Summary
Hayvan beyni fonksiyonel haritalaması, gerçek zamanlı fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) deney kurulumundan yararlanabilir. Hayvan MRG sisteminde uygulanan en son yazılımı kullanarak, küçük hayvan fMRI için gerçek zamanlı bir izleme platformu kurduk.
Abstract
Dinamik fMRI yanıtları, anestezi altında veya uyanık durumdaki hayvanların fizyolojik koşullarına göre büyük ölçüde değişir. Deneycilere, hayvan beyinlerinde istenen hemodinamik yanıtları elde etmek için hayvanların fizyolojisini değiştirmek için kullanılabilecek, edinim sırasında fMRI yanıtlarını anında izlemeleri için rehberlik etmek üzere gerçek zamanlı bir fMRI platformu geliştirdik. Gerçek zamanlı fMRI kurulumu, anestezi uygulanan sıçanların primer ön pençe somatosensoriyel korteksindeki (FP-S1) dinamik fMRI yanıtlarının gerçek zamanlı haritalandırılmasını sağlayan 14.1T preklinik MRI sistemine dayanmaktadır. fMRI sinyallerinin değişkenliğine yol açan kafa karıştırıcı kaynakları araştırmak için geriye dönük bir analiz yerine, gerçek zamanlı fMRI platformu, özelleştirilmiş makro fonksiyonları ve MRI sisteminde ortak bir nörogörüntü analiz yazılımı kullanarak dinamik fMRI yanıtlarını tanımlamak için daha etkili bir şema sağlar. Ayrıca, hayvanlarda beyin fonksiyonel çalışmaları için anında sorun giderme fizibilitesi ve gerçek zamanlı bir biofeedback stimülasyon paradigması sağlar.
Introduction
Fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntüleme (fMRI), beyindeki nöral aktivite ile ilişkili kan-oksijen seviyesine bağımlı (BOLD), serebral kan hacmi ve akış sinyali gibi hemodinamik yanıtları 1,2,3,4,5,6,7,8,9 ölçmek için invaziv olmayan bir yöntemdir. Hayvan çalışmalarında, hemodinamik sinyaller anestezi10, uyanık hayvanların stres seviyesi11 ve ayrıca potansiyel fizyolojik olmayan eserlerden, örneğin kardiyak nabız ve solunum hareketlerinden12,13,14,15 etkilenebilir. Görevle ilgili ve dinlenme durumu fonksiyonel dinamikleri ve bağlantı haritalaması16,17,18,19 için fMRI sinyalinin geriye dönük bir analizini sağlamak için birçok işlem sonrası yöntem geliştirilmiş olsa da, hayvan beyninde gerçek zamanlı bir beyin fonksiyonu haritalama çözümü ve anlık okumalar sağlamak için birkaç teknik vardır 20 (bunların çoğu esas olarak insan beyni haritalaması için kullanılır 21, 22,23,24,25,26,27). Özellikle, bu tür gerçek zamanlı fMRI haritalama yöntemi hayvan çalışmalarında eksiktir. Gerçek zamanlı beyin durumuna bağlı fizyolojik aşamaların araştırılmasını sağlamak ve hayvan beyni fonksiyonel çalışmaları için gerçek zamanlı biofeedback stimülasyon paradigması sağlamak için bir fMRI platformu kurmak gerekir.
Bu çalışmada, MRI konsol yazılımının özelleştirilmiş makro fonksiyonları ile gerçek zamanlı bir fMRI deney kurulumunu gösteriyoruz ve anestezi uygulanan sıçanların birincil ön pençe somatosensoriyel korteksindeki (FP-S1) uyarılmış BOLD-fMRI yanıtlarının gerçek zamanlı olarak izlenmesini gösteriyoruz. Bu gerçek zamanlı kurulum, fonksiyonel haritalarda devam eden beyin aktivasyonunun görselleştirilmesinin yanı sıra, mevcut nörogörüntü analiz yazılımı olan Fonksiyonel Nörogörüntülerin Analizi (AFNI) 28'i kullanarak voksel açısından bireysel zaman kurslarının görselleştirilmesine olanak tanır. Hayvan çalışması için gerçek zamanlı fMRI deney düzeneğinin hazırlanması protokolde açıklanmıştır. Hayvan kurulumunun yanı sıra, görüntü işleme komut dosyalarına paralel olarak en son konsol yazılımını kullanarak gerçek zamanlı fMRI sinyallerinin görselleştirilmesini ve analizini ayarlamak için ayrıntılı prosedürler sunuyoruz. Özetle, hayvan çalışmaları için önerilen gerçek zamanlı fMRI kurulumu, MRI konsol sistemini kullanarak hayvan beynindeki dinamik fMRI sinyallerini izlemek için güçlü bir araçtır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Bu çalışma, Alman Hayvan Refahı Yasası (TierSchG) ve Hayvan Refahı Laboratuvarı Hayvan Yönetmeliği (TierSchVersV) uyarınca gerçekleştirilmiştir. Burada açıklanan deneysel protokol etik komisyonu (§15 TierSchG) tarafından gözden geçirilmiş ve devlet otoritesi (Regierungspräsidium, Tübingen, Baden-Württemberg, Almanya) tarafından onaylanmıştır.
