利用实时功能磁共振成像（fMRI）实验装置，可促进动物脑功能图谱的研究。通过在动物磁共振成像系统中采用最新的软件，我们建立了一个用于小型动物fMRI的实时监测平台。
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本文内容
摘要
摘要
动态fMRI信号响应在很大程度上取决于动物的生理状态，无论其处于麻醉状态还是清醒状态。我们开发了一种实时fMRI平台，可指导实验人员在数据采集过程中即时监测fMRI响应，从而通过调节动物生理状态，实现动物大脑中期望的血流动力学响应。该实时fMRI系统基于14.1 T的临床前MRI设备，能够在麻醉大鼠的初级前爪体感皮层（FP-S1）中实现动态fMRI响应的实时成像。与通过事后分析来探究导致fMRI信号变异的混杂因素不同，该实时fMRI平台利用MRI系统内置的自定义宏函数和通用神经影像分析软件，提供了一种更高效的方法来识别动态fMRI响应。此外，该平台还具备即时故障排查能力，并为动物脑功能研究提供了实时生物反馈刺激范式。
引言
功能磁共振成像（fMRI）是一种非侵入性方法，用于测量与大脑神经活动相关的血流动力学反应1,2,3,4,5,6,7,8,9，例如血氧水平依赖（BOLD）、脑血容量和脑血流信号。在动物研究中，血流动力学信号可能受到麻醉10、清醒动物的应激水平11以及潜在的非生理性伪影（如心脏搏动和呼吸运动）12,13,14,15的影响。尽管已有多种后处理方法被开发用于任务态和静息态功能动态及功能连接图谱的....
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方案
本研究严格遵循德国动物福利法（TierSchG）和动物福利实验动物条例（TierSchVersV）。此处描述的实验方案已通过伦理委员会（§15 TierSchG）审查，并获得州级主管部门（德国巴登-符腾堡州图宾根区政府）批准。
1. 准备用于小动物研究的BOLD-fMRI实验装置
- 启动控制台软件以调节成像参数并采集 MRI 数据。
注意：建议的实时 fMRI 设置通过并行使用控制台软件（版本 6）的宏功能和 AFNI 的图像处理功能来实现。 - 在工作区浏览器中查找 MR 序列（即 Position、Localizer、快速采集弛豫增强序列（RARE）和 3D 回波平面成像（EPI）），然后将其拖动并添加到扫描列表中。
注意：Position 和 Localizer 序列用于识别脑部感兴趣区域（ROI）。RARE 序列用于解剖结构扫描。3D EPI 序列用于测量动态 BOLD 反应。 - 将预定义的宏脚本“Setup_rt3DEPI”和“Feed2AFNI_rt3DEPI”放置于宏脚本路径中（例如，“/opt/(PV version)/prog/curdir/(user name)/ParaVision/macros”）。在“数据重建”用户界面菜单中激活 3D EPI 重建选项“Pre Image Series Activities”和“Execute Macro”，然后在点击“
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结果
图3 和 图4 展示了在电刺激前爪（3 Hz，4 秒，脉宽 300 us，2.5 mA）条件下，具有代表性的实时体素级 BOLD-fMRI 时间进程及功能图谱。fMRI 实验设计范式包括 10 次刺激前扫描、3 次刺激期间扫描和 12 次刺激间期扫描，共包含 8 个周期（130 次扫描）。总扫描时间为 3 分 15 秒（195 秒）。图3 显示了对侧前爪感觉皮层（FP-S1）的体素级时间进程（黑线），其对应于实时采集格式下的区组设计范式（红线）。图4 显示了对应于电刺激前爪所激活的 BOLD 图谱。激活区域以彩色簇状形式（红色和黄色）被检测并呈现。实验人员可使用 AFNI 软件中的“Clusters”功能，交互式地探索聚类体积，并将其以叠加的彩色编码图像形式显示。
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讨论
实时监测fMRI信号有助于实验人员调节动物的生理状态，以优化功能定位。清醒动物中的运动伪影以及麻醉效应是介导fMRI信号变异性的主要因素，这会干扰对信号本身的生物学解释31,32,33,34,35,36,37,38。实时fMRI平台可提供即时信息，辅助优化扫描参数和麻醉给药方案。此外，实时脑血流动力学反应还可用于提供基于fMRI的生物反馈控制信号，服务于多模态脑功能研究中的新型刺激范式。
关于所提出的实时fMRI设置，一个尚未解决的问题是其对厂商特定控制.......
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披露
Sascha Köhler 是 Bruker BioSpin MRI GmbH 的员工。
致谢
感谢 D. Chen 博士和 C. Yen 博士分享用于为 PV 5 设置实时 fMRI 的 AFNI 脚本，以及 AFNI 团队提供的软件支持。本研究得到了美国国立卫生研究院脑计划资助（RF1NS113278-01，R01 MH111438-01）、S10 仪器资助（S10 RR023009-01）对马丁诺斯中心的支持、德国研究基金会（DFG）Yu215/3-1 项目、联邦教育与研究部（BMBF）01GQ1702 项目，以及马克斯·普朗克学会的内部经费支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 14.1T Bruker MRI 系统 | Bruker BioSpin MRI GmbH | N/A | |
| A365 刺激隔离器 | World Precision Instruments | N/A | |
| AcqKnowledge 软件 | 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 监测仪），型号 7100 | Novametrix Medical Systems Inc | N/A | |
| 异氟烷 | CP-Pharma | 货号# 1214 | |
| Master-9 | A.M.P.I | N/A | |
| 纳升级注射器 | World Precision Instruments | 货号# NANOFIL | |
| 泮库溴铵 | Inresa Arzneimittel | 货号# 34409.00.00 | |
| ParaVision 6 | Bruker BioSpin MRI GmbH | RRID:SCR_001964 | |
| 磷酸盐缓冲液（PBS） | Gibco | 货号# 10010-023 | |
| 大鼠：Sprague Dawley 大鼠 | Charles River Laboratories | Crl:CD(SD) | |
| SAR-830/AP 呼吸机 | CWE | N/A | |
| α-氯醛糖 | Sigma-Aldrich | 货号# C0128-25G;RRID |
参考文献
- 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.
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重印与许可
