Niniejszy protokół opisuje trójwymiarową kwantyfikację zmian hemodynamicznych w mózgu myszy przeprowadzaną transkranialnie, w stanie spoczynku lub w odpowiedzi na stymulację sensoryczną. Stymulacja wibrysów, będąca standardowym paradygmatem mapowania funkcjonalnej aktywacji mózgu u gryzoni, została wybrana jako przykład odpowiedzi wywołanej stymulacją sensoryczną. Rysunek 4 przedstawia reprezentatywną mapę aktywacji w odpowiedzi na mechaniczną stymulację wibrysów u znieczulonej myszy, uzyskaną za pomocą transkranialnego obrazowania fUS. Całkowity czas próby wynosił 760 s, z 60 s linii bazowej (przed i po stymulacji), 80 s stymulacji i 60 s czasu regeneracji, powtórzonym 5 razy. Istotną aktywację określono za pomocą modelu liniowego (GLM), stosując domyślną funkcję odpowiedzi hemodynamicznej (HRF) dla myszy. Obszary aktywne (wyniki Z z p-value >0.0000006 po rygorystycznej korekcie Bonferroniego dla wielokrotnych porównań) są przedstawione jako wartości zakodowane kolorystycznie i nałożone na szablon wspólnego układu współrzędnych Allena. Przebieg czasowy w obrębie poszczególnych wokseli przeciwległej pierwotnej kory somatosensorycznej, w regionie pola beczkowatego (S1BF), wykazał wzrost CBV o 15-20% w porównaniu do linii bazowej.

Rysunek 4: Mapy aktywacji przezczaszkowej i przebieg czasowy rCBV po stymulacji wibrysów u myszy znieczulonej ketaminą/ksylazyną. A. Mapa aktywacji pokazująca istotnie aktywowane woksele po mechanicznej stymulacji prawych wibrysów (80 s ON, 60 s OFF, 5x) pod znieczuleniem ketaminą/ksylazyną. Mapy uzyskano poprzez obliczenie wyników Z (Z-scores) na podstawie analizy modelu liniowego (GLM) z korekcją Bonferroniego dla wielokrotnych porównań. Wyniki Z (oznaczone kolorami) nałożono na trójwymiarowy szablon mózgu Allena (po rejestracji za pomocą systemu pozycjonowania mózgu) i przedstawiono w trzech rzutach: czołowym (lewo), strzałkowym (środek) i osiowym (prawo). Dla odniesienia wyświetlono regiony anatomiczne z wspólnego układu współrzędnych mózgu myszy Allena. Aktywowane woksele znajdują się precyzyjnie w obrębie lewej kory S1BF. Pasek skali: 1 mm. Każda objętość próbki była skanowana na obszarze 2,8 mm (co odpowiada 7 plastrom w kierunku pionowym) w czasie 3,85 s, co pozwoliło na zarejestrowanie 20 próbek objętościowych podczas każdej odpowiedzi funkcjonalnej. B. Rendering 3D wzrostu względnej objętości krwi mózgowej (rCBV) wywołanego stymulacją wibrysów w porównaniu z poziomem bazowym. Anatomiczne wyznaczenie S1BF zaznaczono na niebiesko. C. Przebieg czasowy zmian CBV w lewej S1BF (niebieski) oraz odpowiadający mu zastosowany bodziec (czerwony). Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.
Ten sam paradygmat zastosowano u myszy z unieruchomioną głową podczas zachowań w mobilnej klatce domowej, korzystając z ustawienia dla zwierząt w stanie czuwania systemu IcoScan. Rycina 5 przedstawia mapę aktywacji po eksperymencie z wielokrotną stymulacją wibrysów z wykorzystaniem układu eksperymentalnego opisanego na Rycini 2. Kilka tylnych i ogonowych wibrysów stymulowano według następującego schematu: 30 s linii bazowej, a następnie pięć następujących po sobie prób składających się z 30 s stymulacji ON (4 Hz) i 30 s przerwy OFF (Rycina 5C). Stymulacja była realizowana za pomocą serwomotoru sterowanego kartą Arduino UNO, która wyzwalała sekwencję akwizycji obrazów w celu synchronizacji. Istotną aktywację określono za pomocą ogólnego modelu liniowego (GLM) z wykorzystaniem domyślnej funkcji odpowiedzi hemodynamicznej (HRF) dla myszy. Korekcję wielokrotnych porównań przeprowadzono metodą Bonferroniego. Konwencjonalny poziom alfa 0,05 został znormalizowany przez całkowitą liczbę wokseli w objętości akwizycji, co doprowadziło do uzyskania końcowego rygorystycznego progu 0,000003.

