Method Article

التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي علم البصريات الوراثي

DOI:

10.3791/53346

⸱

April 19th, 2016

 ,  ,  , 
1Neurology and Neurological Sciences, Stanford University, 2Electrical Engineering, Neurology and Neurological Sciences, Stanford University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يصف هذا البروتوكول الخطوات وتحليل البيانات المطلوبة لإجراء التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي البصري الوراثي (ofMRI) بنجاح. OFMRI هي تقنية جديدة تجمع بين قراءة الرنين المغناطيسي الوظيفي عالي المجال والتحفيز البصري الوراثي ، مما يسمح برسم خرائط خاصة بنوع الخلية للدوائر العصبية الوظيفية وديناميكياتها عبر الدماغ الحي بأكمله.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يمكن تحقيق الاتصال الوظيفي للدوائر العصبية الدقيقة عبر الدماغ السليم بأكمله من خلال التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي البصري الوراثي (ofMRI) ، وهي تقنية جديدة تجمع بين الدقة المكانية العالية نسبيا للرنين المغناطيسي الوظيفي عالي المجال ودقة التحفيز البصري الوراثي. يتم زرع الألياف البصرية التي تتيح توصيل أطوال موجية محددة من الضوء في عمق الدماغ في الجسم الحي في المناطق ذات الأهمية من أجل تحفيز أنواع الخلايا المستهدفة التي تم تحفيزها وراثيا على وجه التحديد للتعبير عن قنوات التوصيل عبر الغشاء الحساسة للضوء ، والتي تسمى opsins. يستخدم الرنين المغناطيسي الوظيفي لتوفير طريقة غير جراحية لتحديد الاستجابة الديناميكية العالمية للدماغ للتحفيز البصري الوراثي للدوائر العصبية المحددة من خلال قياس الإشارة المعتمدة على مستوى الأكسجين في الدم (BOLD) ، والتي توفر قياسا غير مباشر للنشاط العصبي. يصف هذا البروتوكول بناء غرسات الألياف البصرية ، وجراحات الزرع ، والتصوير بالتحفيز الضوئي وتحليل البيانات المطلوبة لإجراء التصوير بالرنين المغناطيسي بنجاح. باختصار ، يعد التحفيز الدقيق وقدرة مراقبة الدماغ بالكامل للتصوير بالرنين المغناطيسي من العوامل الحاسمة في جعل التصوير بالرنين المغناطيسي أداة قوية لدراسة الخلايا العصبية للدماغ في كل من الحالات الصحية والمريضة.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

علم البصريات الوراثي التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (ofMRI) هو أسلوب الرواية التي تجمع بين دقة مكانية عالية الميداني الرنين المغناطيسي الوظيفي مع دقة التحفيز علم البصريات الوراثي 1-11،38، مما يتيح نوع محدد خلية رسم خرائط الدوائر العصبية الوظيفية وديناميتها في كل أنحاء الدماغ. علم البصريات الوراثي يسمح لأنواع معينة من الخلايا لتكون هدفا للالتحفيز عن طريق إدخال قنوات تصرف العابرة للغشاء، ودعا opsins حساسة للضوء. يتم تعديل عناصر محددة من الدوائر العصبية وراثيا للتعبير عن هذه القنوات، مما يتيح تعديل ميلي ثانية واحدة، الجدول الزمني للنشاط في الدماغ سليمة 15/01. يوفر الرنين المغناطيسي الوظيفي طريقة غير الغازية لتحديد الاستجابة الديناميكية العالمية في الدماغ لتحفيز علم البصريات الوراثي من الدوائر العصبية المحددة من خلال قياس (BOLD) إشارة يتوقف الدم الأكسجين على المستوى-16-18، التي تنص على القياس غير المباشر لنشاط الخلايا العصبية.

الجمع بين هذه التقنيات اثنين، ويطلق عليه علم البصريات الوراثي التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (ofMRI)، هو مفيد خلال وسائل أخرى للنشاط الدماغ تسجيل خلال التحفيز مثل الكهربية لأنها يمكن أن توفر إطلالة على الدماغ بأكمله في قرار مكانية عالية نسبيا. هذا يمكن من اكتشاف نشاط الخلايا العصبية في استجابة لتحفيز المستهدفة على مسافات بعيدة من موقع التحفيز دون الحاجة لزرع أقطاب تسجيل الغازية 1-11. ofMRI هو مفيد أكثر من طريقة أكثر تقليدية من أداء التحفيز الكهربائي خلال الرنين المغناطيسي الوظيفي، والتي يمكن توظيف أنواع مختلفة من الخلايا بالقرب من القطب وبالتالي الخلط بين التأثير السببي للكل السكان 19. وبالإضافة إلى ذلك، الأقطاب الكهربائية المستخدمة في التحفيز الكهربائي والتيار ولدت يمكن أن تنتج القطع الأثرية خلال التصوير بالرنين المغناطيسي (20). في الواقع، ofMRI تمكن من مراقبة تأثير على نشاط الدماغ العالمي من modulati محددعلى مجموعة واسعة من أنواع الخلايا من خلال استخدام تقنيات الاستهداف الجيني متقدمة مثل نظام لجنة المساواة العرقية، السلمون المدخن في الحيوانات المعدلة وراثيا أو استخدام المروجين. التحكم البصري اندماجي مع مراقبة كامل الدماغ ممكنة مع ofMRI من خلال استخدام كل NpHR لمنع وChR2 لإثارة أنواع معينة من الخلايا. مجموعة أدوات علم البصريات الوراثي المتاحة للاستخدام في ofMRI كما تتحسن بسرعة مع مرور الوقت مع إدخال opsins مع زيادة الحساسية الخفيفة أو تحسين حركية، من استقرت opsins وظيفة خطوة (SSFOs) أو من opsins الحمراء تحولت قد ينفي الحاجة إلى الألياف المزروع والبصريات، وتمكين التحفيز غير الغازية أثناء التصوير 21. هذه الاحتمالات غير متوفرة مع التحفيز الكهربائي.

ومع ذلك، فقد تم الإبلاغ عن القطع الأثرية إشارة الناتجة عن تسخين الأنسجة بسبب تسليم خفيفة في الدماغ 22، حيث تبين أن التعديل الناجم عن درجة حرارة مرات الاسترخاء لإنتاج pseuالقيام التنشيط. ولذلك ينبغي على الباحثين أداء ofMRI على بينة من هذا نخلط المحتملين. مع الإعداد السليم والضوابط، ويمكن معالجة هذه المسألة. بالإضافة إلى ذلك، منخفضة نسبيا القرار الزماني لقياس استجابة الدورة الدموية في الرنين المغناطيسي الوظيفي قد يكون عاملا مقيدا لتطبيقات معينة من هذه التقنية.

هذا البروتوكول يصف أولا بناء يزرع الألياف البصرية التي تتيح تسليم موجات محددة من الضوء في عمق الدماغ في الجسم الحي. ثم يصف بروتوكول تسليم ناقلات فيروسية ترميز أوبسين الى منطقة في الدماغ دقة باستخدام جراحة المجسم. التالي بروتوكول يصف عملية التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي كامل الدماغ خلال التحفيز خفيفة في وقت واحد. وأخيرا، يحدد بروتوكول تحليل البيانات الأساسية من البيانات التي يحصل عليها.

من المذكرة، وعلم البصريات الوراثي هو موضح هنا يتطلب زرع المزمن للتسليم الضوء. ومع ذلك، فإن عملية زرع الألياف البصرية مستقرة والحيويةمتوافقة، والسماح للمسح الضوئي الطولي والتحقيق في الدوائر العصبية على مدى أشهر 23،24.

