Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

رسم خرائط الدماغ بالرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الحقيقي في الحيوانات

Published: September 24, 2020 doi: 10.3791/61463
Automatic Translation
1,2, 1,2, 1,3, 4, 1,2, 1,2, 1,2, 1,3
1Max Planck Institute for Biological Cybernetics, 2Graduate Training Centre of Neuroscience, 3MGH/MIT/HMS Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging, Department of Radiology, Harvard Medical School, Massachusetts General Hospital, 4Bruker BioSpin

Summary

يمكن أن يستفيد رسم الخرائط الوظيفية لدماغ الحيوان من الإعداد التجريبي للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) في الوقت الفعلي. باستخدام أحدث البرامج المطبقة في نظام التصوير بالرنين المغناطيسي للحيوانات ، أنشأنا منصة مراقبة في الوقت الفعلي للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي للحيوانات الصغيرة.

Abstract

تختلف استجابات الرنين المغناطيسي الوظيفي الديناميكية إلى حد كبير وفقا للظروف الفسيولوجية للحيوانات إما تحت التخدير أو في حالات اليقظة. قمنا بتطوير منصة الرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الفعلي لتوجيه المجربين لمراقبة استجابات الرنين المغناطيسي الوظيفي على الفور أثناء الاستحواذ ، والتي يمكن استخدامها لتعديل فسيولوجيا الحيوانات لتحقيق استجابات الدورة الدموية المرغوبة في أدمغة الحيوانات. يعتمد إعداد التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الفعلي على نظام التصوير بالرنين المغناطيسي قبل السريري 14.1T ، مما يتيح رسم الخرائط في الوقت الفعلي لاستجابات الرنين المغناطيسي الوظيفي الديناميكية في القشرة الحسية الجسدية الأولية (FP-S1) للفئران المخدرة. بدلا من التحليل بأثر رجعي للتحقيق في المصادر المربكة التي تؤدي إلى تباين إشارات الرنين المغناطيسي الوظيفي ، توفر منصة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الفعلي مخططا أكثر فاعلية لتحديد استجابات الرنين المغناطيسي الوظيفي الديناميكية باستخدام وظائف ماكرو مخصصة وبرنامج تحليل الصور العصبية الشائع في نظام التصوير بالرنين المغناطيسي. كما أنه يوفر جدوى فورية لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها ونموذج تحفيز الارتجاع البيولوجي في الوقت الفعلي للدراسات الوظيفية للدماغ في الحيوانات.

Introduction

التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) هو طريقة غير جراحية لقياس استجابات الدورة الدموية1،2،3،4،5،6،7،8،9 ، على سبيل المثال ، يعتمد على مستوى الأكسجين في الدم (BOLD) ، وحجم الدم الدماغي وإشارة التدفق ، المرتبطة بالنشاط العصبي في الدماغ. في الدراسات التي أجريت على الحيوانات ، يمكن أن تتأثر إشارات الدورة الدموية بالتخدير 10 ، ومستوى الإجهاد للحيوانات المستيقظة 11 ، بالإضافة إلى القطع الأثرية غير الفسيولوجية المحتملة ، على سبيل المثال ، نبض القلب وحركات الجهاز التنفسي12،13،14،15. على الرغم من تطوير العديد من طرق ما بعد المعالجة لتوفير تحليل بأثر رجعي لإشارة الرنين المغناطيسي الوظيفي للديناميكيات الوظيفية المتعلقة بالمهمة وحالة الراحة ورسم خرائط الاتصال16،17،18،19 ، إلا أن هناك القليل من التقنيات لتوفير حل رسم خرائط وظائف الدماغ في الوقت الفعلي وقراءات فورية في دماغ الحيوان20 (يستخدم معظمها بشكل أساسي لرسم خرائط الدماغ البشري21 ، 22،23،24،25،26،27). على وجه الخصوص ، هذا النوع من طريقة رسم خرائط الرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الحقيقي غير موجود في الدراسات على الحيوانات. من الضروري إنشاء منصة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي لتمكين التحقيق في المراحل الفسيولوجية المعتمدة على حالة الدماغ في الوقت الفعلي وتوفير نموذج تحفيز الارتجاع البيولوجي في الوقت الفعلي للدراسات الوظيفية لدماغ الحيوان.

في العمل الحالي ، نوضح إعدادا تجريبيا للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الفعلي مع الوظائف الكلية المخصصة لبرنامج وحدة التحكم في التصوير بالرنين المغناطيسي ، مما يدل على المراقبة في الوقت الفعلي لاستجابات BOLD-fMRI المستثارة في القشرة الحسية الجسدية الأولية (FP-S1) للفئران المخدرة. يسمح هذا الإعداد في الوقت الفعلي بتصور تنشيط الدماغ المستمر في الخرائط الوظيفية ، بالإضافة إلى الدورات الزمنية الفردية بطريقة voxel الحكيمة ، باستخدام برنامج تحليل الصور العصبية الحالي ، تحليل الصور العصبية الوظيفية (AFNI)28. يتم وصف إعداد الإعداد التجريبي للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الفعلي للدراسة على الحيوانات في البروتوكول. إلى جانب إعداد الحيوانات ، نقدم إجراءات مفصلة لإعداد تصور وتحليل إشارات الرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الفعلي باستخدام أحدث برامج وحدة التحكم بالتوازي مع نصوص معالجة الصور. باختصار ، يعد إعداد التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي المقترح في الوقت الفعلي للدراسات على الحيوانات أداة قوية لمراقبة إشارات الرنين المغناطيسي الوظيفي الديناميكية في دماغ الحيوان باستخدام نظام وحدة التحكم في التصوير بالرنين المغناطيسي.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

تم إجراء هذه الدراسة وفقا لقانون رعاية الحيوان الألماني (TierSchG) وقانون مختبر رعاية الحيوان (TierSchVersV). تمت مراجعة البروتوكول التجريبي الموصوف هنا من قبل لجنة الأخلاقيات (§15 TierSchG) ووافقت عليه سلطة الدولة (Regierungspräsidium ، توبنغن ، بادن فورتمبيرغ ، ألمانيا).

