大鼠胡须刺激期间桶状皮层的功能性磁共振波谱分析

摘要

来源：Blanc, J., et al. 大鼠胡须激活期间桶状皮层7 T功能磁共振波谱分析。J. Vis. Exp. (2019)

本视频演示了在大鼠胡须刺激期间，利用功能性磁共振波谱分析大鼠桶状皮层代谢变化的方法。通过将基础代谢物波谱与刺激状态下的波谱进行比较，检测桶状皮层中乳酸水平的升高，从而确认神经元激活成功。

方案

所有涉及动物模型的操作均已经过当地机构动物护理委员会和 JoVE 兽医审查委员会审核。

1. 血氧水平依赖性功能磁共振成像（BOLD fMRI）数据采集

1. 将大鼠脑部置于直立位置，并使用耳杆固定。将容积阵列线圈放置在大鼠头部上方（图1A）并用胶带固定。当开启气流刺激系统时，检查帆状结构是否正常移动（前-后方向运动，无旋转，无摩擦）。 开启；然后，切换它 关闭.
2. 将床和线圈插入磁体中心。当床位于磁体内部时，检查气流触发系统启动后帆是否仍能正常移动。 开启；然后，切换它 关闭完全从异氟烷切换为美托咪啶（灌注速率：20 µL/min）。
3. 使用定位序列检查大鼠位置是否准确（回波时间，TE = 2.5 ms；重复时间，TR = 100 ms；平均次数 = 1；重复次数 = 1；层厚 = 1 mm；图像尺寸 = 256 × 256；视野（FOV）= 50 × 50 mm；扫描时间 = 12 s 800 ms）。拖动 定位器 序列标签进入 操作名称 并点击 继续.
4. 拖动 T2_Star_FID_EPI (T2*加权自由感应衰减回波平面成像)序列选项卡 操作名称，将视野中心对准脑部中央，然后点击 调节平台 按 Tab 键打开已编辑的扫描指令。记录 B0 图并进行扫描匀场。
   注意： 对于磁场均匀性（B0）图，使用以下参数：第一回波时间 = 1.65 ms；TR = 20 ms，平均次数 = 1；翻转角 = 30°；回波间隔 = 3.805 ms；层厚 = 58 mm；图像尺寸 = 64 × 64 × 64；视野（FOV）= 58 × 58 × 58 mm；扫描时间 = 1分24秒920毫秒。对于扫描匀场，使用以下参数：体素选择性激发 = 刺激回波采集模式（STEAM）高斯脉冲；TE = 5 ms；混合时间 = 10 ms；采集持续时间 = 204.8 ms；带宽 = 10,000 Hz；采样时间 = 50 μs。
5. 开始 T2 星号_FID_EPI 序列参数（TE = 16.096 ms；TR = 500 ms；平均次数 = 1；重复次数 = 600；层厚 = 1 mm；连续四层；图像尺寸 = 128 × 128；视野 = 20 × 20 mm；带宽 = 333,333.3 Hz；扫描时间 = 5 分 00 秒）。
   注意： 由于晶体管-晶体管逻辑（TTL）端口的存在，外部触发信号将同时启动气流刺激系统。实验范式为 [20 秒激活 + 10 秒休息] × 10 次，共进行 600 次扫描，每次扫描持续 500 毫秒。切片位于桶状皮层区域的中央。
6. 获取另一段定位序列（与步骤 5.3 中描述的相同），用于与第一段序列进行比较，并检查大鼠在 T2_Star_FID_EPI 序列期间是否发生移动。
7. 将床移回初始位置，取下容积阵列线圈，并连接表面线圈。

2. BOLD 信号处理

1. 打开 T2 Star_FID_EPI 文件，并在 图像显示 中读取 T2 Star_FID_EPI 图像。启动功能控制器窗口，即 FunController。
2. 在该 处理 选项卡中，选择功能成像窗口，并定义刺激协议（根据所用范式设置 开启/关闭 时段的持续时间及交替模式）。
3. 选择协议窗口（包含 600 帧的数据集），在 开启时段 选项卡中输入数值 40，在 关闭时段 选项卡中输入数值 20。点击 反转分配 选项卡，并将 刺激状态 滑块向左拖动以选择数值 1。
4. 在预处理窗口中，点击 平面中位滤波 进行预处理，并选择 中位滤波（2D, 3D） 进行后处理。
5. 点击 执行 选项卡，并拖动游标以调整叠加查找表。观察被激活的脑区（图 1B）。

