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Neuroscience

जानवरों में रियल-टाइम एफएमआरआई ब्रेन मैपिंग

Published: September 24, 2020 doi: 10.3791/61463
Automatic Translation
1,2, 1,2, 1,3, 4, 1,2, 1,2, 1,2, 1,3
1Max Planck Institute for Biological Cybernetics, 2Graduate Training Centre of Neuroscience, 3MGH/MIT/HMS Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging, Department of Radiology, Harvard Medical School, Massachusetts General Hospital, 4Bruker BioSpin

Summary

पशु मस्तिष्क कार्यात्मक मानचित्रण वास्तविक समय कार्यात्मक चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एफएमआरआई) प्रयोगात्मक सेट-अप से लाभ उठा सकता है। पशु एमआरआई प्रणाली में लागू नवीनतम सॉफ्टवेयर का उपयोग करते हुए, हमने छोटे पशु एफएमआरआई के लिए एक वास्तविक समय निगरानी मंच स्थापित किया।

Abstract

गतिशील एफएमआरआई प्रतिक्रियाएं एनेस्थीसिया के तहत या जागृत अवस्थाओं में जानवरों की शारीरिक स्थितियों के अनुसार काफी हद तक भिन्न होती हैं। हमने अधिग्रहण के दौरान तुरंत एफएमआरआई प्रतिक्रियाओं की निगरानी करने के लिए प्रयोगकर्ताओं का मार्गदर्शन करने के लिए एक वास्तविक समय एफएमआरआई मंच विकसित किया, जिसका उपयोग जानवरों के दिमाग में वांछित हेमोडायनामिक प्रतिक्रियाओं को प्राप्त करने के लिए जानवरों के शरीर विज्ञान को संशोधित करने के लिए किया जा सकता है। रियल-टाइम एफएमआरआई सेट-अप 14.1 टी प्रीक्लिनिकल एमआरआई सिस्टम पर आधारित है, जो एनेस्थेटाइज्ड चूहों के प्राथमिक फोरपॉ सोमाटोसेंसरी कॉर्टेक्स (एफपी-एस 1) में गतिशील एफएमआरआई प्रतिक्रियाओं के वास्तविक समय मानचित्रण को सक्षम करता है। एफएमआरआई संकेतों की परिवर्तनशीलता के लिए अग्रणी भ्रामक स्रोतों की जांच करने के लिए एक पूर्वव्यापी विश्लेषण के बजाय, वास्तविक समय एफएमआरआई प्लेटफॉर्म एमआरआई सिस्टम में अनुकूलित मैक्रो-फ़ंक्शन और एक सामान्य न्यूरोइमेजिंग विश्लेषण सॉफ्टवेयर का उपयोग करके गतिशील एफएमआरआई प्रतिक्रियाओं की पहचान करने के लिए एक अधिक प्रभावी योजना प्रदान करता है। इसके अलावा, यह जानवरों में मस्तिष्क कार्यात्मक अध्ययन के लिए तत्काल समस्या निवारण व्यवहार्यता और वास्तविक समय बायोफीडबैक उत्तेजना प्रतिमान प्रदान करता है।

Introduction

फंक्शनल मैग्नेटिक रेजोनेंस इमेजिंग (एफएमआरआई) हेमोडायनामिक प्रतिक्रियाओं को मापने के लिए एक गैर-इनवेसिव विधि है 1,2,3,4,5,6,7,8,9, उदाहरण के लिए, रक्त-ऑक्सीजन-स्तर-निर्भर (बोल्ड), सेरेब्रल रक्त की मात्रा और प्रवाह संकेत, मस्तिष्क में तंत्रिका गतिविधि से जुड़ा हुआ है। पशु अध्ययन में, हेमोडायनामिक सिग्नल संज्ञाहरण10, जागृत जानवरों के तनाव स्तर11, साथ ही संभावित गैर-शारीरिक कलाकृतियों, जैसे, कार्डियक स्पंदन और श्वसन गति 12,13,14,15 से प्रभावित हो सकते हैं। यद्यपि कार्य-संबंधित और विश्राम-राज्य कार्यात्मक गतिशीलता और कनेक्टिविटी मैपिंग 16,17,18,19 के लिए एफएमआरआई सिग्नल का पूर्वव्यापी विश्लेषण प्रदान करने के लिए कई पोस्ट-प्रोसेसिंग विधियां विकसित की गई हैं, लेकिन पशु मस्तिष्क20 में वास्तविक समय मस्तिष्क समारोह मैपिंग समाधान और तात्कालिक रीडआउट प्रदान करने के लिए कुछ तकनीकें हैं (जिनमें से अधिकांश मुख्य रूप से मानव मस्तिष्क मानचित्रण के लिए उपयोग की जाती हैं 21, 22,23,24,25,26,27)। विशेष रूप से, जानवरों के अध्ययन में इस तरह की वास्तविक समय एफएमआरआई मैपिंग विधि की कमी है। वास्तविक समय मस्तिष्क राज्य-निर्भर शारीरिक चरणों की जांच को सक्षम करने और पशु मस्तिष्क कार्यात्मक अध्ययन के लिए वास्तविक समय बायोफीडबैक उत्तेजना प्रतिमान प्रदान करने के लिए एक एफएमआरआई प्लेटफॉर्म स्थापित करना आवश्यक है।

