动物实时fMRI脑图谱绘制
2020年9月24日
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。
无需通过回顾性分析来探究混杂因素的来源。所提出的领先时间fMRI平台利用最新的控制台软件，为识别动态fMRI响应提供了一种更有效的方案。该技术可实现即时故障排查，并为动物脑功能研究提供实时生物反馈模拟范式。为获取冠状面全脑解剖图像，请点击继续按钮以运行T2加权RARE序列。
设置实时 fMRI 软件。打开终端窗口，使用命令导航至实时 AFNI 插件路径。按照指示使用命令启动带有实时插件的 AFNI 软件。
使用 diamond 命令及相应选项来监控即将生成的 AFNI 数据块文件。使用 PVC MD 命令并按指定选项运行后台宏脚本。通过执行 PVC MD 命令及相应选项获取 EPI 采集参数。
在后台宏脚本中，实时将3D ECHO平面成像原始数据转换为AFNI文件。使用exec TOD-3D命令及相应选项，并确保EPI几何信息与解剖方位一致。单击继续按钮，以运行用于BOLD fMRI成像的T2星权3D EPI序列。
为了将EPI图像叠加到解剖学rare图像上，首先使用命令将rare图像转换为AFNI Brick数据集，并使用脚本及相应选项将EPI图像配准到解剖图像上，以处理BOLD反应的静息态功能连接图。
使用 AFNI 选项计算 3D 加时间数据集（如静息态 fMRI 时间序列）的基于种子点的相关性。然后选择定义的叠加选项，并通过 AFNI 用户界面菜单中的聚类功能，在 AFNI 软件中生成交互式聚类，以可视化 BOLD 信号的功能图谱。用于通过 fMRI 可视化电刺激反应的响应。
打开电刺激隔离器，并使用刺激区块对四只脚进行电刺激，以完成一次诱发fMRI分析。在此代表性实时体素级BOLD fMRI时间过程中，可在实时采集模式下观察到对应于区块设计范式的对侧四肢初级躯体感觉皮层的体素级时间信号变化。
如图所示，通过检测并以彩色簇状形式显示激活区域，也可生成对应于电刺激四爪的激活显著图。务必在成像三维活动之前，激活“3D EPI重建”选项，并在数据构建用户界面菜单中执行宏。并且在扫描前，需链接至预定义的宏脚本设置 RT 3D API。
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概述
本研究建立了一个用于动物脑图谱绘制的实时功能性磁共振成像（fMRI）平台，可增强对动态响应的识别能力。通过在动物MRI系统中使用先进软件，实现了对小动物脑功能研究的即时故障排查和生物反馈模拟。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 成像技术
- 脑功能定位
背景
- 实时fMRI能够实现对大脑活动的即时监测。
- 传统分析需要回顾性评估，限制了快速反馈的实现。
- 通过实时成像方案可有效监测大脑活动的动态响应。
- 可采用电刺激技术来观察大脑的响应情况。
研究目的
- 建立用于小动物fMRI的实时监测平台。
- 增强对刺激过程中大脑动态反应的研究能力。
- 提供故障排查功能和实时生物反馈模拟。
使用的方法
- 该研究采用实时 fMRI 平台来捕捉大脑活动。
- 研究重点利用小型动物模型评估大脑功能反应。
- 执行多种命令以设置 AFNI 软件进行图像处理。
- 采用 T2 加权和 EPI 成像等序列进行数据采集。
- 采用电刺激四爪的方法分析诱发的 fMRI 反应。
主要结果
- 该平台可实现对大脑对刺激反应的实时可视化。
- 可观察来自特定脑区的体素级时间序列数据。
- 响应图谱可显示刺激过程中被激活的兴趣区域。
- 关键成像技术可将功能数据叠加到解剖图像上。
结论
- 本研究展示了实时fMRI在促进神经科学研究中即时反馈方面的能力。
- 所获得的见解可显著增进对功能研究期间脑动态活动的理解。
- 该平台的适应性为未来动物神经影像学研究提供了有价值的工具。
常见问题
执行层面的行业相关性
实时fMRI能够即时识别动态脑反应，减少对回顾性分析的依赖，并加快临床前神经科学中的假设检验。该技术通过在受控生理条件下提供有关神经回路激活的快速反馈，支持靶点验证。该平台通过允许实时调整实验变量以实现预期的血流动力学结果，提高了早期发现阶段的预测可信度。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 科学价值：通过实时监测神经激活模式对刺激的响应，实现对治疗假设的验证。
- 操作价值：可立即排查实验条件中的问题，减少扫描时间的浪费并提高数据质量。
- 预测价值：通过将刺激范式与疾病相关脑区中可测量的血流动力学反应关联，支持功能靶点的验证。
筛选与检测方法开发
- 科学价值：生成定量的、时间分辨的 fMRI 读数，能够对不同实验条件下的神经反应进行标准化评估。
- 操作价值：通过在初级体感皮层中实现可重复的信号检测，促进检测的准备性，支持可扩展的筛选工作流程。
- 转化价值：输出体素级的时间进程和激活图，可作为靶点参与的功能生物标志物。
转化与临床前研究
- 科学价值：通过在不同刺激范式下提供一致且实时的神经信号读出，弥合了发现研究与临床前验证之间的鸿沟。
- 操作价值：实现对脑功能的长期监测，支持在治疗开发中基于风险评估做出推进决策。
- 机制层面的风险降低：通过直接观察脑部对药理或生理调节的响应动态，减少靶点作用机制的不确定性。
流程与工作流整合
实时fMRI平台通过在确定化合物筛选之前，对刺激和生理参数进行快速迭代，优化靶点假设，从而整合到早期发现工作流程中。
- 发现生物学：通过实时观察神经回路对特定刺激的激活反应，支持假设验证和通路阐明。
- 筛选：提供可重复的定量血流动力学输出，实现不同条件下神经反应的可靠比较。
- 分析：提供体素级的时间过程数据和激活图谱，便于进行统计比较和功能连接性分析。
- 转化研究：通过一致且基于生理学的读数，将早期神经反应数据与临床前研究的连续性关联起来。
- 企业级复用：作为可重复使用的神经影像学能力，支持跨多个治疗领域的多次靶点验证研究。
运营与企业影响
- 科学价值：通过直接监测神经反应，减少机制上的不确定性，从而提高靶点验证的预测可信度。
- 操作价值：通过自动化实时处理和反馈回路，增强功能性磁共振成像（fMRI）采集的可重复性和标准化水平。
- 战略价值：通过实现对靶点结合及通路调控的快速评估，提升决策（推进/终止）的效率。
- 项目组合影响：通过提供靶点在神经环路中功能相关性的早期证据，支持基于风险调整的优先级排序。
实施注意事项
- 需要具备神经影像学、AFNI 软件以及实时数据处理流程的专业知识。
- 依赖于高场强的临床前磁共振成像基础设施（例如 14.1T 系统）以及兼容的脉冲序列。
- 为获得可重复的结果，需在不同研究团队之间对刺激方案和生理监测进行标准化。
- 在将实验方案应用于不同动物模型或刺激范式时，需考虑适应性调整。
- 由于需要精确同步刺激时间与图像采集时间以避免血流动力学干扰，因此存在局限性。
生物制药常见问题
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:43
Anatomical Magnetic Resonance (MR) Image Measurement and Real-Time Functional MR Imaging (fMRI) Software Setup
1:46
fMRI Response Visualization
2:54
Results: Representative Real-Time Voxel-Wise fMRI and Functional Maps of BOLD Responses
3:29
Conclusion
