, 11 unterscheiden. Letzteres kann typischerweise durch muskarinische M 1 / M induziert werden <sub> 3 -Rezeptor – Agonisten, zB Arecolin Pilocarpin und Urethan. Jedoch Urethan ist ein Multi-Target-Medikament, das neben Muscarin-Aktivierung, auch komplexe Effekte auf andere Ionenkanal-Einheiten ausübt. Für Typ II theta enthält der Muscarin – Weg die Aktivierung von M 1 / M 3 und eine nachfolgende G q / 11 (G & alpha;) -vermittelte Aktivierung von Phospholipase C β 1/4 (PLCß 1/4), Inositoltriphosphat (InsP 3) , diacylglycerole (DAG), Ca 2+ und Proteinkinase C (PKC). Die Rolle der PLCß 1 und PLCß 4 in thetagenesis hat in Knock-out – Studien validiert wurde mit PLCβ1 – / – und PLCβ4 – / – Mäuse einen vollständigen Verlust oder signifikante Abschwächung der Theta 12 Schwingung aufweisen, 13, 14. Zusätzliche M 1, M 3 und M 5 nachgeschalteten Targets (channels / Ströme) der muskarinischen Signalisierungskaskade gehören verschiedene Leitfähigkeiten, wie beispielsweise M-Typ – K + -Kanals (K M) über spannungsabhängigen K + -Kanals (K v 7); langsam nach Hyperpolarisation K + Kanal (Ks AHP); Leck K + Kanal (K Leck), wahrscheinlich über TWIK bezogene säureempfindliche K + Kanal (TASK1 / 3); Kationenstrom (I CAT), wahrscheinlich über Na + Leckkanal (NALCN); und I h über Hyperpolarisation und zyklische Nukleotid – gesteuerten Kanäle (HCN). Zusätzlich M 2 / M 4 Acetylcholin – Rezeptoren (AChRs) wurden berichtet mit Einwärtsgleichrichter K + -Kanal – 3,1 (K ir 3.1) und Einwärtsgleichrichter K + -Kanal 3.2 (K ir 3.2) 15 zu interferieren.
Derzeit im Handel erhältliche Analysesoftware ermöglicht schnelle FFT-basierte Frequenzanalyse, beispielsweise Analyse der Leistung (P, mV 2)oder Leistungsspektrumsdichte (PSD, mV 2 / Hz). Leistung oder Leistungsspektrumsdichte (PSD) Analyse des Bereichs Theta-Frequenz gibt nur einen globalen Überblick über seine Tätigkeit. Um jedoch einen detaillierten Einblick in die kognitive und verhaltensbezogene Theta-Aktivität zu erhalten, die Analyse von hochorganisierten Theta-Oszillationen ist obligatorisch. Die Beurteilung der hochorganisierten Theta Schwingungen ist von zentraler Bedeutung im Bereich der neurodegenerativen und neuropsychiatrischen Erkrankungen. Die meisten experimentellen Krankheit Studien in transgenen Mausmodellen durchgeführt hochentwickelte neuro Ansätze zu epidurale Oberfläche und tiefe intrazerebrale EEGs aufzuzeichnen. Diese Techniken umfassen sowohl Haltegurt Systeme 16 und radiotelemetric Setups 17, 18. Theta Schwingungen können so spontan und verhaltensbezogenen Theta Schwingungen unter Langzeitaufnahmebedingungen aufgezeichnet werden. Theta-Oszillationen Zusätzlich werden Recorded folgende pharmakologische Induktion, sondern auch nach der Exposition von Tieren zu Verhaltens- oder kognitive Aufgaben oder auf sensorische Reize, wie Schwanz einklemmen.
Frühe Ansätze Theta – Oszillationen wurden beschrieben von Csicsvari et al zu charakterisieren. 19. Die Autoren entwickelt, um eine halbautomatische Werkzeug für kurzfristige Theta-Analyse (15-50 min), die nicht geeignet für Langzeit-EEG-Aufzeichnungen ist. Unsere Methode, hier beschriebene, ermöglicht die Analyse der Langzeit EEG – Aufzeichnung> 48 h 20. Csicsvari et al. 10 auch an der theta-delta – Verhältnis bezeichnet, aber keine Schwelle für die Bestimmung von hochorganisierten theta Schwingungen vorgesehen. Die Delta und Theta-Bereich Definitionen unserer Frequenzbereich Definitionen entsprechen. Da es nicht ausdrücklich erwähnt wird, gehen wir davon aus, dass eine FFT-basierte Methode von Csicsvari et al verwendet wird. die Kraft der Theta-Delta-Frequenzbänder zu berechnen. Dieswieder unterscheidet sich deutlich von unserem Verfahren kann, da wir Wavelet-basierte Amplituden auf einer großen Anzahl von Frequenzskalen (Δ Frequenzschritte (f) = 0,05 Hz), was zu einer viel höheren Genauigkeit zu berechnen. Die Dauer der individuell analysiert EEG Epoche unserer Definition ähnlich.
Klausberger et al. 21 auch die Verwendung von theta-delta – Verhältnisse für die Analyse von Langzeit – EEG – Aufzeichnungen zu machen. Allerdings gibt es drei große Unterschiede im Vergleich zu unserem Ansatz: i) die EEG – Epoche Dauer ist viel länger, dh mindestens 6 s; ii) die theta-delta-Verhältnis auf 4 eingestellt ist, der viel höher als unsere Schwelle ist, und auf verschiedenen Frequenzbereichsdefinitionen bezieht; und iii) die Leistungsdefinition ist wahrscheinlich auf einer FFT Ansatz basieren, die hohe Präzision fehlt, insbesondere für sehr kurze Zeitfenster (2 s, dh 5 Zyklen für Schwingungen mit einer Frequenz von 2,5 Hz). In solchen Fällen wird eine Wavelet-basierte Verfahren ist empfehlenswert.Eine Studie von Caplan et al. 22 Theta – Leistung allein berechnet , während die Theta-Delta – Leistungsverhältnis zu ignorieren. So nähern sich die Caplan 22 nicht zwischen kognitiven Theta reichen Prozessen begleitet von einem hohen oder niedrigen Delta unterscheiden kann.
Im folgenden Protokoll werden wir unsere analytischen Wavelet-basierten Ansatz präsentieren hochorganisierten Theta-Oszillationen im Hippocampus-EEG-Aufzeichnungen von Mäusen, um zuverlässig zu analysieren. Da dieses Verfahren automatisch arbeitet, kann es zu großen Datenmengen und Langzeit EEG-Messungen angewendet werden.
Theta-Aktivität ist von zentraler Bedeutung bei der systemischen Neurophysiologie. Es kann in verschiedenen Gehirnregionen, insbesondere im Hippocampus beobachtet werden, wo es an spezifische Verhaltens- und kognitive Zustände in Zusammenhang steht. Zusätzlich kann hippocampal theta pharmakologisch in Atropin empfindlichen Typ II und theta Atropin-insensitive Typ I differenziert werden. Typ I wird gedacht , um die Fortbewegung verbunden zu sein, wie Gehen oder Laufen 27, <sup class=…
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.
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 |