Summary
Funksjonell kartlegging av dyrehjernen kan dra nytte av sanntids funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI) eksperimentell oppsett. Ved hjelp av den nyeste programvaren implementert i MR-systemet for dyr, etablerte vi en sanntidsovervåkingsplattform for fMRI for små dyr.
Abstract
Dynamiske fMRI-responser varierer i stor grad i henhold til de fysiologiske forholdene til dyr enten under anestesi eller i våken tilstand. Vi utviklet en sanntids fMRI-plattform for å veilede eksperimenter for å overvåke fMRI-responser umiddelbart under oppkjøpet, som kan brukes til å modifisere dyrenes fysiologi for å oppnå ønskede hemodynamiske responser i dyrehjerner. Sanntids fMRI-oppsettet er basert på et 14.1T preklinisk MR-system, noe som muliggjør sanntidskartlegging av dynamiske fMRI-responser i den primære forepaw somatosensoriske cortex (FP-S1) av bedøvede rotter. I stedet for en retrospektiv analyse for å undersøke forstyrrende kilder som fører til variabiliteten av fMRI-signaler, gir sanntids fMRI-plattformen et mer effektivt skjema for å identifisere dynamiske fMRI-svar ved hjelp av tilpassede makrofunksjoner og en felles neuroimage-analyseprogramvare i MR-systemet. Det gir også umiddelbar feilsøkingsmulighet og et sanntids biofeedback-stimuleringsparadigme for hjernefunksjonelle studier hos dyr.
Introduction
Funksjonell magnetisk resonansavbildning (fMRI) er en ikke-invasiv metode for å måle de hemodynamiske responsene 1,2,3,4,5,6,7,8,9, for eksempel blod-oksygennivåavhengig (BOLD), hjerneblodvolum og strømningssignal, assosiert med nevral aktivitet i hjernen. I dyreforsøk kan hemodynamiske signaler påvirkes av anestesi10, stressnivået til våkne dyr 11, samt potensielle ikke-fysiologiske gjenstander, for eksempel hjertepulsasjon og respiratoriske bevegelser 12,13,14,15. Selv om mange etterbehandlingsmetoder er utviklet for å gi en retrospektiv analyse av fMRI-signalet for oppgaverelatert og hviletilstand funksjonell dynamikk og tilkoblingskartlegging16,17,18,19, er det få teknikker for å gi en sanntids hjernefunksjonskartleggingsløsning og øyeblikkelige avlesninger i dyrehjernen 20 (hvorav de fleste hovedsakelig brukes til kartlegging av menneskelig hjerne 21, 22,23,24,25,26,27). Spesielt mangler denne typen sanntids fMRI-kartleggingsmetode i dyreforsøk. Det er nødvendig å sette opp en fMRI-plattform for å muliggjøre undersøkelse av sanntids hjernetilstandsavhengige fysiologiske stadier og å gi sanntids biofeedback-stimuleringsparadigme for dyrehjernefunksjonelle studier.
I dette arbeidet illustrerer vi et sanntids fMRI-eksperimentelt oppsett med de tilpassede makrofunksjonene til MR-konsollprogramvaren, som demonstrerer sanntidsovervåking av de fremkalte BOLD-fMRI-responsene i den primære forepaw somatosensoriske cortex (FP-S1) hos de bedøvede rottene. Dette sanntidsoppsettet muliggjør visualisering av den pågående hjerneaktiveringen i funksjonelle kart, samt individuelle tidskurs på en voxel-vis måte, ved hjelp av den eksisterende neuroimage-analyseprogramvaren, Analysis of Functional NeuroImages (AFNI)28. Utarbeidelsen av sanntids fMRI-eksperimentelt oppsett for dyrestudien er beskrevet i protokollen. I tillegg til dyreoppsettet, tilbyr vi detaljerte prosedyrer for å sette opp visualisering og analyse av sanntids fMRI-signaler ved hjelp av den nyeste konsollprogramvaren parallelt med bildebehandlingsskriptene. Oppsummert er det foreslåtte sanntids fMRI-oppsettet for dyreforsøk et kraftig verktøy for å overvåke de dynamiske fMRI-signalene i dyrehjernen ved hjelp av MR-konsollsystemet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Denne studien ble utført i samsvar med den tyske dyrevelferdsloven (TierSchG) og dyrevelferdslaboratoriedyrforordningen (TierSchVersV). Den eksperimentelle protokollen som er beskrevet her, ble gjennomgått av etikkkommisjonen (§15 TierSchG) og godkjent av statlig myndighet (Regierungspräsidium, Tübingen, Baden-Württemberg, Tyskland).