1. إعداد الإعداد التجريبي BOLD-fMRI لدراسة الحيوانات الصغيرة

  1. قم بتشغيل برنامج وحدة التحكم للتحكم في معلمات التصوير والحصول على بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي.
    ملاحظة: يتم تنفيذ إعداد الرنين المغناطيسي الوظيفي المقترح في الوقت الفعلي باستخدام الوظائف الكلية لبرنامج وحدة التحكم (الإصدار 6) بالتوازي مع وظائف معالجة الصور في AFNI.
  2. ابحث عن تسلسلات MR (على سبيل المثال ، الموضع ، Localizer ، الاكتساب السريع مع تحسين الاسترخاء (RARE) ، والتصوير بالصدى المستوي 3D (EPI) باستخدام مستكشف مساحة العمل ، ثم اسحبها وألحلها في قائمة الفحص.
    ملاحظة: يتم استخدام تسلسل الموضع و Localizer لتحديد منطقة الاهتمام (ROI) في الدماغ. يتم استخدام تسلسل نادر لفحص التشريح. يتم استخدام تسلسل 3D EPI لقياس استجابات BOLD الديناميكية.
  3. ضع نصوص الماكرو المحددة مسبقا ، "Setup_rt3DEPI" و "Feed2AFNI_rt3DEPI" في مسار البرنامج النصي للماكرو (على سبيل المثال ، "/ opt / (الإصدار الكهروضوئي) / prog / curdir / (اسم المستخدم) / ParaVision / وحدات الماكرو"). قم بتنشيط خيارات إعادة بناء 3D EPI و "أنشطة سلسلة الصور المسبقة" و "تنفيذ الماكرو" في قائمة واجهة المستخدم "إعادة بناء البيانات" ، ثم اربط البرنامج النصي للماكرو المحدد مسبقا ، "Setup_rt3DEPI" ، قبل النقر فوق الزر "مسح".
    ملاحظة: يتم تضمين البرامج النصية الماكرو في الملفات التكميلية.
  4. قم بتثبيت برنامج AFNI لتحليل وتصور BOLD-fMRI في الوقت الفعلي.

2. جراحة القسطرة والتهوية

  1. قم بإعداد جهاز التنفس الصناعي وأنظمة مراقبة الحالة الفسيولوجية مثل مقياس الحرارة وضغط الدم وتسجيل التنفس كما هو موضح في الشكل 1. اضبط ترددا ثابتا يبلغ 60 ± 1 نفس / دقيقة باستخدام جهاز التنفس الصناعي ودرجة حرارة 37 درجة مئوية باستخدام وسادة تسخين متوافقة مع MR مع مجموعة تحكم في التغذية المرتدة.
  2. تخدير ذكر بالغ من فأر Sprague-Dawley (300-600 جم) في غرفة تحتوي على 5٪ إيزوفلوران للتحريض وتوصيل 2-2.5٪ إيزوفلوران للجراحة من المرذاذ. تحقق من عمق التخدير عن طريق الضغط على المخلب الخلفي وتأكيد عدم وجود استجابة انسحاب.
  3. تنبيب الحيوان بقنية بلاستيكية 14 جم للتهوية (60 ± 1 نفس / دقيقة بمزيج من 70٪ هواء و 30٪ أكسجين). اضبط ثاني أكسيد الكربون في نهاية المد والجزر (CO2) ليكون في حدود 25 ± 5 مم زئبق29.
    ملاحظة: التنبيب أمر بالغ الأهمية للحفاظ على مستويات CO2 المناسبة من خلال تجارب التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي.
  4. ضع الحيوان في وضع ضعيف على طاولة الجراحة وحلق الفخذ باستخدام ماكينة حلاقة كهربائية. وبعد ذلك ، قم بعمل شق على الجلد المحلوق بمقص جراحي.
    ملاحظة: طول الشق حوالي 1-2 سم في اتجاه طولي.
  5. ابحث عن شريان الفخذ والوريد تحت المنطقة المحفورة للقسطرة وافصل الشريان الفخذي والوريد الفردي عن الأنسجة المحيطة.
  6. اربط جانبا واحدا من الشريان الفخذي المنفصل بخياطة جراحية وأمسك الجانب الآخر بملقط البلدغ الصغير. ثم قم بعمل شق صغير بين المناطق المربوطة على الشريان الفخذي.
  7. أدخل قسطرة في الشريان الفخذي من خلال شق صغير واربط القسطرة والشريان مع الغرز الجراحية. راقب ضغط الدم الشرياني باستمرار باستخدام نظام المراقبة الفسيولوجية ليكون في حدود 80-120 مم زئبق وقياس غازات الدم الشرياني بانتظام للحفاظ على pO 2 بحد أدنى 90 مم زئبق و pCO2 من 30-45 مم زئبق أثناء المسح.
    ملاحظة: هذه القسطرة ضرورية لمراقبة ضغط الدم الشرياني أثناء تجارب التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي.
  8. اربط طرفي الوريد الفخذي بخيوط جراحية مضفرة من الحرير. ثم قم بعمل شق صغير بين المناطق المربوطة على الوريد الفخذي. استخدم ملقط لأداء الخياطة.
    ملاحظة: حجم الخيط حوالي 1-2 سم.
  9. أدخل قسطرة في الوريد الفخذي. اربط القسطرة والوريد مع الغرز الجراحية.
    ملاحظة: هذه القسطرة ضرورية لإدارة ألفا كلورالوز عبر الوريد وضبط مستويات التخدير أثناء تجارب التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي. إذا لم يتم تخدير الحيوان جيدا ، فسيبدأ في التنفس تلقائيا. في هذه الحالة ، يجب إعطاء المزيد من ألفا كلورالوز لتجنب آثار الحركة التنفسية.
  10. خياطة الشق الجراحي على الجلد المحلوق. بمجرد الانتهاء من العمليات الجراحية ، حافظ على تخدير الحيوان عن طريق غرس بلعة من ألفا كلورالوز بجرعة ~ 80 مجم / كجم من خلال القسطرة المتصلة بالوريد الفخذي وإيقاف إعطاء إيزوفلوران في نفس الوقت.