वर्तमान काम में, हम एमआरआई कंसोल सॉफ्टवेयर के अनुकूलित मैक्रो-फ़ंक्शंस के साथ एक वास्तविक समय एफएमआरआई प्रयोगात्मक सेट-अप का वर्णन करते हैं, जो एनेस्थेटाइज्ड चूहों के प्राथमिक फोरपॉ सोमैटोसेंसरी कॉर्टेक्स (एफपी-एस 1) में बोल्ड-एफएमआरआई प्रतिक्रियाओं की वास्तविक समय की निगरानी का प्रदर्शन करता है। यह वास्तविक समय सेट-अप मौजूदा न्यूरोइमेजिंग विश्लेषण सॉफ्टवेयर, फंक्शनल न्यूरोइमेजेज (एएफएनआई) 28 का विश्लेषण करके कार्यात्मक मानचित्रों में चल रहे मस्तिष्क सक्रियण के विज़ुअलाइज़ेशन के साथ-साथ वोक्सेल-वार तरीके से व्यक्तिगत समय पाठ्यक्रमों की अनुमति देता है। पशु अध्ययन के लिए वास्तविक समय एफएमआरआई प्रयोगात्मक सेट-अप की तैयारी प्रोटोकॉल में वर्णित है। पशु सेट-अप के अलावा, हम छवि प्रसंस्करण स्क्रिप्ट के समानांतर नवीनतम कंसोल सॉफ्टवेयर का उपयोग करके वास्तविक समय एफएमआरआई संकेतों के विज़ुअलाइज़ेशन और विश्लेषण को सेट करने के लिए विस्तृत प्रक्रियाएं प्रदान करते हैं। सारांश में, पशु अध्ययन के लिए प्रस्तावित वास्तविक समय एफएमआरआई सेट-अप एमआरआई कंसोल सिस्टम का उपयोग करके पशु मस्तिष्क में गतिशील एफएमआरआई संकेतों की निगरानी के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है।

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Protocol

यह अध्ययन जर्मन पशु कल्याण अधिनियम (टियरएसएचजी) और पशु कल्याण प्रयोगशाला पशु अध्यादेश (टियरएसएचवर्सवी) के अनुसार किया गया था। यहां वर्णित प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल की समीक्षा नैतिकता आयोग (§15 टियर्सएचजी) द्वारा की गई थी और राज्य प्राधिकरण (रेगिरुंगस्प्रासिडियम, तुबिंगन, बाडेन-वुर्टेमबर्ग, जर्मनी) द्वारा अनुमोदित किया गया था।

1. छोटे पशु अध्ययन के लिए बोल्ड-एफएमआरआई प्रयोगात्मक सेट-अप तैयार करना

  1. इमेजिंग मापदंडों को नियंत्रित करने और एमआरआई डेटा प्राप्त करने के लिए कंसोल सॉफ़्टवेयर चालू करें।
    नोट: प्रस्तावित रीयल-टाइम एफएमआरआई सेट-अप को एएफएनआई के छवि प्रसंस्करण कार्यों के समानांतर कंसोल सॉफ्टवेयर (संस्करण 6) के मैक्रो-फ़ंक्शन का उपयोग करके लागू किया गया है।
  2. कार्यस्थान एक्सप्लोरर के साथ एमआर अनुक्रम (यानी, स्थिति, स्थानीयकरण, विश्राम वृद्धि (आरएआरई) के साथ तेजी से अधिग्रहण, और 3 डी इको-प्लानर इमेजिंग (ईपीआई) ढूंढें, और फिर उन्हें स्कैन सूची में खींचें और संलग्न करें।
    नोट: स्थिति और स्थानीयकरण अनुक्रमों का उपयोग मस्तिष्क में रुचि के क्षेत्र (आरओआई) की पहचान करने के लिए किया जाता है। शरीर रचना विज्ञान स्कैन के लिए एक दुर्लभ अनुक्रम का उपयोग किया जाता है। गतिशील बोल्ड प्रतिक्रियाओं को मापने के लिए एक 3 डी ईपीआई अनुक्रम का उपयोग किया जाता है।
  3. मैक्रो स्क्रिप्ट पथ में पूर्वनिर्धारित मैक्रो स्क्रिप्ट, "Setup_rt3DEPI" और "Feed2AFNI_rt3DEPI" रखें (उदाहरण के लिए, "/opt/(PV संस्करण)/prog/curdir/(उपयोगकर्ता नाम)/ParaVision/macros")। "डेटा पुनर्निर्माण" उपयोगकर्ता इंटरफ़ेस मेनू में 3 डी ईपीआई पुनर्निर्माण विकल्प, "पूर्व छवि श्रृंखला गतिविधियाँ" और "मैक्रो निष्पादित करें" सक्रिय करें, और फिर "स्कैन" बटन पर क्लिक करने से पहले पूर्वनिर्धारित मैक्रो स्क्रिप्ट, "Setup_rt3DEPI" लिंक करें।
    नोट:: मैक्रो स्क्रिप्ट पूरक फ़ाइलों में शामिल हैं।
  4. वास्तविक समय बोल्ड-एफएमआरआई विश्लेषण और विज़ुअलाइज़ेशन के लिए AFNI सॉफ़्टवेयर स्थापित करें।