وباختصار، فإن التحفيز دقيق وكامل الدماغ مراقبة قدرة ofMRI عوامل حاسمة في اتخاذ ofMRI أداة قوية لدراسة connectomics من الدماغ. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تقدم نظرة جديدة في آليات الأمراض العصبية 25 عندما يقترن مع نماذج حيوانية مختلفة. في الواقع، وقد استخدم ofMRI لإلقاء الضوء على نشاط الشبكة من المناطق الفرعية الحصين متميزة المرتبطة المضبوطات 8. ولذلك، فإن المختبرات المهتمة في الإجابة على أسئلة علم الأعصاب على مستوى النظم تجد هذه التقنية من أهمية.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

بيان الأخلاق: الإجراءات التجريبية هنا تم اعتمادها من قبل لجنة جامعة ستانفورد المؤسسية رعاية الحيوان واستخدام (IACUC).

1. إعداد كابلات تصحيح والطويق يزرع

ملاحظة: وعلى الرغم من الكابلات التصحيح ويزرع الطويق المتاحة تجاريا، وتنتج هذه في المنزل تمكن التصاميم التخصص وسيكلف أقل.

  1. لإعداد كابل الألياف التصحيح لتقديم ضوء من الليزر لعملية الزرع في الدماغ، أولا يلتصق الألياف البصرية إلى الطول المطلوب.
    1. باستخدام الألياف الساطور، إنهاء الألياف الضوئية لإنتاج نهاية شقة في النقطة النهائية. إذا تم المغلفة الألياف مع سترة، تجريد سترة قبالة مع أداة تجريد الألياف مسبقا.
    2. يلتصق الطرف الآخر من الألياف الضوئية لإنتاج الطول المطلوب لكابل، وضمان أن كابل طويل بما فيه الكفاية لتمتد من مصدر الضوء للحيوان داخل تجويفالماسح الضوئي.
  2. خلط كمية صغيرة من الغراء الايبوكسي في نسبة 1: 1 على قطعة من رقائق الألومنيوم قبل فترة وجيزة من الخطوة التالية، كما يصبح الغراء الايبوكسي لزج جدا للاستخدام 5 دقائق بعد الخلط.
  3. باستخدام عصا خشبية صغيرة، وتطبيق بلطف الغراء الايبوكسي لجزء من الألياف التي سيتم وضعها داخل الجانب المقعر من الطويق السيراميك ومن ثم تطبيق قطرة صغيرة على سطح الجانب المسطح من الطويق. بعد إدراجه في الطويق، تأكد من أن طول صغير من الألياف (<0.5 مم) يبرز من الجانب المسطح من الطويق السيراميك. السماح للالغراء الايبوكسي لتتصلب O / N لأفضل النتائج.
  4. على جانب كابل الألياف البصرية التصحيح التي من شأنها الاتصال بمصدر ضوء الليزر، وتطبيق بلطف الغراء الايبوكسي لجزء من الألياف التي سيتم وضعها داخل الجانب المقعر من الطويق من نادي الموصل / PC ثم تطبيق صغير إسقاط على سطح الجانب المسطح من الطويق. بعد إدراجه في الطويق، وضمانأن طول صغير من الألياف (<0.5 مم) يبرز من الجانب المسطح من الطويق. السماح للالغراء الايبوكسي لتتصلب O / N لأفضل النتائج.
  5. تلميع نهاية شقة من الحلقات لكلا الجانبين من الكابل باستخدام قرص تلميع باستخدام ملاقط لممارسة الضغط النزولي لطيف على الطويق في حين جعل التناوب الرقم 8 على أوراق أكسيد الألومنيوم اللف (من 3 ميكرون إلى 1 ميكرون إلى 0.3 ميكرون حصى ).
  6. دراسة نهاية شقة من الطويق مع المجهر في التكبير 100X. تأكد من أن سطح نهاية مسطحة، بما في ذلك سطح الألياف الضوئية نفسها، خال من أي الغراء الايبوكسي. تواصل تلميع إذا بقي الايبوكسي الغراء على السطح. تأكد من أن سطح الألياف البصرية لم يكسر أو متكسرة.
    تنبيه: تأخذ ضمان الموظفين دورات تدريبية سلامة الليزر المناسبة وارتداء نظارات السلامة الليزر قبل التعامل مع معدات الليزر.
  7. قم بتوصيل كابل الألياف البصرية التصحيح إلى مصدر ضوء الليزر من خلال FC موصل / PC ومحاذاة وغيض IBER إلى النقطة المحورية للمقرنة. قياس انتقال السلطة الخفيفة من الألياف مع السلطة متر لضمان ناتج الضوء الكافي.
    ملاحظة: الخطوات التالية لإعداد الحلقات السيراميك مع الألياف البصرية لزرع المزمن في الدماغ. الحلقات السيراميك جوفاء في المركز وتحمل الألياف البصرية لتقديم الضوء من كابل التصحيح إلى المنطقة ذات الاهتمام (ROI) في الدماغ.
  8. باستخدام الألياف الساطور، إنهاء الألياف الضوئية لإنتاج نهاية شقة في النقطة النهائية. إذا تم المغلفة الألياف مع سترة، تجريد سترة قبالة مع أداة تجريد الألياف مسبقا.
  9. يلتصق الطرف الآخر من الألياف الضوئية لإنتاج الطول المطلوب للزرع في الدماغ. تحديد طول الألياف باستخدام أطلس التجسيمي لاستهداف العائد على الاستثمار داخل الدماغ.
    1. على سبيل المثال: لاستهداف الحصين الظهرية في الفئران أي ما يعادل 3.5 ملم أدناه bregma، تأكد من أن طول الألياف جاحظ من ferrulه هو 3.5 مم + 0.25 مم، وهو ما يمثل سماكة الجمجمة والسماح لهامش الخطأ. لذلك، تأكد من أن طول النهائي من الألياف هو 3.5 مم + 0.25 مم + 10.5 ملم (طول الطويق) = 14.25 ملم.
  10. خلط كمية صغيرة من الغراء الايبوكسي في نسبة 1: 1 على قطعة من رقائق الألومنيوم قبل فترة وجيزة من الخطوة التالية (الغراء الايبوكسي يصبح لزج جدا للاستخدام 5 دقائق بعد خلط).
  11. باستخدام عصا خشبية صغيرة، وتطبيق بلطف الغراء الايبوكسي لجزء من الألياف التي سيتم وضعها داخل الجانب المقعر من الطويق السيراميك ومن ثم تطبيق قطرة صغيرة على سطح الجانب المسطح من الطويق. بعد إدراجه في الطويق، تأكد من أن طول صغير من الألياف (<0.5 مم) يبرز من الجانب المسطح من الطويق السيراميك. السماح للالغراء الايبوكسي لتتصلب O / N لأفضل النتائج.
  12. تلميع نهاية شقة من الطويق باستخدام قرص تلميع باستخدام ملاقط لممارسة الضغط النزولي لطيف على الطويق في حين جعل الرقم 8 تناوبالصورة على الألومنيوم ورقة أكسيد اللف (من 3 ميكرون إلى 1 ميكرون إلى 0.3 ميكرون حصى).
  13. دراسة نهاية شقة من الطويق مع المجهر في التكبير 100X. تأكد من أن سطح نهاية مسطحة، بما في ذلك سطح الألياف الضوئية نفسها، خال من أي الغراء الايبوكسي. تواصل تلميع إذا بقي الايبوكسي الغراء على السطح. تأكد من أن سطح الألياف البصرية لم يكسر أو متكسرة.
  14. زوجان الطويق مصقول لكابل الألياف البصرية التصحيح مع كم الطويق وتوصيل كابل التصحيح لمصدر ضوء الليزر. قياس انتقال السلطة الخفيفة في غيض من الألياف مع السلطة متر لضمان كفاءة كافية.
  15. الاحتفاظ بسجل لانتاج الطاقة المطلوبة من الطويق كابل التصحيح لكل زرع الطويق لإخراج مستوى الطاقة المطلوب في غيض من الألياف الضوئية (2.5 ميغاواط في هذا البروتوكول). تجاهل الحلقات بمعدل توهين أكثر من 50٪ ومع نمط الانتاج غير دائرية.