3. وضع الحيوان داخل ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي

  1. انقل الحيوان المخدر إلى ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي بمجرد الانتهاء من الخطوة 2.10 وقم بتثبيته على مهد مصنوع خصيصا.
  2. أدخل مقياس حرارة المستقيم في الوقت الفعلي على الحيوان لمراقبة درجة حرارة الحيوان. ضع وسادة تدفئة تحت جذع الحيوان للتحكم في درجة الحرارة. الحفاظ على درجة حرارة الجسم عند 37.0 ± 0.5 درجة مئوية أثناء فحوصات التصوير بالرنين المغناطيسي.
  3. قم بتوصيل ألفا كلورالوز بمحلول ~ 25 مجم / كجم / ساعة في خليط من البانكورونيوم (~ 2 مجم / كجم / ساعة) ، وهو مرخي للعضلات ، باستمرار مع الحفاظ على تخدير الحيوان وتقليل القطع الأثرية للحركة في صور التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي. مراقبة ضغط الدم والتنفس عن طريق ضبط كمية الدواء ومعدل التهوية وفقا للحالة الفسيولوجية.
  4. تطبيق مرهم العيون على عيون الحيوان لمنع الجفاف أثناء تجارب الرنين المغناطيسي الوظيفي. ثبت رأس الحيوان بأمان باستخدام قضيبين للأذن لتجنب القطع الأثرية لحركة الرأس.
  5. إصلاح ملف سطح جهاز الإرسال والاستقبال على الرأس. قم بضبط الملف ومطابقته مع تردد Larmor (على سبيل المثال ، 599 ميجاهرتز على 14.1 T) على الرأس قبل قياسات التصوير بالرنين المغناطيسي.
    ملاحظة: هنا ، يتم استخدام ملف قطره 22 مم لتغطية دماغ الفئران بالكامل.
  6. أدخل زوجا من أقطاب الإبرة في جلد مقدمة القدم بين الرقمين 1 و 4 وقم بإصلاحها بشريط جراحي. وبعد ذلك ، تأكد من أن التحفيز يعمل بشكل صحيح بعد توصيل كابل إدخال التحفيز بهذه الأقطاب الكهربائية30.
  7. أدخل الحيوان في تجويف التصوير بالرنين المغناطيسي وضعه في مركز iso تقريبا.

4. قياس صور الرنين المغناطيسي التشريحية

  1. انقر فوق زر قائمة المعايرة في واجهة المستخدم الرئيسية. قم بإجراء معايرات نظام التصوير بالرنين المغناطيسي بالنقر فوق العناصر التالية في واجهة مستخدم Adjustment Platform (انظر قائمة التعليمات في برنامج وحدة التحكم): ابحث عن تردد الرنين الأساسي ، معايرة قوة نبض التردد اللاسلكي ، اضبط كسب جهاز الاستقبال الأمثل ، قم بقياس خريطة B0 في الحيوان لللمعان ، قم بتشغيل الحشوات الخطية العالمية بناء على تكامل اضمحلال الحث الحر غير الموضعي (FID).
    ملاحظة: تستغرق هذه الخطوة أقل من 2 دقيقة.
  2. قم بتشغيل تسلسل الموضع بالنقر فوق الزر "مسح" للعثور على موقع رأس الحيوان داخل تجويف التصوير بالرنين المغناطيسي. إذا لم يكن الرأس موجودا في مركز iso ، فاضبط موقع الرأس أثناء تحريك المهد ذهابا وإيابا حتى يقع الرأس في مركز iso.
  3. قم بتشغيل تسلسل Localizer بالنقر فوق الزر "مسح" لتحديد عائد الاستثمار في الرأس. حدد Map Shim وحدد عائد الاستثمار لحجم الرقاقة لتغطية الدماغ بالكامل في صورة المترجم ، ثم قم بتشغيل ترتيب مرتفع (على سبيل المثال ، 2nd أو 3rd order) باستخدام خيار "Shim up to" لتقليل عدم تجانس المجال المغناطيسي الرئيسي (B0) في عائد الاستثمار.
    ملاحظة: يعد التشكيل عالي الترتيب خطوة حاسمة لتحسين جودة بيانات BOLD-fMRI عند استخدام تسلسلات برنامج التحصين الموسع.
  4. قم بتشغيل تسلسل RARE المرجح T2 بالنقر فوق الزر "مسح" للحصول على صور تشريحية تغطي الدماغ بالكامل في عرض إكليلي (على سبيل المثال ، يتم استخدام معلمات التسلسل التالية: وقت التكرار (TR) 4000 مللي ثانية ، وقت الصدى الفعال (TE) 36.1 مللي ثانية ، مصفوفة 128 × 128 ، مجال الرؤية (FOV) 19.2x19.2 مم2 ، عدد الشرائح 32 ، سمك الشريحة 0.3 مم ، عامل نادر 8).
    ملاحظة: في خطوة تصور الرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الحقيقي التالية ، يتم استخدام الصور التشريحية لتسجيل صور 3D EPI كقالب.

