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.
Thetaaktivitet genereras i septohippocampal systemet och kan spelas in med hjälp av djup intrahippocampal elektroder och implanterbara elektroencefalografi (EEG) Radiotelemetry eller tjuder systemstrategier. Farmakologiskt, är hippocampal theta heterogen (se dualistisk teori) och kan differentieras till typ I och typ II teta. Dessa individuella EEG subtyper är relaterade till specifika kognitiva och beteendetillstånd, såsom upphetsning, prospektering, inlärning och minne, högre integrerande funktioner, etc. I neurodegenerativa sjukdomar som Alzheimers, strukturella och funktionella förändringar av septohippocampal systemet kan leda till försämrad thetaaktivitet / svängningar. En standard kvantitativ analys av hippocampus EEG innefattar en fast-Fourier-Transformation (FFT) -baserade frekvensanalys. Men denna procedur inte lämna uppgifter om thetaaktivitet i allmänhet och mycket organiserade theta svängningar i synnerhet. För att erhålla DETAIled information om högt organiserade theta svängningar i hippocampus, har vi utvecklat en ny analytiskt förhållningssätt. Detta tillvägagångssätt gör det möjligt för tids- och kostnadseffektiv kvantifiering av varaktigheten av högt organiserade theta svängningar och deras frekvensegenskaper.
Theta aktivitet i hjärnan är relaterat till olika kognitiva och funktionella stater, däribland upphetsning, uppmärksamhet, frivilliga rörelser, undersökande beteende, uppmärksamhet beteende, inlärning och minne, somatosensoriska integration och snabba ögonrörelser (REM) sömn 1, 2. Principiellt kan thetaaktivitet som en rytmisk enhet genereras i olika cerebrala regioner och välorganiserad och synkroniseras som theta svängningar. Nedan kommer vi att fokusera på analys och kvantifiering av theta aktivitet / svängningar som genereras inom septohippocampal systemet 3, 4. Inom septum, GABAergic, glutamaterga och kolinerga neuron projektet till hippocampus och bidra till initiering och underhåll av theta oscillerande beteende. Det pågår en diskussion om huruvida hippocampus theta svängningar initieras i septum, dvs. </em> Den septal pacemaker-hippocampus efterföljare modell (extrahippocampal teori) eller egen i hippocampus (intrahippocampal teori) 5, 6, 7.
Oavsett ursprung, har hippocampus theta svängningar varit i fokus för intresset för år, särskilt i transgena musmodeller. Dessa modeller gör det möjligt att implantation av djupa EEG elektroderna och för registrering av hippocampus theta svängningar under särskilda kognitiva och beteendemässiga uppgifter 8. Hippocampus theta svängningar är heterogen till sin natur. Baserat på den så kallade dualistiska teorin om theta svängningar, kan man skilja mellan atropin känslig typ II theta och atropin okänsliga typ I theta 9, 10, 11. Det senare kan normalt induceras av muskarina M 1 / M <sub> 3 receptoragonister, t.ex. arekolin, pilokarpin, och uretan. Dock är uretan en multi-mål läkemedel som, förutom muskarin aktivering, utövar också komplexa effekter på andra jonkanal enheter. För typ II theta, inkluderar den muskarina vägen aktiveringen av M 1 / M 3 och en efterföljande Gq / 11 (Ga) -medierad aktivering av fosfolipas C β 1/4 (PLCβ 1/4), inositol trisfosfat (INSP 3) , diacylglycerole (DAG), Ca2 +, och proteinkinas C (PKC). Den roll som PLCβ en och PLCβ 4 i thetagenesis har validerats i knock-studier med hjälp av PLCβ1 – / – och PLCβ4 – / – möss uppvisar en fullständig förlust eller väsentlig försvagning av theta svängning 12, 13, 14. Ytterligare M 1, M 3, och M 5 nedströms mål (channels / strömmar) av muskarina signaleringskaskad inkluderar olika konduktanser, såsom M-typ K + kanalen (K M) via spänningsberoende K + kanalen (K v 7); långsam efter hyperpolarisation K + kanalen (Ks AHP); läcka K + kanal (K läcka), antagligen via TWIK relaterade syrakänsliga K + kanal (Task1 / 3); ning ström (I CAT), antagligen via Na + läcka kanal (NALCN); och jag h via hyperpolarisering och cykliska nukleotid gated kanaler (HCN). Dessutom har M 2 / M 4 acetylkolinreceptorer (AChRs) rapporterade att störa aktiv likriktare K + kanal 3,1 (K ir 3,1) och inåt likriktare K + kanal 3,2 (K ir 3,2) 15.