1. Küçük hayvan çalışması için BOLD-fMRI deney düzeneğinin hazırlanması
- Görüntüleme parametrelerini kontrol etmek ve MRI verilerini almak için konsol yazılımını açın.
NOT: Önerilen gerçek zamanlı fMRI kurulumu, AFNI'nin görüntü işleme işlevlerine paralel olarak konsol yazılımının makro işlevleri (sürüm 6) kullanılarak uygulanır. - Çalışma alanı gezginiyle MR dizilerini (örneğin, Konum, Yerelleştirici, Gevşeme Geliştirme ile Hızlı Alma (RARE) ve 3B yankı düzlemsel görüntüleme (EPI) bulun ve ardından bunları tarama listesine sürükleyip ekleyin.
NOT: Konum ve Yerelleştirici dizileri, beyindeki bir ilgi bölgesini (ROI) tanımlamak için kullanılır. Anatomi taraması için NADİR dizisi kullanılır. Dinamik BOLD yanıtlarını ölçmek için bir 3D EPI dizisi kullanılır. - Önceden tanımlanmış makro komut dosyalarını, "Setup_rt3DEPI" ve "Feed2AFNI_rt3DEPI" makro komut dosyası yoluna yerleştirin (örneğin, "/opt/(PV sürümü)/prog/curdir/(kullanıcı adı)/ParaVision/macros"). "Veri Yeniden Yapılandırma" kullanıcı arayüzü menüsünde 3D EPI yeniden yapılandırma seçeneklerini, "Görüntü Serisi Öncesi Etkinlikler" ve "Makroyu Yürüt" seçeneklerini etkinleştirin ve ardından "Tara" düğmesini tıklamadan önce önceden tanımlanmış makro komut dosyası "Setup_rt3DEPI" bağlayın.
Not: makro komut dosyaları Ek dosyalarda bulunur. - Gerçek zamanlı BOLD-fMRI analizi ve görselleştirmesi için AFNI yazılımını yükleyin.
2. Kateterizasyon ve ventilasyon cerrahisi
- Şekil 1'de gösterildiği gibi termometre, kan basıncı ve solunum kaydı gibi bir ventilatör ve fizyolojik durum izleme sistemleri kurun. Geri besleme kontrol setine sahip MR uyumlu bir ısıtma yastığı kullanarak ventilatör ile 1 nefes/dk sabit bir frekans ve 37 °C sıcaklık ± sabit bir frekans ayarlayın.
- Yetişkin bir erkek Sprague-Dawley sıçanını (300-600 g) indüksiyon için% 5 izofluran içeren bir odada anestezi yapın ve bir buharlaştırıcıdan ameliyat için% 2-2.5 izofluran verin. Arka pençeyi sıkıştırarak ve geri çekilme yanıtının olmadığını doğrulayarak anestezi derinliğini kontrol edin.
- Hayvanı havalandırma için 14 G'lık bir plastik kanülle entübe edin (% 70 hava ve% 30 oksijen karışımı ile 60 ± 1 nefes / dak). Gelgit sonu karbondioksitini (CO2) 25 ± 5 mmHg29 aralığında olacak şekilde ayarlayın.
NOT: Entübasyon, fMRI deneyleri yoluyla uygun CO2 seviyelerini korumak için kritik öneme sahiptir. - Hayvanı ameliyat masasında sırtüstü pozisyonda yerleştirin ve elektrikli tıraş bıçağı ile uyluk tıraş edin. Ve sonra, tıraş edilmiş cilt üzerinde cerrahi makasla bir kesi yapın.
NOT: Kesinin uzunluğu uzunlamasına yönde 1-2 cm civarındadır. - Kateterizasyon için kesilmiş bölgenin altında bir femoral arter ve ven bulun ve bireysel femoral arter ve veni çevreleyen dokulardan ayırın.
- Ayrılmış femoral arterin bir tarafını cerrahi bir dikişle sabitleyin ve diğer tarafı mikro bulldog forseps ile tutun. Daha sonra, femoral arterdeki bağlı bölgeler arasında küçük bir kesi yapın.
- Küçük kesiden femoral artere bir kateter yerleştirin ve kateteri ve arteri cerrahi dikişlerle birlikte bağlayın. Fizyolojik izleme sistemi ile arteriyel kan basıncını 80-120 mmHg aralığında olacak şekilde sürekli izleyin ve tarama sırasında en az 90 mmHg pO 2 ve 30-45 mmHg pCO2'yi korumak için arteriyel kan gazını düzenli olarak ölçün.