2. التجسيمي عفريتجراحة lantation وحقن الفيروسات

  1. تأكد من أن أي إجراءات تجريبية تنطوي على استخدام الحيوانات معتمدة من IACUC المحلي. الحفاظ على ظروف معقمة خلال عملية جراحية البقاء على قيد الحياة من خلال اتباع الإجراءات العقيم، بما في ذلك استخدام القفازات المعقمة، وأقنعة معقمة، والستائر الجراحية المعقمة والأدوات الجراحية المعقمة.
    تنبيه: تأكد من الجراحين ويرتدي المعدات المناسبة الحماية الشخصية (PPE) بما في ذلك نظارات السلامة قبل البدء في إجراء. اتبع الإجراءات القياسية للسلامة الأحيائية عند العمل مع ناقلات الغدة المرتبطة (AAV)، مع الحرص على تجنب الرش. التخلص من النفايات AAV في حاوية واقية.
  2. تحميل حقنة ميكروليتر مع ما يكفي من AAV لحقن الحيوان زائد إضافي لحساب الخسائر المحتملة حجم (ما مجموعه 4 ميكرولتر لكل حيوان)، والحفاظ على حقنة على الجليد قبل الاستخدام. في هذا البروتوكول، يتم استخدام AAV5-CaMKIIa-hChR2 (H134R) -EYFP في عيار 4x10 12 VG / مل. وضع الحيوان تحت آيزوفلورانه التخدير مع غرفة الاستقراء، متصلة الدقة الأيزوفلورين مجموعة المرذاذ في 3-4٪ مع مصدر غاز الأكسجين.
  3. حلق الرأس مع الحلاقة الكهربائية وإجراء فرك الجراحية الثلاثي على الجلد باستخدام betadine و70٪ من الإيثانول الشطف.
  4. وبمجرد أن الحيوان هو في التخدير العميق (راجع المنعكس أخمص قدميها، ومعدل التنفس)، لشل حركة جمجمة الحيوان في جهاز التجسيمي مع ترصيع المواقع داخل أذني وشريط الأسنان.
    ملاحظة: إن الإجراء بأكمله تأخذ 1-2 ساعة، من تحريض التخدير إلى الانتعاش.
  5. تعيين التخدير على مستوى مناسب (1-3٪ الأيزوفلورين على المرذاذ) وباستمرار مراقبة العلامات الحيوية للحيوان، وتعديل التخدير عند الضرورة للحفاظ على معدل التنفس من ~ 40 نفسا / دقيقة. إدارة مرهم للعين على أعين الحيوان لمنع جفاف بينما تحت التخدير.
  6. جعل 15-20 ملم خط الوسط فروة الرأس شق مع مشرط وسحب فروة الرأس باستخدام المرقأة جراحية فيttached إلى السمحاق. إشارة امدا وbregma لوضع بت الحفر على إحداثيات العائد على الاستثمار.
  7. حفر حج القحف الصغيرة (2-3 ملم) على العائد على الاستثمار مع حفر الأسنان، مع الحرص على عدم ثقب الدماغ. إدراج ببطء إبرة تعلق على حقنة ميكروليتر من خلال حج القحف إلى العائد على الاستثمار في الدماغ.
  8. مع وحدة تحكم مضخة محقنة مكروية، وضخ 2 ميكرولتر من الحل متجه إلى العائد على الاستثمار. استخدام معدل تدفق 150 NL / دقيقة لتجنب تلف الأنسجة. بعد الحقن كاملة، انتظر 10 دقيقة قبل إزالة المحقنة ببطء، بمعدل 0.5 مم / دقيقة.
  9. بعد الحقن، تجف على سطح الجمجمة. امدا المرجعية وbregma لتأكيد الإحداثيات ومن ثم إدراج عملية الزرع الطويق إلى عمق الهدف (على سبيل المثال: 3.5 مم أسفل bregma لالحصين الظهرية) بمعدل حوالي 0.5 مم / دقيقة. جبل زرع الطويق في الجمجمة باستخدام الاسمنت الأسنان. بعد أن عزز الاسمنت الأسنان، وختم الجرح مع الغرز (الاشتراكيةزي 5-0 بالنسبة للفئران) حول الغطاء الاسمنت الأسنان.
  10. بعد الجراحة، ووضع الحيوان في قفصه يضم منفردة مع نصف القفص على رأس سخان للانتعاش التخدير. لا تترك حيوان غير المراقب حتى استعاد وعيه كافية للحفاظ على الاستلقاء القصية. لا تضع الحيوان في الشركة من الحيوانات الأخرى حتى تعافى تماما.
  11. لإدارة مرحلة ما بعد الجراحة من الألم، وإدارة البوبرينورفين تحت الجلد كل 12 ساعة في جرعة من 0.05 ملغ / كغ لمدة 24 ساعة. إدارة مسحوق المضادات الحيوية يوميا على موقع شق لمدة 3 أيام.
  12. إزالة الغرز بعد حوالي أسبوعين من عملية جراحية لمنع scabbing.
  13. الانتظار 4-6 أسابيع بعد الحقن الفيروس ليكفي للتعبير عن الجينات علم البصريات الوراثي قبل إجراء التجارب.

3. التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي علم البصريات الوراثي

تنبيه: توخ الحذر حول مجال مغناطيسي دائم من ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي. equipm آمنةوالأنف والحنجرة، بما في ذلك مولد وظيفة، مصدر الضوء، والتنفس الصناعي، capnograph والغاز الدبابات، بما فيه الكفاية بعيدا (على الأقل خارج حدود غاوس 5).

