動物におけるリアルタイムfMRI脳マッピング
2020年9月24日
動物の脳機能マッピングは、リアルタイムの機能的磁気共鳴画像法(fMRI)実験セットアップの恩恵を受けることができます。動物MRIシステムに実装された最新のソフトウェアを使用して、小動物fMRIのリアルタイムモニタリングプラットフォームを確立しました。
遡及的分析の代わりに、複合源を調査します。提案されているリーダータイムfMRIプラットフォームは、最新のコンソールソフトウェアを使用して動的fMRI応答を特定するためのより効果的なスキームを提供します。この技術は、動物の脳機能研究のための即時のトラブルシューティングの実現可能性とリアルタイムのバイオフィードバックシミュレーションパラダイムを提供することができます 冠状ビューで脳全体をカバーする解剖学的画像を取得するには、続行ボタンをクリックしてT2加重レアシーケンスを実行します。
リアルタイムfMRIソフトウェアのセットアップターミナルウィンドウを開き、コマンドを使用してリアルタイムAFNIプラグインパスに移動します。示されているコマンドを使用して、リアルタイムプラグインでAFNIソフトウェアを実行します。
diamond コマンドとオプションを使用して、今後の AFNI ブリック ファイルを監視します。示されているオプションを指定して PVC MD コマンドを使用し、バックグラウンド マクロ スクリプトを実行します。EPI 取得パラメータを取得するには、exec PVC MD コマンドとオプションを使用します。
3D ECHO平面イメージングの生データをAFNIファイルにリアルタイムで、バックグラウンドマクロスクリプトで変換します。exec TOD-3D コマンドとオプションを使用して、EPI 幾何学的情報が解剖学的方向と一致していることを確認します。「continue」ボタンをクリックすると、T2 Star Weighted 3D EPI Sequenceが実行され、大胆なfMRIイメージングが可能になります。
EPI画像を解剖学的に珍しい画像に重ね合わせます。まず、コマンドを使用して希少な画像をAFNI Brickデータセットに変換し、スクリプトとオプションを使用してEPI画像を解剖学的画像に登録します。太字の応答の安静状態の機能接続マップを処理するため。
AFNIオプションを使用して、安静時fMRI時系列など、3Dプラス時間データセットのシードベースの相関を計算します。次に、太字の信号の機能マップを可視化するには、定義されたオーバーレイ オプションを選択し、AFNI ユーザー インターフェイス メニューからクラスター機能を使用して、AFNI ソフトウェアで対話型クラスタリングを生成します。fMRIによる応答電気刺激応答の可視化。
電気刺激アイソレーターをオンにし、刺激ブロックを使用して電気4足刺激を行い、1回の誘発fMRI分析を行います。この代表的なリアルタイムボクセルワイズ大胆なfMRIタイムコースです。電気的4足刺激後の、リアルタイム取得形式のブロック設計パラダイムに対応する、対側一次4足体性感覚皮質のボクセルワイズ時間経過を観察できます。
図示されているように、電気的4足刺激に対応する活性化された太字のマップも生成でき、活性化された領域が検出され、色付きのクラスターとして表示されます。必ず3D EPI再構築オプションのプリイメージ3Dアクティビティを有効にし、データ構築ユーザーインターフェイスメニューでマクロを実行してください。また、スキャンする前にRT 3D APIを設定する事前定義されたマクロスクリプトにリンクします。
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概要
本研究では、動物の脳マッピングのためのリアルタイム機能的磁気共鳴画像法（fMRI）プラットフォームを構築し、動的応答の同定能力を向上させました。動物用MRIシステム内の高度なソフトウェアを利用することで、小動物の脳機能研究における即時のトラブルシューティングおよびバイオフィードバックシミュレーションが可能になります。
研究の主要構成要素
科学分野
- 神経科学
- イメージング技術
- 脳機能マッピング
背景
- リアルタイムfMRIにより、脳活動の即時モニタリングが可能になります。
- 従来の解析では事後の評価が必要であり、迅速なフィードバックが制限されていました。
- リアルタイムプロトコルを用いることで、脳活動における動的な反応を効果的にモニタリングできます。
- 電気刺激手法を用いて、脳の反応を観察することが可能です。
研究目的
- 小動物用fMRIのリアルタイムモニタリングプラットフォームを実装すること。
- 刺激に対する脳の動的な反応の調査を強化すること。
- トラブルシューティング機能およびリアルタイム・バイオフィードバック・シミュレーションを提供すること。
使用された手法
- 本研究では、脳活動を捉えるためにリアルタイムfMRIプラットフォームを使用します。
- 機能的な脳反応を評価するため、小型動物モデルに焦点を当てています。
- 画像処理のために、さまざまなコマンドを実行してAFNIソフトウェアをセットアップします。
- データの取得には、T2強調画像やEPIイメージングなどのシーケンスを利用します。
- 誘発fMRI反応を解析するため、電気的な4肢刺激を用います。
主な結果
- このプラットフォームにより、刺激に対する脳の反応をリアルタイムで可視化することが可能です。
- 特定の脳領域におけるボクセル単位のタイムコースデータを観察できます。
- レスポンスマッピングにより、刺激中の活性化された関心領域が示されます。
- 主要なイメージング技術を用いることで、機能的データを解剖学的画像にオーバーレイさせることができます。
結論
- 本研究は、神経科学研究においてリアルタイムfMRIが即時フィードバックを促進できる能力を持つことを実証している。
- 得られた知見は、機能的研究における脳ダイナミクスの理解を大幅に向上させることができる。
- このプラットフォームの適応性は、今後の動物ニューロイメージング研究にとって価値のあるツールとなる。
よくある質問
産業界における重要性
リアルタイムfMRIにより、ダイナミックな脳反応を即座に特定することが可能となり、回顧的な解析への依存を減らし、前臨床神経科学における仮説検証を加速させることができます。この機能は、制御された生理学的条件下での神経回路の関与に関する迅速なフィードバックを提供することで、ターゲットの妥当性確認を支援します。本プラットフォームは、所望の血行動態の結果を得るために実験変数をリアルタイムで調整することを可能にし、初期探索における予測の信頼性を向上させます。
バイオ医薬品研究開発における戦略的応用
初期探索およびターゲットバリデーション
- 科学的価値：刺激に対する神経活性化パターンのリアルタイムモニタリングを通じて、治療仮説の検証を可能にする。
- 運用上の価値：実験条件の即時的なトラブルシューティングを可能にし、スキャン時間の浪費を削減してデータ品質を向上させる。
- 予測的価値：刺激パラダイムを疾患に関連する脳領域の測定可能な血流動態反応に結びつけることで、機能的ターゲットの妥当性確認を支援する。
スクリーニングおよびアッセイの開発
- 科学的価値： 定量的かつ時間分解能の高いfMRIリードアウトを生成し、実験条件間での神経応答の標準化された評価を可能にします。
- 運用的価値： 一次体性感覚皮質における再現性のある信号検出を通じてアッセイの準備を容易にし、拡張可能なスクリーニングワークフローをサポートします。
- トランスレーショナル価値： ターゲットエンゲージメントの機能的バイオマーカーとして機能する、ボクセルごとのタイムコースおよび活性化マップを出力します。
トランスレーショナル・前臨床研究
- 科学的価値：刺激パラダイム全体にわたって一貫したリアルタイムの神経読み出しを提供することで、発見から前臨床検証への橋渡しをします。
- 運用上の価値：脳機能の縦断的なモニタリングを可能にし、治療開発におけるリスク調整後の進展判断をサポートします。
- メカニズムによるリスク低減：薬理学的または生理学的な変調に対する脳反応ダイナミクスの直接観察を可能にすることで、標的メカニズムの曖昧さを低減します。
パイプラインおよびワークフローの統合
リアルタイムfMRIプラットフォームは、化合物スクリーニングに移行する前に、刺激および生理学的パラメータの迅速な反復的な調整を可能にし、標的仮説を洗練させることで、初期探索ワークフローに統合されます。
- 探索生物学：定義された刺激に応答して神経回路の活性化をリアルタイムで観察できるため、仮説検証やパスウェイの解明を支援します。
- スクリーニング：再現性のある定量的な血行動態出力を提供し、異なる条件下での神経応答の信頼性の高い比較を可能にします。
- 解析：ボクセルごとのタイムコースデータと活性化マップを提供し、統計的比較および機能的結合解析を容易にします。
- トランスレーショナルリサーチ：一貫した生理学的根拠に基づく読み出しを通じて、初期の神経応答データを前臨床の連続性に結びつけます。
- エンタープライズ再利用：治療領域をまたがる複数のターゲット検証キャンペーンにおいて、再利用可能なニューロイメージング機能として機能します。
運用および企業への影響
- 科学的価値：神経応答を直接モニタリングすることでメカニズムの曖昧さを軽減し、ターゲットバリデーションにおける予測の信頼性を向上させます。
- 運用の価値：自動化されたリアルタイム処理とフィードバックループにより、fMRI撮像の再現性と標準化を高めます。
- 戦略的価値：ターゲットへのエンゲージメントおよびパスウェイ変調の迅速な評価を可能にし、go/no-go判断の効率を改善します。
- ポートフォリオへの影響：神経回路におけるターゲットの関連性について、早期に機能的な根拠を提供することで、リスク調整後の優先順位付けを支援します。
実施上の考慮事項
- ニューロイメージング、AFNIソフトウェア、およびリアルタイムデータ処理パイプラインに関する専門知識が必要です。
- 高磁場前臨床MRIインフラストラクチャ（例：14.1Tシステム）および互換性のあるパルスシーケンスに依存します。
- 再現性のある結果を得るためには、刺激プロトコルと生理学的モニタリングのチーム間での標準化が必要です。
- 動物モデルや刺激パラダイム間でプロトコルを移行させる際、適応に関する検討が必要となります。
- 血流動態による混絡を避けるため、刺激タイミングと画像取得の精密な同期が必要である点に制限があります。
バイオファーマに関するよくある質問
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