NOT: Bu kateterizasyon, fMRI deneyleri sırasında arteriyel kan basıncını izlemek için kritik öneme sahiptir. - Femoral venin her iki ucunu ipek örgülü cerrahi dikişlerle sabitleyin. Daha sonra, femoral ven üzerindeki bağlı bölgeler arasında küçük bir kesi yapın. Dikişi yapmak için forseps kullanın.
NOT: Dikişin boyutu 1-2 cm civarındadır. - Femoral ven içine bir kateter yerleştirin. Kateteri ve damarı cerrahi dikişlerle birlikte bağlayın.
NOT: Bu kateterizasyon, damar yoluyla alfa-kloraloz uygulanması ve fMRI deneyleri sırasında anestezik seviyelerin ayarlanması için kritik öneme sahiptir. Hayvan iyi uyuşturulmamışsa, kendiliğinden nefes almaya başlayacaktır. Bu durumda, solunum hareketi artefaktlarından kaçınmak için daha fazla alfa-kloraloz uygulanmalıdır. - Tıraş edilen ciltte cerrahi insizyonu dikin. Cerrahi prosedürler tamamlandıktan sonra, femoral vene bağlı kateterden ~ 80 mg / kg dozajı ile bir bolus alfa-kloralose infüzyonu ile hayvanı anestezi altında tutun ve aynı zamanda izofluran uygulamasını durdurun.
3. Hayvanı MRI tarayıcısının içine yerleştirme
- Anestezi uygulanan hayvanı 2.10 adım atılır atılmaz MRI tarayıcısına aktarın ve ısmarlama bir beşiğe sabitleyin.
- Hayvanın sıcaklığını izlemek için hayvana gerçek zamanlı bir geri beslemeli rektal termometre yerleştirin. Sıcaklığı kontrol etmek için hayvanın gövdesinin altına bir ısıtma yastığı yerleştirin. MRI taramaları sırasında vücut ısısını 37.0 ± 0.5 °C'de tutun.
- Bir kas gevşetici olan pankuronyum (~2 mg / kg / s) karışımında ~ 25 mg / kg / s çözeltisi ile alfa-kloraloz verin, aynı zamanda hayvanı anestezi altında tutun ve fMRI görüntülerinde hareket artefaktlarını azaltın. İlaç miktarını ve ventilasyon oranını fizyolojik duruma göre ayarlayarak kan basıncını ve solunumu izleyin.
- fMRI deneyleri sırasında kuruluğu önlemek için hayvanın gözlerine oftalmik merhem uygulayın. Baş hareketi artefaktlarını önlemek için hayvanın kafasını iki kulak çubuğuyla güvenli bir şekilde sabitleyin.
- Kafasına bir alıcı-verici yüzey bobini sabitleyin. MRI ölçümlerinden önce bobini kafadaki Larmor frekansına (örneğin, 14.1 T'de 599 MHz) ayarlayın ve eşleştirin.
NOT: Burada, bir sıçanın tüm beynini örtmek için 22 mm çapında bobin kullanılır. - Ön pençenin derisine 1 ve 4 basamakları arasına bir çift iğne elektrodu yerleştirin ve bunları cerrahi bantla sabitleyin. Ve sonra, bu elektrotlara bir stimülasyon giriş kablosu bağladıktan sonra stimülasyonun düzgün çalıştığını onaylayın30.
- Hayvanı MRI deliğine yerleştirin ve yaklaşık olarak izo-merkeze yerleştirin.
4. Anatomik MR görüntülerinin ölçülmesi
- Ana kullanıcı arayüzündeki kalibrasyon menüsü düğmesini tıklatın. Ayarlama Platformu kullanıcı arayüzünde aşağıdaki öğeleri tıklatarak MRI sisteminin kalibrasyonlarını gerçekleştirin (konsol yazılımındaki Yardım menüsüne bakın): Temel rezonans frekansını bulun, RF darbe gücünü kalibre edin, En uygun alıcı kazancını ayarlayın, Şimleme için hayvandaki B0 haritasını ölçün, Lokalize edilmemiş serbest indüksiyon bozunumu (FID) integraline dayalı küresel doğrusal şimleri çalıştırın.
NOT: Bu adım 2 dakikadan az sürer. - MRI deliğinin içindeki hayvanın baş konumunu bulmak için "Tara" düğmesine tıklayarak bir Konum dizisi çalıştırın. Kafa izo-merkezde yer almıyorsa, kafa izo-merkeze yerleştirilene kadar beşiği ileri geri hareket ettirirken kafa konumunu ayarlayın.
- Kafadaki bir yatırım getirisini tanımlamak için "Tara" düğmesine tıklayarak bir Localizer dizisi çalıştırın. Harita Şim'i seçin ve yerelleştirici görüntüde tüm beyni kapsayacak şekilde dolgu hacminin yatırım getirisini tanımlayın ve ardından yatırım getirisindeki ana manyetik alan (B0) homojensizliklerini azaltmak için "Şim'e kadar" seçeneğini kullanarak yüksek dereceli (örneğin, 2. veya 3. dereceden) bir şimleme çalıştırın.