2. कैथीटेराइजेशन और वेंटिलेशन सर्जरी

  1. एक वेंटिलेटर और शारीरिक स्थिति निगरानी प्रणाली जैसे थर्मामीटर, रक्तचाप और श्वसन रिकॉर्डिंग स्थापित करें जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है। फीडबैक कंट्रोल सेट के साथ एमआर-संगत हीटिंग पैड का उपयोग करके वेंटिलेटर के साथ 60 ± 1 सांस / मिनट की निरंतर आवृत्ति और 37 डिग्री सेल्सियस का तापमान सेट करें।
  2. एक वयस्क नर स्प्राग-डॉवले चूहे (300-600 ग्राम) को प्रेरण के लिए 5% आइसोफ्लुरेन के साथ एक कक्ष में एनेस्थेटाइज करें और वेपोराइज़र से सर्जरी के लिए 2-2.5% आइसोफ्लुरेन वितरित करें। हिंडपाव को चुटकी मारकर एनेस्थीसिया की गहराई की जांच करें और वापसी प्रतिक्रिया की कमी की पुष्टि करें।
  3. वेंटिलेशन के लिए जानवर को 14 ग्राम प्लास्टिक कैनुला के साथ इंजेक्ट करें (70% हवा और 30% ऑक्सीजन के मिश्रण के साथ 60 ± 1 सांस / मिनट)। अंत-ज्वारीय कार्बन डाइऑक्साइड (सीओ 2) को25 ± 5 मिमीएचजी29 की सीमा में समायोजित करें।
    नोट: एफएमआरआई प्रयोगों के माध्यम से उचित सीओ2 स्तरों को बनाए रखने के लिए इंटुबैशन महत्वपूर्ण है।
  4. जानवर को सर्जरी टेबल पर लापरवाह स्थिति में रखें और इलेक्ट्रिक रेजर के साथ एक जांघ को शेव करें। और फिर, सर्जिकल कैंची से शेव की गई त्वचा पर चीरा लगाएं।
    नोट: चीरे की लंबाई एक अनुदैर्ध्य दिशा में लगभग 1-2 सेमी है।
  5. कैथीटेराइजेशन के लिए इंसाइज्ड क्षेत्र के नीचे एक ऊरु धमनी और नस का पता लगाएं और आसपास के ऊतकों से व्यक्तिगत ऊरु धमनी और नस को अलग करें।
  6. अलग की गई ऊरु धमनी के एक तरफ को सर्जिकल सीवन के साथ बांधें और दूसरे पक्ष को माइक्रो बुलडॉग फोर्स के साथ पकड़ें। फिर, ऊरु धमनी पर बंधे क्षेत्रों के बीच एक छोटा सा चीरा लगाएं।
  7. छोटे चीरे के माध्यम से ऊरु धमनी में एक कैथेटर डालें और कैथेटर और धमनी को सर्जिकल सीवन के साथ एक साथ बांधें। शारीरिक निगरानी प्रणाली के साथ धमनी रक्तचाप की लगातार निगरानी करें ताकि 80-120 मिमीएचजी की सीमा में हो और स्कैनिंग के दौरान न्यूनतम 90 मिमीएचजी के पीओ2 और 30-45 मिमीएचजी के पीसीओ2 को बनाए रखने के लिए नियमित रूप से धमनी रक्त गैस को मापें।
    नोट: एफएमआरआई प्रयोगों के दौरान धमनी रक्तचाप की निगरानी के लिए यह कैथीटेराइजेशन महत्वपूर्ण है।
  8. ऊरु नस के दोनों सिरों को रेशम की चोटी वाले सर्जिकल सीवन के साथ बांधें। फिर, ऊरु नस पर बंधे क्षेत्रों के बीच एक छोटा सा चीरा लगाएं। ट्यूरिंग करने के लिए बल का उपयोग करें।
    नोट: सीवन का आकार लगभग 1-2 सेमी है।
  9. ऊरु नस में एक कैथेटर डालें। कैथेटर और नस को सर्जिकल सीवन के साथ एक साथ बांधें।
    नोट: यह कैथीटेराइजेशन नस के माध्यम से अल्फा-क्लोरालोज को प्रशासित करने और एफएमआरआई प्रयोगों के दौरान एनेस्थेटिक स्तरों को समायोजित करने के लिए महत्वपूर्ण है। यदि जानवर अच्छी तरह से एनेस्थेटाइज्ड नहीं है, तो वह अनायास सांस लेना शुरू कर देगा। इस मामले में, श्वसन गति कलाकृतियों से बचने के लिए अधिक अल्फा-क्लोरालोज का प्रशासन किया जाना चाहिए।
  10. कटी हुई त्वचा पर सर्जिकल चीरा को सीवन करें। एक बार सर्जिकल प्रक्रियाएं पूरी हो जाने के बाद, ऊरु नस से जुड़े कैथेटर के माध्यम से ~ 80 मिलीग्राम / किग्रा की खुराक के साथ अल्फा-क्लोरालोज के बोलस को शामिल करके जानवर को एनेस्थेटाइज्ड रखें और एक ही समय में आइसोफ्लुरेन प्रशासन को रोकें।

