동물의 실시간 fMRI 뇌 매핑
2020년 9월 24일
동물의 뇌 기능 매핑은 실시간 기능 자기 공명 영상 (fMRI) 실험 설정의 이점을 누릴 수 있습니다. 동물 MRI 시스템에 구현된 최신 소프트웨어를 사용하여 소형 동물 fMRI에 대한 실시간 모니터링 플랫폼을 구축했습니다.
복리 소스를 조사하기 위한 후향적 분석 대신. 제안된 리더 타임 fMRI 플랫폼은 최신 콘솔 소프트웨어를 사용하여 동적 fMRI 반응을 식별하기 위한 보다 효과적인 체계를 제공합니다. 이 기술은 동물의 뇌 기능 연구를 위한 즉각적인 문제 해결 가능성과 실시간 바이오피드백 시뮬레이션 패러다임을 제공할 수 있습니다.코로나 보기에서 전체 뇌를 포괄하는 해부학적 이미지를 획득하려면 계속 버튼을 클릭하여 T2 가중 희귀 염기서열을 실행합니다.
실시간 fMRI 소프트웨어를 설정합니다. 터미널 창을 열고 명령을 사용하여 실시간 AFNI 플러그인 경로로 이동합니다. 표시된 명령을 사용하여 실시간 플러그인으로 AFNI 소프트웨어를 실행합니다.
diamond 명령 및 옵션을 사용하여 예정된 AFNI 브릭 파일을 모니터링합니다. 표시된 대로 옵션과 함께 PVC MD 명령을 사용하여 백그라운드 매크로 스크립트를 실행합니다. EPI 획득 매개변수를 얻으려면 exec PVC MD 명령 및 옵션을 사용합니다.
3D ECHO 평면 이미징 원시 데이터를 배경 매크로 스크립트에서 실시간으로 AFNI 파일로 변환합니다. exec TOD-3D 명령 및 옵션을 사용하여 EPI 기하학적 정보가 해부학적 방향과 일치하는지 확인합니다. 계속 버튼을 클릭하여 대담한 fMRI 이미징을 위한 T2 Star Weighted 3D EPI Sequence를 실행합니다.
EPI 이미지를 해부학적으로 희귀한 이미지에 오버레이합니다. 먼저 명령을 사용하여 희귀 이미지를 AFNI Brick 데이터 세트로 변환하고 스크립트와 옵션을 사용하여 EPI 이미지를 해부학적 이미지에 등록합니다. 굵은 응답의 휴식 상태 기능적 연결성 맵을 처리합니다.
AFNI 옵션을 사용하여 휴지 상태 fMRI 시계열과 같은 3D 플러스 시간 데이터셋의 시드 기반 상관 관계를 계산합니다. 그런 다음 굵은 신호의 기능 맵을 시각화하려면 정의된 오버레이 옵션을 선택하고 AFNI 사용자 인터페이스 메뉴에서 clusters 함수를 사용하여 AFNI 소프트웨어에서 대화형 클러스터링을 생성합니다. fMRI에 의한 전기 자극 반응을 시각화합니다.
전기 자극 아이솔레이터를 켜고 자극 블록을 사용하여 하나의 유발 fMRI 분석을 위한 전기 4발 자극을 수행합니다. 이 대표적인 Real-Time Voxel-Wise Bold fMRI 시간 과정에서. 전기적 4발 자극 후 실시간 획득 형식의 블록 설계 패러다임에 해당하는 반대쪽 1차 4발 체성 감각 피질의 복셀 와이즈 시간 경과를 관찰할 수 있습니다.
그림과 같이 전기적 4발 자극에 해당하는 활성화된 굵은 지도는 활성화된 영역이 감지되고 컬러 클러스터로 표시되는 상태로 생성될 수도 있습니다. 3D EPI 재구성 옵션, 사전 이미지화 3D 작업을 활성화하고 데이터 구성 사용자 인터페이스 메뉴에서 매크로를 실행해야 합니다. 또한 사전 정의된 매크로 스크립트에 연결하여 스캔하기 전에 RT 3D API를 설정합니다.