NOT: Yüksek dereceli şimleme, EPI dizileri kullanıldığında BOLD-fMRI verilerinin kalitesini artırmak için kritik bir adımdır. - Koronal görünümde tüm beyni kapsayan anatomik görüntüler elde etmek için "Tara" düğmesine tıklayarak T2 ağırlıklı bir RARE dizisi çalıştırın (örneğin, aşağıdaki dizi parametreleri kullanılır: tekrarlama süresi (TR) 4000 ms, etkili yankı süresi (TE) 36,1 ms, matris 128 x 128, görüş alanı (FOV) 19,2x19,2 mm2, dilim sayısı 32, dilim kalınlığı 0,3 mm, NADİR faktör 8).
NOT: Aşağıdaki gerçek zamanlı fMRI görselleştirme adımında, anatomik görüntüler 3B EPI görüntülerini şablon olarak kaydetmek için kullanılır.
5. Gerçek Zamanlı fMRI yazılım kurulumu ve fMRI yanıt görselleştirme
- Bir terminal penceresi açın ve aşağıdaki komutu kullanarak gerçek zamanlı AFNI eklenti yoluna gidin:
cd /home/(kullanıcı adı)/rt_afni
NOT: AFNI eklenti komut dosyası, "afni_rt" Ek dosyalarda bulunur. - Aşağıdaki komutu ve seçenekleri kullanarak AFNI yazılımını gerçek zamanlı eklentiyle çalıştırın.
afni -rt
-yestplugouts
-DAFNI_REALTIME_MP_HOST_PORT=localhost:(bağlantı noktası numarası)
-DAFNI_REALTIME_Graph=Gerçek zamanlı
-DAFNI_FIM_IDEAL=(Paradigma)
NOT: İlk durumda, kod harici programların AFNI ile veri alışverişinde bulunmasına izin verirken, ikinci durumda gerçek zamanlı eklenti kullanıcı tanımlı localhost ve bağlantı noktasına bir TCP soketi açmaya çalışacaktır. Üçüncü ve dördüncü durumlarda, kodlar fMRI verilerinin zaman seyrini gerçek zamanlı olarak çizecek ve gerçek zamanlı fMRI verileri elde edildiğinde sırasıyla fMRI zaman seyrinde kullanıcı tanımlı paradigmanın zaman seyrini çizecektir. Daha fazla bilgi için https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/README.environment.html'i kontrol edin. - Aşağıdaki seçeneklerle, Şekil 2'de gösterildiği gibi "Dimon" komutunu kullanarak tanımlanan yaklaşan AFNI BRIK dosyalarını izleyin:
Dimon -tr (EPİ'nin TR'si) -nt (EPI'nin NRepetitions)
-rt -quit
-infile_pattern gerçek zamanlı*. BRIK
-file_type AFNI
NOT: "Dimon", aşağıdaki seçenekleri kullanarak AFNI görüntü dosyalarının gerçek zamanlı alımını izlemek için kullanılan bir komuttur: gerçek zamanlı eklentiyi yürüten "-rt" ve "-infile_pattern (veri adı). BRIK -file_type AFNI", eklentinin belirli BRIK dosyalarını okumasına ve bunları görüntüleme ve biçimlendirme için AFNI'ye göndermesine olanak tanır. Daha fazla bilgi için https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/Dimon.html'i kontrol edin. - Aşağıdaki seçeneklerle "pvcmd" komutunu kullanın:
pvcmd -a JMacroManager JMMExecuteMacro -category $USER -macro Feed2AFNI_rt3DEPI
NOT: Bu kod, EPI alımı için "Tara" düğmesine tıklandıktan hemen sonra, arka plan makro komut dosyası "Setup_rt3DEPI" çalıştırmak için "Feed2AFNI_rt3DEPI" makro komut dosyasında bulunur. - EPI alma parametrelerini almak için aşağıdaki seçeneklerle "exec pvcmd" komutunu kullanın.
exec pvcmd -a ParxServer -r ParamGetValue -psid $ParSpaceId -param (EPI'nin PVM parametreleri) -id 10 -args $AcqKey $ParSpaceId $ProcnoPath - EPI ham verilerini arka plan makro komut dosyasında gerçek zamanlı olarak AFNI dosyalarına dönüştürmek için aşağıdaki seçeneklerle "exec to3d" komutunu kullanın, "Feed2AFNI_rt3DEPI".
exec to3d -omri -xFOV $FOV_X -yFOV $FOV_Y -zFOV $FOV_Z -önek $LastVolName $ImgFormat$Path2dseq - EPI geometrik bilgilerinin anatomi oryantasyonu ile tutarlı olduğundan emin olun.