  1. وضع الحيوان تحت التخدير الغاز مع غرفة الاستقراء، متصلة الدقة الأيزوفلورين مجموعة المرذاذ بنسبة 5٪ مع مصدر غاز الأكسجين.
  2. وبمجرد أن الحيوان هو في التخدير العميق (لا ارادي الاختيار أخمص قدميها، ومعدل التنفس)، أنبوبا الحيوان وفقا لتفصيله في Rivard آخرون البروتوكول. (2006) للسماح رصد ثاني أكسيد الكربون بنسبة 26 capnography. ملاحظة: التنبيب أمر بالغ الأهمية في الحفاظ على مستويات مناسبة من ثاني أكسيد الكربون الزفير 2 أثناء التصوير.
  3. تأمين الحيوان في المهد الماسح الضوئي.
    ملاحظة: في هذا البروتوكول، تم إنتاج مهد المخصصة ولكن مثل هذه مهد أيضا متاحة تجاريا. وظائف الفئران مهد لتأمين الحيوان داخل الماسح الضوئي للتسليم من التخدير، والهواء الساخن وتقييد الحركة.
  4. تقديم مزيج من الأيزوفلورين (رانجينز 1،2-1،5٪) في أكسيد النيتروز حوالي 60٪ و 40٪ أكسجين عبر أنابيب من خلال المهد. تأكد من أن رأس الحيوان هو ثابت بشكل آمن من أجل تجنب الحركة الفنية.
  5. توفير الهواء الساخن من خلال أنابيب في المهد وإدراج مقياس الحرارة المستقيم مع زيوت التشحيم لمراقبة درجة حرارة الجسم. إدارة مرهم للعين على أعين الحيوان لمنع جفاف بينما تحت التخدير.
  6. قم بتوصيل كابل الألياف البصرية التصحيح إلى مصدر ضوء الليزر وقياس الناتج في طرف الطويق كابل التصحيح مع السلطة متر.
  7. ضبط لمستوى الطاقة المناسب (التي سبق تحديدها في الخطوة 1.15) لإنتاج المخرجات المرجوة (2.5 ميغاواط في هذا البروتوكول) في غيض من الألياف البصرية زرعها داخل الدماغ. منذ انتاج الطاقة المفرطة من الألياف البصرية يمكن أن يسبب تلف الأنسجة داخل الدماغ أو يسبب تسخين الأنسجة التي سوف تنتج القطع الأثرية إشارة، لا زيادة كبيرة في انتاج الطاقة من الليزرما وراء انتاج المقصود.
  8. منع تسرب الضوء من عملية الزرع مع مخروط من الشريط الكهربائي السوداء وتغطية أعين الحيوان. زوجين كابل الألياف البصرية إلى زرع الطويق على الحيوان مع كم الطويق.
  9. وضع لفائف على رأس الحيوان. إدراج مهد مع الحيوان إلى تحمل من الماسح الضوئي.
    ملاحظة: في هذا البروتوكول، وحلقة واحدة الإرسال والاستقبال كان العرف إنتاج لفائف ومضبوطة مسبقا لاستقبال الترددات الراديوية المثلى من أنسجة المخ.
  10. مراقبة معدل ودرجة حرارة الجسم في التنفس خلال هذه العملية، وضبط التنفس الصناعي وسخان ضروري للحفاظ على القيم الفسيولوجية في حدود (ضمان CO الزفير 2 هو 3 - 4٪ عن طريق تناوب المقابض على جهاز التنفس الصناعي لضبط تردد السكتة الدماغية وحجم وأن درجة الحرارة 37 درجة مئوية عن طريق النقر على الأسهم لتحديد درجة الحرارة).
  11. تحديد تسلسل المواقع إلى صورة الموقع رأس حيوان. إذا كانت بالمطر ليس في مركز ايزو، وضبط الحيوان رئيس الموقع وتكرار الفحص المواقع حتى الدماغ في مركز ايزو. تحديد تسلسل الملئ الخطية وانقر تحميل في نافذة اختيار تسلسل. بعد ذلك، انقر فوق ابدأ للحد من عدم تجانس الحقل المغناطيسي للأرض.
    ملاحظة: الملئ هو خطوة حاسمة من شأنها أن تؤثر بشكل مباشر على سلامة البيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي.
  12. تحديد تسلسل T2 المرجحة وانقر تحميل في نافذة اختيار تسلسل. بعد ذلك، انقر فوق ابدأ للحصول على صور عالية الدقة التشريحية الاكليلية T2 المرجحة قبل الرنين المغناطيسي الوظيفي للاطمئنان على سلامة الشاملة من الدماغ وتأكيد موقع زرع الألياف البصرية.
    ملاحظة: هذه الصور يمكن أن تستخدم تراكب التشريح لسلسلة مسح ofMRI.
  13. توصيل الكابلات BNC من ميناء اثار الماسح الضوئي التصوير بالرنين المغناطيسي لمولد وظيفة بحيث يتم طرد مصدر ضوء الليزر وفقا لنموذج التحفيز التجريبية.
    ملاحظة: في هذا البروتوكول، والتحفيز صaradigm 30 ثانية من خط الأساس تليها 20 ثانية على / 40 ثانية قبالة لمدة ستة دقائق.
  14. حدد متعددة شريحة أشار التدرج الصدى (GRE) تسلسل وانقر تحميل في نافذة اختيار تسلسل. بعد ذلك، انقر فوق ابدأ للحصول على 35 ملم × 35 ملم (2D فوف) في الطائرة شرائح الاكليلية مع 0.5 مم × 0.5 مم × 0.5 ملم الدقة المكانية.
    ملاحظة: تسلسل GRE المستخدمة هنا لديه الوقت التكرار (TR) والوقت الصدى (TE) من TR / TE = 750/12 ميللي ثانية، وزاوية الوجه 30 درجة.
  15. في ختام الفحص، وإزالة الحيوان من الماسح الضوئي ومراقبة حتى أيقظت ذلك من التخدير ويمكن الحفاظ على الاستلقاء القصية.

4. تحليل البيانات ofMRI

ملاحظة: يتم تنفيذ الخطوات التالية في MATLAB كما هو موضح في منشور على الإنتاجية العالية ofMRI 27.

  1. بعد أن تم نقل البيانات مسح الخام إلى الكمبيوتر المستخدمة للتحليل، استخدام انزلاق إعادة الإعمار نافذة لتحديث صورة كل TR، معقراءات دوامة أربع سنوات تعشيق، 750 TR مللي ثانية و 12 ميللي ثانية الوقت الصدى لاكتساب 23 شرائح في سلسلة المسح الضوئي. بدلا من إعادة البناء التقليدية حيث يتم بناء صور الرنين المغناطيسي الوظيفي جديدة إلا بعد الحصول جميع interleaves لكل شريحة، وانزلاق طريقة إعادة الإعمار نافذة يعيد الصور بعد الاستحواذ على كل البينية 27.
  2. معالجة البيانات الخام لإعادة الإعمار ثنائي الأبعاد gridding، تصحيح الحركة، وحساب السلاسل الزمنية كما هو موضح سابقا (27).
  3. استخدام أسلوب التماسك عتبة لتحديد voxels تنشيط عن طريق حساب تعديل في المئة من إشارة جريئة من كل فوكسل نسبة إلى فترة الأساس التي تم جمعها قبل التحفيز كما هو موضح سابقا (27). حساب قيم التماسك كما أن حجم تحويل فورييه في وتيرة دورات التحفيز المتكرر مقسوما على الساحات مبلغ من بين جميع مكونات تردد 8.
  4. باستخدام بيانات السلاسل الزمنية لكل الخامسoxel، متوسط ​​الصور لتصحيح الحركة التي تنتمي إلى مسح متتالية من نفس النموذج التحفيز لأول مرة. ثم محاذاة متوسط ​​الصور 4D لتنسيق إطار مشترك مع ست درجات من بين حرية هيئة جامدة التحول بالإضافة إلى التوسع الخواص للمقارنة داخل وبين الحيوانات كما هو موضح سابقا (27).

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الرقم 1 والرقم 2 تظهر بيانات تمثيلية الناتجة من 20 هرتز (15 مللي ثانية عرض النبضة، 473 نانومتر، واجب دورة 30٪) التحفيز علم البصريات الوراثي من القشرة الحركية. ونموذج التحفيز من 30 ثانية من خط الأساس تليها 20 ثانية على / 40 ثانية قبالة لتم استخدام ست دقائق. وقد أظهرت دراسات سابقة أن هذا النموذج ينتج إشارة جريئة قوية من 1،8 التحفيز علم البصريات الوراثي. ويوضح الشكل 1 voxels تنشيط الكشف على حد سواء في الموقع المحلي من التحفيز (القشرة الحركية) وفي المهاد، نتيجة للاتصالات متشابك بعيدة المدى بين هذه المناطق. ويبين الشكل 2 أن المعلومات الزمنية يمكن استخلاصها من HRFs، كما يتم تأخير استجابة مهادي (انخفاض المنحدر الأولي) مقارنة استجابة القشرة الحركية بعد التحفيز علم البصريات الوراثي.