1. Utarbeide BOLD-fMRI eksperimentelt oppsett for smådyrstudier
- Slå på konsollprogramvaren for å kontrollere bildeparametere og hente MR-data.
MERK: Det foreslåtte sanntids fMRI-oppsettet implementeres ved hjelp av makrofunksjoner i konsollprogramvaren (versjon 6) parallelt med bildebehandlingsfunksjonene til AFNI. - Finn MR-sekvenser (dvs. Posisjon, Localizer, Rapid Acquisition with Relaxation Enhancement (RARE) og 3D echo-planar imaging (EPI) med arbeidsområdeutforskeren, og dra og legg dem til i skannelisten.
MERK: Posisjons- og lokaliseringssekvenser brukes til å identifisere et område av interesse (ROI) i en hjerne. En RARE-sekvens brukes til en anatomiskanning. En 3D EPI-sekvens brukes til å måle dynamiske BOLD-responser. - Plasser de forhåndsdefinerte makroskriptene "Setup_rt3DEPI" og "Feed2AFNI_rt3DEPI" i banen til makroskriptet (for eksempel "/opt/(PV-versjon)/prog/curdir/(brukernavn)/ParaVision/makroer"). Aktiver 3D EPI-rekonstruksjonsalternativene, "Pre Image Series Activities" og "Execute Macro" i brukergrensesnittmenyen "Data Reconstruction", og koble deretter det forhåndsdefinerte makroskriptet "Setup_rt3DEPI", før du klikker på "Scan" -knappen.
Makroskriptene er inkludert i tilleggsfilene. - Installer AFNI-programvaren for sanntids BOLD-fMRI-analyse og visualisering.
2. Kateterisering og ventilasjonskirurgi
- Sett opp respirator og fysiologiske statusovervåkingssystemer som termometer, blodtrykk og respirasjonsregistrering som vist i figur 1. Still inn en konstant frekvens på 60 ± 1 pust/min med ventilatoren og en temperatur på 37 °C ved hjelp av en MR-kompatibel varmepute med et tilbakemeldingskontrollsett.
- Bedøve en voksen mannlig Sprague-Dawley rotte (300-600 g) i et kammer med 5% isofluran for induksjon og levere 2-2,5% isofluran for kirurgi fra en fordamper. Kontroller dybden av anestesi ved å klemme bakpoten og bekrefte mangelen på uttaksrespons.
- Intuber dyret med en 14 G plastkanyle for ventilasjon (60 ± 1 pust/min med en blanding av 70 % luft og 30 % oksygen). Juster end-tidal karbondioksid (CO2) til å være i området 25 ± 5 mmHg29.
MERK: Intubasjonen er avgjørende for å opprettholde riktige CO2-nivåer gjennom fMRI-eksperimenter. - Plasser dyret i en liggende stilling på et operasjonsbord og barber et lår med en elektrisk barberhøvel. Og så, gjør et snitt på den barberte huden med kirurgisk saks.
MERK: Lengden på snittet er rundt 1-2 cm i lengderetning. - Finn en lårarterie og vene under det innskårne området for kateterisering og skille den enkelte lårarterien og venen fra det omkringliggende vevet.