NOT: "to3d" AFNI komutu, Şekil 2'de gösterildiği gibi her bir TR'den sonra her 3B birim verisi depolandığında, fMRI ham verilerini bir AFNI BRIK verisine dönüştürmek için görüş alanı (FOV) ve matris boyutu gibi geometrik bilgilerle otomatik olarak çalışacaktır. Görüntü yönü "to3d" geometrik bilgi parametreleri ile değiştirilebilir. Daha fazla bilgi için https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/to3d.html kontrol edin. - Bir elektriksel uyaran izolatörünü açın ve uyarılma bloklarını kullanarak bir uyarılmış fMRI çalışması (örneğin, 3Hz, 4s darbe genişliği 300us, 2.5mA) için elektriksel ön pençe stimülasyonu gerçekleştirin.
NOT: Burada, blok tasarım paradigması 10 ön stimülasyon taraması, 3 stimülasyon taraması ve 12 inter-stimülasyon taramasından (dönem başına 15 tarama) oluşur. - BOLD-fMRI etüdü için "Tara" düğmesini tıklatarak T2* ağırlıklı bir 3D EPI dizisi çalıştırın (ör. aşağıdaki parametreler kullanılır: TR/TE 1500/14 ms, matris 64 x 64 x 32, FOV 19,2 x 19,2 x 9,6 mm 3 ve çözünürlük 300 x 300 x 300 μm3).
NOT: "Tara" düğmesine tıklandığında, ham verilerin izlenmesi ve işlenmesi, önceden tanımlanmış makro komut dosyaları gerçek zamanlı olarak kullanılarak yapılacaktır. Bir AFNI BRIK veri kümesi dönüştürüldükten sonra, 3D EPI görüntüleri için voksel olarak zaman kursu grafikleri AFNI yazılımında görüntülenir ve her bir TR için otomatik olarak güncellenir. - EPI görüntülerini anatomik RARE görüntülerinin üzerine bindirmek için, adım 5.6'da olduğu gibi "to3d" komutunu kullanarak RARE görüntülerini bir AFNI BRIK veri kümesine dönüştürün, ardından EPI görüntülerini aşağıdaki seçeneklerle "align_epi_anat.py" AFNI komut dosyasını kullanarak anatomik görüntülere kaydedin:
align_epi_anat.py -anat anatomy_template_al+orig -epi epi.$(epi veri numarası)+orig -epi_base 1 -sonek _volreg -rat_align -cost lpa -epi2anat
NOT: Daha fazla ayrıntı için https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/ align_epi_anat.py.html kontrol edin. - BOLD yanıtlarının işlevsel haritalarını işlemek için, aşağıdaki seçeneklerle "3dDeconvolve" komutunu kullanarak belirli bir uyaran zaman serisine sahip 3D+time veri kümesinin dekonvolüsyonunu hesaplayın:
3dDeconvolve -input (giriş dosyası adı)+orig. -nfirst 0 -polort 3 -num_stimts 1 -stim_times 1 (stimülasyon paradigması dosya adı) 'BLOCK(4,1)' -stim_label 1 forepaw -tout -fout -rout
NOT: Uzamsal yumuşatma veya zamansal filtreleme gibi görüntü işleme adımları, özelleştirilmiş bir AFNI veri işleme komut dosyasına dahil edilmiştir. Daha fazla bilgi için https://afni.nimh.nih.gov/afni/doc/help/3dDeconvolve.html kontrol edin. - BOLD sinyallerinin işlevsel haritalarını görselleştirmek için, AFNI yazılımında etkileşimli bir kümeleme kullanın. "Bindirmeyi Tanımla" seçeneğini açın ve AFNI kullanıcı arayüzü menüsünden "Kümeler" işlevini kullanın.
- Son fMRI taramasından sonra, hayvanı MRI tarayıcısından çıkarın ve onaylanmış protokollere göre ötenazi yapın.
NOT: Gerçek zamanlı fMRI verilerini işlemek için AFNI'nin görüntü işleme işlevleri ve en son konsol yazılımındaki makro işlevler kullanılmıştır. Makro işlevlerinin ayrıntılı bilgileri ve açıklamaları konsol yazılımındaki yardım menüsünden bulunabilir. AFNI yazılımı, doğrudan NIMH-AFNI web sitesinden indirilebilen ücretsiz bir yazılımdır. AFNI ve konsol sistemi arasındaki bağlantıyı oluşturmak için ilgili komut dosyaları eklenir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Şekil 3 ve Şekil 4, temsili gerçek zamanlı voksel bilge BOLD-fMRI zaman rotasını ve elektriksel ön pençe stimülasyonlu fonksiyonel haritaları göstermektedir (3 Hz, 4 s, darbe genişliği 300 us, 2.5 mA). fMRI tasarım paradigması, toplam 8 çağ (130 tarama) ile 10 ön stimülasyon taraması, 3 stimülasyon taraması ve 12 inter-stimülasyon taramasından oluşur. Toplam tarama süresi 3 dakika 15 saniyedir (195 sn). Şekil 3, gerçek zamanlı edinme biçiminde blok tasarım paradigmasına (kırmızı çizgi) karşılık gelen karşıt FP-S1'in voksel açısından zaman seyrini (siyah çizgi) göstermektedir. Şekil 4, elektriksel ön pençe stimülasyonuna karşılık gelen aktif BOLD haritalarını göstermektedir. Etkinleştirilen bölgeler algılanır ve renkli kümeler (kırmızı ve sarı renkler) olarak görüntülenir. Deneyciler, kümelenmiş birimleri etkileşimli olarak keşfetmek ve bunları üst üste bindirilmiş renk kodlu bir görüntü olarak görüntülemek için AFNI yazılımındaki "Kümeler" işlevini kullanabilir.