5. إعداد برنامج الرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الحقيقي وتصور استجابة الرنين المغناطيسي الوظيفي

  1. افتح نافذة طرفية وانتقل إلى مسار المكون الإضافي AFNI في الوقت الفعلي باستخدام الأمر التالي:
    cd / الصفحة الرئيسية / (اسم المستخدم) / rt_afni
    ملاحظة: يتم تضمين البرنامج النصي المكون الإضافي AFNI ، "afni_rt" في الملفات التكميلية.
  2. قم بتنفيذ برنامج AFNI باستخدام المكون الإضافي في الوقت الفعلي باستخدام الأمر والخيارات أدناه.
    AFNI -RT
    -يستبلجouts
    -DAFNI_REALTIME_MP_HOST_PORT = المضيف المحلي: (رقم المنفذ)
    -DAFNI_REALTIME_Graph=الوقت الحقيقي
    -DAFNI_FIM_IDEAL=(نموذج)
    ملاحظة: في الحالة الأولى ، يسمح الرمز للبرامج الخارجية بتبادل البيانات مع AFNI بينما في الحالة الثانية سيحاول المكون الإضافي في الوقت الفعلي فتح مقبس TCP للمضيف المحلي والمنفذ المحددين من قبل المستخدم. في الحالتين الثالثة والرابعة ، سترسم الرموز المسار الزمني لبيانات التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الفعلي وترسم المسار الزمني للنموذج المحدد من قبل المستخدم في الدورة الزمنية للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي على التوالي عند الحصول على بيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الفعلي. لمزيد من التفاصيل، راجع https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/README.environment.html.
  3. راقب ملفات AFNI BRIK القادمة المحددة باستخدام الأمر "Dimon" كما هو موضح في الشكل 2 مع الخيارات التالية:
    Dimon -tr (TR of EPI) -nt (NRepetitions of EPI)
    -RT -إنهاء
    -infile_pattern الوقت الحقيقي*. بريك
    -file_type أفني
    ملاحظة: "Dimon" هو أمر لمراقبة الحصول في الوقت الفعلي على ملفات صور AFNI باستخدام الخيارات التالية: "-rt" الذي ينفذ المكون الإضافي في الوقت الفعلي و "-infile_pattern (اسم البيانات). BRIK -file_type AFNI" الذي يسمح للمكون الإضافي بقراءة ملفات BRIK المحددة وإرسالها إلى AFNI للعرض والتنسيق. لمزيد من التفاصيل، راجع https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/Dimon.html.
  4. استخدم الأمر "pvcmd" مع الخيارات التالية:
    pvcmd -a JMacroManager JMMExecuteMacro -category $USER -macro Feed2AFNI_rt3DEPI
    ملاحظة: يوجد هذا الرمز في البرنامج النصي للماكرو ، "Setup_rt3DEPI" ، لتشغيل البرنامج النصي ماكرو الخلفية ، "Feed2AFNI_rt3DEPI" ، مباشرة بعد النقر فوق الزر "مسح" للحصول على برنامج التحصين الموسع.
  5. استخدم الأمر "exec pvcmd" مع الخيارات التالية للحصول على معلمات اكتساب EPI.
    exec pvcmd -a ParxServer -r ParamGetValue -psid $ParSpaceId -param (معلمات PVM الخاصة ب EPI) -id 10 -args $AcqKey $ParSpaceId $ProcnoPath
  6. استخدم الأمر "exec to3d" مع الخيارات التالية لتحويل بيانات EPI الأولية إلى ملفات AFNI في الوقت الفعلي في البرنامج النصي ماكرو الخلفية ، "Feed2AFNI_rt3DEPI".
    exec to3d -omri -xFOV $FOV_X -yFOV $FOV_Y -zFOV $FOV_Z -بادئة $LastVolName $ImgFormat$Path2dseq
  7. تأكد من أن المعلومات الهندسية لبرنامج التحصين الموسع متوافقة مع اتجاه التشريح.
    ملاحظة: سيتم تشغيل الأمر AFNI "to3d" تلقائيا مع المعلومات الهندسية مثل مجال الرؤية (FOV) وحجم المصفوفة لتحويل البيانات الأولية للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي إلى بيانات AFNI BRIK واحدة كلما تم تخزين كل بيانات وحدة تخزين ثلاثية الأبعاد بعد كل TR واحد كما هو موضح في الشكل 2. يمكن تغيير اتجاه الصورة باستخدام معلمات المعلومات الهندسية ل "to3d". لمزيد من التفاصيل، راجع https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/to3d.html.
  8. قم بتشغيل عازل التحفيز الكهربائي وقم بإجراء تحفيز كهربائي ل forepaw لدراسة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (على سبيل المثال ، 3 هرتز ، عرض نبضة 4 ثوان 300us ، 2.5mA) باستخدام كتل التحفيز.
    ملاحظة: هنا ، يتكون نموذج تصميم الكتلة من 10 فحوصات ما قبل التحفيز و 3 عمليات مسح للتحفيز و 12 مسحا للتحفيز البيني (15 عملية مسح لكل عصر).
  9. قم بتشغيل تسلسل 3D EPI المرجح T2 * بالنقر فوق الزر "مسح" لدراسة BOLD-fMRI (على سبيل المثال ، يتم استخدام المعلمات التالية: TR / TE 1500/14 مللي ثانية ، مصفوفة 64 × 64 × 32 ، مجال الرؤية 19.2 × 19.2 × 9.6 مم 3 ، والدقة 300 × 300 × 300 ميكرومتر3).
    ملاحظة: بمجرد النقر فوق الزر "مسح" ، ستتم مراقبة البيانات الأولية ومعالجتها باستخدام البرامج النصية للماكرو المحددة مسبقا في الوقت الفعلي. بمجرد تحويل مجموعة بيانات AFNI BRIK واحدة ، يتم عرض الرسوم البيانية للدورة الزمنية لصور 3D EPI في برنامج AFNI ويتم تحديثها تلقائيا لكل TR واحد.
  10. لتراكب صور برنامج التحصين الموسع أعلى الصور النادرة التشريحية ، قم بتحويل الصور النادرة إلى مجموعة بيانات AFNI BRIK باستخدام الأمر "to3d" كما في الخطوة 5.6 ، ثم قم بتسجيل صور EPI إلى الصور التشريحية باستخدام البرنامج النصي AFNI "align_epi_anat.py" مع الخيارات التالية:
    align_epi_anat.py -عنات anatomy_template_al + أوريج -EPI Epi.$ (رقم بيانات EPI) + أصل -epi_base 1 -لاحقة _volreg -rat_align -التكلفة LPA -epi2anat
    ملاحظة: لمزيد من التفاصيل، راجع https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/ align_epi_anat.py.html.
  11. لمعالجة الخرائط الوظيفية لاستجابات BOLD ، احسب فك التفاف مجموعة بيانات 3D + time مع سلسلة زمنية محددة للتحفيز باستخدام الأمر "3dDeconvolve" مع الخيارات التالية:
    3dDeconvolve -input (اسم ملف الإدخال) + الأصل. -nfirst 0 -polort 3 -num_stimts 1 -stim_times 1 (اسم ملف نموذج التحفيز) "كتلة (4،1)" -stim_label 1 مقدمة -tout -fout -rout
    ملاحظة: تم دمج خطوات معالجة الصور مثل التجانس المكاني أو التصفية الزمنية في برنامج نصي مخصص لمعالجة بيانات AFNI. لمزيد من التفاصيل، راجع https://afni.nimh.nih.gov/afni/doc/help/3dDeconvolve.html.
  12. لتصور الخرائط الوظيفية لإشارات BOLD ، استخدم مجموعة تفاعلية في برنامج AFNI. افتح خيار "تحديد التراكب" واستخدم وظيفة "المجموعات" من قائمة واجهة مستخدم AFNI.
  13. بعد آخر فحص بالرنين المغناطيسي الوظيفي ، أخرج الحيوان من ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي وقم بالقتل الرحيم وفقا للبروتوكولات المعتمدة.
    ملاحظة: تم استخدام وظائف معالجة الصور الخاصة ب AFNI والوظائف الكلية في أحدث برامج وحدة التحكم لمعالجة بيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الفعلي. يمكن العثور على معلومات وأوصاف مفصلة لوظائف الماكرو من قائمة المساعدة في برنامج وحدة التحكم. برنامج AFNI هو برنامج مجاني يمكن تنزيله مباشرة من خلال موقع NIMH-AFNI. يتم إرفاق البرامج النصية ذات الصلة لبناء الربط بين AFNI ونظام وحدة التحكم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