- Fest den ene siden av den separerte lårarterien med en kirurgisk sutur og hold den andre siden med mikro bulldog tang. Deretter gjør du et lite snitt mellom de bundne områdene på lårarterien.
- Sett et kateter inn i lårarterien gjennom det lille snittet og bind kateteret og arterien sammen med kirurgiske suturer. Overvåk arterielt blodtrykk konstant med det fysiologiske overvåkingssystemet som ligger i området 80-120 mmHg og måle arteriell blodgass regelmessig for å opprettholde pO 2 på minimum 90 mmHg og pCO2 på 30-45 mmHg under skanning.
MERK: Denne kateteriseringen er kritisk for å overvåke arterielt blodtrykk under fMRI-eksperimenter. - Fest begge ender av lårbenet med silkeflettede kirurgiske suturer. Deretter gjør du et lite snitt mellom de bundne områdene på lårbenet. Bruk tang til å utføre sutureringen.
MERK: Størrelsen på suturen er rundt 1-2 cm. - Sett inn et kateter i lårbenet. Bind kateteret og venen sammen med kirurgiske suturer.
MERK: Denne kateteriseringen er kritisk for å administrere alfa-kloralose gjennom venen og justere bedøvelsesnivåene under fMRI-eksperimenter. Hvis dyret ikke er godt bedøvet, vil det begynne å puste spontant. I dette tilfellet må mer alfa-kloralose administreres for å unngå respiratoriske bevegelsesartefakter. - Sutur det kirurgiske snittet på den barberte huden. Når de kirurgiske prosedyrene er fullført, hold dyret bedøvet ved å infisere en bolus av alfa-kloralose med dosen på ~ 80 mg / kg gjennom kateteret forbundet med lårbensvenen og stopp isofluranadministrasjon samtidig.
3. Plasser dyret inne i MR-skanneren
- Overfør det bedøvede dyret til MR-skanneren så snart 2.10-trinnet er gjort, og fest det på en skreddersydd vugge.
- Sett inn et rektalt termometer i sanntid på dyret for å overvåke dyrets temperatur. Plasser en varmepute under dyrets torso for å kontrollere temperaturen. Hold kroppstemperaturen på 37,0 ± 0,5 °C under MR-skanning.
- Lever alfa-kloralose med ~ 25 mg / kg / t løsning i en blanding av pankuronium (~ 2 mg / kg / t), en muskelavslappende middel, kontinuerlig mens du holder dyret bedøvet og reduserer bevegelsesartefakter i fMRI-bilder. Overvåk blodtrykket og respirasjonen ved å justere mengden medikament og ventilasjonshastigheten i henhold til fysiologisk status.
- Administrer oftalmisk salve på dyrets øyne for å forhindre tørrhet under fMRI-eksperimenter. Fest dyrets hode trygt med to ørestenger for å unngå gjenstander av hodebevegelser.
- Fest en transceiver overflatespole på hodet. Still inn og match spolen til Larmor-frekvensen (f.eks. 599 MHz på 14,1 T) på hodet før MR-målinger.
MERK: Her brukes spole med en diameter på 22 mm for å dekke hele hjernen til en rotte. - Sett inn et par nåleelektroder i huden på forepawen mellom sifrene 1 og 4 og fest dem med kirurgisk tape. Og bekreft deretter at stimuleringen fungerer som den skal etter at du har koblet en stimuleringsinngangskabel til disse elektrodene30.
- Sett dyret inn i MR-boringen og legg det på iso-senteret omtrent.
4. Måling av anatomiske MR-bilder
- Klikk på kalibreringsmenyknappen i hovedbrukergrensesnittet. Utfør kalibreringene av MR-systemet ved å klikke på følgende elementer i justeringsplattformens brukergrensesnitt (se Hjelp-menyen i konsollprogramvaren): Finn den grunnleggende resonansfrekvensen, Kalibrer RF-pulseffekten, Still inn den optimale mottakerforsterkningen, Mål B0-kartet i dyret for shimming, Kjør globale lineære mellomlegg basert på ikke-lokalisert FID-integral (Fri induksjonsnedbrytning).