Şekil 1: Ön pençe stimülasyonu için gerçek zamanlı fMRI deney düzeneği. Gerçek zamanlı fMRI kurulumunun basitleştirilmiş bir şeması ve kontrol parametrelerinin akışı (kesikli çizgiler) gösterilir. Bir bilgisayar (solda), darbe dizisi yürütme, uyaran izolatör kontrolü ve AFNI ile veri analizi için bir konsol olarak kullanılır. Diğer bilgisayar (sağda) fizyolojik bilgileri (örneğin, kan basıncı, solunum ve göğüs hareketi vb.) izlemek için kullanılır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: fMRI taraması sırasında veri işlemenin diyagramı. Gerçek zamanlı fMRI kurulumunda temsili makro ve AFNI işlevleriyle basitleştirilmiş bir veri işleme akış şeması gösterilir. fMRI taramalarına başlamadan önce, yeniden yapılandırma seçenekleri arasından "Görüntü Öncesi Etkinlikler" ve "Makro Yürüt" seçenekleri seçilir. "Setup_rt3DEPI" komut dosyası, "Tara" düğmesine tıklandığında bu seçenekler kullanılarak yürütülür. "Dimon" komutuyla, gerçek zamanlı AFNI dosyaları izlenir ve arka plan makro komut dosyası "Feed2AFNI_rt3DEPI" fMRI ham verilerini AFNI dosyalarına dönüştürdüğünde dinamik BOLD yanıtlarını görüntülemek için AFNI eklentisine gönderilir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Gerçek zamanlı voksel tabanlı fMRI yanıtları. Blok tasarımı stimülasyon paradigması sırasında birincil ön pençe somatosensoriyel (FP-S1) korteksten aktive edilmiş tek bir voksel zaman kursu grafiği (siyah çizgi) gösterilmiştir. Tekrarlayan fMRI tasarım paradigması (kırmızı çizgi) "afni -rt -DAFNI_FIM_IDEAL=(Paradigma)" ile tanımlanmıştır. Grafik, net ve kararlı BOLD yanıtlarının gerçek zamanlı olarak elektriksel stimülasyonu takip ettiğini göstermektedir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Kontralateral FP-S1 bölgelerinde elektriksel stimülasyona BOLD yanıtlarının fonksiyonel haritaları. FP-S1 bölgelerinde (sarı ve kırmızı renkler) aktive olan voksel kümeleri tanımlandı ve T2 ağırlıklı anatomik görüntülerin üzerine bindirilen tekrarlayan stimülasyon paradigması ile önemli ölçüde senkronize edildi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Dosyalar. Bu dosyaları indirmek için lütfen tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
fMRI sinyalinin gerçek zamanlı izlenmesi, deneycilerin fonksiyonel haritalamayı optimize etmek için hayvanların fizyolojisini ayarlamalarına yardımcı olur. Uyanık hayvanlardaki hareket artefaktları ve anestezik etki, fMRI sinyallerinin değişkenliğine aracılık eden ve sinyalin biyolojik yorumunu kendi başına karıştıran başlıca faktörlerdir 31,32,33,34,35,36,37,38 . Gerçek zamanlı fMRI platformu, tarama parametrelerinin ve anestezik uygulama şemalarının optimizasyonuna yardımcı olmak için anlık bilgiler sunar. Ayrıca, gerçek zamanlı beyin hemodinamik yanıtları, çok modlu beyin fonksiyonel çalışmalarında yeni stimülasyon paradigmaları için fMRI tabanlı biofeedback kontrol sinyalleri sağlamak için kullanılabilir.
Önerilen gerçek zamanlı fMRI kurulumuyla ilgili kalan bir endişe, satıcıya özgü konsol yazılımına olan teknik bağımlılıktır. Bu protokolde, gerçek zamanlı fMRI analiz komut dosyaları, bir konsol yazılımı (bkz. Malzeme Tablosu) sürüm 6 veya üstünü kullanarak bir dizi makro işlevi uygular. Önceki konsol yazılımındaki MR taramasının iş akışı (örneğin, PV sürüm 5 veya daha düşük), yükseltilmiş kullanıcı arayüzü ve yeni parametre tanımı nedeniyle en son sürümden farklıdır. Konsol sisteminin önceki sürümünü (PV sürüm 3) kullanarak, Lu ve ark. (2008), gerçek zamanlı fMRI kurulumunun, kokainin merkezi sinir sistemi üzerindeki etkisini incelemek için sıçan beynindeki ilaca bağlı hemodinamik sinyal değişikliklerinin izlenmesini sağladığını göstermiştir20. Bununla birlikte, bu kurulumlar son teknoloji ürünü elektronik cihazlara sahip yeni konsol yazılımına kolayca uygulanamaz. En son konsol yazılımında, önceden tanımlanmış makro komut dosyalarını çalıştırmak ve "Veri Yeniden Yapılandırma" nın "Görüntü Serisi Öncesi Etkinlikler" ve "Makroyu Yürüt" seçeneklerini seçerek taramaya başladıktan hemen sonra fMRI ham verilerini izlemek kritik bir adımdır.