3. एमआरआई स्कैनर के अंदर जानवर को रखना

  1. जैसे ही 2.10 कदम पूरा हो जाता है, एनेस्थेटाइज्ड जानवर को एमआरआई स्कैनर में स्थानांतरित करें और इसे कस्टम-निर्मित पालने पर सुरक्षित करें।
  2. जानवर के तापमान की निगरानी के लिए जानवर पर एक वास्तविक समय प्रतिक्रिया रेक्टल थर्मामीटर डालें। तापमान को नियंत्रित करने के लिए जानवर के धड़ के नीचे एक हीटिंग पैड रखें। एमआरआई स्कैन के दौरान शरीर का तापमान 37.0 ± 0.5 डिग्री सेल्सियस पर बनाए रखें।
  3. जानवरों को एनेस्थेटाइज्ड रखते हुए और एफएमआरआई छवियों में गति कलाकृतियों को कम करते हुए, एक मांसपेशी आराम देने वाले पैनक्यूरोनियम (~ 2 मिलीग्राम / किग्रा / घंटा) के मिश्रण में ~ 25 मिलीग्राम / किग्रा / घंटा घोल के साथ अल्फा-क्लोरालोज वितरित करें। शारीरिक स्थिति के अनुसार दवा की मात्रा और वेंटिलेशन की दर को समायोजित करके रक्तचाप और श्वसन की निगरानी करें।
  4. एफएमआरआई प्रयोगों के दौरान सूखापन को रोकने के लिए जानवर की आंखों पर नेत्र मरहम का प्रशासन करें। सिर की गति कलाकृतियों से बचने के लिए जानवर के सिर को दो कान सलाखों के साथ सुरक्षित रूप से ठीक करें।
  5. सिर पर एक ट्रांसीवर सतह कुंडल ठीक करें। एमआरआई माप से पहले सिर पर लारमोर आवृत्ति (उदाहरण के लिए, 14.1 टी पर 599 मेगाहर्ट्ज) के लिए कॉइल को ट्यून और मिलान करें।
    नोट: यहां, 22 मिमी व्यास के कुंडल का उपयोग चूहे के पूरे मस्तिष्क को कवर करने के लिए किया जाता है।
  6. अंक 1 और 4 के बीच फोरपाव की त्वचा में सुई इलेक्ट्रोड की एक जोड़ी डालें और उन्हें सर्जिकल टेप के साथ ठीक करें। और फिर, पुष्टि करें कि उत्तेजना इन इलेक्ट्रोड30 से उत्तेजना इनपुट केबल को जोड़ने के बाद उत्तेजना ठीक से काम करती है।
  7. जानवर को एमआरआई बोर में डालें और इसे लगभग आईएसओ-सेंटर में रखें।

4. शारीरिक एमआर छवियों को मापना

  1. मुख्य उपयोगकर्ता इंटरफ़ेस में अंशांकन मेनू बटन क्लिक करें। समायोजन प्लेटफ़ॉर्म उपयोगकर्ता इंटरफ़ेस में निम्नलिखित आइटमों पर क्लिक करते हुए एमआरआई सिस्टम के अंशांकन करें (कंसोल सॉफ़्टवेयर में सहायता मेनू देखें): मूल अनुनाद आवृत्ति खोजें, आरएफ पल्स पावर को कैलिब्रेट करें, इष्टतम रिसीवर लाभ सेट करें, शिमिंग के लिए जानवर में बी 0 मैप को मापें, गैर-स्थानीयकृत मुक्त प्रेरण क्षय (एफआईडी) इंटीग्रल के आधार पर वैश्विक रैखिक शिम्स चलाएं।
    नोट: इस चरण में 2 मिनट से भी कम समय लगता है।
  2. एमआरआई बोर के अंदर जानवर के सिर के स्थान को खोजने के लिए "स्कैन" बटन पर क्लिक करके एक स्थिति अनुक्रम चलाएं। यदि सिर आइसो-सेंटर पर स्थित नहीं है, तो पालने को आगे और पीछे ले जाते समय सिर के स्थान को समायोजित करें जब तक कि सिर आइसो-सेंटर में स्थित न हो।
  3. सिर में आरओआई की पहचान करने के लिए "स्कैन" बटन पर क्लिक करके एक लोकलाइज़र अनुक्रम चलाएं। मानचित्र शिम का चयन करें और स्थानीय छवि में पूरे मस्तिष्क को कवर करने के लिए शिम वॉल्यूम के आरओआई को परिभाषित करें और फिर, आरओआई पर मुख्य चुंबकीय क्षेत्र (बी 0) असमानताओं को कम करने के लिए "शिम अप टू" विकल्प का उपयोग करके एकउच्च क्रम (जैसे, 2 या 3 वां क्रम) चलाएं।
    नोट: ईपीआई अनुक्रमों का उपयोग किए जाने पर बोल्ड-एफएमआरआई डेटा की गुणवत्ता में सुधार करने के लिए उच्च क्रम शिमिंग एक महत्वपूर्ण कदम है।
  4. कोरोनल दृश्य में पूरे मस्तिष्क को कवर करने वाली शारीरिक छवियों को प्राप्त करने के लिए "स्कैन" बटन पर क्लिक करके एक टी 2-भारित दुर्लभ अनुक्रम चलाएं (उदाहरण के लिए, निम्नलिखित अनुक्रम मापदंडों का उपयोग किया जाता है: पुनरावृत्ति समय (टीआर) 4000 एमएस, प्रभावी इको टाइम (टीई) 36.1 एमएस, मैट्रिक्स 128 x 128, फील्ड ऑफ व्यू (एफओवी) 19.2x19.2 मिमी2, स्लाइस की संख्या 32, स्लाइस मोटाई 0.3 मिमी, दुर्लभ कारक 8)।
    नोट: निम्न वास्तविक समय एफएमआरआई विज़ुअलाइज़ेशन चरण में, शारीरिक छवियों का उपयोग टेम्पलेट के रूप में 3 डी ईपीआई छवियों को पंजीकृत करने के लिए किया जाता है।