يوضح الشكل 3 والشكل 4 دورة زمنية تمثيلية في الوقت الفعلي ل BOLD-fMRI وخرائط وظيفية مع تحفيز كهربائي للمقدمة (3 هرتز ، 4 ثوان ، عرض النبضة 300 لنا ، 2.5 مللي أمبير). يتكون نموذج تصميم التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي من 10 فحوصات ما قبل التحفيز ، و 3 فحوصات تحفيز ، و 12 مسحا بين التحفيز بإجمالي 8 عصور (130 عملية مسح). إجمالي وقت المسح هو 3 دقائق و15 ثانية (195 ثانية). يوضح الشكل 3 المسار الزمني الحكيم للفوكسل (الخط الأسود) ل FP-S1 المقابل لنموذج تصميم الكتلة (الخط الأحمر) في تنسيق الاستحواذ في الوقت الفعلي. يوضح الشكل 4 خرائط BOLD المنشطة المقابلة لتحفيز مقدمة القدم الكهربائية. يتم الكشف عن المناطق التي تم تنشيطها وعرضها كمجموعات ملونة (اللونين الأحمر والأصفر). يمكن للمجربين استخدام وظيفة "المجموعات" في برنامج AFNI لاستكشاف وحدات التخزين المجمعة بشكل تفاعلي وعرضها كصورة مرمزة بالألوان متراكبة.

