光遗传学功能磁共振成像
April 19th, 2016
该协议描述了成功执行光遗传学功能磁共振成像 （ofMRI） 所需的步骤和数据分析。ofMRI 是一种新技术，它将高场 fMRI 读数与光遗传学刺激相结合，允许对功能神经回路及其在整个活体大脑中的动力学进行细胞类型特异性映射。
该成像程序的总体目标是将 F-MRI 与光遗传学刺激相结合，以对功能神经回路及其在整个活脑中的动力学进行细胞类型特异性映射。这种方法可以帮助回答神经科学领域的关键问题，例如确定特定大脑回路元件在驱动整体大脑活动中的作用。该技术的主要优点是允许细胞类型特异性刺激和整体大脑活动的相对较高的空间分辨率读数。
演示该程序的是我实验室的研究生 Jia Liu 和 Zhongnan Fang。按照文本方案中的说明麻醉动物后，用电动剃须刀剃光头部，并使用 Betadine 和 70% 乙醇冲洗液对皮肤进行三重手术擦洗。接下来，将动物的头骨固定在立体定位装置中。
使用手术刀做一个 15 到 20 毫米的中线头皮切口。使用连接到骨膜的手术止血剂回缩头皮。确定颅骨上的 Lambda 和 Pregma 位置，然后将钻头定位在感兴趣区域 （ROI） 上。
用牙钻在 ROI 上钻一个小开颅手术，注意不要刺穿大脑。通过开颅手术将连接到微升注射器的针头缓慢插入大脑中的 ROI。然后使用微量注射泵控制器将 2 μL 的载体溶液注入 ROI 中。
注射完成后，等待 10 分钟，然后以每分钟 0.5 毫米的速度缓慢取出注射器。注射后，干燥颅骨表面。确认 ROI 的坐标，并以每分钟 0.5 毫米的速度将套圈植入物插入目标深度。
最后，使用牙科粘接剂将套圈植入物安装到颅骨上。牙科粘固剂凝固后，用缝合线在牙科粘固剂帽周围密封切口。首先将光纤跳线连接到激光光源，然后用功率计测量跳线筒尖端的输出。
调整适当的功率水平，以在植入大脑内部的光纤电缆尖端产生所需的输出。通过遮盖动物的眼睛来防止植入物漏光。然后，将线圈放在动物的头上。
使用套圈套管将光纤电缆固定到套圈植入物上。将装有动物的支架插入扫描仪的孔中。通过调整人工呼吸机以将生理值保持在适当的范围内，在整个实验过程中监测呼吸频率、潮气 CO2 和体温。
将 BNC 电缆从 MRI 扫描仪的触发端口连接到函数发生器。选择定位顺序，然后单击作窗口中的 scan。单击"继续"以对动物的头部位置进行成像。
如果大脑不在等中心，调整动物头部位置并重复定位扫描，直到大脑处于等中心。获取高分辨率解剖图像，以检查大脑的整体完整性，并确认光纤植入物的位置。然后，选择一个 T2 加权序列。
调整切片数量，然后单击扫描以获取 T2 加权高分辨率冠状面解剖图像。最后，选择一个多切片梯度调用的回波序列，然后单击 continue' 获取功能图像。该协议使用光遗传学 F-MRI 刺激动物模型中的运动皮层。
该激活图显示了运动皮层和丘脑中激活的体素，表明这些区域之间存在长距离突触连接。在这里，显示了在运动皮层的光遗传学刺激期间运动皮层和丘脑中的主动体素的粗体信号。丘脑血流动力学反应函数显示相对于刺激后运动皮层的反应的延迟反应。
看完这个视频，你应该对如何进行植入手术和光遗传学功能磁共振成像有了很好的了解。一旦掌握，这个成像程序可以在两个小时内完成。在尝试此程序时，监测动物并将其生理机能保持在正常范围内非常重要。
在此程序之后，可以使用互补方法，例如电生理学来研究神经活动的时间动力学，或免疫组化来验证视蛋白的表达和特异性。这项技术的发展为神经科学家研究完整、活生生的大脑中的功能连接铺平了道路。不要忘记，使用 MRI 扫描仪可能非常危险。
遵循此程序时，应始终采取预防措施，例如将磁性设备与扫描仪保持足够远的距离。
概述
本协议概述了进行光遗传学功能磁共振成像（ofMRI）的程序和数据分析，这是一种将高场MRI与光遗传学刺激相结合的技术。这种方法使研究人员能够以细胞类型特异性的方式绘制活体脑内的功能神经回路及其动力学。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 成像技术
- 光遗传学
背景
- ofMRI结合了fMRI和光遗传学刺激。
- 该技术允许精确地绘制神经回路。
- 它解决了关于脑回路功能的关键问题。
- 高空间分辨率是该方法的显著优势。
研究目的
- 展示使用ofMRI研究神经回路的方法。
- 为研究人员提供详细的协议。
- 强调在程序过程中监测生理参数的重要性。
所用方法
- 动物准备和麻醉。
- 开颅和向大脑注射病毒溶液。
- 光纤电缆植入和与激光光源连接。
- 使用MRI扫描仪进行成像和数据采集。
主要结果
- 激活图显示了运动皮质和丘脑之间的连接。
- 丘脑中显示了延迟的血流动力学反应。
- 在成像过程中成功实施了光遗传学刺激。
- 程序可以在约两小时内完成。
结论
- ofMRI是研究大脑功能连接的有价值工具。
- 在程序过程中维持动物生理是至关重要的。
- 互补方法可以增强对神经活动动力学的理解。
常见问题
Executive Industry Relevance
Optogenetic functional MRI (ofMRI) enables cell-type-specific interrogation of neural circuits with whole-brain spatial resolution, supporting target validation in neuropsychiatric drug discovery. By linking precise circuit manipulation to global brain activity readouts, the method enhances mechanistic de-risking and predictive confidence in early-stage target hypotheses. This capability aids portfolio triage by clarifying functional connectivity relevant to disease models and therapeutic mechanisms.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of specific brain circuit elements in driving global activity, supporting therapeutic hypothesis testing.