5. रियल-टाइम एफएमआरआई सॉफ्टवेयर सेट-अप और एफएमआरआई प्रतिक्रिया विज़ुअलाइज़ेशन

  1. एक टर्मिनल विंडो खोलें और निम्न आदेश का उपयोग करके वास्तविक समय एएफएनआई प्लगइन पथ पर जाएं:
    cd/home/(user name)/rt_afni
    नोट: AFNI प्लगइन स्क्रिप्ट, "afni_rt" पूरक फ़ाइलों में शामिल है।
  2. नीचे दिए गए कमांड और विकल्पों का उपयोग करके वास्तविक समय प्लगइन के साथ एएफएनआई सॉफ्टवेयर निष्पादित करें।
    afni-rt
    -हाँ,
    -DAFNI_REALTIME_MP_HOST_PORT = लोकलहोस्ट: (पोर्ट नंबर)
    -DAFNI_REALTIME_Graph = रीयलटाइम
    -DAFNI_FIM_IDEAL=(प्रतिमान)
    नोट: पहले मामले में, कोड बाहरी कार्यक्रमों को एएफएनआई के साथ डेटा का आदान-प्रदान करने की अनुमति देता है जबकि दूसरे मामले में वास्तविक समय प्लगइन उपयोगकर्ता-परिभाषित स्थानीय होस्ट और पोर्ट के लिए टीसीपी सॉकेट खोलने का प्रयास करेगा। तीसरे और चौथे मामलों में, कोड वास्तविक समय में एफएमआरआई डेटा के समय पाठ्यक्रम को प्लॉट करेंगे और क्रमशः एफएमआरआई समय पाठ्यक्रम में उपयोगकर्ता-परिभाषित प्रतिमान के समय पाठ्यक्रम को प्लॉट करेंगे जब वास्तविक समय एफएमआरआई डेटा प्राप्त किया जाता है। अधिक जानकारी के लिए, https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/README.environment.html देखें।
  3. निम्नलिखित विकल्पों के साथ चित्रा 2 में दिखाए गए कमांड "डिमोन" का उपयोग करके परिभाषित आगामी एएफएनआई ब्रिक फ़ाइलों की निगरानी करें:
    डाइमोन-टीआर (ईपीआई का टीआर) -एनटी (ईपीआई के एन रिपेटिंग्स)
    आरटी-छोड़ दो
    -infile_pattern रीयलटाइम*। BRIK
    -file_type एएफएनआई
    नोट: "डिमोन" निम्नलिखित विकल्पों का उपयोग करके एएफएनआई छवि फ़ाइलों के वास्तविक समय के अधिग्रहण की निगरानी करने के लिए एक कमांड है: "-आरटी" जो वास्तविक समय प्लगइन और "-infile_pattern (डेटा नाम) को निष्पादित करता है। BRIK -file_type AFNI" जो प्लगइन को विशिष्ट BRIK फ़ाइलों को पढ़ने और उन्हें प्रदर्शन और स्वरूपण के लिए AFNI में भेजने की अनुमति देता है। अधिक जानकारी के लिए, https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/Dimon.html देखें।
  4. निम्नलिखित विकल्पों के साथ "pvcmd" आदेश का उपयोग करें:
    पीवीसीएमडी - एक जेमैक्रो प्रबंधक जेएमएमएक्सक्यूट मैक्रो - श्रेणी $USER - मैक्रो Feed2AFNI_rt3DEPI
    नोट: यह कोड मैक्रो स्क्रिप्ट, "Setup_rt3DEPI", में मौजूद है, पृष्ठभूमि मैक्रो स्क्रिप्ट, "Feed2AFNI_rt3DEPI" चलाने के लिए, ईपीआई अधिग्रहण के लिए "स्कैन" बटन क्लिक करने के ठीक बाद।
  5. ईपीआई अधिग्रहण पैरामीटर प्राप्त करने के लिए निम्नलिखित विकल्पों के साथ "exec pvcmd" कमांड का उपयोग करें।
    परमगेटवैल्यू-पीसिड $ParSpaceId-परम (ईपीआई के पीवीएम पैरामीटर) -आईडी 10 -एआरजीएस $AcqKey $ParSpaceId $ProcnoPath
  6. पृष्ठभूमि मैक्रो स्क्रिप्ट, "Feed2AFNI_rt3DEPI" में वास्तविक समय में ईपीआई कच्चे डेटा को एएफएनआई फ़ाइलों में कनवर्ट करने के लिए निम्न विकल्पों के साथ "exec to3d" कमांड का उपयोग करें।
    exec to3d -omri-xFOV $FOV_X-yFOV $FOV_Y-zFOV $FOV_Z -उपसर्ग $LastVolName $ImgFormat$Path2dseq
  7. सुनिश्चित करें कि ईपीआई ज्यामितीय जानकारी शरीर रचना अभिविन्यास के अनुरूप है।
    नोट: "to3d" AFNI कमांड ज्यामितीय जानकारी जैसे कि फील्ड ऑफ व्यू (FOV) और मैट्रिक्स आकार के साथ स्वचालित रूप से चलेगा ताकि एफएमआरआई कच्चे डेटा को एक AFNI BRIK डेटा में परिवर्तित किया जा सके जब भी प्रत्येक 3D वॉल्यूम डेटा को चित्र 2 में दिखाए गए अनुसार प्रत्येक TR के बाद संग्रहीत किया जाता है। छवि अभिविन्यास को "to3d" के ज्यामितीय सूचना मापदंडों के साथ बदला जा सकता है। अधिक जानकारी के लिए, https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/to3d.html देखें।
  8. एक विद्युत उत्तेजना आइसोलेटर चालू करें और उत्तेजना ब्लॉकों का उपयोग करके एक उत्पन्न एफएमआरआई अध्ययन (जैसे, 3 हर्ट्ज, 4 एस पल्स चौड़ाई 300यूएस, 2.5 एमए) के लिए विद्युत फोरपॉ उत्तेजना करें।
    नोट: यहां, ब्लॉक-डिज़ाइन प्रतिमान में 10 पूर्व-उत्तेजना स्कैन, 3 उत्तेजना स्कैन और 12 अंतर-उत्तेजना स्कैन (प्रति युग 15 स्कैन) शामिल हैं।
  9. बोल्ड-एफएमआरआई अध्ययन के लिए "स्कैन" बटन पर क्लिक करके एक टी 2 * -भारित 3 डी ईपीआई अनुक्रम चलाएं (उदाहरण के लिए, निम्नलिखित मापदंडों का उपयोग किया जाता है: टीआर / टीई 1500/14 एमएस, मैट्रिक्स 64 x 64 x 32, एफओवी 19.2 x 9.6 मिमी3, और रिज़ॉल्यूशन 300 x 300 x 300 μm3)।
    नोट: जैसे ही "स्कैन" बटन पर क्लिक करते हैं, वास्तविक समय में पूर्वनिर्धारित मैक्रो स्क्रिप्ट का उपयोग करके कच्चे डेटा की निगरानी और प्रसंस्करण किया जाएगा। एक बार एक एएफएनआई बीएआरआईके डेटासेट परिवर्तित हो जाने के बाद, 3 डी ईपीआई छवियों के लिए वोक्सेल-वार टाइम कोर्स ग्राफ एएफएनआई सॉफ्टवेयर में प्रदर्शित होते हैं और स्वचालित रूप से हर एक टीआर के लिए अपडेट किए जाते हैं।
  10. शारीरिक दुर्लभ छवियों के शीर्ष पर ईपीआई छवियों को ओवरले करने के लिए, चरण 5.6 में कमांड "टू 3 डी" का उपयोग करके दुर्लभ छवियों को एएफएनआई ब्रिक डेटासेट में परिवर्तित करें, फिर निम्नलिखित विकल्पों के साथ "align_epi_anat.py" एएफएनआई स्क्रिप्ट का उपयोग करके ईपीआई छवियों को शारीरिक छवियों में पंजीकृत करें:
    align_epi_anat.py -anat anatomy_template_al +orig-epi.$(epi data number)+orig-epi_base 1-प्रत्यय _volreg -rat_align -लागत lpa-epi2anat
    नोट: अधिक जानकारी के लिए, https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/ align_epi_anat.py.html देखें।
  11. बोल्ड प्रतिक्रियाओं के कार्यात्मक मानचित्रों को संसाधित करने के लिए, निम्नलिखित विकल्पों के साथ "3 डीडिकोनवोल्व" कमांड का उपयोग करके एक विशिष्ट उत्तेजना समय श्रृंखला के साथ 3 डी + टाइम डेटासेट के डीकन्वोल्यूशन की गणना करें:
    3dDeconvolve-input (इनपुट फ़ाइल नाम)+orig. -nfirst 0 -polort 3 -num_stimts 1 -stim_times 1 (उत्तेजना प्रतिमान फ़ाइल नाम) 'BLOCK(4,1)' -stim_label 1 फोरपॉ -दलाल-fout-rout
    नोट: स्थानिक स्मूथिंग या टेम्पोरल फ़िल्टरिंग जैसे छवि प्रसंस्करण चरणों को एक अनुकूलित एएफएनआई डेटा प्रोसेसिंग स्क्रिप्ट में शामिल किया गया है। अधिक जानकारी के लिए, https://afni.nimh.nih.gov/afni/doc/help/3dDeconvolve.html देखें।
  12. बोल्ड सिग्नल के कार्यात्मक मानचित्रों की कल्पना करने के लिए, एएफएनआई सॉफ्टवेयर में एक इंटरैक्टिव क्लस्टरिंग का उपयोग करें। "ओवरले परिभाषित करें" विकल्प खोलें और AFNI उपयोगकर्ता इंटरफ़ेस मेनू से "क्लस्टर" फ़ंक्शन का उपयोग करें।
  13. अंतिम एफएमआरआई स्कैन के बाद, जानवर को एमआरआई स्कैनर से बाहर निकालें और अनुमोदित प्रोटोकॉल के अनुसार इसे इच्छामृत्यु दें।
    नोट: वास्तविक समय एफएमआरआई डेटा को संसाधित करने के लिए नवीनतम कंसोल सॉफ्टवेयर में एएफएनआई और मैक्रो-फ़ंक्शंस के छवि प्रसंस्करण कार्यों का उपयोग किया गया था। मैक्रो-फ़ंक्शंस की विस्तृत जानकारी और विवरण कंसोल सॉफ़्टवेयर में सहायता मेनू से पाया जा सकता है। AFNI सॉफ्टवेयर एक फ्रीवेयर है, जिसे सीधे NIMH-AFNI वेबसाइट के माध्यम से डाउनलोड किया जा सकता है। AFNI और कंसोल सिस्टम के बीच लिंकेज बनाने के लिए संबंधित स्क्रिप्ट संलग्न हैं।