p_upload / 53346 / 53346fig1.jpg "/>
الشكل 1. تفعيل خريطة BOLD الإشارة المستحث بواسطة علم البصريات الوراثي تحفيز CaMKIIa، معربا عن الخلايا في موتور اللحاء. القيم تماسك voxels النشطة، حدد تلك التي متزامنة إلى حد كبير في التحفيز المتكرر، وتظهر مضافين على شريحة التشريحية الاكليلية T2 المرجحة. البيانات التي تم جمعها على مدى ستة دقائق، 30 ثانية الفترة (الأولي الأساس 30 ثانية وستة التحفيز دورات و 20 ثانية على / 40 ثانية قبالة مع 473 ضوء نانومتر، 20 هرتز، 15 مللي ثانية عرض النبض) ومكثف في خريطة واحدة التنشيط. شرائح متتابعة هي 0.5 ملم وبصرف النظر، وتدل على مكان زرع الألياف البصرية من قبل المثلث. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-1
الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الحركة في هذا الموضوع أثناء التصوير هي مصدر كبير من القطع الأثرية التي يمكن أن تؤدي إلى تلف البيانات. تأمين بشكل مناسب الحيوان على مهد التصوير يمكن التقليل من هذه القطع الأثرية كما سيتم الحفاظ على مستويات التخدير المناسبة. هنا، كنا الأيزوفلورين لكن التخدير بديلة، مثل medetomidine أو الكيتامين وزيلازين، ينبغي النظر أيضا. ومع ذلك، يمكن للمستويات واختيار من مخدر يؤثر على العديد من المعلمات في الدماغ، بما في ذلك الاستجابة BOLD 28. الأيزوفلورين يمكن أن تسبب تغيرات في استثارة الخلايا العصبية 29. يمكن التخدير أخرى أيضا تؤثر على GABA تثبيط متشابك 30. وهكذا، واختيار من التخدير هو المهم عند تنفيذ ofMRI نظرا قدرتها على قد يؤثر على نشاط الخلايا العصبية. ofMRI في غياب التخدير من الممكن ولكن يمكن أن يكون تحديا مع زيادة حركة من الحيوان، والتي يمكن أن تخفض إذا كان الحيوان الذي تعود. وقد سبق إجراء مثل هذه الدراسات ofMRI مستيقظا لالثانية أن تجنب الخلط ما بين أثر التخدير على الدماغ 9،10. معالجة ما بعد خوارزميات تصحيح الحركة يمكن استخدامها للتخفيف كثيرا من آثار الحركة. العديد من هذه الطرق موجودة، بما في ذلك معكوس جاوس-نيوتن الخوارزمية المستخدمة في هذا البروتوكول، الذي يقلل من مجموع دالة التكاليف الساحات الصورة المرجعية وصورة تحت التصحيح. الخوارزمية هي مفيدة لأنه يمكن تصحيح الحركة سريع وقوي، وذلك باستخدام الجرافيك تصميم منصة موازية لتقليل أوقات معالجة 27.

لإعادة الإعمار البيانات في هذا البروتوكول، واستخدام برامج مكتوبة مخصصة في بيئة MATLAB لإعادة الإعمار gridding ثنائي الأبعاد، حيث يتم بناؤها عينات دوامة في ك الفضاء إلى صور الشبكية 31-33. تم إنشاء بيانات السلاسل الزمنية عن طريق حساب تعديل في المئة من إشارة جريئة من كل فوكسل نسبة إلى فترة الأساس التي تم جمعها قبل التحفيز. تم SYN Voxels الذي السلاسل الزمنيةchronized إلى كتل من التحفيز علم البصريات الوراثي مع قيمة التماسك من 0.35 أو أكثر تم تعريفها بأنها voxels المنشط؛ هذه القيمة التماسك يناظر أقل من 10 -9 قيمة P 8. تم حساب قيم التماسك كما أن حجم تحويل فورييه في وتيرة دورات التحفيز المتكرر مقسوما على الساحات مبلغ من بين جميع مكونات تردد 8،27. يمكن التحكم خطأ Familywise باستخدام تصحيح بونفيروني للمقارنات متعددة. طرق بديلة للتحليل يمكن استخدامها، بما في ذلك الاختبارات الإحصائية المعلمية مثل النموذج الخطي العام (GLMs). وتتطلب هذه الطريقة تماسك المعرفة أقل مسبقة من قوة حقوق الإنسان بالمقارنة مع النموذج الخطي العام التقليدي. لذلك، فإنه من المفيد عند استكشاف البيانات باستخدام ofMRI. ومع ذلك، فإن طريقة الترابط يمكن فقط استخدام البيانات مع تصاميم كتلة أو اختيار التصاميم ذات الصلة بالحدث مع ثابت interstimulus الفاصل، ولا يجوز استخدامها في البيانات ofMRI مع غيرها من الحدث RELAتيد التصاميم أو تصاميم مختلطة. وفي وقت لاحق، والنمذجة السببية الحيوي (DCM) يمكن استخدامها لتحليل التفاعلات بين مناطق الدماغ التي تم تحديدها من خلال ofMRI. • قرار مجلس الوزراء هو تقنية إحصائية النظرية الافتراضية المتقدمة لتحليل الربط الوظيفي من استجابات النظام على المدخلات التجريبية خلال الرنين المغناطيسي الوظيفي (34).

وتناقش مشاكل فنية إضافية لofMRI هنا. يزرع يمكن أن تتلف أو تسقط، مما يؤدي إلى إزالة حيوان مصاب من الدراسة. لا ينصح جراحات إعادة زرع نظرا لعدم اليقين استهداف نفس العائد على الاستثمار كما في جراحة زرع الأصلية وبسبب قضايا الرفق بالحيوان. بسبب قدرا كبيرا من الوقت والموارد المستثمرة في كل موضوع الحيوان، النظر في قوة المادة هو مصدر قلق كبير عند اختيار الاسمنت الأسنان مناسبة للاستخدام في الدراسات ofMRI. جراحة زرع عاملا هاما في زيادة طول العمر للimplanر وتخضع الحيوانات. على سبيل المثال، وضمان أن الجمجمة جافة قبل تطبيق الاسمنت الأسنان ووضع كمية كافية من الاسمنت حول زرع الطويق السيراميك يمكن ضمان الاستقرار على مدى زمني طويل أشهر المحتملة للحيوان أثناء الدراسة. بالإضافة إلى ذلك، تصاميم قفص بديلة يمكن استكشاف ومناقشة مع مرفق الرعاية للحيوانات المحلية لتجنب أقفاص مع قمم سلك عقد الغذاء والماء التي غالبا ما تبرز في قفص وتوفير فرص للحيوان إلى تلف الزرع. الأهم من ذلك، يجب اختيار الاسمنت الأسنان بعناية للحد من الأعمال الفنية التي تؤثر على التصوير والأسمنت البديلة يمكن اختبارها من قبل التطبيق على شبحا والتصوير في الماسحة الضوئية قبل استخدامها في التجارب على الحيوانات. وقد أظهرت التجربة والخطأ مع مختلف والأسمنت الأسنان التي الاسمنت المستخدمة في هذا البروتوكول يعطي عدد قليل نسبيا من الأعمال الفنية. التحدي التقني آخر في أداء ofMRI هو دقة وضع الألياف البصرية في العائد على الاستثمار المنشود، نظرا لEXTRمسافات صغيرة emely التي يمكن أن توجد بين نوى في الدماغ 35. بعد الانتهاء من العمليات الجراحية زرع والمسح الضوئي التشريحية T2 المرجحة يمكن استخدامها لتحديد موضع الصحيح عن طريق تغطية على أطلس الدماغ. مهارة الجراح وممارسة إجراء هذه العمليات يمكن أن تحسن معدلات التوظيف الصحيح. خصوصية والتعبير عن أوبسين في العائد على الاستثمار المقصود يمكن التحقق في ختام الدراسة التي perfusing الحيوان وتحديد الدماغ، وذلك باستخدام المناعية أو مضان الذاتية مراسل البروتين الموسومة إلى أوبسين التصور. ويمكن أيضا أن هذه البروتينات مراسل أن colocalized مع بروتينات أخرى للتأكد من أن يتم التعبير عن أوبسين في أنواع الخلايا العصبية المطلوب 1،8،15،25. كما ذكرنا سابقا، يمكن أن تنشأ عند تنفيذ الأعمال الفنية ofMRI بسبب التدفئة الأنسجة من تسليم الخفيف 22. يؤدي تسخين الأنسجة تعديل اوقات الاسترخاء، مما أدى في إشارة جريئة كاذبة. للتأكد من أن ميلانيحصر تفعيل الناتجة عن التحفيز خفيفة خلال ofMRI لا يعود إلى هذه الأداة، يجب أن يتم تنفيذ الضوابط أوبسين السلبي الذي إما المالحة حقن الحيوانات أو الحيوانات المحقونة مع ناقلات السيطرة fluorophore (مثل AAV-CaMKIIa-EYFP) تخضع ofMRI. بالإضافة إلى ذلك، الألياف فقط شيدت بشكل جيد يزرع البصرية جيدة مع كفاءة انتقال الخفيفة ينبغي أن تستخدم لإزالة الحاجة إلى استخدام الصلاحيات ليزر عالية. وقد أجريت دراسات ofMRI الذي تفعيل كاذبة بسبب التدفئة الأنسجة لم تكن مسألة 1،6-8،10،11.