Daha fazla görüntü işleme için, özelleştirilmiş AFNI işlevleri gerçek zamanlı görüntü işleme komut dosyalarına kolayca dahil edilebilir. Özellikle, uyanık hayvan fMRI38 için elektromiyografi (EMG) sinyali gibi hareketle ilgili izleri kullanarak gerçek zamanlı analiz sağlamak ve tüm beyin hemodinamik korelasyonunu belirtmek için GCaMP aracılı Ca2 + gibi çok modlu dinamik beyin sinyalini dahil etmek değerli olacaktır37. Ayrıca, bu gerçek zamanlı fMRI kurulumu, önceki insan çalışmalarına benzer şekilde kendi kendini düzenleyen beyni ve davranışları araştırmak için hayvan neurofeedback çalışmalarına genişletilebilir27.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Sascha Köhler, Bruker BioSpin MRI GmbH'de bir çalışandır.
Acknowledgments
PV 5 için gerçek zamanlı fMRI'yi kurmak üzere AFNI komut dosyasını paylaştıkları için Dr. D. Chen ve Dr. C. Yen'e ve yazılım desteği için AFNI ekibine teşekkür ederiz. Bu araştırma, NIH Beyin Girişimi fonu (RF1NS113278-01, R01 MH111438-01) ve Martinos Merkezi, Alman Araştırma Vakfı (DFG) Yu215/3-1, BMBF 01GQ1702 ve Max Planck Derneği'nin iç finansmanına S10 enstrüman hibesi (S10 RR023009-01) tarafından desteklenmiştir.
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 |
References
- Ogawa, S., Lee, T. M., Kay, A. R., Tank, D. W. Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation. Proceedings of the National Academy of Sciences U.S.A. 87 (24), 9868-9872 (1990).
- Belliveau, J. W., et al. Functional mapping of the human visual cortex by magnetic resonance imaging. Science. 254 (5032), 716-719 (1991).
- Stehling, M. K., Turner, R., Mansfield, P. Echo-planar imaging: magnetic resonance imaging in a fraction of a second. Science. 254 (5028), 43-50 (1991).
- Bandettini, P. A., Wong, E. C., Hinks, R. S., Tikofsky, R. S., Hyde, J. S. Time course EPI of human brain function during task activation. Magnetic Resonance in Medicine. 25 (2), 390-397 (1992).
- Kwong, K. K., et al. Dynamic magnetic resonance imaging of human brain activity during primary sensory stimulation. Proceedings of the National Academy of Science U. S. A. 89 (12), 5675-5679 (1992).
- Ogawa, S., et al. Intrinsic signal changes accompanying sensory stimulation: functional brain mapping with magnetic resonance imaging. Proceedings of the National Academy of Science U. S. A. 89 (13), 5951-5955 (1992).
- Biswal, B., Yetkin, F. Z., Haughton, V. M., Hyde, J. S. Functional connectivity in the motor cortex of resting human brain using echo-planar MRI. Magnetic Resonance in Medicine. 34 (4), 537-541 (1995).
- Logothetis, N. K. What we can do and what we cannot do with fMRI. Nature. 453 (7197), 869-878 (2008).
- Kim, S. G., Ogawa, S. Biophysical and physiological origins of blood oxygenation level-dependent fMRI signals. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 32 (7), 1188-1206 (2012).
- Peltier, S. J., et al. Functional connectivity changes with concentration of sevoflurane anesthesia. Neuroreport. 16 (3), 285-288 (2005).
- Dopfel, D., Zhang, N. Mapping stress networks using functional magnetic resonance imaging in awake animals. Neurobiology of Stress. 9, 251-263 (2018).
- Hu, X. P., Le, T. H., Parrish, T., Erhard, P. Retrospective Estimation and Correction of Physiological Fluctuation in Functional Mri. Magnetic Resonance in Medicine. 34 (2), 201-212 (1995).
- Birn, R. M. The role of physiological noise in resting-state functional connectivity. Neuroimage. 62 (2), 864-870 (2012).
- Caballero-Gaudes, C., Reynolds, R. C. Methods for cleaning the BOLD fMRI signal. Neuroimage. 154, 128-149 (2017).