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Representative Results

चित्रा 3 और चित्रा 4 एक प्रतिनिधि वास्तविक समय वोक्सेल-वार बोल्ड-एफएमआरआई समय पाठ्यक्रम और विद्युत फोरपाव उत्तेजना (3 हर्ट्ज, 4 एस, पल्स चौड़ाई 300 यूएस, 2.5 एमए) के साथ कार्यात्मक मानचित्र दिखाते हैं। एफएमआरआई डिजाइन प्रतिमान में कुल 8 युगों (130 स्कैन) के साथ 10 पूर्व-उत्तेजना स्कैन, 3 उत्तेजना स्कैन और 12 अंतर-उत्तेजना स्कैन शामिल हैं। कुल स्कैन समय 3 मिनट 15 सेकंड (195 सेकंड) है। चित्रा 3 वास्तविक समय अधिग्रहण प्रारूप में ब्लॉक-डिज़ाइन प्रतिमान (लाल रेखा) के अनुरूप विपरीत एफपी-एस 1 के वोक्सेल-वार टाइम कोर्स (ब्लैक लाइन) को दर्शाता है। चित्रा 4 विद्युत फोरपॉ उत्तेजना के अनुरूप सक्रिय बोल्ड मानचित्र दिखाता है। सक्रिय क्षेत्रों का पता लगाया जाता है और रंगीन समूहों (लाल और पीले रंग) के रूप में प्रदर्शित किया जाता है। प्रयोगकर्ता एएफएनआई सॉफ्टवेयर में "क्लस्टर" फ़ंक्शन का उपयोग कर सकते हैं ताकि क्लस्टर वॉल्यूम का इंटरैक्टिव रूप से पता लगाया जा सके और उन्हें एक ओवरलेड रंग-कोडित छवि के रूप में प्रदर्शित किया जा सके।

Figure 1
चित्रा 1: फोरपॉ उत्तेजना के लिए वास्तविक समय एफएमआरआई प्रयोगात्मक सेट-अप। वास्तविक समय एफएमआरआई सेट-अप और नियंत्रण मापदंडों के प्रवाह (डैश लाइनों) का एक सरलीकृत योजनाबद्ध दिखाया गया है। एक कंप्यूटर (बाएं) का उपयोग पल्स अनुक्रम निष्पादन, उत्तेजना आइसोलेटर नियंत्रण और एएफएनआई के साथ डेटा विश्लेषण के लिए कंसोल के रूप में किया जाता है। अन्य कंप्यूटर (दाएं) का उपयोग शारीरिक जानकारी (जैसे, रक्तचाप, श्वसन और छाती आंदोलन, आदि) की निगरानी के लिए किया जाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 2
चित्रा 2: एफएमआरआई स्कैनिंग के दौरान डेटा प्रोसेसिंग का आरेख। वास्तविक समय एफएमआरआई सेट-अप में प्रतिनिधि मैक्रो और एएफएनआई कार्यों के साथ डेटा प्रोसेसिंग का एक सरलीकृत प्रवाह चार्ट दिखाया गया है। एफएमआरआई स्कैन शुरू करने से पहले, पुनर्निर्माण विकल्पों के बीच "प्री इमेज सीरीज़ एक्टिविटीज़" और "निष्पादित मैक्रो" विकल्पों का चयन किया जाता है। "स्कैन" बटन पर क्लिक करते समय "Setup_rt3DEPI" स्क्रिप्ट उन विकल्पों का उपयोग करके निष्पादित की जाती है। "डिमोन" कमांड के साथ, वास्तविक समय एएफएनआई फ़ाइलों की निगरानी की जाती है और गतिशील बोल्ड प्रतिक्रियाओं को प्रदर्शित करने के लिए एएफएनआई प्लगइन में भेजा जाता है जब पृष्ठभूमि मैक्रो स्क्रिप्ट, "Feed2AFNI_rt3DEPI" एफएमआरआई कच्चे डेटा को एएफएनआई फाइलों में परिवर्तित करता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 3
चित्रा 3: वास्तविक समय वोक्सेल-वार एफएमआरआई प्रतिक्रियाएं। ब्लॉक-डिज़ाइन उत्तेजना प्रतिमान के दौरान प्राथमिक फोरपॉ सोमाटोसेंसरी (एफपी-एस 1) कॉर्टेक्स से एक सक्रिय एकल वोक्सेल टाइम कोर्स ग्राफ (ब्लैक लाइन) दिखाया गया है। दोहराए जाने वाले एफएमआरआई डिजाइन प्रतिमान (लाल रेखा) को "afni-rt-DAFNI_FIM_IDEAL= (प्रतिमान)" द्वारा परिभाषित किया गया था। ग्राफ दर्शाता है कि स्पष्ट और स्थिर बोल्ड प्रतिक्रियाएं वास्तविक समय में विद्युत उत्तेजना का पालन करती हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 4
चित्रा 4: एफपी-एस 1 क्षेत्रों में विद्युत उत्तेजना के लिए बोल्ड प्रतिक्रियाओं के कार्यात्मक मानचित्र। एफपी-एस 1 क्षेत्रों (पीले और लाल रंग) में सक्रिय वोक्सेल समूहों की पहचान की गई और टी 2-भारित शारीरिक छवियों पर आधारित दोहरावदार उत्तेजना प्रतिमान के साथ काफी सिंक्रनाइज़ किया गया। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

अनुपूरक फाइलें। कृपया इन फ़ाइलों को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

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Discussion

एफएमआरआई सिग्नल की वास्तविक समय की निगरानी प्रयोगकर्ताओं को कार्यात्मक मानचित्रण को अनुकूलित करने के लिए जानवरों के शरीर विज्ञान को समायोजित करने में मदद करती है। जागृत जानवरों में गति कलाकृतियां, साथ ही साथ एनेस्थेटिक प्रभाव, प्रमुख कारक हैं जो एफएमआरआई संकेतों की परिवर्तनशीलता को मध्यस्थ करते हैं, सिग्नल की जैविक व्याख्या को अपने आपमें 31,32,33,34,35,36,37,38 से भ्रमित करते हैं . वास्तविक समय एफएमआरआई प्लेटफॉर्म स्कैनिंग मापदंडों और एनेस्थेटिक प्रशासन योजनाओं के अनुकूलन में सहायता के लिए तात्कालिक जानकारी प्रदान करता है। इसके अलावा, वास्तविक समय मस्तिष्क हेमोडायनामिक प्रतिक्रियाओं का उपयोग मल्टी-मोडल मस्तिष्क कार्यात्मक अध्ययनों में उपन्यास उत्तेजना प्रतिमानों के लिए एफएमआरआई-आधारित बायोफीडबैक नियंत्रण संकेत प्रदान करने के लिए किया जा सकता है।

प्रस्तावित वास्तविक समय एफएमआरआई सेट-अप के बारे में एक शेष चिंता विक्रेता-विशिष्ट कंसोल सॉफ्टवेयर पर तकनीकी निर्भरता है। इस प्रोटोकॉल में, रीयल-टाइम एफएमआरआई विश्लेषण स्क्रिप्ट कंसोल सॉफ़्टवेयर ( सामग्री की तालिका देखें) संस्करण 6 या उच्चतर का उपयोग करके मैक्रो-फ़ंक्शंस की एक श्रृंखला को लागू करते हैं। पिछले कंसोल सॉफ़्टवेयर (जैसे, पीवी संस्करण 5 या उससे कम) में एमआर स्कैन का वर्कफ़्लो अपग्रेड किए गए उपयोगकर्ता इंटरफ़ेस और नई पैरामीटर परिभाषा के कारण नवीनतम संस्करण से अलग है। कंसोल सिस्टम (पीवी संस्करण 3) के पिछले संस्करण का उपयोग करते हुए, लू एट अल (2008) ने दिखाया है कि वास्तविक समय एफएमआरआई सेट-अप ने केंद्रीय तंत्रिका तंत्र 20 पर कोकीन के प्रभाव का अध्ययन करने के लिए चूहे के मस्तिष्क में दवा-प्रेरित हेमोडायनामिक सिग्नलपरिवर्तनों की निगरानी को सक्षम किया है। हालांकि, उन सेट-अप को अत्याधुनिक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के साथ नए कंसोल सॉफ़्टवेयर पर आसानी से लागू नहीं किया जा सकता है। नवीनतम कंसोल सॉफ़्टवेयर में, पूर्वनिर्धारित मैक्रो स्क्रिप्ट को चलाने और "डेटा पुनर्निर्माण" के "प्री इमेज सीरीज़ गतिविधियों" और "निष्पादित मैक्रो" विकल्पों का चयन करके स्कैन शुरू करने के तुरंत बाद एफएमआरआई कच्चे डेटा की निगरानी करना एक महत्वपूर्ण कदम है।

आगे की छवि प्रसंस्करण के लिए, अनुकूलित एएफएनआई कार्यों को वास्तविक समय छवि प्रसंस्करण स्क्रिप्ट में आसानी से शामिल किया जा सकता है। विशेष रूप से, गति से संबंधित निशान का उपयोग करके वास्तविक समय विश्लेषण प्रदान करना मूल्यवान होगा, उदाहरण के लिए, जागृत पशु एफएमआरआई38 के लिए इलेक्ट्रोमोग्राफी (ईएमजी) सिग्नल, और पूरे मस्तिष्क हेमोडायनामिक सहसंबंध37 को निर्दिष्ट करने के लिए मल्टी-मोडल गतिशील मस्तिष्क संकेत, जैसे, जीसीएएमपी-मध्यस्थता सीए2 +को शामिल करना। इसके अलावा, इस वास्तविक समय एफएमआरआई सेट-अप को पिछले मानव अध्ययनों के समान आत्म-विनियमन मस्तिष्क और व्यवहार की जांच करने के लिए पशु न्यूरोफीडबैक अध्ययनों तक बढ़ाया जासकता है।

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Disclosures

साशा कोहलर ब्रुकर बायोस्पिन एमआरआई जीएमबीएच में एक कर्मचारी है।

Acknowledgments

हम पीवी 5 के लिए वास्तविक समय एफएमआरआई स्थापित करने के लिए एएफएनआई स्क्रिप्ट साझा करने के लिए डॉ डी चेन और डॉ सी येन और सॉफ्टवेयर समर्थन के लिए एएफएनआई टीम को धन्यवाद देते हैं। इस शोध को एनआईएच ब्रेन इनिशिएटिव फंडिंग (आरएफ 1एनएस 113278-01, आर01 एमएच 111438-01), और एस 10 इंस्ट्रूमेंट ग्रांट (एस 10 आरआर 023009-01) मार्टिनोस सेंटर, जर्मन रिसर्च फाउंडेशन (डीएफजी) यू 215/3-1, बीएमबीएफ 01 जीक्यू 1702 और मैक्स प्लैंक सोसाइटी से आंतरिक वित्त पोषण द्वारा समर्थित किया गया था।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
14.1T Bruker MRI system Bruker BioSpin MRI GmbH N/A
A365 Stimulus Isolator World Precision Instruments N/A
AcqKnowledge Software Biopac RRID:SCR_014279, http://www.biopac.com/product/acqknowledge-software/
AFNI Cox, 1996 RRID:SCR_005927, http://afni.nimh.nih.gov
CO2SMO (ETCO2/SpO2 Monitor), Model 7100 Novametrix Medical Systems Inc N/A
Isoflurane CP-Pharma Cat# 1214
Master-9 A.M.P.I N/A
Nanoliter Injector World Precision Instruments Cat# NANOFIL
Pancuronium Bromide Inresa Arzneimittel Cat# 34409.00.00
ParaVision 6 Bruker BioSpin MRI GmbH RRID:SCR_001964
Phosphate Buffered Saline (PBS) Gibco Cat# 10010-023
Rat: Sprague Dawley rat Charles River Laboratories Crl:CD(SD)
SAR-830/AP Ventilator CWE N/A
α-chloralose Sigma-Aldrich Cat# C0128-25G;RRID

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References

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न्यूरोसाइंस अंक 163 कार्यात्मक चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग एफएमआरआई रक्त-ऑक्सीजन-स्तर-निर्भर बोल्ड मस्तिष्क वास्तविक समय जानवर कार्यात्मक न्यूरोइमेजिंग का विश्लेषण
जानवरों में रियल-टाइम एफएमआरआई ब्रेन मैपिंग
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Choi, S., Takahashi, K., Jiang, Y.,… More

Choi, S., Takahashi, K., Jiang, Y., Köhler, S., Zeng, H., Wang, Q., Ma, Y., Yu, X. Real-Time fMRI Brain Mapping in Animals. J. Vis. Exp. (163), e61463, doi:10.3791/61463 (2020).

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