Figure 1
الشكل 1: الإعداد التجريبي للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الفعلي لتحفيز مقدمة القدم. يتم عرض رسم تخطيطي مبسط لإعداد التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الفعلي والتدفق (الخطوط المتقطعة) لمعلمات التحكم. يتم استخدام جهاز كمبيوتر واحد (يسار) كوحدة تحكم لتنفيذ تسلسل النبض ، والتحكم في عازل التحفيز ، وتحليل البيانات باستخدام AFNI. يستخدم الكمبيوتر الآخر (على اليمين) لمراقبة المعلومات الفسيولوجية (على سبيل المثال ، ضغط الدم والتنفس وحركة الصدر ، وما إلى ذلك). الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

Figure 2
الشكل 2: رسم تخطيطي لمعالجة البيانات أثناء مسح التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي. يتم عرض مخطط انسيابي مبسط لمعالجة البيانات مع وظائف الماكرو التمثيلية و AFNI في إعداد الرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الفعلي. قبل بدء فحوصات الرنين المغناطيسي الوظيفي ، يتم تحديد خيارات "أنشطة سلسلة الصور المسبقة" و "تنفيذ الماكرو" من بين خيارات إعادة البناء. يتم تنفيذ البرنامج النصي "Setup_rt3DEPI" باستخدام هذه الخيارات عند النقر فوق الزر "مسح". باستخدام الأمر "Dimon" ، تتم مراقبة ملفات AFNI في الوقت الفعلي وإرسالها إلى المكون الإضافي AFNI لعرض استجابات BOLD الديناميكية عندما يقوم البرنامج النصي للماكرو في الخلفية ، "Feed2AFNI_rt3DEPI" بتحويل البيانات الأولية للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي إلى ملفات AFNI. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

Figure 3
الشكل 3: استجابات الرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الحقيقي voxel. يتم عرض رسم بياني لدورة زمنية مفردة مفعمة بالحيوية (خط أسود) من القشرة الحسية الجسدية الأولية (FP-S1) أثناء نموذج تحفيز تصميم الكتلة. تم تعريف نموذج تصميم الرنين المغناطيسي الوظيفي المتكرر (الخط الأحمر) بواسطة "afni -rt -DAFNI_FIM_IDEAL = (Paradigm)". يوضح الرسم البياني أن استجابات BOLD الواضحة والمستقرة تتبع التحفيز الكهربائي في الوقت الفعلي. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

Figure 4
الشكل 4: الخرائط الوظيفية لاستجابات BOLD للتحفيز الكهربائي في مناطق FP-S1 المقابلة. تم تحديد مجموعات الفوكسل التي تم تنشيطها في مناطق FP-S1 (اللونين الأصفر والأحمر) ومزامنتها بشكل كبير مع نموذج التحفيز المتكرر ، المتراكب على الصور التشريحية المرجحة T2. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الملفات التكميلية. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذه الملفات.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

تساعد المراقبة في الوقت الفعلي لإشارة الرنين المغناطيسي الوظيفي المجربين على ضبط فسيولوجيا الحيوانات لتحسين رسم الخرائط الوظيفية. تعتبر القطع الأثرية الحركية في الحيوانات المستيقظة ، بالإضافة إلى تأثير التخدير ، من العوامل الرئيسية التي تتوسط في تباين إشارات التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي ، مما يربك التفسير البيولوجي للإشارة في حد ذاته 31،32،33،34،35،36،37،38 . توفر منصة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الفعلي معلومات فورية للمساعدة في تحسين معلمات المسح ومخططات إدارة التخدير. أيضا ، يمكن استخدام استجابات الدورة الدموية في الدماغ في الوقت الفعلي لتوفير إشارات التحكم في الارتجاع البيولوجي القائمة على التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي لنماذج التحفيز الجديدة في الدراسات الوظيفية للدماغ متعددة الوسائط.

مصدر القلق المتبقي بشأن إعداد التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي المقترح في الوقت الفعلي هو الاعتماد الفني على برنامج وحدة التحكم الخاص بالبائع. في هذا البروتوكول ، تنفذ البرامج النصية لتحليل الرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الفعلي سلسلة من وظائف الماكرو باستخدام برنامج وحدة التحكم (انظر جدول المواد) الإصدار 6 أو أعلى. يختلف سير عمل فحص MR في برنامج وحدة التحكم السابق (على سبيل المثال ، PV الإصدار 5 أو أقل) عن أحدث إصدار بسبب واجهة المستخدم التي تمت ترقيتها وتعريف المعلمة الجديد. باستخدام الإصدار السابق من نظام وحدة التحكم (PV الإصدار 3) ، أظهر Lu et al. (2008) أن إعداد الرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الفعلي مكن من مراقبة تغيرات إشارة الدورة الدموية التي يسببها الدواء في دماغ الفئران لدراسة تأثير الكوكايين على الجهاز العصبي المركزي20. ومع ذلك ، لا يمكن تطبيق هذه الإعدادات بسهولة على برنامج وحدة التحكم الجديد مع أحدث الأجهزة الإلكترونية. في أحدث برامج وحدة التحكم ، يعد تشغيل البرامج النصية للماكرو المحددة مسبقا ومراقبة البيانات الأولية للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي خطوة حاسمة مباشرة بعد بدء المسح عن طريق تحديد خيارات "أنشطة سلسلة الصور المسبقة" و "تنفيذ الماكرو" في "إعادة بناء البيانات".

