Summary
Функциональное картирование мозга животных может извлечь выгоду из экспериментальной установки функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) в режиме реального времени. Используя новейшее программное обеспечение, внедренное в систему МРТ животных, мы создали платформу мониторинга в режиме реального времени для фМРТ мелких животных.
Abstract
Динамические реакции фМРТ варьируются в значительной степени в зависимости от физиологических условий животных либо под наркозом, либо в бодрствующих состояниях. Мы разработали платформу фМРТ в режиме реального времени, чтобы помочь экспериментаторам мгновенно контролировать ответы фМРТ во время приобретения, которая может быть использована для изменения физиологии животных для достижения желаемых гемодинамических реакций в мозге животных. Настройка фМРТ в реальном времени основана на доклинической системе МРТ 14.1T, позволяющей в режиме реального времени отображать динамические ответы фМРТ в первичной передней соматосенсорной коре (FP-S1) анестезированных крыс. Вместо ретроспективного анализа для исследования смешанных источников, приводящих к изменчивости сигналов фМРТ, платформа фМРТ в реальном времени предоставляет более эффективную схему для идентификации динамических ответов фМРТ с использованием настраиваемых макрофункций и общего программного обеспечения для анализа нейроизображений в системе МРТ. Кроме того, он обеспечивает немедленную возможность устранения неполадок и парадигму стимуляции биологической обратной связи в режиме реального времени для функциональных исследований мозга на животных.
Introduction
Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) является неинвазивным методом измерения гемодинамическихреакций 1,2,3,4,5,6,7,8,9, например, зависящих от уровня кислорода в крови (BOLD), объема мозговой крови и сигнала потока, связанных с нейронной активностью в головном мозге. В исследованиях на животных гемодинамические сигналы могут быть затронуты анестезией10, уровнем стресса бодрствующих животных11, а также потенциальными нефизиологическими артефактами, например, пульсацией сердца и дыхательными движениями 12,13,14,15. Хотя многие методы постобработки были разработаны для обеспечения ретроспективного анализа сигнала фМРТ для функциональной динамики и отображения связности 16,17,18,19, связанных с задачей и состоянием покоя, существует несколько методов для обеспечения решения для картирования функций мозга в реальном времени и мгновенных считываний в мозге животных20 (большинство из которых в основном используются для картирования человеческого мозга 21, 22,23,24,25,26,27). В частности, такого рода метод картирования фМРТ в реальном времени отсутствует в исследованиях на животных. Необходимо создать платформу фМРТ, позволяющую исследовать физиологические стадии, зависящие от состояния мозга в режиме реального времени, и обеспечить парадигму стимуляции биологической обратной связи в режиме реального времени для функциональных исследований мозга животных.
В настоящей работе мы иллюстрируем экспериментальную установку фМРТ в реальном времени с настраиваемыми макрофункциями консольного программного обеспечения МРТ, демонстрируя мониторинг в режиме реального времени вызванных ответов BOLD-fMRI в первичной передней соматосенсорной коре (FP-S1) анестезированных крыс. Эта настройка в режиме реального времени позволяет визуализировать текущую активацию мозга на функциональных картах, а также на индивидуальных курсах времени в воксельной манере, используя существующее программное обеспечение для анализа нейроизображений, Analysis of Functional NeuroImages (AFNI)28. Подготовка экспериментальной установки фМРТ в реальном времени для исследования на животных описана в протоколе. Помимо настройки животных, мы предоставляем подробные процедуры для настройки визуализации и анализа сигналов фМРТ в реальном времени с использованием новейшего консольного программного обеспечения параллельно со скриптами обработки изображений. Таким образом, предлагаемая настройка фМРТ в режиме реального времени для исследований на животных является мощным инструментом для мониторинга динамических сигналов фМРТ в мозге животных с использованием консольной системы МРТ.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Это исследование было проведено в соответствии с Немецким законом о благополучии животных (TierSchG) и Постановлением о благополучии лабораторных животных (TierSchVersV). Экспериментальный протокол, описанный здесь, был рассмотрен комиссией по этике (§15 TierSchG) и одобрен государственным органом (Regierungspräsidium, Tübingen, Baden-Württemberg, Germany).
1. Подготовка экспериментальной установки BOLD-fMRI для изучения мелких животных
- Включите консольное программное обеспечение для управления параметрами визуализации и получения данных МРТ.
ПРИМЕЧАНИЕ: Предлагаемая настройка фМРТ в реальном времени реализована с использованием макрофункций консольного программного обеспечения (версия 6) параллельно с функциями обработки изображений AFNI. - Найдите последовательности MR (например, Position, Localizer, Rapid Acquisition with Relaxation Enhancement (RARE) и 3D echo-planar imaging (EPI) с помощью обозревателя рабочего пространства, а затем перетащите и добавьте их в список сканирования.
