Summary
Funktionel kortlægning af dyrehjerner kan drage fordel af den eksperimentelle opsætning af funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI) i realtid. Ved hjælp af den nyeste software, der er implementeret i dyrenes MR-system, etablerede vi en realtidsovervågningsplatform for fMRI for små dyr.
Abstract
Dynamiske fMRI-reaktioner varierer stort set alt efter de fysiologiske forhold hos dyr, enten under anæstesi eller i vågen tilstand. Vi udviklede en real-time fMRI-platform til at guide eksperimenter til at overvåge fMRI-responser øjeblikkeligt under erhvervelse, som kan bruges til at ændre dyrs fysiologi for at opnå ønskede hæmodynamiske reaktioner i dyrehjerner. Realtidsopsætningen af fMRI er baseret på et 14,1T præklinisk MR-system, der muliggør kortlægning i realtid af dynamiske fMRI-responser i den primære forpote somatosensoriske cortex (FP-S1) hos bedøvede rotter. I stedet for en retrospektiv analyse for at undersøge forvirrende kilder, der fører til variabiliteten af fMRI-signaler, giver realtids fMRI-platformen et mere effektivt skema til at identificere dynamiske fMRI-svar ved hjælp af tilpassede makrofunktioner og en fælles neuroimageanalysesoftware i MR-systemet. Det giver også øjeblikkelig fejlfindingsmulighed og et realtids biofeedback-stimuleringsparadigme til hjernefunktionelle undersøgelser hos dyr.
Introduction
Funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI) er en ikke-invasiv metode til måling af hæmodynamiske reaktioner 1,2,3,4,5,6,7,8,9, fx blod-ilt-niveauafhængig (BOLD), cerebral blodvolumen og flowsignal, der er forbundet med neural aktivitet i hjernen. I dyreforsøg kan hæmodynamiske signaler påvirkes af anæstesi10, stressniveauet hos vågne dyr 11 samt de potentielle ikke-fysiologiske artefakter, fx hjertepulsering og åndedrætsbevægelser12,13,14,15. Selvom mange efterbehandlingsmetoder er blevet udviklet til at give en retrospektiv analyse af fMRI-signalet til den opgaverelaterede og hviletilstands funktionelle dynamik og forbindelseskortlægning16,17,18,19, er der få teknikker til at tilvejebringe en realtids hjernefunktionskortlægningsløsning og øjeblikkelige aflæsninger i dyrehjernen 20 (hvoraf de fleste hovedsageligt bruges til kortlægning af menneskelig hjerne 21, 22,23,24,25,26,27). Især mangler denne form for realtids fMRI-kortlægningsmetode i dyreforsøg. Det er nødvendigt at oprette en fMRI-platform for at muliggøre undersøgelse af hjernetilstandsafhængige fysiologiske stadier i realtid og for at tilvejebringe realtids biofeedbackstimuleringsparadigme til funktionelle undersøgelser af dyrehjerner.
I dette arbejde illustrerer vi en real-time fMRI eksperimentel opsætning med de tilpassede makrofunktioner i MR-konsolsoftwaren, der demonstrerer realtidsovervågning af de fremkaldte BOLD-fMRI-responser i den primære forpote somatosensoriske cortex (FP-S1) hos de bedøvede rotter. Denne realtidsopsætning giver mulighed for visualisering af den igangværende hjerneaktivering i funktionelle kort samt individuelle tidsforløb på en voxel-klog måde ved hjælp af den eksisterende neuroimageanalysesoftware, Analysis of Functional NeuroImages (AFNI)28. Forberedelsen af real-time fMRI forsøgsopstillingen til dyreforsøget er beskrevet i protokollen. Udover dyreopsætningen leverer vi detaljerede procedurer til opsætning af visualisering og analyse af fMRI-signaler i realtid ved hjælp af den nyeste konsolsoftware parallelt med billedbehandlingsscripts. Sammenfattende er den foreslåede realtids fMRI-opsætning til dyreforsøg et kraftfuldt værktøj til overvågning af de dynamiske fMRI-signaler i dyrehjernen ved hjælp af MR-konsolsystemet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Denne undersøgelse blev udført i overensstemmelse med den tyske dyrevelfærdslov (TierSchG) og dyrevelfærdslaboratoriets dyreforordning (TierSchVersV). Den her beskrevne forsøgsprotokol blev gennemgået af den etiske kommission (§15 TierSchG) og godkendt af den statslige myndighed (Regierungspräsidium, Tübingen, Baden-Württemberg, Tyskland).