لمزيد من معالجة الصور ، يمكن دمج وظائف AFNI المخصصة بسهولة في البرامج النصية لمعالجة الصور في الوقت الفعلي. على وجه الخصوص ، سيكون من المفيد توفير تحليل في الوقت الفعلي باستخدام الآثار المتعلقة بالحركة ، على سبيل المثال ، إشارة تخطيط كهربية العضل (EMG) للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي للحيوانات المستيقظة38 ، ودمج إشارة الدماغ الديناميكية متعددة الوسائط ، على سبيل المثال ، GCaMP بوساطة Ca2+ ، لتحديد ارتباط الدورة الدموية في الدماغ بالكامل37. علاوة على ذلك ، يمكن توسيع إعداد التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الفعلي ليشمل دراسات الارتجاع العصبي للحيوانات للتحقيق في التنظيم الذاتي للدماغ والسلوك المشابه للدراسات البشرية السابقة27.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ساشا كولر موظفة في شركة Bruker BioSpin MRI GmbH.

Acknowledgments

نشكر الدكتور D. Chen والدكتور C. Yen على مشاركة نص AFNI لإعداد التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الفعلي ل PV 5 وفريق AFNI لدعم البرنامج. تم دعم هذا البحث بتمويل مبادرة NIH Brain Initiative (RF1NS113278-01 ، R01 MH111438-01) ، ومنحة أداة S10 (S10 RR023009-01) إلى مركز مارتينوس ، مؤسسة الأبحاث الألمانية (DFG) Yu215 / 3-1 ، BMBF 01GQ1702 ، والتمويل الداخلي من جمعية ماكس بلانك.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
14.1T Bruker MRI system Bruker BioSpin MRI GmbH N/A
A365 Stimulus Isolator World Precision Instruments N/A
AcqKnowledge Software Biopac RRID:SCR_014279, http://www.biopac.com/product/acqknowledge-software/
AFNI Cox, 1996 RRID:SCR_005927, http://afni.nimh.nih.gov
CO2SMO (ETCO2/SpO2 Monitor), Model 7100 Novametrix Medical Systems Inc N/A
Isoflurane CP-Pharma Cat# 1214
Master-9 A.M.P.I N/A
Nanoliter Injector World Precision Instruments Cat# NANOFIL
Pancuronium Bromide Inresa Arzneimittel Cat# 34409.00.00
ParaVision 6 Bruker BioSpin MRI GmbH RRID:SCR_001964
Phosphate Buffered Saline (PBS) Gibco Cat# 10010-023
Rat: Sprague Dawley rat Charles River Laboratories Crl:CD(SD)
SAR-830/AP Ventilator CWE N/A
α-chloralose Sigma-Aldrich Cat# C0128-25G;RRID