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개요
본 연구는 동물 뇌 매핑을 위한 실시간 기능적 자기공명영상(fMRI) 플랫폼을 구축하여 동적 반응 식별 능력을 향상시킵니다. 동물 MRI 시스템 내의 고급 소프트웨어를 활용함으로써, 소동물 뇌 기능 연구를 위한 즉각적인 문제 해결 및 바이오피드백 시뮬레이션이 가능해졌습니다.
주요 연구 구성 요소
과학 분야
- 신경과학
- 이미징 기술
- 뇌 기능 매핑
배경
- 실시간 fMRI를 통해 뇌 활동을 즉각적으로 모니터링할 수 있습니다.
- 전통적인 분석 방식은 사후 평가가 필요하므로 빠른 피드백을 받는 데 한계가 있습니다.
- 뇌 활동의 동적 반응은 실시간 프로토콜을 통해 효과적으로 모니터링할 수 있습니다.
- 뇌 반응을 관찰하기 위해 전기 자극 기술을 사용할 수 있습니다.
연구 목적
- 소동물을 위한 fMRI 실시간 모니터링 플랫폼을 구현한다.
- 자극 중 뇌의 동적 반응에 대한 연구를 강화한다.
- 문제 해결 능력과 실시간 바이오피드백 시뮬레이션을 제공한다.
사용된 방법
- 본 연구는 뇌 활동을 포착하기 위해 실시간 fMRI 플랫폼을 활용합니다.
- 기능적 뇌 반응을 평가하기 위해 소동물 모델에 집중합니다.
- 영상 처리를 위한 AFNI 소프트웨어 설정을 위해 다양한 명령어를 실행합니다.
- 데이터 캡처를 위해 T2 weighted 및 EPI 영상과 같은 시퀀스가 사용됩니다.
- 유발 fMRI 반응을 분석하기 위해 전기적 four-paw stimulation을 적용합니다.
주요 결과
- 이 플랫폼을 통해 자극에 대한 뇌의 반응을 실시간으로 시각화할 수 있습니다.
- 특정 뇌 영역의 복셀별 시계열 데이터를 관찰할 수 있습니다.
- 반응 매핑을 통해 자극 중 활성화된 관심 영역을 확인할 수 있습니다.
- 주요 영상 기법을 사용하여 해부학적 영상 위에 기능적 데이터를 중첩할 수 있습니다.
결론
- 본 연구는 신경과학 연구에서 즉각적인 피드백을 가능하게 하는 실시간 fMRI의 능력을 입증합니다.
- 이를 통해 얻은 통찰은 기능적 연구 중 뇌 역동성에 대한 이해를 크게 향상시킬 수 있습니다.
- 해당 플랫폼의 적응성은 향후 동물 신경영상 연구를 위한 가치 있는 도구를 제공합니다.
자주 묻는 질문
산업적 관련성 요약
실시간 fMRI는 뇌의 동적 반응을 즉각적으로 식별할 수 있게 하여, 사후 분석에 대한 의존도를 낮추고 전임상 신경과학의 가설 검증 속도를 높여줍니다. 이러한 기능은 제어된 생리적 조건 하에서 신경 회로의 관여에 대한 신속한 피드백을 제공함으로써 타겟 검증을 지원합니다. 또한, 원하는 혈역학적 결과를 얻기 위해 실험 변수를 실시간으로 조정할 수 있게 하여 조기 발견 단계에서의 예측 신뢰도를 향상시킵니다.
바이오 제약 R&D의 전략적 응용
초기 발견 및 표적 검증
- 과학적 가치: 자극에 반응하는 신경 활성화 패턴의 실시간 모니터링을 통해 치료 가설의 검증을 가능하게 합니다.
- 운용적 가치: 실험 조건의 즉각적인 문제 해결을 제공하여, 스캔 시간 낭비를 줄이고 데이터 품질을 향상시킵니다.
