Automatisk registrering av svært organisert Theta Svingninger i Murine EEG

Theta aktivitet i hjernen er knyttet til ulike kognitive og funksjonelle stater, inkludert opphisselse, oppmerksomhet, viljestyrte bevegelser, utforskende adferd, oppmerksomhet atferd, læring og hukommelse, somatosensoriske integrasjon, og raske øyebevegelser (REM) søvn ^{1, 2.} Prinsipielt kan theta aktivitet som en rytmisk enhet genereres på ulike hjerneregioner og er godt organisert og synkronisert som theta svingninger. Nedenfor vil vi fokusere på analyse og kvantifisering av theta aktivitet / svingninger som genereres innenfor septohippocampal system ^{3, 4.} Innenfor septum, GABAergic, glutamaterge og kolinerge neuroner prosjekt til hippocampus og bidra til initiering og opprettholdelse av theta oscillerende oppførsel. Det er en pågående diskusjon om hvorvidt hippocampus theta svingninger er initiert i septum, dvs. </em> Septal pacemaker-hippocampus følger modellen (extrahippocampal teori) eller egen i hippocampus (intrahippocampal teorien) ^{5, 6, 7.}

Uavhengig av deres opprinnelse, har hippocampus theta svingninger vært i fokus for interessen i mange år, særlig i transgene musemodeller. Disse modellene gir mulighet for implantering av dype EEG elektroder og for opptak av hippocampus theta svingninger i henhold til spesifikke kognitive og atferdsmessige oppgaver ^8. Hippocampus theta svingninger er heterogene av natur. Basert på den såkalte dualistiske teori om theta svingninger, kan en skille mellom atropin-følsom type II-theta og atropin-insensitive type I theta ^{9, 10, 11.} Sistnevnte kan typisk være forårsaket av muskarin M ₁ / M <sUB> 3-reseptor-agonister, for eksempel, arecolin, pilokarpin, og uretan. Imidlertid er uretan en multi-target stoff som, i tillegg til muskarin-aktivering, utøver også komplekse effekter på andre ionekanal enheter. For type II-theta, omfatter den muskariniske pathway aktivering av _en M / M ₃ og en etterfølgende _{Gq / 11} (Gα) -mediert aktivering av fosfolipase C β _1/4 (PLCβ _1/4), inositol trisphosphate (INSP ₃₎ , diacylglycerole (DAG), Ca2 ^+, og proteinkinase C (PKC). Rollen PLCβ _en og PLCβ ₄ i thetagenesis er validert i knock-out studier med PLCβ1 ^{– / –} og PLCβ4 ^{– / –} mus som utviser en fullstendig tap eller betydelig svekkelse av theta pendling ^{12, 13, 14.} Tilleggs M _1, M ₃ og M ₅ nedstrøms mål (channels / strøm) av den muskariniske signaleringskaskade inkluderer forskjellige conductances, slik som M-type K ⁺ kanal (K _M) via spenningsavhengige K ⁺ kanal (K _v 7); treg etter hyperpolarization K ⁺ kanal (Ks _AHP); lekke K ⁺ kanal (K _lekkasje), sannsynligvis via Twik relaterte syre-sensitive K ⁺ kanal (TASK1 / 3); kasjon strøm (I _CAT), sannsynligvis via Na ⁺ lekkasje kanal (NALCN); og jeg _h via hyperpolarization og sykliske nukleotid gated kanaler (HCN). I tillegg ble ₂ M / M ₄ acetylkolinreseptorer (AChRs) rapporteres å interferere med innoverlikeretter K ⁺ kanal 3.1 (K _ir 3,1) og innoverlikeretter K ⁺ kanal 3.2 (K _ir 3.2) ^15.

For tiden, gjør det mulig kommersielt tilgjengelig analyseprogrammer for rask FFT-baserte frekvensanalyse, for eksempel, analyse av kraft (P, mV ²⁾eller effektspektrum tetthet (PSD, mV ² / Hz). Strøm eller makt spektrum tetthet (PSD) analyse av theta frekvensområdet bare gir en global oversikt over sin virksomhet. Men for å få en detaljert innblikk i kognitive og atferdsmessige theta-aktivitet, er obligatorisk analysen av høyt-organiserte theta svingninger. Vurderingen av velorganiserte theta svingninger er av sentral betydning innen nevrodegenerative og nevropsykiatriske sykdommer. De fleste eksperimentelle sykdoms studier er utført i transgene musemodeller ved hjelp av svært avansert nevrokirurgiske metoder for å registrere epidural overflate og dype intracerebrale EEG. Disse teknikkene inkluderer både tjore systemer ¹⁶ og radiotelemetric oppsett ^{17 18.} Theta svingninger kan bli registrert som spontane og adferdsrelaterte theta svingninger under langsiktig opptaksforhold. I tillegg kan theta svingninger være recorded følgende farmakologiske induksjon, men også som følge av eksponering av dyr til atferds eller kognitive oppgaver eller til sensoriske stimuli, som for eksempel hale knipe.

Tidlig tilnærminger for å karakter theta svingninger ble beskrevet av Csicsvari et al. ^19. Forfatterne utviklet en semi-automatisert verktøy for kortsiktig theta analyse (15-50 min) som ikke er egnet for lang tid EEG opptak. Vår metode, som er beskrevet her, gjør det mulig for analyse av langsiktig EEG opptak> 48 t ^20. Csicsvari et al. ¹⁰ også referert til theta-delta-forhold, men ingen terskel for bestemmelse av velorganiserte theta svingninger er gitt. Deltaet og theta range definisjoner matche våre frekvensområde definisjoner. Ettersom det ikke er uttrykkelig nevnt, forutsettes det at en FFT-baserte metoden brukes ved Csicsvari et al. å beregne kraften av theta-delta-frekvensbånd. Detteigjen klart skiller seg fra vår fremgangsmåte, siden vi beregne wavelet-baserte amplituder på et stort antall frekvens skalaer (frekvens trinn Δ (f) = 0,05 Hz), noe som resulterer i mye høyere presisjon. Varigheten av individuelt analysert EEG epoken er lik vår definisjon.

Klausberger et al. ²¹ også gjøre bruk av theta-deltaet forholdstall for analyse av langsiktige EEG opptak. Men det er tre viktige forskjeller i forhold til vår tilnærming: i) EEG epoken varigheten er mye lengre, dvs. minst 6 s; ii) den theta-delta-forholdet er satt til 4, som er mye høyere enn vår terskel, og er relatert til forskjellige frekvensområde definisjoner; og iii) den kraft definisjonen er sannsynlig å være basert på en FFT tilnærming, som mangler høy presisjon, særlig for meget korte tidsvinduer (2 s, det vil si, 5 sykluser for svingninger med en frekvens på 2,5 Hz). I slike tilfeller er en wavelet-baserte prosedyre mer tilrådelig.En studie av Caplan et al. ²² utelukkende beregnet theta makt og overser de theta-deltaet effektforhold. Dermed Caplan nærmer ²² kan ikke skille mellom kognitive theta rike prosesser ledsaget av en høy eller lav delta.

I det følgende protokollen, vil vi presentere vår analyse wavelet-baserte tilnærming til pålitelig analysere velorganiserte theta svingninger i hippocampus EEG opptak fra mus. Siden denne fremgangsmåten fungerer automatisk, kan det brukes til store datasett og langsiktige EEG-målinger.