1. Forberedelse af BOLD-fMRI-forsøgsopstillingen til smådyrsforsøg
- Tænd konsolsoftwaren for at styre billedparametre og hente MR-data.
BEMÆRK: Den foreslåede realtids fMRI-opsætning implementeres ved hjælp af makrofunktioner i konsolsoftwaren (version 6) parallelt med billedbehandlingsfunktionerne i AFNI. - Find MR-sekvenser (dvs. Position, Localizer, Rapid Acquisition with Relaxation Enhancement (RARE) og 3D echo-planar imaging (EPI) med arbejdsområdestifinderen, og træk og tilføj dem derefter på scanningslisten.
BEMÆRK: Position og lokaliseringssekvenser bruges til at identificere en region af interesse (ROI) i en hjerne. En RAR-sekvens bruges til en anatomiscanning. En 3D EPI-sekvens bruges til at måle dynamiske BOLD-reaktioner. - Placer de foruddefinerede makroscripts, "Setup_rt3DEPI" og "Feed2AFNI_rt3DEPI" i makroscriptstien (f.eks. "/opt/(PV-version)/prog/curdir/(brugernavn)/ParaVision/makroer"). Aktivér 3D EPI-rekonstruktionsindstillingerne, "Pre Image Series Activities" og "Execute Macro" i brugergrænseflademenuen "Data Reconstruction", og link derefter det foruddefinerede makroscript, "Setup_rt3DEPI", før du klikker på knappen "Scan".
BEMÆRK: Makroscripts er inkluderet i de supplerende filer. - Installer AFNI-softwaren til BOLD-fMRI-analyse og visualisering i realtid.
2. Kateterisering og ventilationskirurgi
- Opsæt en ventilator og fysiologiske statusovervågningssystemer såsom termometer, blodtryk og respirationsregistrering som vist i figur 1. Indstil en konstant frekvens på 60 ± 1 åndedræt/min med ventilatoren og en temperatur på 37 °C ved hjælp af en MR-kompatibel varmepude med et feedback-kontrolsæt.
- Bedøv en voksen hanrotte (300-600 g) i et kammer med 5% isofluran til induktion og aflever 2-2,5% isofluran til operation fra en fordamper. Kontroller dybden af anæstesi ved at klemme bagpoten og bekræfte manglen på et tilbagetrækningsrespons.
- Intubere dyret med en 14 G plastkanyle til ventilation (60 ± 1 åndedræt/min med en blanding af 70% luft og 30% ilt). Slutvandskuldioxid (CO2) justeres til at ligge i området 25 ± 5 mmHg29.
BEMÆRK: Intubationen er afgørende for at opretholde korrekte CO2 -niveauer gennem fMRI-eksperimenter. - Placer dyret i liggende stilling på et operationsbord og barber et lår med en elektrisk barbermaskine. Og lav derefter et snit på den barberede hud med kirurgisk saks.
BEMÆRK: Snittets længde er ca. 1-2 cm i længderetningen. - Find en lårbensarterie og vene under det indskårne område til kateterisering og adskille den enkelte lårbensarterie og vene fra det omgivende væv.
- Fastgør den ene side af den adskilte lårbensarterie med en kirurgisk sutur og hold den anden side med mikro bulldog tang. Lav derefter et lille snit mellem de bundne regioner på lårbensarterien.
- Indsæt et kateter i lårbensarterien gennem det lille snit og binde kateteret og arterien sammen med kirurgiske suturer. Overvåg arterielt blodtryk konstant med det fysiologiske overvågningssystem for at være i området 80-120 mmHg og mål arteriel blodgas regelmæssigt for at opretholdepO2 på mindst 90 mmHg og pCO2 på 30-45 mmHg under scanning.
BEMÆRK: Denne kateterisering er kritisk for overvågning af arterielt blodtryk under fMRI-forsøg. - Fastgør begge ender af lårbenet med silkeflettede kirurgiske suturer. Lav derefter et lille snit mellem de bundne regioner på lårbenet. Brug tang til at udføre sutureringen.
BEMÆRK: Suturens størrelse er ca. 1-2 cm. - Indsæt et kateter i lårbenet. Bind kateteret og venen sammen med kirurgiske suturer.
BEMÆRK: Denne kateterisering er afgørende for administration af alfa-chloralose gennem venen og justering af bedøvelsesniveauerne under fMRI-eksperimenter. Hvis dyret ikke er godt bedøvet, begynder det at trække vejret spontant. I dette tilfælde skal mere alfa-chloralose administreres for at undgå artefakter fra åndedrætsbevægelser. - Sutur det kirurgiske snit på den barberede hud. Når de kirurgiske procedurer er afsluttet, skal dyret bedøves ved at infundere en bolus alfa-chloralose med en dosis på ~ 80 mg / kg gennem kateteret, der er forbundet med lårbensvenen, og stoppe isofluranadministration på samme tid.
3. Placering af dyret inde i MR-scanneren
- Overfør det bedøvede dyr til MR-scanneren, så snart 2,10 trin er færdigt, og fastgør det på en specialfremstillet vugge.
- Indsæt et realtids feedback rektalt termometer på dyret for at overvåge dyrets temperatur. Placer en varmepude under dyrets torso for at kontrollere temperaturen. Hold kropstemperaturen på 37,0 ± 0,5 °C under MR-scanninger.
- Lever alfa-chloralose med ~ 25 mg / kg / h opløsning i en blanding af pancuronium (~ 2 mg / kg / time), en muskelafslappende middel, kontinuerligt, mens dyret holdes bedøvet og reducerer bevægelsesartefakter i fMRI-billeder. Overvåg blodtrykket og åndedrættet ved at justere mængden af lægemiddel og ventilationshastigheden i henhold til den fysiologiske status.
- Administrer oftalmisk salve på dyrets øjne for at forhindre tørhed under fMRI-forsøg. Fastgør dyrets hoved sikkert med to ørestænger for at undgå hovedbevægelsesartefakter.
- Fastgør en transceiveroverfladespole på hovedet. Indstil og match spolen til Larmorfrekvensen (f.eks. 599 MHz på 14,1 T) på hovedet før MR-målinger.
BEMÆRK: Her bruges spole med en diameter på 22 mm til at dække hele hjernen på en rotte. - Indsæt et par nåleelektroder i forpotens hud mellem cifrene 1 og 4 og fastgør dem med kirurgisk tape. Og bekræft derefter, at stimuleringen fungerer korrekt efter tilslutning af et stimuleringsindgangskabel til disse elektroder30.
- Indsæt dyret i MR-boringen og placer det ca. i iso-centret.
4. Måling af anatomiske MR-billeder
- Klik på kalibreringsmenuknappen i hovedbrugergrænsefladen. Udfør kalibreringerne af MR-systemet ved at klikke på følgende elementer i brugergrænsefladen på justeringsplatformen (se menuen Hjælp i konsolsoftwaren): Find den grundlæggende resonansfrekvens, Kalibrer RF-pulseffekten, Indstil den optimale modtagerforstærkning, Mål B0-kortet i dyret til shimming, Kør globale lineære shims baseret på ikke-lokaliseret frit induktionshenfald (FID) integreret.
BEMÆRK: Dette trin tager mindre end 2 min. - Kør en positionssekvens ved at klikke på knappen "Scan" for at finde dyrets hovedplacering inde i MR-boringen. Hvis hovedet ikke er placeret i iso-centret, skal du justere hovedets placering, mens du bevæger holderen frem og tilbage, indtil hovedet er placeret i iso-centret.
- Kør en lokaliseringssekvens ved at klikke på knappen "Scan" for at identificere et investeringsafkast i hovedet. Vælg Map Shim, og definer ROI for shim-volumenet for at dække hele hjernen i lokaliseringsbilledet, og kør derefter en høj orden (f.eks. 2. eller 3. orden) shimming ved hjælp af indstillingen "Shim up to" for at reducere de vigtigste magnetfeltinhomogeniteter (B0) ved ROI.
BEMÆRK: Den høje ordens shimming er et kritisk skridt til at forbedre kvaliteten af BOLD-fMRI-data, når EPI-sekvenser anvendes. - Kør en T2-vægtet RAR-sekvens ved at klikke på knappen "Scan" for at få anatomiske billeder, der dækker hele hjernen i en koronal visning (f.eks. anvendes følgende sekvensparametre: gentagelsestid (TR) 4000 ms, effektiv ekkotid (TE) 36,1 ms, matrix 128 x 128, synsfelt (FOV) 19,2x19,2 mm2, antal skiver 32, skivetykkelse 0,3 mm, SJÆLDEN FAKTOR 8).
BEMÆRK: I følgende fMRI-visualiseringstrin i realtid bruges de anatomiske billeder til at registrere 3D EPI-billeder som skabelon.
5. Opsætning af fMRI-software i realtid og visualisering af fMRI-respons
- Åbn et terminalvindue, og gå til AFNI-pluginstien i realtid ved hjælp af følgende kommando:
cd /home/(brugernavn)/rt_afni
BEMÆRK: AFNI-pluginscriptet "afni_rt" er inkluderet i de supplerende filer. - Udfør AFNI-software med realtids plugin ved hjælp af kommandoen og indstillingerne nedenfor.
afni -rt
-yestplugouts
-DAFNI_REALTIME_MP_HOST_PORT=localhost:(portnummer)
-DAFNI_REALTIME_Graph=Realtid
-DAFNI_FIM_IDEAL=(Paradigme)
BEMÆRK: I det første tilfælde tillader koden eksterne programmer at udveksle data med AFNI, mens realtidspluginet i det andet tilfælde vil forsøge at åbne et TCP-stik til den brugerdefinerede localhost og port. I det tredje og fjerde tilfælde vil koderne plotte tidsforløbet for fMRI-data i realtid og plotte tidsforløbet for det brugerdefinerede paradigme i henholdsvis fMRI-tidsforløbet, når fMRI-data indhentes i realtid. For yderligere oplysninger, se https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/README.environment.html. - Overvåg kommende AFNI BRIK-filer defineret ved hjælp af kommandoen "Dimon" som vist i figur 2 med følgende muligheder:
Dimon -tr (TR af EPI) -nt (NRepetitioner af EPI)
-rt -afslut
-infile_pattern realtid*. BRIK
-file_type AFNI
BEMÆRK: "Dimon" er en kommando til at overvåge realtidserhvervelsen af AFNI-billedfiler ved hjælp af følgende muligheder: "-rt", som udfører realtids plugin og "-infile_pattern (datanavn). BRIK -file_type AFNI", som gør det muligt for pluginet at læse de specifikke BRIK-filer og sende dem til AFNI til visning og formatering. For yderligere oplysninger, se https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/Dimon.html. - Brug kommandoen "pvcmd" med følgende muligheder:
pvcmd -a JMacroManager JMMExecuteMacro -kategori $USER -makro Feed2AFNI_rt3DEPI
BEMÆRK: Denne kode findes i makroscriptet "Setup_rt3DEPI" for at køre baggrundsmakroscriptet "Feed2AFNI_rt3DEPI" lige efter at have klikket på "Scan" -knappen til EPI-erhvervelse. - Brug kommandoen "exec pvcmd" med følgende muligheder for at få EPI-anskaffelsesparametre.
exec pvcmd -a ParxServer -r ParamGetValue -psid $ParSpaceId -param (PVM-parametre for EPI) -id 10 -args $AcqKey $ParSpaceId $ProcnoPath - Brug kommandoen "exec to3d" med følgende muligheder for at konvertere EPI raw-data til AFNI-filer i realtid i baggrundsmakroscriptet, "Feed2AFNI_rt3DEPI".
exec to3d -omri -xFOV $FOV_X -yFOV $FOV_Y -zFOV $FOV_Z -præfiks $LastVolName $ImgFormat$Path2dseq - Sørg for, at geometriske EPI-oplysninger er i overensstemmelse med anatomiorienteringen.
BEMÆRK: "to3d" AFNI-kommandoen kører automatisk med de geometriske oplysninger såsom synsfelt (FOV) og matrixstørrelse for at konvertere fMRI-rådata til en AFNI BRIK-data, når hver 3D-volumendata gemmes efter hver enkelt TR som vist i figur 2. Billedretningen kan ændres med de geometriske informationsparametre "to3d". For yderligere oplysninger, se https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/to3d.html. - Tænd for en elektrisk stimulusisolator og udfør elektrisk forpotestimulering til en fremkaldt fMRI-undersøgelse (f.eks. 3Hz, 4s pulsbredde 300us, 2.5mA) ved hjælp af stimuleringsblokke.
BEMÆRK: Her består blokdesignparadigmet af 10 præstimuleringsscanninger, 3 stimuleringsscanninger og 12 interstimuleringsscanninger (15 scanninger pr. Epoke). - Kør en T2*-vægtet 3D EPI-sekvens ved at klikke på knappen "Scan" for BOLD-fMRI-studiet (f.eks. anvendes følgende parametre: TR/TE 1500/14 ms, matrix 64 x 64 x 32, FOV 19,2 x 19,2 x 9,6 mm 3 og opløsning 300 x 300 x 300 μm3).
BEMÆRK: Så snart du klikker på knappen "Scan", udføres overvågning og behandling af rådata ved hjælp af de foruddefinerede makroscripts i realtid. Når et AFNI BRIK-datasæt er konverteret, vises voxel-vis tidsforløbsgrafer for 3D EPI-billeder i AFNI-softwaren og opdateres automatisk for hver enkelt TR. - For at overlejre EPI-billederne oven på de anatomiske RAR-billeder skal du konvertere RARE-billederne til et AFNI BRIK-datasæt ved hjælp af kommandoen "to3d" som i trin 5.6 og derefter registrere EPI-billederne til de anatomiske billeder ved hjælp af "align_epi_anat.py" AFNI-scriptet med følgende muligheder:
align_epi_anat.py -anat anatomy_template_al+orig -epi epi.$(epi datanummer)+orig -epi_base 1 -suffiks _volreg -rat_align -cost lpa -epi2anat
BEMÆRK: For yderligere oplysninger, se https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/ align_epi_anat.py.html. - For at behandle funktionelle kort over BOLD-svarene skal du beregne dekonvolutionen af 3D + tidsdatasæt med en bestemt stimulustidsserie ved hjælp af kommandoen "3dDeconvolve" med følgende muligheder:
3dDeconvolve -input (input filnavn) + orig. -nfirst 0 -polort 3 -num_stimts 1 -stim_times 1 (stimuleringsparadigme filnavn) 'BLOCK (4,1)' -stim_label 1 forpote -tout -fout -rout
BEMÆRK: Billedbehandlingstrin såsom rumlig udjævning eller tidsmæssig filtrering er blevet indarbejdet i et tilpasset AFNI-databehandlingsscript. For yderligere oplysninger, se https://afni.nimh.nih.gov/afni/doc/help/3dDeconvolve.html. - For at visualisere funktionelle kort over BOLD-signalerne skal du bruge en interaktiv klynge i AFNI-softwaren. Åbn indstillingen "Definer overlay", og brug funktionen "Klynger" fra AFNI-brugergrænseflademenuen.
- Efter den sidste fMRI-scanning skal du tage dyret ud af MR-scanneren og aflive det i henhold til de godkendte protokoller.
BEMÆRK: Billedbehandlingsfunktioner i AFNI og makrofunktioner i den nyeste konsolsoftware blev brugt til at behandle fMRI-data i realtid. Detaljerede oplysninger og beskrivelser af makrofunktioner kan findes i hjælpemenuen i konsolsoftwaren. AFNI-softwaren er et freeware, der kan downloades direkte via NIMH-AFNI-webstedet. De relaterede scripts til opbygning af forbindelsen mellem AFNI og konsolsystemet er vedhæftet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 3 og figur 4 viser et repræsentativt voxel-klogt BOLD-fMRI-tidsforløb i realtid og funktionelle kort med elektrisk forpotestimulering (3 Hz, 4 s, pulsbredde 300 us, 2,5 mA). fMRI-designparadigmet består af 10 præstimuleringsscanninger, 3 stimuleringsscanninger og 12 interstimuleringsscanninger med i alt 8 epoker (130 scanninger). Den samlede scanningstid er 3 min 15 sek (195 sek). Figur 3 viser det voxelvise tidsforløb (sort linje) for den kontralaterale FP-S1 svarende til blokdesignparadigmet (rød linje) i realtidsanskaffelsesformatet. Figur 4 viser de aktiverede BOLD-kort svarende til den elektriske forpotestimulering. De aktiverede områder registreres og vises som de farvede klynger (røde og gule farver). Eksperimenter kan bruge funktionen "Klynger" i AFNI-softwaren til interaktivt at udforske klyngede volumener og vise dem som et overlejret farvekodet billede.
Figur 1: Real-time fMRI eksperimentel opsætning til forpote stimulering. Der vises et forenklet skema over fMRI-opsætningen i realtid og flowet (stiplede linjer) for kontrolparametrene. En computer (til venstre) bruges som konsol til pulssekvensudførelse, stimulusisolatorkontrol og dataanalyse med AFNI. Den anden computer (højre) bruges til overvågning af fysiologiske oplysninger (f.eks. Blodtryk, åndedræt og brystbevægelse osv.). Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: Diagram over databehandlingen under fMRI-scanning. Der vises et forenklet rutediagram over databehandling med de repræsentative makro- og AFNI-funktioner i fMRI-opsætningen i realtid. Før du starter fMRI-scanninger, vælges indstillingerne "Pre Image Series Activities" og "Execute Macro" blandt rekonstruktionsmulighederne. Scriptet "Setup_rt3DEPI" udføres ved hjælp af disse indstillinger, når du klikker på knappen "Scan". Med kommandoen "Dimon" overvåges AFNI-filerne i realtid og sendes til AFNI-pluginet for at vise dynamiske BOLD-svar, når baggrundsmakroscriptet "Feed2AFNI_rt3DEPI" konverterer fMRI-rådataene til AFNI-filerne. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: Voxel-wise fMRI-svar i realtid. En aktiveret enkelt voxel tidsforløbsgraf (sort linje) fra den primære forpote somatosensoriske (FP-S1) cortex vises under blokdesignstimuleringsparadigmet. Det gentagne fMRI-designparadigme (rød linje) blev defineret af "afni -rt -DAFNI_FIM_IDEAL=(Paradigm)". Grafen viser, at klare og stabile BOLD-responser følger elektrisk stimulering i realtid. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 4: Funktionelle kort over BOLD-responser på elektrisk stimulering i kontralaterale FP-S1-regioner. Voxelklyngerne aktiveret i FP-S1-regionerne (gule og røde farver) blev identificeret og signifikant synkroniseret med det gentagne stimuleringsparadigme, overlejret på de T2-vægtede anatomiske billeder. Klik her for at se en større version af denne figur.
Supplerende filer. Klik her for at downloade disse filer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Realtidsovervågning af fMRI-signalet hjælper eksperimenter med at justere dyrenes fysiologi for at optimere funktionel kortlægning. Bevægelsesartefakter hos vågne dyr såvel som den bedøvelseseffekt er vigtige faktorer, der formidler variabiliteten af fMRI-signaler, hvilket forvirrer den biologiske fortolkning af signalet i sig selv 31,32,33,34,35,36,37,38 . FMRI-platformen i realtid tilbyder øjeblikkelig information for at hjælpe med optimering af scanningsparametre og anæstetiske administrationsordninger. Hjernehæmodynamiske reaktioner i realtid kan også bruges til at tilvejebringe fMRI-baserede biofeedback-styrende signaler til nye stimuleringsparadigmer i multimodale hjernefunktionelle undersøgelser.
En fortsat bekymring over den foreslåede fMRI-opsætning i realtid er den tekniske afhængighed af den leverandørspecifikke konsolsoftware. I denne protokol implementerer fMRI-analysescripts i realtid en række makrofunktioner ved hjælp af en konsolsoftware (se materialetabel) version 6 eller nyere. Arbejdsprocessen for MR-scanningen i den tidligere konsolsoftware (f.eks. PV version 5 eller ældre) adskiller sig fra den nyeste version på grund af den opgraderede brugergrænseflade og den nye parameterdefinition. Ved hjælp af den tidligere version af konsolsystemet (PV version 3) har Lu et al. (2008) vist, at realtids fMRI-opsætningen gjorde det muligt at overvåge de lægemiddelinducerede hæmodynamiske signalændringer i rottehjernen for at studere kokainens virkning på centralnervesystemet20. Disse opsætninger kan imidlertid ikke uden videre anvendes på den nye konsolsoftware med avancerede elektroniske enheder. I den nyeste konsolsoftware er det et kritisk trin at køre de foruddefinerede makroscripts og overvåge fMRI-rådata lige efter at have startet scanningen ved at vælge indstillingerne "Pre Image Series Activities" og "Execute Macro" i "Data Reconstruction".
For yderligere billedbehandling kan tilpassede AFNI-funktioner let inkorporeres i billedbehandlingsscripts i realtid. Især vil det være værdifuldt at levere realtidsanalyse ved hjælp af bevægelsesrelaterede spor, f.eks. elektromyografi (EMG) signal til vågen dyr fMRI38, og inkorporere multimodalt dynamisk hjernesignal, f.eks. GCaMP-medieret Ca2+, for at specificere helhjerne hæmodynamisk korrelation37. Desuden kan denne realtids fMRI-opsætning udvides til dyreneurofeedback-undersøgelser for at undersøge selvregulerende hjerne og adfærd svarende til tidligere humane undersøgelser27.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Sascha Köhler er ansat hos Bruker BioSpin MRI GmbH.
Acknowledgments
Vi takker Dr. D. Chen og Dr. C. Yen for at dele AFNI-scriptet til opsætning af realtids fMRI til PV 5 og AFNI-teamet til softwaresupport. Denne forskning blev støttet af NIH Brain Initiative-finansiering (RF1NS113278-01, R01 MH111438-01) og S10-instrumenttilskuddet (S10 RR023009-01) til Martinos Center, German Research Foundation (DFG) Yu215/3-1, BMBF 01GQ1702 og den interne finansiering fra Max Planck Society.
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 |
References
- 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).
- Belliveau, J. W., et al. Functional mapping of the human visual cortex by magnetic resonance imaging. Science. 254 (5032), 716-719 (1991).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Logothetis, N. K. What we can do and what we cannot do with fMRI. Nature. 453 (7197), 869-878 (2008).
- 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).
- Peltier, S. J., et al. Functional connectivity changes with concentration of sevoflurane anesthesia. Neuroreport. 16 (3), 285-288 (2005).
- Dopfel, D., Zhang, N. Mapping stress networks using functional magnetic resonance imaging in awake animals. Neurobiology of Stress. 9, 251-263 (2018).
- 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).
- Birn, R. M. The role of physiological noise in resting-state functional connectivity. Neuroimage. 62 (2), 864-870 (2012).
- Caballero-Gaudes, C., Reynolds, R. C. Methods for cleaning the BOLD fMRI signal. Neuroimage. 154, 128-149 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Cox, R. W., Jesmanowicz, A., Hyde, J. S. Real-time functional magnetic resonance imaging. Magnetic Resonance Medicine. 33 (2), 230-236 (1995).
- 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).
- Voyvodic, J. T. Real-time fMRI paradigm control, physiology, and behavior combined with near real-time statistical analysis. Neuroimage. 10 (2), 91-106 (1999).
- Cohen, M. S. Real-time functional magnetic resonance imaging. Methods. 25 (2), 201-220 (2001).
- 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).
- 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).
- Bruhl, A. B. Making Sense of Real-Time Functional Magnetic Resonance Imaging (rtfMRI) and rtfMRI Neurofeedback. International Journal of Neuropsychopharmacology. 18 (6), (2015).
- Cox, R. W. AFNI: Software for analysis and visualization of functional magnetic resonance neuroimages. Computers and Biomedical Research. 29 (3), 162-173 (1996).
- 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).
- Shih, Y. Y., et al. Ultra high-resolution fMRI and electrophysiology of the rat primary somatosensory cortex. Neuroimage. 73, 113-120 (2013).
- 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).
- van Alst, T. M., et al. Anesthesia differentially modulates neuronal and vascular contributions to the BOLD signal. Neuroimage. 195, 89-103 (2019).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