- 예측적 가치: 자극 패러다임을 질병 관련 뇌 영역의 측정 가능한 혈역학적 반응과 연결함으로써 기능적 표적 검증을 지원합니다.
스크리닝 및 분석법 개발
- 과학적 가치: 실험 조건 전반에 걸쳐 신경 반응의 표준화된 평가를 가능하게 하는 정량적이고 시간 분해능이 있는 fMRI 리드아웃을 생성합니다.
- 운영적 가치: 일차 체성감각 피질에서의 재현 가능한 신호 검출을 통해 분석 준비를 용이하게 하여 확장 가능한 스크리닝 워크플로우를 지원합니다.
- 중개적 가치: 타겟 결합의 기능적 바이오마커 역할을 하는 복셀별 시간 과정 및 활성화 맵을 출력합니다.
중개 및 전임상 연구
- 과학적 가치: 다양한 자극 패러다임 전반에 걸쳐 일관된 실시간 신경 판독값을 제공함으로써 발견과 전임상 검증 사이의 가교 역할을 합니다.
- 운영적 가치: 뇌 기능의 종단적 모니터링을 가능하게 하여, 치료제 개발 시 위험 조정된 진전 결정을 지원합니다.
- 기전적 리스크 감소: 약리학적 또는 생리학적 조절에 대한 뇌 반응 역학을 직접 관찰할 수 있게 함으로써 표적 기전의 모호성을 줄여줍니다.
파이프라인 및 워크플로우 통합
실시간 fMRI 플랫폼은 화합물 스크리닝 단계에 진입하기 전, 자극 및 생리적 매개변수를 빠르게 반복 조정하여 표적 가설을 정밀화함으로써 초기 발견 워크플로우에 통합됩니다.
- 발견 생물학: 정의된 자극에 반응하는 신경 회로 활성화를 실시간으로 관찰함으로써 가설 검증 및 경로 규명을 지원합니다.
- 스크리닝: 재현 가능하고 정량적인 혈역학적 결과물을 제공하여 조건별 신경 반응의 신뢰성 있는 비교를 가능하게 합니다.
- 분석: 통계적 비교 및 기능적 연결성 분석을 용이하게 하는 복셀 단위의 시계열 데이터와 활성화 맵을 제공합니다.
- 중개 연구: 일관되고 생리학적 근거가 있는 판독값을 통해 초기 신경 반응 데이터를 전임상 연속성과 연결합니다.
- 기업적 재사용: 다양한 치료 영역 전반의 여러 표적 검증 캠페인에 활용 가능한 재사용 가능한 신경 영상 기능으로 작동합니다.
운영 및 기업 영향
- 과학적 가치: 직접적인 신경 반응 모니터링을 통해 기전적 모호성을 줄임으로써 타겟 검증의 예측 신뢰도를 높입니다.
- 운영적 가치: 자동화된 실시간 처리 및 피드백 루프를 통해 fMRI 획득의 재현성과 표준화를 향상시킵니다.
- 전략적 가치: 타겟 결합 및 경로 조절에 대한 신속한 평가를 가능하게 하여 go/no-go 결정 효율성을 개선합니다.
- 포트폴리오 영향: 신경 회로 내 타겟 관련성에 대한 조기 기능적 근거를 제공함으로써 위험 조정 우선순위 설정을 지원합니다.
구현 시 고려 사항
- 신경영상학, AFNI 소프트웨어 및 실시간 데이터 처리 파이프라인에 대한 전문 지식이 필요합니다.
- 고자기장 전임상 MRI 인프라(예: 14.1T 시스템) 및 호환 가능한 펄스 시퀀스에 의존합니다.
- 재현 가능한 결과를 위해 자극 프로토콜 및 생리학적 모니터링의 팀 간 표준화가 필수적입니다.
- 동물 모델이나 자극 패러다임 간에 프로토콜을 적용할 때 적응 고려 사항이 수반됩니다.
- 혈역학적 혼란 변수를 방지하기 위해 자극 타이밍과 영상 획득 간의 정밀한 동기화가 필요하다는 제약이 있습니다.
바이오 제약 FAQ
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