فيما يتعلق باختيار متجه لإدخال الجينات علم البصريات الوراثي المطلوبة في الخلايا العصبية للتعبير، ليست معروفة AAVS أن تسبب المرض لدى البشر، وبالتالي فهي خيار مناسب، نظرا لمستوى السلامة الأحيائية أقل المطلوبة لاستخدام هذه العوامل (BSL-1). وبالإضافة إلى ذلك، العديد من النوى ناقلات تحمل AAVS حزم مع الجينات المختلفة علم البصريات الوراثي في ​​الأسهم ومع الأنماط المصلية متعددة. يجب اختيار النمط المصلي من AAV بASED على الهدف سكان الخلية تهدف إلى ضمان مستويات التعبير الأمثل 36،37. ويمكن أيضا أن تستخدم Lentiviruses ولكنها تتطلب مستوى أعلى للسلامة الأحيائية. الفترة الزمنية اللازمة ليكفي للتعبير عن الجينات علم البصريات الوراثي متغيرة اعتمادا على نموذج حيواني المحددة المستخدمة، على AAV معين المستخدمة وعلى النموذج التجريبي محددة. في هذا البروتوكول، وتستخدم الفئران سبراغ داولي في 11 أسابيع من العمر ودراسات علم البصريات الوراثي يبدأ أربعة إلى ستة أسابيع بعد الحقن بالفيروس. ويمكن أيضا أن الفئران المعدلة وراثيا يمكن استخدامها في دراسات علم البصريات الوراثي. فمن الضروري لأداء التجارب الرائدة لتحديد كمية محددة من الوقت اللازم للتعبير كاف من opsins. نماذج التحفيز يمكن أن تختلف تبعا لأوبسين المحددة المستخدمة. في هذا البروتوكول، يتم استخدام AAV5-CaMKIIa-hChR2 (H134R) -EYFP ونموذج التحفيز هو 20 ثانية على / 40 ثانية قبالة. إذا باستخدام SSFO، فإن نموذج التحفيز تختلف لأن SSFO يتطلب سوى نبضة قصيرة من الضوء ليكون ميلانtivated ثم نبضة قصيرة من الضوء في الطول الموجي آخر سيتم إنهاؤها.

لقلق بالغ إضافي عند تنفيذ ofMRI يمنع تسرب الضوء من واجهة زرع الطويق مع كابل الألياف البصرية التصحيح خلال التحفيز علم البصريات الوراثي للحيلولة دون إشارة الدماغ التباس القادمة من التحفيز البصري، حتى عندما يتم تخدير الحيوان. مخاريط من الشريط الكهربائي الأسود يمكن أن تستخدم لمنع الضوء من الحلقات ولتغطية أعين الحيوان. الأهم من ذلك، القيم الفسيولوجية بما في ذلك الزفير CO 2 ودرجة حرارة الجسم للموضوع يجب أن يبقي بشكل صحيح طوال فترة التصوير. يجب أن تبقى الزفير CO 2 بين 3-4٪ ودرجة حرارة الجسم عند 37 درجة مئوية. وبالإضافة إلى ذلك، فإن تسلسل الملئ للحد قدر ممكن التجانس في الحقل المغناطيسي للأرض قبل البدء ofMRI بمسح كثيرا يحدد نوعية البيانات BOLD الناتجة عن ذلك. السيطرة على هذه العواملأمر بالغ الأهمية في إنتاج البيانات ofMRI موثوقة. في هذا البروتوكول، وتستخدم أشعة الليزر DPSS كمصدر للضوء لتحفيز علم البصريات الوراثي. بسبب ضوء الليزر هو متماسك، أكثر من ما يكفي من القوة يمكن توفيره بسهولة من خلال الألياف البصرية. هي مصادر الضوء LED بالإضافة إلى الألياف البصرية المتاحة من الباعة التجارية، ولكن لديها عيب السلطة انخفض من انتقال الضوء. مصدر ضوء الليزر لا تتطلب محاذاة إلى كل كابلات الألياف البصرية التصحيح معين، ولكن مع الممارسة، والمحاذاة ويمكن تحقيق ذلك في غضون ثوان إلى دقائق.