- Pais-Roldan, P., Biswal, B., Scheffler, K., Yu, X. Identifying Respiration-Related Aliasing Artifacts in the Rodent Resting-State fMRI. Frontiers in Neuroscience. 12, 00788 (2018).
- Glover, G. H., Li, T. Q., Ress, D. Image-based method for retrospective correction of physiological motion effects in fMRI: RETROICOR. Magnetic Resonance in Medicine. 44 (1), 162-167 (2000).
- Chang, C., Cunningham, J. P., Glover, G. H. Influence of heart rate on the BOLD signal: The cardiac response function. Neuroimage. 44 (3), 857-869 (2009).
- Birn, R. M., Diamond, J. B., Smith, M. A., Bandettini, P. A. Separating respiratory-variation-related neuronal-activity-related fluctuations in fluctuations from fMRI. Neuroimage. 31 (4), 1536-1548 (2006).
- Golestani, A. M., Chang, C., Kwinta, J. B., Khatamian, Y. B., Chen, J. J. Mapping the end-tidal CO2 response function in the resting-state BOLD fMRI signal: Spatial specificity, test-retest reliability and effect of fMRI sampling rate. Neuroimage. 104, 266-277 (2015).
- Lu, H. B., et al. Real-time animal functional magnetic resonance imaging and its application to neurophamacological studies. Magnetic Resonance Imaging. 26 (9), 1266-1272 (2008).
- Cox, R. W., Jesmanowicz, A., Hyde, J. S. Real-time functional magnetic resonance imaging. Magnetic Resonance Medicine. 33 (2), 230-236 (1995).
- Lee, C. C., Jack, C. R., Rossman, P. J., Riederer, S. J. Real-time reconstruction and high-speed processing in functional MR imaging. American Journal of Neuroradiology. 19 (7), 1297-1300 (1998).
- Voyvodic, J. T. Real-time fMRI paradigm control, physiology, and behavior combined with near real-time statistical analysis. Neuroimage. 10 (2), 91-106 (1999).
- Cohen, M. S. Real-time functional magnetic resonance imaging. Methods. 25 (2), 201-220 (2001).
- Posse, S., et al. A new approach to measure single-event related brain activity using real-time fMRI: Feasibility of sensory, motor, and higher cognitive tasks. Human Brain Mapping. 12 (1), 25-41 (2001).
- Decharms, R. C. Reading and controlling human brain activation using real-time functional magnetic resonance imaging. Trends in Cognitive Sciences. 11 (11), 473-481 (2007).
- Bruhl, A. B. Making Sense of Real-Time Functional Magnetic Resonance Imaging (rtfMRI) and rtfMRI Neurofeedback. International Journal of Neuropsychopharmacology. 18 (6), (2015).
- Cox, R. W. AFNI: Software for analysis and visualization of functional magnetic resonance neuroimages. Computers and Biomedical Research. 29 (3), 162-173 (1996).
- Liou, W. W., Goshgarian, H. G. Quantitative assessment of the effect of chronic phrenicotomy on the induction of the crossed phrenic phenomenon. Experimental Neurology. 127 (1), 145-153 (1994).
- Shih, Y. Y., et al. Ultra high-resolution fMRI and electrophysiology of the rat primary somatosensory cortex. Neuroimage. 73, 113-120 (2013).
- Masamoto, K., Kim, T., Fukuda, M., Wang, P., Kim, S. G. Relationship between neural, vascular, and BOLD signals in isoflurane-anesthetized rat somatosensory cortex. Cerebral Cortex. 17 (4), 942-950 (2007).
- van Alst, T. M., et al. Anesthesia differentially modulates neuronal and vascular contributions to the BOLD signal. Neuroimage. 195, 89-103 (2019).
- Wu, T. L., et al. Effects of isoflurane anesthesia on resting-state fMRI signals and functional connectivity within primary somatosensory cortex of monkeys. Brain and Behavior. 6 (12), 00591 (2016).
- Liu, X., Zhu, X. H., Zhang, Y., Chen, W. The change of functional connectivity specificity in rats under various anesthesia levels and its neural origin. Brain Topography. 26 (3), 363-377 (2013).
- Liu, X. P., et al. Multiphasic modification of intrinsic functional connectivity of the rat brain during increasing levels of propofol. Neuroimage. 83, 581-592 (2013).
- Hutchison, R. M., Hutchison, M., Manning, K. Y., Menon, R. S., Everling, S. Isoflurane induces dose-dependent alterations in the cortical connectivity profiles and dynamic properties of the brain's functional architecture. Human Brain Mapping. 35 (12), 5754-5775 (2014).
- He, Y., et al. Ultra-Slow Single-Vessel BOLD and CBV-Based fMRI Spatiotemporal Dynamics and Their Correlation with Neuronal Intracellular Calcium Signals. Neuron. 97 (4), 925-939 (2018).
- Yoshida, K., et al. Physiological effects of a habituation procedure for functional MRI in awake mice using a cryogenic radiofrequency probe. Journal of Neuroscience Methods. 274, 38-48 (2016).