Rysunek 5: Mapy aktywacji i przebieg czasowy rCBV po stymulacji wibrysów u budzącej się, zachowującej naturalną aktywność myszy. A. Mapa aktywacji pokazująca istotnie aktywowane woksele po mechanicznej stymulacji prawych wibrysów (30 s ON, 30 s OFF, 5x) u budzącej się myszy w mobilnej klatce domowej. Mapy uzyskano poprzez obliczenie Z-scores w oparciu o analizę modelu liniowego (GLM) z korektą Bonferroniego dla porównań wielokrotnych (normalizacja przez całkowitą liczbę wokseli). Z-scores (oznaczone kolorami) są nałożone na 3D szablon mózgu Allena (po rejestracji za pomocą Brain Positioning System) i przedstawione w trzech rzutach: czołowym (lewo), strzałkowym (środek) i osiowym (prawo). Dla odniesienia wyświetlono regiony anatomiczne z Allen Mouse Brain Common Coordinate Framework. Aktywowane woksele znajdują się w obrębie lewej kory S1BF. Paski skali, 1 mm. Każda objętość próbki była skanowana na odcinku 1,6 mm (odpowiadającym 3 plastrom w kierunku wysokości) w czasie 3,85 s, co pozwoliło na zarejestrowanie 17 próbek objętościowych podczas każdej odpowiedzi funkcjonalnej. B. Rendering 3D wzrostu względnej objętości krwi w mózgu (rCBV) wywołanego stymulacją wibrysów w porównaniu do poziomu bazowego. Wyznaczenie anatomiczne S1BF zaznaczono kolorem niebieskim. C. Ilustracja myszy w mobilnej klatce domowej podczas eksperymentu stymulacji prawych wibrysów, podczas którego wykonano pięć 30 s prób, przy całkowitym czasie akwizycji wynoszącym 330 s. D. Bieżący przebieg czasowy względnego CBV wyekstrahowany z obszaru aktywowanego (niebieski), z naniesionym odpowiadającym mu bodźcem (czerwony). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Rysunek 6 przedstawia korelacje czasowe znormalizowanych niskoczęstotliwościowych (<0.2 Hz) spontanicznych fluktuacji CBV pomiędzy 3D regionami mózgu (zidentyfikowanymi na podstawie rejestracji do wspólnego układu współrzędnych Allena) u myszy znieczulonej ketaminą i ksylazyną. Całkowity czas akwizycji wynosił 20 min (1200 s). Analiza nadzorowana atlasem ujawniła silne wzorce łączności międzyhemisferycznej, z wynikowymi wartościami współczynnika korelacji do 0.8. Analiza oparta na regionie ziarna w grzbietowej części hipokampa ujawniła istotną łączność międzyhemisferyczną pomiędzy prawym a lewym hipokampem, a także głębokimi regionami retrohipokampalnymi i korą piriformną. Region ziarna wybrany w S1BF również zaowocował symetrycznym (kortyko-kortykalnym) wzorcem korelacji, jak opisano wcześniej.

Rysunek 6: Transkranialna wolumetryczna funkcjonalna łączność w stanie spoczynku mózgu myszy pod narkozą ketaminą/ksylazyną, oceniona na podstawie 20-minutowej 3D fUS.A. Macierz korelacji oparta na regionach 3D wspólnego układu współrzędnych Allena (Allen common coordinate framework) zarejestrowanych na transkranialnym obrazowaniu funkcjonalnym. Macierz uzyskano poprzez obliczenie znormalizowanej korelacji Pearsona dla spontanicznych fluktuacji niskoczęstotliwościowych (<0.1 Hz) średnich sygnałów czasowych ze wszystkich wokseli w obrębie każdego zidentyfikowanego ROI po korekcie czasu warstw (slice timing correction). Każda próbkowana objętość była skanowana na odcinku 1.6 mm w kierunku góra-dół (odpowiadającym 4 warstwom) w czasie 2.2 s. B. Analiza oparta na obszarze nasion (seed-based analysis) rzutowana na szablon 3D. Obszar nasion wybrano w prawym grzbietowym hipokampie przy β - 2.1 mm. Mapę korelacji uzyskano poprzez obliczenie współczynnika korelacji Pearsona pomiędzy sygnałami czasowymi obszaru nasion a każdym wokselem całego obrazowania po korekcie czasu warstw. C. Mapa korelacji 3D oparta na analizie seed-based z obszarem nasion wybranym w S1BF przy β - 2.1 mm. Paski skali: 1 mm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.