وتشمل التطبيقات المستقبلية من ofMRI استخدام opsins الجيل القادم مثل opsins الحمراء تحولت إلى تمكين التحفيز غير الغازية أثناء التصوير. بالإضافة إلى ذلك، يمكن غرس التصوير بالرنين المغناطيسي متوافق مع التخطيط الدماغي أو أقطاب تسجيل مماثلة مع زرع الألياف البصرية تسمح للحصول على بيانات عالية الدقة الزمنية بالإضافة إلى البيانات المكانية قرار عالية من التصوير بالرنين المغناطيسي. ofMRI مع electrophysiolتسجيل ogical يمكن أن توفر معلومات مستفيضة عن الربط الوظيفي للدماغ. وباختصار، فإن قوة ofMRI لمراقبة الدماغ بأكمله في الاستجابة لتحفيز السكان خلية معينة تحددها هوية جينية أو تشريحية يجعل ofMRI أداة حاسمة لاستخدامها في دراسة الأمراض العصبية ومن connectomics من الدماغ بصحة جيدة.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم دعم هذا العمل من خلال تمويل من جائزة NIH / NIBIB R00 (4R00EB008738) ، وجائزة منحة أبحاث مؤسسة Okawa ، وجائزة المبتكر الجديد لمدير المعاهد الوطنية للصحة (1DP2OD007265) ، وجائزة NSF CAREER (1056008) ، وزمالة أبحاث مؤسسة Alfred P. Sloan. يود JHL أن يشكر كارل ديسيروث على توفير بلازميدات الحمض النووي المستخدمة في تجارب البصريات الوراثية. يود المؤلفون أيضا أن يشكروا أندرو ويتز ومانكين تشوي لتحرير المخطوطة وجميع أعضاء مختبر لي على مساعدتهم في تجارب التصوير بالرنين المغناطيسي.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
7 Tesla scannerAgilent TechnologiesDiscovery MR901 System
Sprague Dawley ratsCharles RiverCrl: SD11 أسبوعا
FujikuraCT-05
الألياف الضوئية متعددة الأوضاعThor LabsAFS105 / 125Y
متجرد الألياف   ؛  Thor LabsT08S13
السيراميك المنفصل الأكماممنتجات الألياف الدقيقةSM-CS1140S
غراء الايبوكسيThor LabsG14250
التطبيق ذات الرأس القطنيStoelting Co.50975
زركونيا السيراميك متعددة الأوضاعمنتجات الألياف الدقيقةMM-FER2002
FC / PC موصل متعدد الأوضاعThor Labs30128C3
قرص تلميع الألياف البصريةمنتجات الألياف الدقيقةM1-80754
ورقة لف أكسيد الألومنيوم ، 0.3 & مايكرو ؛ مThor LabsLFG03P
ورقة اللف أكسيد الألومنيوم ، 1 & micro ؛ مThor LabsLFG1P
ورقة اللف أكسيد الألومنيوم ، 3 & micro ؛ mThor LabsLFG3P
مجهر بيولوجي مجهر 40X-1,000XنظاراتB100
KentekKXL-62W01
473 نانومتر DPSS ليزرLaserglowLRS-0473
594 نانومتر DPSS ليزرLaserglowLRS-0594
Allen مجموعةمفتاح ربط سداسي2.0 مم (5/64 بوصة) لمحاذاة طرف الألياف إلى النقطة المحورية للمقرنة في
عداد طاقة الليزر ، مستشعر Si ، 400-1،100 نانومترThor LabsPM121D
Isoflurane (Isothesia)Henry Schein   ؛50033
مبخر الأيزوفلوران مع غرفة الحثVetEquip901806
NanoFil 100 & micro; ل حقنةالأدوات الدقيقة العالميةNANOFIL-100
UltraMicroPump مع وحدة تحكم SYS-Micro4World Precision InstrumentsUMP3-1
مولد وظيفةA.M.P.I.   ؛Master-8
الصغير stereotaxديفيد كوبف الآلاتنموذج 940 
موديل 683 جهاز التنفس الصناعي للحيوانات الصغيرة هارفارد550000
نوع 340 كابنوغراف هارفارد733809
مثقاب الأسنان (مجموعة المحركات الدقيقة الدوارة) شركةفوردوم إلكتريكK.1070
مرهم للعيون (دموع اصطناعية)الرجبي00536-6550-91
معقم الأدواتCellPoint ScientificGerminator 500معقم حبة زجاجية
مسحوق مضاد حيويPfizerNEO-PREDEFكبريتات النيومايسين وخلات الأيزوفلوبريدون وتتراكايين هيدروكلوريد
بوبرينورفين مسكن للألمHospiraNDC:0409-2012مادة خاضعة للرقابة من الجدول الثالث ، مخزون 0.3 مجم / مل
من الألياف الليفية البالغة من العمر أدوات حلقات أمان بالليزر Amscope جهاز جهاز