3. 质子磁共振波谱（1H-MRS）采集

1. 为正确放置表面线圈，需调整大鼠头部的位置。将头部旋转约30°（顺时针方向），使表面线圈（图1A）可水平置于左侧桶状皮层上方，并在放入磁体时位于磁体中心。
2. 放置表面线圈，并用胶带将其固定在大鼠脑部（图2B）；开启气流喷射系统（On）后，检查帆片是否正常移动（前后运动，无旋转，无摩擦）；随后通过主开关将其关闭（Off）。
3. 当床体位于磁体内时，开启气流喷射系统（On），再次检查帆片是否正常移动；然后将其关闭（Off）。
4. 使用定位序列检查大鼠位置是否正确。设置参数如下：TE = 2.5 ms；TR = 100 ms；平均值 = 1；重复次数 = 1；层厚 = 1 mm；图像尺寸 = 256 × 256；FOV = 50 × 50 mm；扫描时间 = 12 s 800 ms。
   1. 将Localizer序列标签拖入Instruction name窗口，点击Continue标签以执行扫描程序。
5. 当脑部定位正确后，将T2加权快速自旋回波增强成像（T2_TurboRARE）序列标签拖入Instruction name窗口，并点击Continue以执行扫描程序。这些解剖图像与先前获得的BOLD fMRI数据结合，可用于MRS检测中在初级躯体感觉桶状区（S1BF）精确定位体素。
   注意：T2_TurboRARE参数为：14层，每层2 mm，FOV = 2.5 × 2.5 cm，TE = 100 ms，TR = 5,000 ms，矩阵 = 128 × 128，序列时间 = 2 min 40 s。
6. 将绝热选择性重聚焦定位（LASER）序列标签拖入Instruction name窗口，并将体素（高2 mm，长2.5 mm，深3 mm）置于S1BF区域中心。
   1. 结合大鼠脑图谱与BOLD fMRI增强结果，在T2图像上确定目标区域（图3）。点击Adjustment platform标签以打开编辑后的扫描指令，点击Wobble标签并轻微调整接收线圈的阻抗（电子负载）以完成调谐。调谐完成后点击Apply标签，关闭指令编辑器并应用修改后的指令。
7. 记录B0图谱，进行匀场扫描，随后执行局部匀场。
   注意：对于B0图谱，使用以下参数：第一回波时间 = 1.65 ms；TR = 20 ms，平均值 = 1；翻转角 = 30°；回波间隔 = 3.805 ms；层厚 = 58 mm；图像尺寸 = 64 × 64 × 64；FOV = 58 × 58 × 58 mm；扫描时间 = 1 m 24 s 920 ms。对于匀场扫描，使用以下参数：体素选择性激发，STEAM高斯脉冲；TE = 5 ms；混合时间 = 10 ms；采集时长 = 204.8 ms；带宽 = 10,000 Hz；采样时间 = 50 μs。对于局部匀场，使用以下参数：水抑制，可变功率与优化弛豫抑制（VAPOR）；采集时长 = 1,363.15 ms；采样点数 = 4,096；Hz带宽 = 3,004.81 Hz；ppm（百万分之一）带宽 = 10 ppm；采样时间 = 166.40 μs；谱分辨率 = 0.37 Hz/点。LASER参数为：回波时间 = 19.26 ms；TR = 2,500 ms；平均值 = 128 或 32；扫描时间 = 5 min 20 s 或 1 min 20 s；采集点数 = 4,096。
8. 进行¹H-MRS检测。
   1. 首先在静息状态下开始¹H-MRS采集（4 × 32次LASER扫描 + 128次LASER扫描；每次扫描2,500 ms）。
   2. 再次采集一次定位序列（与步骤5.3所述相同），与首次记录结果进行比对，确保在LASER采集过程中大鼠未发生移动。
   3. 在胡须刺激激活期间，使用LASER序列进行¹H-MRS采集（4 × 32次LASER扫描 + 128次LASER扫描；每次扫描2,500 ms），同时开启气流喷射系统（On）（刺激范式：激活20 s，休息10 s）。
   4. 再次执行一次定位序列，检查大鼠是否发生移动。
      注意：扫描次数及静息/激活周期可根据需要调整，但必须通过定期执行定位序列确保大鼠未发生移动。

结果

图1：BOLD fMRI。 (A) 体积阵列线圈的放置。大鼠头部处于水平位置，并由耳杆固定。检查呼吸帆是否自由移动，未被线圈或MRI床阻挡。(B) 激活的左侧桶状皮层中的典型BOLD信号（红色箭头）。在对侧右半球未检测到信号（蓝色箭头）。阈值设定为最大强度值的76.5%...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
1H 谱学表面线圈	Bruker, Ettlingen, Germany	T116344
7T Bruker Biospec 系统	Bruker, Ettlingen, Germany	70/20 USR
异氟烷泵，Model 100 系列蒸发器，classic T3	Surgivet, Harvard Apparatus	WWV90TT	来自 OH 43017, U.S.A
吸入用异氟烷液体	Vertflurane, Virbac, France	QN01AB06	1000 mg/mL
盐酸美托咪啶	Vétoquinol, S.A., France	QN05CM91	Domitor, 1 mg/mL
Paravision 软件	Bruker, Ettlingen, Germany	6.0.1
大鼠头部线圈	Bruker, Ettlingen, Germany
Wistar RJ-Han 大鼠	Janvier Laboratories, France