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Ogawa, S., Lee, T. M., Kay, A. R., Tank, D. W. Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation. Proceedings of the National Academy of Sciences U.S.A. 87 (24), 9868-9872 (1990).
  2. Belliveau, J. W., et al. Functional mapping of the human visual cortex by magnetic resonance imaging. Science. 254 (5032), 716-719 (1991).
  3. Stehling, M. K., Turner, R., Mansfield, P. Echo-planar imaging: magnetic resonance imaging in a fraction of a second. Science. 254 (5028), 43-50 (1991).
  4. Bandettini, P. A., Wong, E. C., Hinks, R. S., Tikofsky, R. S., Hyde, J. S. Time course EPI of human brain function during task activation. Magnetic Resonance in Medicine. 25 (2), 390-397 (1992).
  5. Kwong, K. K., et al. Dynamic magnetic resonance imaging of human brain activity during primary sensory stimulation. Proceedings of the National Academy of Science U. S. A. 89 (12), 5675-5679 (1992).
  6. Ogawa, S., et al. Intrinsic signal changes accompanying sensory stimulation: functional brain mapping with magnetic resonance imaging. Proceedings of the National Academy of Science U. S. A. 89 (13), 5951-5955 (1992).
  7. Biswal, B., Yetkin, F. Z., Haughton, V. M., Hyde, J. S. Functional connectivity in the motor cortex of resting human brain using echo-planar MRI. Magnetic Resonance in Medicine. 34 (4), 537-541 (1995).
  8. Logothetis, N. K. What we can do and what we cannot do with fMRI. Nature. 453 (7197), 869-878 (2008).
  9. Kim, S. G., Ogawa, S. Biophysical and physiological origins of blood oxygenation level-dependent fMRI signals. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 32 (7), 1188-1206 (2012).
  10. Peltier, S. J., et al. Functional connectivity changes with concentration of sevoflurane anesthesia. Neuroreport. 16 (3), 285-288 (2005).
  11. Dopfel, D., Zhang, N. Mapping stress networks using functional magnetic resonance imaging in awake animals. Neurobiology of Stress. 9, 251-263 (2018).
  12. Hu, X. P., Le, T. H., Parrish, T., Erhard, P. Retrospective Estimation and Correction of Physiological Fluctuation in Functional Mri. Magnetic Resonance in Medicine. 34 (2), 201-212 (1995).
  13. Birn, R. M. The role of physiological noise in resting-state functional connectivity. Neuroimage. 62 (2), 864-870 (2012).
  14. Caballero-Gaudes, C., Reynolds, R. C. Methods for cleaning the BOLD fMRI signal. Neuroimage. 154, 128-149 (2017).
  15. Pais-Roldan, P., Biswal, B., Scheffler, K., Yu, X. Identifying Respiration-Related Aliasing Artifacts in the Rodent Resting-State fMRI. Frontiers in Neuroscience. 12, 00788 (2018).
  16. Glover, G. H., Li, T. Q., Ress, D. Image-based method for retrospective correction of physiological motion effects in fMRI: RETROICOR. Magnetic Resonance in Medicine. 44 (1), 162-167 (2000).
  17. Chang, C., Cunningham, J. P., Glover, G. H. Influence of heart rate on the BOLD signal: The cardiac response function. Neuroimage. 44 (3), 857-869 (2009).
  18. Birn, R. M., Diamond, J. B., Smith, M. A., Bandettini, P. A. Separating respiratory-variation-related neuronal-activity-related fluctuations in fluctuations from fMRI. Neuroimage. 31 (4), 1536-1548 (2006).
  19. Golestani, A. M., Chang, C., Kwinta, J. B., Khatamian, Y. B., Chen, J. J. Mapping the end-tidal CO2 response function in the resting-state BOLD fMRI signal: Spatial specificity, test-retest reliability and effect of fMRI sampling rate. Neuroimage. 104, 266-277 (2015).
  20. Lu, H. B., et al. Real-time animal functional magnetic resonance imaging and its application to neurophamacological studies. Magnetic Resonance Imaging. 26 (9), 1266-1272 (2008).
  21. Cox, R. W., Jesmanowicz, A., Hyde, J. S. Real-time functional magnetic resonance imaging. Magnetic Resonance Medicine. 33 (2), 230-236 (1995).
  22. Lee, C. C., Jack, C. R., Rossman, P. J., Riederer, S. J. Real-time reconstruction and high-speed processing in functional MR imaging. American Journal of Neuroradiology. 19 (7), 1297-1300 (1998).
  23. Voyvodic, J. T. Real-time fMRI paradigm control, physiology, and behavior combined with near real-time statistical analysis. Neuroimage. 10 (2), 91-106 (1999).
  24. Cohen, M. S. Real-time functional magnetic resonance imaging. Methods. 25 (2), 201-220 (2001).
  25. Posse, S., et al. A new approach to measure single-event related brain activity using real-time fMRI: Feasibility of sensory, motor, and higher cognitive tasks. Human Brain Mapping. 12 (1), 25-41 (2001).
  26. Decharms, R. C. Reading and controlling human brain activation using real-time functional magnetic resonance imaging. Trends in Cognitive Sciences. 11 (11), 473-481 (2007).
  27. Bruhl, A. B. Making Sense of Real-Time Functional Magnetic Resonance Imaging (rtfMRI) and rtfMRI Neurofeedback. International Journal of Neuropsychopharmacology. 18 (6), (2015).
  28. Cox, R. W. AFNI: Software for analysis and visualization of functional magnetic resonance neuroimages. Computers and Biomedical Research. 29 (3), 162-173 (1996).
  29. Liou, W. W., Goshgarian, H. G. Quantitative assessment of the effect of chronic phrenicotomy on the induction of the crossed phrenic phenomenon. Experimental Neurology. 127 (1), 145-153 (1994).
  30. Shih, Y. Y., et al. Ultra high-resolution fMRI and electrophysiology of the rat primary somatosensory cortex. Neuroimage. 73, 113-120 (2013).
  31. Masamoto, K., Kim, T., Fukuda, M., Wang, P., Kim, S. G. Relationship between neural, vascular, and BOLD signals in isoflurane-anesthetized rat somatosensory cortex. Cerebral Cortex. 17 (4), 942-950 (2007).
  32. van Alst, T. M., et al. Anesthesia differentially modulates neuronal and vascular contributions to the BOLD signal. Neuroimage. 195, 89-103 (2019).
  33. Wu, T. L., et al. Effects of isoflurane anesthesia on resting-state fMRI signals and functional connectivity within primary somatosensory cortex of monkeys. Brain and Behavior. 6 (12), 00591 (2016).
  34. Liu, X., Zhu, X. H., Zhang, Y., Chen, W. The change of functional connectivity specificity in rats under various anesthesia levels and its neural origin. Brain Topography. 26 (3), 363-377 (2013).
  35. Liu, X. P., et al. Multiphasic modification of intrinsic functional connectivity of the rat brain during increasing levels of propofol. Neuroimage. 83, 581-592 (2013).
  36. Hutchison, R. M., Hutchison, M., Manning, K. Y., Menon, R. S., Everling, S. Isoflurane induces dose-dependent alterations in the cortical connectivity profiles and dynamic properties of the brain's functional architecture. Human Brain Mapping. 35 (12), 5754-5775 (2014).
  37. He, Y., et al. Ultra-Slow Single-Vessel BOLD and CBV-Based fMRI Spatiotemporal Dynamics and Their Correlation with Neuronal Intracellular Calcium Signals. Neuron. 97 (4), 925-939 (2018).
  38. Yoshida, K., et al. Physiological effects of a habituation procedure for functional MRI in awake mice using a cryogenic radiofrequency probe. Journal of Neuroscience Methods. 274, 38-48 (2016).

Tags

علم الأعصاب ، العدد 163 ، التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي ، التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي ، يعتمد على مستوى الأكسجين في الدم ، BOLD ، الدماغ ، الوقت الحقيقي ، الحيوانات ، تحليل الصورة العصبية الوظيفية
رسم خرائط الدماغ بالرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الحقيقي في الحيوانات
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Choi, S., Takahashi, K., Jiang, Y.,… More

Choi, S., Takahashi, K., Jiang, Y., Köhler, S., Zeng, H., Wang, Q., Ma, Y., Yu, X. Real-Time fMRI Brain Mapping in Animals. J. Vis. Exp. (163), e61463, doi:10.3791/61463 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter