Summary
Functionele mapping van dierlijke hersenen kan profiteren van de real-time functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI) experimentele opzet. Met behulp van de nieuwste software die is geïmplementeerd in het MRI-systeem voor dieren, hebben we een real-time monitoringplatform voor fMRI voor kleine dieren opgezet.
Abstract
Dynamische fMRI-responsen variëren grotendeels afhankelijk van de fysiologische omstandigheden van dieren, hetzij onder anesthesie of in wakkere toestanden. We hebben een real-time fMRI-platform ontwikkeld om experimentatoren te begeleiden om fMRI-responsen onmiddellijk te monitoren tijdens acquisitie, die kan worden gebruikt om de fysiologie van dieren te wijzigen om de gewenste hemodynamische reacties in dierlijke hersenen te bereiken. De real-time fMRI-opstelling is gebaseerd op een 14,1T preklinisch MRI-systeem, waardoor dynamische fMRI-responsen in de primaire voorepaw somatosensorische cortex (FP-S1) van verdoofde ratten real-time in kaart kunnen worden gebracht. In plaats van een retrospectieve analyse om verstorende bronnen te onderzoeken die leiden tot de variabiliteit van fMRI-signalen, biedt het real-time fMRI-platform een effectiever schema om dynamische fMRI-responsen te identificeren met behulp van aangepaste macrofuncties en een gemeenschappelijke neuroimage-analysesoftware in het MRI-systeem. Het biedt ook onmiddellijke probleemoplossing en een real-time biofeedback-stimulatieparadigma voor hersenfunctionele studies bij dieren.
Introduction
Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) is een niet-invasieve methode om de hemodynamische responsen 1,2,3,4,5,6,7,8,9 te meten, bijvoorbeeld het bloed-zuurstofniveau-afhankelijk (BOLD), cerebraal bloedvolume en stroomsignaal, geassocieerd met neurale activiteit in de hersenen. In dierstudies kunnen hemodynamische signalen worden beïnvloed door anesthesie10, het stressniveau van wakkere dieren11, evenals de potentiële niet-fysiologische artefacten, bijvoorbeeld hartpulsatie en ademhalingsbewegingen 12,13,14,15. Hoewel veel nabewerkingsmethoden zijn ontwikkeld om een retrospectieve analyse van het fMRI-signaal te bieden voor de taakgerelateerde en rusttoestand functionele dynamica en connectiviteit mapping 16,17,18,19, zijn er weinig technieken om een real-time oplossing voor het in kaart brengen van de hersenfunctie en onmiddellijke uitlezingen in de dierlijke hersenen te bieden 20 (waarvan de meeste voornamelijk worden gebruikt voor het in kaart brengen van de menselijke hersenen21, 22,23,24,25,26,27). Met name dit soort real-time fMRI-mappingmethode ontbreekt in dierstudies. Het is noodzakelijk om een fMRI-platform op te zetten om het onderzoek van real-time hersentoestandafhankelijke fysiologische stadia mogelijk te maken en om real-time biofeedback-stimulatieparadigma te bieden voor functionele studies van dierlijke hersenen.
In het huidige werk illustreren we een real-time fMRI-experimentele opstelling met de aangepaste macrofuncties van de MRI-consolesoftware, die real-time monitoring van de opgeroepen BOLD-fMRI-responsen in de primaire voorepaw somatosensorische cortex (FP-S1) van de verdoofde ratten demonstreert. Deze real-time opstelling maakt de visualisatie mogelijk van de voortdurende hersenactivatie in functionele kaarten, evenals individuele tijdscursussen op een voxel-wijze manier, met behulp van de bestaande neurobeeldanalysesoftware, Analysis of Functional NeuroImages (AFNI)28. De voorbereiding van de real-time fMRI-proefopstelling voor het dieronderzoek is beschreven in het protocol. Naast de dierenopstelling bieden we gedetailleerde procedures voor het opzetten van de visualisatie en analyse van de real-time fMRI-signalen met behulp van de nieuwste consolesoftware parallel aan de beeldverwerkingsscripts. Samenvattend is de voorgestelde real-time fMRI-opstelling voor dierstudies een krachtig hulpmiddel voor het monitoren van de dynamische fMRI-signalen in de dierenhersenen met behulp van het MRI-consolesysteem.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Deze studie werd uitgevoerd in overeenstemming met de Duitse dierenwelzijnswet (TierSchG) en de Dierenwelzijnsdierverordening (TierSchVersV). Het hier beschreven experimentele protocol werd beoordeeld door de ethische commissie (§15 TierSchG) en goedgekeurd door de overheidsinstantie (Regierungspräsidium, Tübingen, Baden-Württemberg, Duitsland).
1. Voorbereiding van de BOLD-fMRI proefopstelling voor onderzoek bij kleine dieren
- Schakel de consolesoftware in om beeldparameters te regelen en MRI-gegevens te verkrijgen.
OPMERKING: De voorgestelde real-time fMRI-opstelling wordt geïmplementeerd met behulp van macrofuncties van de consolesoftware (versie 6) parallel aan de beeldverwerkingsfuncties van AFNI. - Zoek MR-sequenties (d.w.z. Position, Localizer, Rapid Acquisition with Relaxation Enhancement (RARE) en 3D echo-planar imaging (EPI) met de werkruimteverkenner en sleep ze vervolgens naar de scanlijst en voeg ze toe.
OPMERKING: Positie- en Localizer-sequenties worden gebruikt om een interessegebied (ROI) in een brein te identificeren. Een ZELDZAME sequentie wordt gebruikt voor een anatomiescan. Een 3D EPI-reeks wordt gebruikt om dynamische BOLD-responsen te meten. - Plaats de vooraf gedefinieerde macroscripts, "Setup_rt3DEPI" en "Feed2AFNI_rt3DEPI" in het macroscriptpad (bijv. "/opt/(PV-versie)/prog/curdir/(gebruikersnaam)/ParaVision/macro's"). Activeer de 3D EPI-reconstructieopties, "Pre Image Series Activities" en "Execute Macro" in het menu van de gebruikersinterface "Data Reconstruction" en koppel vervolgens het vooraf gedefinieerde macroscript,"Setup_rt3DEPI", voordat u op de knop "Scannen" klikt.
OPMERKING: De macroscripts zijn opgenomen in de aanvullende bestanden. - Installeer de AFNI-software voor de real-time BOLD-fMRI-analyse en visualisatie.
2. Katheterisatie en beademingschirurgie
- Het opzetten van een ventilator en fysiologische statusbewakingssystemen zoals thermometer, bloeddruk en ademhalingsregistratie zoals weergegeven in figuur 1. Stel een constante frequentie in van 60 ± 1 ademhaling/min met de ventilator en een temperatuur van 37 °C met behulp van een MR-compatibel verwarmingskussen met een feedbackregelingsset.
- Verdoof een volwassen mannelijke Sprague-Dawley rat (300-600 g) in een kamer met 5% isofluraan voor inductie en lever 2-2,5% isofluraan voor een operatie van een vaporizer. Controleer de diepte van de anesthesie door in de achterpaw te knijpen en het ontbreken van een ontwenningsreactie te bevestigen.
- Intubeer het dier met een plastic canule van 14 G voor ventilatie (60 ± 1 ademhaling / min met een mengsel van 70% lucht en 30% zuurstof). Stel eindgetijden kooldioxide (CO2) in op 25 ± 5 mmHg29.
OPMERKING: De intubatie is van cruciaal belang voor het handhaven van de juiste CO2-niveaus door middel van fMRI-experimenten. - Plaats het dier in rugligging op een operatietafel en scheer een dij met een elektrisch scheermes. En maak vervolgens een incisie op de geschoren huid met een chirurgische schaar.
OPMERKING: De lengte van de incisie is ongeveer 1-2 cm in een lengterichting. - Zoek een dijbeenslagader en ader onder het ingesneden gebied voor katheterisatie en scheid de individuele dijbeenslagader en ader van de omliggende weefsels.
- Bevestig de ene kant van de gescheiden dijbeenslagader met een chirurgische hechting en houd de andere kant vast met een micro bulldogtang. Maak vervolgens een kleine incisie tussen de gebonden gebieden op de dijbeenslagader.
- Breng een katheter in de dijbeenslagader in via de kleine incisie en bind de katheter en de slagader samen met chirurgische hechtingen. Controleer de arteriële bloeddruk constant met het fysiologische monitoringsysteem in het bereik van 80-120 mmHg en meet het arteriële bloedgas regelmatig om pO2 van minimaal 90 mmHg en pCO2 van 30-45 mmHg tijdens het scannen te behouden.
OPMERKING: Deze katheterisatie is van cruciaal belang voor het bewaken van de arteriële bloeddruk tijdens fMRI-experimenten. - Bevestig beide uiteinden van de femorale ader met zijden gevlochten chirurgische hechtingen. Maak vervolgens een kleine incisie tussen de gebonden gebieden op de femorale ader. Gebruik een tang om het hechten uit te voeren.
OPMERKING: De grootte van de hechting is ongeveer 1-2 cm. - Breng een katheter in de dijbeenader in. Bind de katheter en de ader samen met chirurgische hechtingen.
OPMERKING: Deze katheterisatie is van cruciaal belang voor het toedienen van alfa-chlooralose via de ader en het aanpassen van de anesthetische niveaus tijdens fMRI-experimenten. Als het dier niet goed verdoofd is, zal het spontaan gaan ademen. In dit geval moet meer alfa-chloralose worden toegediend om respiratoire bewegingsartefacten te voorkomen. - Hecht de chirurgische incisie op de geschoren huid. Zodra de chirurgische procedures zijn voltooid, houdt u het dier verdoofd door een bolus alfa-chloralose met de dosering van ~ 80 mg / kg door de katheter verbonden met de dijbeenader te injecteren en stopt u tegelijkertijd de toediening van isofluraan.
3. Het dier in de MRI-scanner plaatsen
- Breng het verdoofde dier over naar de MRI-scanner zodra 2.10 stap is voltooid en bevestig het op een op maat gemaakte wieg.
- Plaats een real-time feedback rectale thermometer op het dier om de temperatuur van het dier te controleren. Plaats een verwarmingskussen onder de romp van het dier om de temperatuur te regelen. Houd de lichaamstemperatuur op 37,0 ± 0,5 °C tijdens MRI-scans.
- Lever alfa-chlooralose met ~ 25 mg / kg / h-oplossing in een mengsel van pancuronium (~ 2 mg / kg / h), een spierverslapper, continu terwijl het dier verdoofd blijft en bewegingsartefacten in fMRI-beelden vermindert. Controleer de bloeddruk en ademhaling door de hoeveelheid medicijn en de ventilatiesnelheid aan te passen aan de fysiologische status.
- Dien oogheelkundige zalf toe aan de ogen van het dier om uitdroging tijdens fMRI-experimenten te voorkomen. Bevestig het hoofd van het dier veilig met twee oorstangen om hoofdbewegingsartefacten te voorkomen.
- Bevestig een transceiveroppervlakspoel op de kop. Stem de spoel af op de Larmor-frequentie (bijv. 599 MHz op 14,1 T) op het hoofd vóór MRI-metingen.
OPMERKING: Hier wordt een spoel met een diameter van 22 mm gebruikt om de hele hersenen van een rat te bedekken. - Steek een paar naaldelektrodes in de huid van de voorpoot tussen de cijfers 1 en 4 en bevestig ze met chirurgische tape. En controleer vervolgens of de stimulatie goed werkt na het aansluiten van een stimulatie-ingangskabel op deze elektroden30.
- Plaats het dier in de MRI-boring en plaats het ongeveer in het iso-centrum.
4. Anatomische MR-beelden meten
- Klik op de knop kalibratiemenu in de hoofdgebruikersinterface. Voer de kalibraties van het MRI-systeem uit door op de volgende items in de gebruikersinterface van het aanpassingsplatform te klikken (zie het menu Help in de consolesoftware): Zoek de basisresonantiefrequentie, Kalibreer het RF-pulsvermogen, Stel de optimale ontvangerversterking in, Meet de B0-kaart in het dier voor shimming, Voer globale lineaire shims uit op basis van niet-gelokaliseerde vrije inductieverval (FID) integraal.
OPMERKING: Deze stap duurt minder dan 2 minuten. - Voer een positievolgorde uit door op de knop "Scannen" te klikken om de hoofdlocatie van het dier in de MRI-boring te vinden. Als het hoofd zich niet in het iso-midden bevindt, past u de hoofdlocatie aan terwijl u de houder heen en weer beweegt totdat de kop zich in het iso-midden bevindt.
- Voer een Localizer-reeks uit door op de knop "Scannen" te klikken om een ROI in het hoofd te identificeren. Selecteer Map Shim en definieer de ROI van het shim-volume om de hele hersenen in de localizerafbeelding te dekken en voer vervolgens een hoge volgorde (bijv.2e of3e orde) shimming uit met behulp van de optie "Shim tot" om de inhomogeniteiten van het hoofdmagnetische veld (B0) bij de ROI te verminderen.
OPMERKING: De hoge orde shimming is een cruciale stap om de kwaliteit van BOLD-fMRI-gegevens te verbeteren wanneer EPI-sequenties worden gebruikt. - Voer een T2-gewogen RARE-reeks uit door op de knop "Scannen" te klikken om anatomische beelden te verkrijgen die de hele hersenen bedekken in een coronale weergave (bijv. De volgende sequentieparameters worden gebruikt: herhalingstijd (TR) 4000 ms, effectieve echotijd (TE) 36,1 ms, matrix 128 x 128, gezichtsveld (FOV) 19,2x19,2 mm2, aantal segmenten 32, plakdikte 0,3 mm, ZELDZAME factor 8).
OPMERKING: In de volgende real-time fMRI-visualisatiestap worden de anatomische beelden gebruikt om 3D EPI-afbeeldingen als sjabloon te registreren.
5. Real-time fMRI-software-installatie en fMRI-responsvisualisatie
- Open een terminalvenster en ga naar het real-time AFNI-plug-inpad met behulp van de volgende opdracht:
cd /home/(gebruikersnaam)/rt_afni
OPMERKING: Het AFNI plugin script, "afni_rt" is opgenomen in de Aanvullende bestanden. - Voer AFNI-software uit met de real-time plug-in met behulp van de onderstaande opdracht en opties.
AFNI -rt
-jatplugouts
-DAFNI_REALTIME_MP_HOST_PORT=localhost:(poortnummer)
-DAFNI_REALTIME_Graph=Realtime
-DAFNI_FIM_IDEAL=(Paradigma)
OPMERKING: In het eerste geval stelt de code externe programma's in staat om gegevens uit te wisselen met AFNI, terwijl in het tweede geval de real-time plug-in zal proberen een TCP-socket te openen naar de door de gebruiker gedefinieerde localhost en poort. In het derde en vierde geval zullen de codes het tijdsverloop van fMRI-gegevens in realtime plotten en het tijdsverloop van het door de gebruiker gedefinieerde paradigma in respectievelijk de fMRI-tijdcursus plotten wanneer real-time fMRI-gegevens worden verkregen. Kijk voor meer informatie op https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/README.environment.html. - Monitor aankomende AFNI BRIK-bestanden die zijn gedefinieerd met behulp van het commando "Dimon" zoals weergegeven in Figuur 2 met de volgende opties:
Dimon -tr (TR van EPI) -nt (NRepetitions van EPI)
-rt -stoppen
-infile_pattern realtime*. BRIK
-file_type AFNI
OPMERKING: "Dimon" is een opdracht om de real-time acquisitie van AFNI-afbeeldingsbestanden te controleren met behulp van de volgende opties: "-rt" die de realtime plug-in uitvoert en "-infile_pattern (gegevensnaam). BRIK -file_type AFNI" waarmee de plug-in de specifieke BRIK-bestanden kan lezen en naar AFNI kan sturen voor weergave en opmaak. Kijk voor meer informatie op https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/Dimon.html. - Gebruik de opdracht "pvcmd" met de volgende opties:
pvcmd -a JMacroManager JMMExecuteMacro -category $USER -macro Feed2AFNI_rt3DEPI
OPMERKING: Deze code bestaat in het macroscript ,"Setup_rt3DEPI", om het achtergrondmacroscript "Feed2AFNI_rt3DEPI" uit te voeren, direct nadat u op de knop "Scannen" hebt geklikt voor EPI-acquisitie. - Gebruik de opdracht "exec pvcmd" met de volgende opties om EPI-acquisitieparameters op te halen.
exec pvcmd -a ParxServer -r ParamGetValue -psid $ParSpaceId -param (PVM parameters van EPI) -id 10 -args $AcqKey $ParSpaceId $ProcnoPath - Gebruik de opdracht "exec to3d" met de volgende opties om EPI raw-gegevens in realtime naar AFNI-bestanden te converteren in het achtergrondmacroscript "Feed2AFNI_rt3DEPI".
exec to3d -omri -xFOV $FOV_X -yFOV $FOV_Y -zFOV $FOV_Z -prefix $LastVolName $ImgFormat$Path2dseq - Zorg ervoor dat epi geometrische informatie consistent is met de anatomie oriëntatie.
OPMERKING: De "to3d" AFNI-opdracht wordt automatisch uitgevoerd met de geometrische informatie zoals het gezichtsveld (FOV) en de matrixgrootte om de onbewerkte fMRI-gegevens om te zetten in één AFNI BRIK-gegevens wanneer elke 3D-volumegegevens worden opgeslagen na elke AFZONDERLIJKE TR zoals weergegeven in figuur 2. De beeldoriëntatie kan worden gewijzigd met de geometrische informatieparameters van "to3d". Kijk voor meer informatie op https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/to3d.html. - Schakel een elektrische stimulusisolator in en voer elektrische voorepawstimulatie uit voor één opgeroepen fMRI-studie (bijv. 3Hz, 4s pulsbreedte 300us, 2,5 mA) met behulp van stimulatieblokken.
OPMERKING: Hier bestaat het blokontwerpparadigma uit 10 pre-stimulatiescans, 3 stimulatiescans en 12 interstimulatiescans (15 scans per tijdperk). - Voer een T2*-gewogen 3D EPI-reeks uit door op de knop "Scannen" te klikken voor de BOLD-fMRI-studie (de volgende parameters worden bijvoorbeeld gebruikt: TR/TE 1500/14 ms, matrix 64 x 64 x 32, FOV 19,2 x 19,2 x 9,6 mm3 en resolutie 300 x 300 x 300 μm3).
OPMERKING: Zodra u op de knop "Scannen" klikt, wordt het bewaken en verwerken van onbewerkte gegevens gedaan met behulp van de vooraf gedefinieerde macroscripts in realtime. Zodra één AFNI BRIK-dataset is geconverteerd, worden voxel-wise tijdskoersgrafieken voor 3D EPI-afbeeldingen weergegeven in de AFNI-software en automatisch bijgewerkt voor elke afzonderlijke TR. - Om de EPI-beelden bovenop de anatomische RARE-beelden te leggen, converteert u de RARE-afbeeldingen naar een AFNI BRIK-dataset met het commando "to3d" zoals in stap 5.6 en registreert u vervolgens de EPI-afbeeldingen bij de anatomische afbeeldingen met behulp van het AFNI-script "align_epi_anat.py" met de volgende opties:
align_epi_anat.py -anat anatomy_template_al+orig -epi epi.$(epi data number)+orig -epi_base 1 -achtervoegsel _volreg -rat_align -cost lpa -epi2anat
OPMERKING: Kijk voor meer informatie op https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/ align_epi_anat.py.html. - Als u functionele kaarten van de BOLD-responsen wilt verwerken, berekent u de deconvolutie van de 3D+-tijddataset met een specifieke stimulustijdreeks met de opdracht "3dDeconvolve" met de volgende opties:
3dDeconvolve -input (input file name)+orig. -nfirst 0 -polort 3 -num_stimts 1 -stim_times 1 (stimulation paradigm file name) 'BLOCK(4,1)' -stim_label 1 forepaw -tout -fout -rout
OPMERKING: Beeldverwerkingsstappen zoals ruimtelijke smoothing of temporele filtering zijn opgenomen in een aangepast AFNI-gegevensverwerkingsscript. Kijk voor meer informatie op https://afni.nimh.nih.gov/afni/doc/help/3dDeconvolve.html. - Om functionele kaarten van de BOLD-signalen te visualiseren, gebruikt u een interactieve clustering in de AFNI-software. Open de optie "Overlay definiëren" en gebruik de functie "Clusters" in het menu van de AFNI-gebruikersinterface.
- Na de laatste fMRI-scan haalt u het dier uit de MRI-scanner en euthanaseert u het volgens de goedgekeurde protocollen.
OPMERKING: Beeldverwerkingsfuncties van AFNI en macrofuncties in de nieuwste consolesoftware werden gebruikt om de real-time fMRI-gegevens te verwerken. Gedetailleerde informatie en beschrijvingen van macrofuncties zijn te vinden in het helpmenu in de consolesoftware. De AFNI-software is een freeware, die direct kan worden gedownload via de NIMH-AFNI-website. De gerelateerde scripts om de koppeling tussen AFNI en het consolesysteem te bouwen, zijn bijgevoegd.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figuur 3 en figuur 4 tonen een representatieve real-time voxel-wise BOLD-fMRI tijdskoers en functionele kaarten met elektrische voorpootstimulatie (3 Hz, 4 s, pulsbreedte 300 us, 2,5 mA). Het fMRI-ontwerpparadigma bestaat uit 10 pre-stimulatiescans, 3 stimulatiescans en 12 interstimulatiescans met in totaal 8 tijdperken (130 scans). De totale scantijd is 3 min 15 sec (195 sec). Figuur 3 toont de voxel-wise tijdskoers (zwarte lijn) van de contralaterale FP-S1 die overeenkomt met het block-design paradigma (rode lijn) in het real-time acquisitieformaat. Figuur 4 toont de geactiveerde BOLD-kaarten die overeenkomen met de elektrische voorpootstimulatie. De geactiveerde gebieden worden gedetecteerd en weergegeven als de gekleurde clusters (rode en gele kleuren). Experimentatoren kunnen de functie "Clusters" in de AFNI-software gebruiken om geclusterde volumes interactief te verkennen en weer te geven als een overlayd kleurgecodeerde afbeelding.
Figuur 1: Real-time fMRI experimentele opstelling voor forepaw stimulatie. Een vereenvoudigd schema van de real-time fMRI-opstelling en de stroom (stippellijnen) van de besturingsparameters worden weergegeven. Eén computer (links) wordt gebruikt als console voor het uitvoeren van pulssequenties, stimulusisolatorcontrole en gegevensanalyse met AFNI. De andere computer (rechts) wordt gebruikt voor het monitoren van fysiologische informatie (bijv. Bloeddruk, ademhaling en borstbeweging, enz.). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Diagram van de gegevensverwerking tijdens fMRI-scanning. Een vereenvoudigd stroomdiagram van gegevensverwerking met de representatieve macro- en AFNI-functies in de real-time fMRI-opstelling wordt weergegeven. Voordat u fMRI-scans start, worden de opties "Pre Image Series Activities" en "Execute Macro" geselecteerd uit de reconstructieopties. Het script "Setup_rt3DEPI" wordt uitgevoerd door deze opties te gebruiken wanneer u op de knop "Scannen" klikt. Met de opdracht "Dimon" worden de real-time AFNI-bestanden bewaakt en naar de AFNI-plug-in gestuurd om dynamische BOLD-reacties weer te geven wanneer het achtergrondmacroscript, "Feed2AFNI_rt3DEPI" de fMRI-onbewerkte gegevens converteert naar de AFNI-bestanden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Real-time voxel-wise fMRI responsen. Een geactiveerde enkele voxel-tijdskoersgrafiek (zwarte lijn) van de primaire voorepaw somatosensorische (FP-S1) cortex wordt getoond tijdens het blokontwerpstimulatieparadigma. Het repetitieve fMRI-ontwerpparadigma (rode lijn) werd gedefinieerd door het "afni -rt -DAFNI_FIM_IDEAL=(Paradigm)". De grafiek laat zien dat duidelijke en stabiele BOLD-reacties elektrische stimulatie in realtime volgen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Functionele kaarten van BOLD-reacties op elektrische stimulatie in contralaterale FP-S1-regio's. De voxelclusters geactiveerd in de FP-S1-gebieden (gele en rode kleuren) werden geïdentificeerd en significant gesynchroniseerd met het repetitieve stimulatieparadigma, bedekt met de T2-gewogen anatomische beelden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Aanvullende bestanden. Klik hier om deze bestanden te downloaden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Real-time monitoring van het fMRI-signaal helpt experimentatoren de fysiologie van dieren aan te passen om functionele mapping te optimaliseren. Bewegingsartefacten bij wakkere dieren, evenals het verdovingseffect, zijn belangrijke factoren die de variabiliteit van fMRI-signalen bemiddelen, waardoor de biologische interpretatie van het signaal zelfwordt verstoord 31,32,33,34,35,36,37,38 . Het real-time fMRI-platform biedt onmiddellijke informatie om de optimalisatie van scanparameters en anesthesietoedieningsschema's te ondersteunen. Ook kunnen real-time hersenhemodynamische reacties worden gebruikt om fMRI-gebaseerde biofeedback-controlerende signalen te bieden voor nieuwe stimulatieparadigma's in multimodale hersenfunctionele studies.
Een resterende zorg over de voorgestelde real-time fMRI-installatie is de technische afhankelijkheid van de leverancierspecifieke consolesoftware. In dit protocol implementeren de real-time fMRI-analysescripts een reeks macrofuncties met behulp van consolesoftware (zie Materiaaltabel) versie 6 of hoger. De workflow van de MR-scan in de vorige consolesoftware (bijvoorbeeld PV-versie 5 of lager) verschilt van de nieuwste versie vanwege de verbeterde gebruikersinterface en nieuwe parameterdefinitie. Met behulp van de vorige versie van het consolesysteem (PV-versie 3) hebben Lu et al. (2008) aangetoond dat de real-time fMRI-opstelling de monitoring van de door drugs geïnduceerde hemodynamische signaalveranderingen in het rattenbrein mogelijk maakte om het effect van de cocaïne op het centrale zenuwstelsel te bestuderen20. Deze opstellingen kunnen echter niet gemakkelijk worden toegepast op de nieuwe consolesoftware met state-of-the-art elektronische apparaten. In de nieuwste consolesoftware is het een cruciale stap om de vooraf gedefinieerde macroscripts uit te voeren en fMRI-onbewerkte gegevens direct na het scannen te controleren door de opties "Pre Image Series Activities" en "Execute Macro" van de "Data Reconstruction" te selecteren.
Voor verdere beeldverwerking kunnen aangepaste AFNI-functies gemakkelijk worden opgenomen in de real-time beeldverwerkingsscripts. In het bijzonder zal het waardevol zijn om real-time analyse te bieden met behulp van bewegingsgerelateerde sporen, bijvoorbeeld elektromyografie (EMG) signaal voor wakker dier fMRI38, en multimodaal dynamisch hersensignaal op te nemen, bijvoorbeeld GCaMP-gemedieerde Ca2+, om hemodynamische correlatie van de hele hersenen te specificeren37. Bovendien kan deze real-time fMRI-opstelling worden uitgebreid naar neurofeedbackstudies bij dieren om zelfregulerende hersenen en gedrag te onderzoeken dat vergelijkbaar is met eerdere menselijke studies27.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Sascha Köhler is medewerker bij Bruker BioSpin MRI GmbH.
Acknowledgments
We bedanken Dr. D. Chen en Dr. C. Yen voor het delen van het AFNI-script om de real-time fMRI voor PV 5 in te stellen en het AFNI-team voor de softwareondersteuning. Dit onderzoek werd ondersteund door NIH Brain Initiative-financiering (RF1NS113278-01, R01 MH111438-01) en de S10-instrumentsubsidie (S10 RR023009-01) aan Martinos Center, German Research Foundation (DFG) Yu215/ 3-1, BMBF 01GQ1702 en de interne financiering van 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).