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Global and local fMRI signals driven by neurons defined optogenetically by type and wiring. Nature. 465 (7299), 788-792 (2010).">Lee, J. H., et al. Global and local fMRI signals driven by neurons defined optogenetically by type and wiring. Nature. 465 (7299), 788-792 (2010).
  2. Progress with optogenetic functional MRI and its translational implications. Future Neurol. 8 (6), 691-700 (2013).">Weitz, A. J., Lee, J. H. Progress with optogenetic functional MRI and its translational implications. Future Neurol. 8 (6), 691-700 (2013).
  3. Informing brain connectivity with optogenetic functional magnetic resonance imaging. NeuroImage. 62 (4), 2244-2249 (2012).">Lee, J. H. Informing brain connectivity with optogenetic functional magnetic resonance imaging. NeuroImage. 62 (4), 2244-2249 (2012).
  4. Tracing Activity Across the Whole Brain Neural Network with Optogenetic Functional Magnetic Resonance Imaging. Front. Neuroinform. 5 (October), 1-7 (2011).">Lee, J. H. Tracing Activity Across the Whole Brain Neural Network with Optogenetic Functional Magnetic Resonance Imaging. Front. Neuroinform. 5 (October), 1-7 (2011).
  5. Characterization of the Functional MRI Response Temporal Linearity via Optical Control of Neocortical Pyramidal Neurons. J. Neurosci. 31 (42), 15086-15091 (2011).">Kahn, I., et al. Characterization of the Functional MRI Response Temporal Linearity via Optical Control of Neocortical Pyramidal Neurons. J. Neurosci. 31 (42), 15086-15091 (2011).
  6. Optogenetic Activation of CA1 Pyramidal Neurons at the Dorsal and Ventral Hippocampus Evokes Distinct Brain-Wide Responses Revealed by Mouse fMRI. PLoS ONE. 10 (3), e0121417(2015).">Takata, N., et al. Optogenetic Activation of CA1 Pyramidal Neurons at the Dorsal and Ventral Hippocampus Evokes Distinct Brain-Wide Responses Revealed by Mouse fMRI. PLoS ONE. 10 (3), e0121417(2015).
  7. Neural and hemodynamic responses to optogenetic and sensory stimulation in the rat somatosensory cortex. J. Cereb. Blood Flow Metab. 35 (6), 922-932 (2015).">Iordanova, B., Vazquez, A. L., Poplawsky, A. J., Fukuda, M., Kim, S. -G. Neural and hemodynamic responses to optogenetic and sensory stimulation in the rat somatosensory cortex. J. Cereb. Blood Flow Metab. 35 (6), 922-932 (2015).
  8. Optogenetic fMRI reveals distinct, frequency-dependent networks recruited by dorsal and intermediate hippocampus stimulations. NeuroImage. 107, 229-241 (2015).">Weitz, A. J., et al. Optogenetic fMRI reveals distinct, frequency-dependent networks recruited by dorsal and intermediate hippocampus stimulations. NeuroImage. 107, 229-241 (2015).
  9. Mapping brain networks in awake mice using combined optical neural control and fMRI. J. Neurophysiol. 105 (December 2010), 1393-1405 (2011).">Desai, M., et al. Mapping brain networks in awake mice using combined optical neural control and fMRI. J. Neurophysiol. 105 (December 2010), 1393-1405 (2011).
  10. Mapping the functional network of medial prefrontal cortex by combining optogenetics and fMRI in awake rats. NeuroImage. 117 (0), 114-123 (2015).">Liang, Z., Watson, G. D. R., Alloway, K. D., Lee, G., Neuberger, T., Zhang, N. Mapping the functional network of medial prefrontal cortex by combining optogenetics and fMRI in awake rats. NeuroImage. 117 (0), 114-123 (2015).
  11. Direct in vivo assessment of human stem cell graft-host neural circuits. NeuroImage. 114 (0), 328-337 (2015).">Byers, B., et al. Direct in vivo assessment of human stem cell graft-host neural circuits. NeuroImage. 114 (0), 328-337 (2015).
  12. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nat. Neurosci. 8 (9), 1263-1268 (2005).">Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., Deisseroth, K. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nat. Neurosci. 8 (9), 1263-1268 (2005).
  13. Tuning arousal with optogenetic modulation of locus coeruleus neurons. Nat. Neurosci. 13 (12), 1526-1533 (2010).">Carter, M. E., et al. Tuning arousal with optogenetic modulation of locus coeruleus neurons. Nat. Neurosci. 13 (12), 1526-1533 (2010).
  14. Channelrhodopsin-2 and optical control of excitable cells. Nat. Methods. 3 (10), 785-792 (2006).">Zhang, F., Wang, L. P., Boyden, E. S., Deisseroth, K. Channelrhodopsin-2 and optical control of excitable cells. Nat. Methods. 3 (10), 785-792 (2006).
  15. Cell type-specific channelrhodopsin-2 transgenic mice for optogenetic dissection of neural circuitry function. Nat. Methods. 8 (9), 745-752 (2011).">Zhao, S., et al. Cell type-specific channelrhodopsin-2 transgenic mice for optogenetic dissection of neural circuitry function. Nat. Methods. 8 (9), 745-752 (2011).
  16. Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 87 (24), 9868-9872 (1990).">Ogawa, S., Lee, T. M., Kay, A. R., Tank, D. W. Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 87 (24), 9868-9872 (1990).
  17. Intrinsic signal changes accompanying sensory stimulation: functional brain mapping with magnetic resonance imaging. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 89, 5951-5955 (1992).">Ogawa, S., et al. Intrinsic signal changes accompanying sensory stimulation: functional brain mapping with magnetic resonance imaging. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 89, 5951-5955 (1992).
  18. Dynamic magnetic resonance imaging of human brain activity during primary sensory stimulation. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 89, 5675-5679 (1992).">Kwong, K. K., Belliveau, J. W., et al. Dynamic magnetic resonance imaging of human brain activity during primary sensory stimulation. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 89, 5675-5679 (1992).
  19. Electric stimulation fMRI of the perforant pathway to the rat hippocampus. Magn. Reson. Imaging. 26, 978-986 (2008).">Canals, S., Beyerlein, M., Murayama, Y., Logothetis, N. K. Electric stimulation fMRI of the perforant pathway to the rat hippocampus. Magn. Reson. Imaging. 26, 978-986 (2008).
  20. Imaging artifacts induced by electrical stimulation during conventional fMRI of the brain. NeuroImage. 85 (3), (2014).">Antal, A., et al. Imaging artifacts induced by electrical stimulation during conventional fMRI of the brain. NeuroImage. 85 (3), (2014).
  21. ReaChR: a red-shifted variant of channelrhodopsin enables deep transcranial optogenetic excitation. Nat. Neurosci. 16 (10), 1499-1508 (2013).">Lin, J. Y., Knutsen, P. M., Muller, A., Kleinfeld, D., Tsien, R. Y. ReaChR: a red-shifted variant of channelrhodopsin enables deep transcranial optogenetic excitation. Nat. Neurosci. 16 (10), 1499-1508 (2013).
  22. FMRI response to blue light delivery in the naïve brain: Implications for combined optogenetic fMRI studies. NeuroImage. 66, 634-641 (2013).">Christie, I. N., et al. FMRI response to blue light delivery in the naïve brain: Implications for combined optogenetic fMRI studies. NeuroImage. 66, 634-641 (2013).
  23. An optical neural interface: in vivo control of rodent motor cortex with integrated fiberoptic and optogenetic technology. J. Neural Eng. 4, S143-S156 (2007).">Aravanis, A. M., et al. An optical neural interface: in vivo control of rodent motor cortex with integrated fiberoptic and optogenetic technology. J. Neural Eng. 4, S143-S156 (2007).
  24. Optogenetic brain interfaces. IEEE Rev. Biomed. Eng. 7, 3-30 (2014).">Pashaie, R., et al. Optogenetic brain interfaces. IEEE Rev. Biomed. Eng. 7, 3-30 (2014).
  25. Optical deconstruction of parkinsonian neural circuitry. Science. 324, 354-359 (2009).">Gradinaru, V., Mogri, M., Thompson, K. R., Henderson, J. M., Deisseroth, K. Optical deconstruction of parkinsonian neural circuitry. Science. 324, 354-359 (2009).
  26. Rat intubation and ventilation for surgical research. J. Invest. Surg. 19, 267-274 (2006).">Rivard, A. L., et al. Rat intubation and ventilation for surgical research. J. Invest. Surg. 19, 267-274 (2006).
  27. High-throughput optogenetic functional magnetic resonance imaging with parallel computations. J. Neurosci. Meth. 218 (2), 184-195 (2013).">Fang, Z., Lee, J. H. High-throughput optogenetic functional magnetic resonance imaging with parallel computations. J. Neurosci. Meth. 218 (2), 184-195 (2013).
  28. EEG: Origin and measurement. EEG - fMRI: Physiological Basis, Technique, and Applications. , 19-38 (2010).">Da Silva, F. L. EEG: Origin and measurement. EEG - fMRI: Physiological Basis, Technique, and Applications. , 19-38 (2010).
  29. Low dose isoflurane exerts opposing effects on neuronal network excitability in neocortex and hippocampus. PLoS ONE. 7 (6), 3-9 (2012).">Becker, K., et al. Low dose isoflurane exerts opposing effects on neuronal network excitability in neocortex and hippocampus. PLoS ONE. 7 (6), 3-9 (2012).
  30. Agent-selective Effects of Volatile Anesthetics on GABA A Receptor - mediated Synaptic Inhibition in Hippocampal Interneurons. Anesthesiology. 94 (2), 340-347 (2001).">Nishikawa, K., Maciver, M. B. Agent-selective Effects of Volatile Anesthetics on GABA A Receptor - mediated Synaptic Inhibition in Hippocampal Interneurons. Anesthesiology. 94 (2), 340-347 (2001).
  31. Selection of a convolution function for Fourier inversion using gridding. IEEE Trans. Med. Imag. 10 (3), 473-478 (1991).">Jackson, J. I., Meyer, C. H., Nishimura, D. G., Macovski, A. Selection of a convolution function for Fourier inversion using gridding. IEEE Trans. Med. Imag. 10 (3), 473-478 (1991).
  32. Motion artifacts in fMRI: comparison of 2DFT with PR and spiral scan methods. Magn. Reson. Med. 33 (20), 624-635 (1995).">Glover, G. H., Lee, A. T. Motion artifacts in fMRI: comparison of 2DFT with PR and spiral scan methods. Magn. Reson. Med. 33 (20), 624-635 (1995).
  33. Simple analytic variable density spiral design. Magn. Reson. Med. 50, 214-219 (2003).">Kim, D. H., Adalsteinsson, E., Spielman, D. M. Simple analytic variable density spiral design. Magn. Reson. Med. 50, 214-219 (2003).
  34. Dynamic causal modeling. Neuroimage. 19, 1273-1302 (2003).">Friston, K. J., Harrison, L., Penny, W. Dynamic causal modeling. Neuroimage. 19, 1273-1302 (2003).
  35. Thalamic microinjection of nicotine reverses sevoflurane-induced loss of righting reflex in the rat. Anesthesiology. 107 (2), 264-272 (2007).">Alkire, M. T., McReynolds, J. R., Hahn, E. L., Trivedi, A. N. Thalamic microinjection of nicotine reverses sevoflurane-induced loss of righting reflex in the rat. Anesthesiology. 107 (2), 264-272 (2007).
  36. Analysis of AAV serotypes 1-9 mediated gene expression and tropism in mice after systemic injection. Mol. Ther. 16 (6), 1073-1080 (2008).">Zincarelli, C., Soltys, S., Rengo, G., Rabinowitz, J. E. Analysis of AAV serotypes 1-9 mediated gene expression and tropism in mice after systemic injection. Mol. Ther. 16 (6), 1073-1080 (2008).
  37. Analysis of Transduction Efficiency, Tropism and Axonal Transport of AAV Serotypes 1, 2, 5, 6, 8 and 9 in the Mouse Brain. PLoS ONE. 8 (9), 1-16 (2013).">Aschauer, D. F., Kreuz, S., Rumpel, S. Analysis of Transduction Efficiency, Tropism and Axonal Transport of AAV Serotypes 1, 2, 5, 6, 8 and 9 in the Mouse Brain. PLoS ONE. 8 (9), 1-16 (2013).
  38. Frequency-selective control of cortical and subcortical networks by central thalamus. eLife. 4, e09215(2015).">Liu, J., et al. Frequency-selective control of cortical and subcortical networks by central thalamus. eLife. 4, e09215(2015).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Optogenetic Functional MRIfMRI OptogeneticsCell Type Specific StimulationFiber Optic ImplantsStereotaxic SurgeryBOLD Signal MeasurementHigh Field fMRINeural Circuit MappingWhole Brain ImagingConnectomics Research

Related Articles