MERK: Dette trinnet tar mindre enn 2 minutter. - Kjør en posisjonssekvens ved å klikke på "Scan" -knappen for å finne hodeplasseringen til dyret inne i MR-boringen. Hvis hodet ikke er plassert i iso-senteret, juster hodeplasseringen mens du beveger vuggen frem og tilbake til hodet er plassert i iso-senteret.
- Kjør en lokaliseringssekvens ved å klikke på "Scan" -knappen for å identifisere en avkastning i hodet. Velg Kartlegg Shim og definer avkastningen på mellomlastvolumet for å dekke hele hjernen i lokaliseringsbildet, og kjør deretter en høy rekkefølge (f.eks. 2. eller 3. rekkefølge) ved hjelp av alternativet "Shim opp til" for å redusere hovedmagnetfeltet (B0) inhomogeniteter ved avkastningen.
MERK: Den høye ordreshimmingen er et kritisk skritt for å forbedre kvaliteten på BOLD-fMRI-data når EPI-sekvenser brukes. - Kjør en T2-vektet RARE-sekvens ved å klikke på "Scan" -knappen for å skaffe anatomiske bilder som dekker hele hjernen i en koronal visning (f.eks. brukes følgende sekvensparametere: repetisjonstid (TR) 4000 ms, effektiv ekkotid (TE) 36,1 ms, matrise 128 x 128, synsfelt (FOV) 19,2x19,2 mm2, antall skiver 32, skivetykkelse 0,3 mm, SJELDNE FAKTOR 8).
MERK: I det følgende sanntids fMRI-visualiseringstrinnet brukes de anatomiske bildene til å registrere 3D EPI-bilder som en mal.
5. Sanntids fMRI-programvareoppsett og fMRI-responsvisualisering
- Åpne et terminalvindu og gå til AFNI-pluginbanen i sanntid ved å bruke følgende kommando:
cd /home/(brukernavn)/rt_afni
MERK: AFNI plugin-skriptet, "afni_rt" er inkludert i tilleggsfilene. - Utfør AFNI-programvaren med sanntidspluggen ved hjelp av kommandoen og alternativene nedenfor.
AFNI -RT
-yestplugouts
-DAFNI_REALTIME_MP_HOST_PORT=localhost:(portnummer)
-DAFNI_REALTIME_Graph=Sanntid
-DAFNI_FIM_IDEAL=(Paradigme)
MERK: I det første tilfellet tillater koden eksterne programmer å utveksle data med AFNI, mens i det andre tilfellet vil sanntidspluggen forsøke å åpne en TCP-kontakt til den brukerdefinerte localhost og port. I det tredje og fjerde tilfellet vil kodene plotte tidsforløpet til fMRI-data i sanntid og plotte tidsforløpet til det brukerdefinerte paradigmet i henholdsvis fMRI-tidskurset når sanntids fMRI-data innhentes. For ytterligere detaljer, sjekk https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/README.environment.html. - Overvåk kommende AFNI BRIK-filer definert ved hjelp av kommandoen "Dimon" som vist i figur 2 med følgende alternativer:
Dimon -tr (TR av EPI) -nt (NRepetitions av EPI)
-rt -avslutte
-infile_pattern sanntid*. BRIK
-file_type AFNI
MERK: "Dimon" er en kommando for å overvåke sanntidsanskaffelsen av AFNI-bildefiler ved hjelp av følgende alternativer: "-rt" som utfører sanntids plugin og "-infile_pattern (datanavn). BRIK -file_type AFNI" som lar pluginet lese de spesifikke BRIK-filene og sende dem til AFNI for visning og formatering. For ytterligere detaljer, sjekk https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/Dimon.html. - Bruk kommandoen "pvcmd" med følgende alternativer:
pvcmd-en JMacroManager JMMExecuteMacro-kategori $USER-makro Feed2AFNI_rt3DEPI
MERK: Denne koden finnes i makroskriptet, "Setup_rt3DEPI", for å kjøre bakgrunnsmakroskriptet, "Feed2AFNI_rt3DEPI", rett etter at du har klikket på "Scan" -knappen for EPI-anskaffelse. - Bruk kommandoen "exec pvcmd" med følgende alternativer for å få EPI-anskaffelsesparametere.
exec pvcmd -a ParxServer -r ParamGetValue-psid $ParSpaceId -param (PVM-parametere for EPI) -id 10 -args $AcqKey $ParSpaceId $ProcnoPath - Bruk kommandoen "exec to3d" med følgende alternativer for å konvertere EPI-rådata til AFNI-filer i sanntid i bakgrunnsmakroskriptet "Feed2AFNI_rt3DEPI".
exec to3d -omri -xFOV $FOV_X -yFOV $FOV_Y-zFOV $FOV_Z-prefikset $LastVolName $ImgFormat$Path2dseq - Forsikre deg om at EPI geometrisk informasjon er i samsvar med anatomiorienteringen.
MERK: "to3d" AFNI-kommandoen vil kjøre automatisk med geometrisk informasjon som synsfelt (FOV) og matrisestørrelse for å konvertere fMRI-rådata til en AFNI BRIK-data når hver 3D-volumdata lagres etter hver enkelt TR som vist i figur 2. Bilderetningen kan endres med de geometriske informasjonsparametrene til "to3d". For ytterligere detaljer, sjekk https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/to3d.html. - Slå på en elektrisk stimulusisolator og utfør elektrisk forepaw-stimulering for en fremkalt fMRI-studie (f.eks. 3Hz, 4s pulsbredde 300us, 2.5mA) ved hjelp av stimuleringsblokker.
MERK: Her består blokkdesignparadigmet av 10 prestimuleringsskanninger, 3 stimuleringsskanninger og 12 interstimuleringsskanninger (15 skanninger per epoke). - Kjør en T2*-vektet 3D EPI-sekvens ved å klikke på "Scan"-knappen for BOLD-fMRI-studien (f.eks. brukes følgende parametere: TR/TE 1500/14 ms, matrise 64 x 64 x 32, FOV 19,2 x 19,2 x 9,6 mm 3 og oppløsning 300 x 300 x 300 μm3).
MERK: Så snart du klikker på "Scan" -knappen, vil overvåking og behandling av rådata gjøres ved å bruke de forhåndsdefinerte makroskriptene i sanntid. Når ett AFNI BRIK-datasett er konvertert, vises voxel-kloke tidskursgrafer for 3D EPI-bilder i AFNI-programvaren og oppdateres automatisk for hver enkelt TR. - For å legge EPI-bildene på toppen av de anatomiske RARE-bildene, konverter RARE-bildene til et AFNI BRIK-datasett ved hjelp av kommandoen "to3d" som i trinn 5.6, og registrer deretter EPI-bildene til de anatomiske bildene ved hjelp av "align_epi_anat.py" AFNI-skriptet med følgende alternativer:
align_epi_anat.py -anat anatomy_template_al+orig -epi epi.$(epi datanummer)+orig -epi_base 1 -suffiks _volreg -rat_align -cost lpa -epi2anat
MERK: For ytterligere detaljer, sjekk https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/ align_epi_anat.py.html. - For å behandle funksjonelle kart over BOLD-svarene, beregne dekonvolusjonen av 3D + tidsdatasett med en bestemt stimulus-tidsserie ved hjelp av kommandoen "3dDeconvolve" med følgende alternativer:
3dDeconvolve -input (input filnavn) + orig. -nfirst 0 -polort 3 -num_stimts 1 -stim_times 1 (stimulering paradigme filnavn) 'BLOCK (4,1)' -stim_label 1 forepaw -tout -fout -rout
MERK: Bildebehandlingstrinn som romlig utjevning eller tidsfiltrering er innlemmet i et tilpasset AFNI-databehandlingsskript. For ytterligere detaljer, sjekk https://afni.nimh.nih.gov/afni/doc/help/3dDeconvolve.html. - For å visualisere funksjonelle kart over BOLD-signalene, bruk en interaktiv klynge i AFNI-programvaren. Åpne alternativet "Definer overlegg" og bruk "Klynger" -funksjonen fra AFNI-brukergrensesnittmenyen.
- Etter den siste fMRI-skanningen, ta dyret ut av MR-skanneren og avlive det i henhold til de godkjente protokollene.
MERK: Bildebehandlingsfunksjonene til AFNI og makrofunksjoner i den nyeste konsollprogramvaren ble brukt til å behandle fMRI-dataene i sanntid. Detaljert informasjon og beskrivelser av makrofunksjoner finner du fra hjelpemenyen i konsollprogramvaren. AFNI-programvaren er et freeware som kan lastes ned direkte via NIMH-AFNI-nettstedet. De relaterte skriptene for å bygge koblingen mellom AFNI og konsollsystemet er vedlagt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 3 og figur 4 viser et representativt sanntids voxel-klokt BOLD-fMRI-tidsforløp og funksjonskart med elektrisk forepaw-stimulering (3 Hz, 4 s, pulsbredde 300 us, 2,5 mA). fMRI-designparadigmet består av 10 prestimuleringsskanninger, 3 stimuleringsskanninger og 12 interstimuleringsskanninger med totalt 8 epoker (130 skanninger). Den totale skannetiden er 3 min 15 sek (195 sek). Figur 3 viser den voxel-kloke tidsbanen (svart linje) til den kontralaterale FP-S1 som tilsvarer blokkdesignparadigmet (rød linje) i sanntidsinnhentingsformatet. Figur 4 viser de aktiverte BOLD-kartene som tilsvarer den elektriske forepaw-stimuleringen. De aktiverte områdene registreres og vises som de fargede klyngene (røde og gule farger). Eksperimenter kan bruke "Clusters"-funksjonen i AFNI-programvaren til interaktivt å utforske grupperte volumer og vise dem som et overlagt fargekodet bilde.
Figur 1: Sanntids fMRI eksperimentelt oppsett for forepaw-stimulering. Et forenklet skjema for sanntids fMRI-oppsettet og strømmen (stiplede linjer) av kontrollparametrene vises. En datamaskin (venstre) brukes som konsoll for pulssekvensutførelse, stimulusisolatorkontroll og dataanalyse med AFNI. Den andre datamaskinen (høyre) brukes til å overvåke fysiologisk informasjon (f.eks. blodtrykk, respirasjon og brystbevegelse, etc.). Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Diagram over databehandlingen under fMRI-skanning. Et forenklet flytskjema for databehandling med de representative makro- og AFNI-funksjonene i fMRI-oppsettet i sanntid vises. Før du starter fMRI-skanninger, velges alternativene "Pre Image Series Activities" og "Execute Macro" blant rekonstruksjonsalternativene. "Setup_rt3DEPI" -skriptet kjøres ved å bruke disse alternativene når du klikker på "Scan" -knappen. Med kommandoen "Dimon" overvåkes og sendes AFNI-filene i sanntid til AFNI-plugin-modulen for å vise dynamiske BOLD-svar når bakgrunnsmakroskriptet "Feed2AFNI_rt3DEPI" konverterer fMRI-rådata til AFNI-filene. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Voxel-kloke fMRI-svar i sanntid. En aktivert enkelt voxel tidskursgraf (svart linje) fra den primære forepaw somatosensoriske (FP-S1) cortex vises under blokkdesignstimuleringsparadigmet. Det repeterende fMRI-designparadigmet (rød linje) ble definert av "afni -rt -DAFNI_FIM_IDEAL=(Paradigm)". Grafen viser at klare og stabile BOLD-responser følger elektrisk stimulering i sanntid. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Funksjonelle kart over BOLD-responser på elektrisk stimulering i kontralaterale FP-S1-regioner. Voxelklyngene aktivert i FP-S1-regionene (gule og røde farger) ble identifisert og signifikant synkronisert med det repeterende stimuleringsparadigmet, lagt på de T2-vektede anatomiske bildene. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Tilleggsfiler. Klikk her for å laste ned disse filene.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Sanntidsovervåking av fMRI-signalet hjelper eksperimenter med å justere dyrenes fysiologi for å optimalisere funksjonell kartlegging. Bevegelsesartefakter hos våkne dyr, så vel som bedøvelseseffekten, er viktige faktorer som formidler variasjonen av fMRI-signaler, og forvirrer den biologiske tolkningen av signalet i seg selv 31,32,33,34,35,36,37,38 . fMRI-plattformen i sanntid tilbyr øyeblikkelig informasjon for å hjelpe optimalisering av skanneparametere og bedøvelsesadministrasjonsordninger. Også sanntids hjernehemodynamiske responser kan brukes til å gi fMRI-baserte biofeedback-kontrollerende signaler for nye stimuleringsparadigmer i multimodale hjernefunksjonelle studier.
En gjenværende bekymring for det foreslåtte sanntids fMRI-oppsettet er den tekniske avhengigheten av den leverandørspesifikke konsollprogramvaren. I denne protokollen implementerer sanntids fMRI-analyseskript en rekke makrofunksjoner ved hjelp av en konsollprogramvare (se Tabell over materialer) versjon 6 eller høyere. Arbeidsflyten til MR-skanningen i den forrige konsollprogramvaren (f.eks. PV versjon 5 eller lavere) er forskjellig fra den nyeste versjonen på grunn av det oppgraderte brukergrensesnittet og den nye parameterdefinisjonen. Ved hjelp av den forrige versjonen av konsollsystemet (PV versjon 3) har Lu et al (2008) vist at sanntids fMRI-oppsettet gjorde det mulig å overvåke de narkotikainduserte hemodynamiske signalendringene i rottehjernen for å studere kokainens effekt på sentralnervesystemet20. Disse oppsettene kan imidlertid ikke lett brukes på den nye konsollprogramvaren med toppmoderne elektroniske enheter. I den nyeste konsollprogramvaren er det et kritisk skritt å kjøre de forhåndsdefinerte makroskriptene og overvåke fMRI-rådata rett etter at du har begynt å skanne ved å velge alternativene "Pre Image Series Activities" og "Execute Macro" i "Data Reconstruction".
For videre bildebehandling kan tilpassede AFNI-funksjoner enkelt innlemmes i sanntids bildebehandlingsskript. Spesielt vil det være verdifullt å gi sanntidsanalyse ved hjelp av bevegelsesrelaterte spor, for eksempel elektromyografi (EMG) signal for våken dyr fMRI38, og innlemme multimodalt dynamisk hjernesignal, for eksempel GCaMP-mediert Ca2 +, for å spesifisere helhjerne hemodynamisk korrelasjon37. Videre kan dette sanntids fMRI-oppsettet utvides til dyreneurofeedback-studier for å undersøke selvregulerende hjerne og atferd som ligner på tidligere menneskelige studier27.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Sascha Köhler er ansatt hos Bruker BioSpin MRI GmbH.
Acknowledgments
Vi takker Dr. D. Chen og Dr. C. Yen for å dele AFNI-skriptet for å sette opp sanntids fMRI for PV 5 og AFNI-teamet for programvarestøtten. Denne forskningen ble støttet av NIH Brain Initiative-finansiering (RF1NS113278-01, R01 MH111438-01), og S10-instrumentstipendet (S10 RR023009-01) til Martinos Center, German Research Foundation (DFG) Yu215/3-1, BMBF 01GQ1702, og den interne finansieringen 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).