För närvarande tillåter kommersiellt tillgänglig analytisk programvara för snabb FFT-baserad frekvensanalys, t ex analys av effekt (P, mV 2)eller effektspektrumtäthet (PSD, mV 2 / Hz). Makt eller effektspektrumtäthet (PSD) analys av theta frekvensområdet ger endast en global översikt över sin verksamhet. Men för att få en detaljerad inblick i kognitiv och beteenderelaterade theta aktivitet är analysen av högt organiserade theta svängningar obligatorisk. Bedömningen av högt organiserade theta svängningar är av central betydelse när det gäller neurodegenerativa och neuropsykiatriska sjukdomar. De flesta experimentella studier sjuka utförs i transgena musmodeller som använder mycket sofistikerade neurokirurgiska metoder för att spela epidural yta och djup intracerebral EEGs. Dessa tekniker innefattar både begränsningssystem 16 och radiotelemetric inställningar 17, 18. Theta svängningar kan registreras som spontana och beteenderelaterade theta svängningar under långvariga inspelningsförhållanden. Dessutom kan theta oscilleringar vara recorded efter farmakologisk induktion men även efter exponering av djur till beteendemässiga eller kognitiva uppgifter eller sensoriska stimuli, såsom svans nypa.
Tidigt metoder för att karakterisera theta svängningar beskrevs av Csicsvari et al. 19. Författarna utformat en halvautomatiskt verktyg för kortsiktiga theta analys (15-50 min) som inte lämpar sig för lång tid EEG inspelningar. Vår metod, som beskrivs här, gör det möjligt att analysera långsiktiga EEG inspelning> 48 timmar 20. Csicsvari et al. 10 hänvisade också till theta-delta-förhållande, men ingen tröskel för bestämning av högt organiserade theta svängningar tillhandahålls. Delta och theta range definitioner matchar våra frekvensområdet definitioner. Eftersom det inte uttryckligen nämns, antar vi att en FFT-baserad metod används av Csicsvari et al. att beräkna effekten av de theta-delta frekvensband. Dettagång tydligt skiljer sig från vår metod, eftersom vi beräknar wavelet-baserad amplituder på ett stort antal frekvensskalor (frekvens steg Δ (f) = 0,05 Hz), vilket resulterar i mycket högre precision. Varaktigheten av den individuellt analyseras EEG-epok liknar vår definition.
Klausberger et al. 21 också utnyttja theta-delta förhållanden för analys av långsiktiga EEG inspelningar. Men det finns tre stora skillnader jämfört med vår strategi: i) EEG epokvaraktigheten är mycket längre, det vill säga, åtminstone 6 s; ii) theta-deltatalet är inställt på 4, vilket är mycket högre än vår tröskel, och förbinds till olika frekvensområdesdefinitioner; och iii) definition strömmen är sannolikt att baseras på en FFT tillvägagångssätt, som saknar hög precision, särskilt för mycket korta tidsfönster (2 s, det vill säga 5 cykler för svängningar med en frekvens på 2,5 Hz). I sådana fall är en wavelet-baserad procedur mer råda.En studie av Caplan et al. 22 enbart beräknad theta makt och bortse från theta-delta effektförhållande. Således Caplan närmar 22 kan inte särskilja mellan kognitiva theta-rika processer som åtföljs av en hög eller låg delta.
I följande protokoll kommer vi att presentera vår analytiska wavelet-baserad metod för att på ett tillförlitligt sätt analysera högt organiserade theta svängningar i hippocampus EEG inspelningar från möss. Eftersom detta förfarande fungerar automatiskt, kan den appliceras på stora datamängder och långsiktiga EEG-mätningar.
Theta verksamhet är av central betydelse i systemisk neurofysiologi. Det kan observeras i olika hjärnregioner, i synnerhet i hippocampus, där det är relaterat till specifika beteendemässiga och kognitiva tillstånd. Dessutom kan hippocampus theta vara farmakologiskt differentieras till atropin känslig typ II och atropin okänsliga typ I theta. Typ I tros vara relaterad till förflyttning, såsom promenader eller springer 27, 28, <sup class="xref…
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 |