- Operational Value: Provides cell-type-specific stimulation with high spatial resolution readout of brain dynamics.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates activation maps showing long-range synaptic connections, such as between motor cortex and thalamus, for circuit-based assay design.
- Operational Value: Delivers quantitative BOLD signal measurements enabling comparison of stimulation conditions and network responses.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports disease-relevant system modeling by mapping functional connectivity in intact living brains across healthy and diseased states.
- Operational Value: Facilitates continuity from discovery through preclinical validation via non-invasive, repeatable imaging of neuronal activity.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into discovery biology by enabling hypothesis testing of circuit function, into screening via assay-ready quantitative outputs, and into translational research through disease-relevant connectomic mapping.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing, pathway clarification, and biological de-risking of neural targets.
- Screening: Provides assay standardization, reproducibility, and quantitative BOLD readouts for compound evaluation.
- Analytics: Yields hemodynamic response function data and activation maps to compare circuit engagement across conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity via whole-brain monitoring in disease models.
- Enterprise Reuse: Represents a reusable platform for circuit-based target validation across neuroscience discovery programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence, target validation, reduction of mechanistic ambiguity in circuit-based hypotheses.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability of circuit-specific brain activation mapping.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions, capital efficiency, and reduced late-stage biological risk in neuropsychiatric programs.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization and advancement decisions based on circuit-level target engagement.
Implementation Considerations
- Requires expertise in neuroscience, optogenetics, and MRI physics for surgical implantation and image acquisition.
- Needs high-field MRI scanner, laser light source, fiberoptic implants, and physiological monitoring systems.
- Demands cross-team standardization for surgical protocols, light delivery parameters, and imaging sequences.
- Involves adaptation considerations across species, brain regions, and opsin expression systems.
- Includes practical limitations such as surgical invasiveness, light scattering in tissue, and hemodynamic signal interpretation complexity.