ПРИМЕЧАНИЕ: Последовательности положения и локализатора используются для идентификации интересующей области (ROI) в мозге. Редкая последовательность используется для анатомического сканирования. Последовательность 3D EPI используется для измерения динамических ответов BOLD. - Поместите предопределенные макроскрипты , "Setup_rt3DEPI" и "Feed2AFNI_rt3DEPI" в путь макроскрипта (например, "/opt/(PV version)/prog/curdir/(имя пользователя)/ParaVision/макросы"). Активируйте параметры реконструкции 3D EPI, «Действия перед серией изображений» и «Выполнить макрос» в меню пользовательского интерфейса «Реконструкция данных», а затем свяжите предопределенный макроскрипт «Setup_rt3DEPI», прежде чем нажать кнопку «Сканировать».
ПРИМЕЧАНИЕ: Макроскрипты включены в Дополнительные файлы. - Установите программное обеспечение AFNI для анализа и визуализации BOLD-fMRI в режиме реального времени.
2. Катетеризация и вентиляционная хирургия
- Настройте вентилятор и системы мониторинга физиологического состояния, такие как термометр, запись артериального давления и дыхания, как показано на рисунке 1. Установите постоянную частоту 60 ± 1 вдох/мин с вентилятором и температуру 37 °C с помощью MR-совместимой грелки с обратной связью.
- Обезболить взрослого самца крысы Sprague-Dawley (300-600 г) в камере с 5% изофлураном для индукции и доставить 2-2,5% изофлурана для операции из испарителя. Проверьте глубину анестезии, зажав заднюю лапу и подтвердив отсутствие реакции на отмену.
- Интубировать животное пластиковой канюлей 14 г для вентиляции (60 ± 1 вдох/мин смесью 70% воздуха и 30% кислорода). Отрегулируйте конечный прилив углекислый газ (CO2) в диапазоне 25 ± 5 мм рт.ст.29.
ПРИМЕЧАНИЕ: Интубация имеет решающее значение для поддержания надлежащих уровней CO2 с помощью экспериментов фМРТ. - Поместите животное в лежачее положение на операционном столе и побрейте бедро электрической бритвой. А затем сделайте разрез на выбритой коже хирургическими ножницами.
ПРИМЕЧАНИЕ: Длина разреза составляет около 1-2 см в продольном направлении. - Найдите бедренную артерию и вену под разрезанной областью для катетеризации и отделите отдельную бедренную артерию и вену от окружающих тканей.
- Застегните одну сторону отделенной бедренной артерии хирургическим швом, а другую сторону удерживайте микробульдожьими щипцами. Затем сделайте небольшой разрез между связанными областями на бедренной артерии.
- Вставьте катетер в бедренную артерию через небольшой разрез и свяжите катетер и артерию вместе с хирургическими швами. Постоянно контролировать артериальное артериальное давление с помощью системы физиологического мониторинга, чтобы оно находилось в диапазоне 80-120 мм рт.ст. и регулярно измерять газ артериальной крови для поддержания pO2 минимум 90 мм рт.ст. и pCO2 30-45 мм рт.ст. во время сканирования.
ПРИМЕЧАНИЕ: Эта катетеризация имеет решающее значение для мониторинга артериального давления во время экспериментов с фМРТ. - Застегните оба конца бедренной вены шелковыми оплетенными хирургическими швами. Затем сделайте небольшой разрез между завязанными областями на бедренной вене. Используйте щипцы для выполнения наложения швов.
ПРИМЕЧАНИЕ: Размер шва составляет около 1-2 см. - Вставьте катетер в бедренную вену. Свяжите катетер и вену хирургическими швами.
ПРИМЕЧАНИЕ: Эта катетеризация имеет решающее значение для введения альфа-хлоралозы через вену и корректировки уровня анестетика во время экспериментов с фМРТ. Если животное плохо обезболивается, оно начнет дышать спонтанно. В этом случае необходимо вводить больше альфа-хлоралозы, чтобы избежать артефактов дыхательного движения. - Зашить хирургический разрез на бритой коже. Как только хирургические процедуры будут завершены, держите животное под наркозом, вливая болюс альфа-хлоралозы с дозировкой ~ 80 мг / кг через катетер, подключенный к бедренной вене, и одновременно прекратите введение изофлурана.
3. Размещение животного внутри МРТ-сканера
- Перенесите обезболенное животное на МРТ-сканер, как только будет сделан шаг 2.10, и закрепите его на изготовленной на заказ колыбели.
- Вставьте ректальный термометр обратной связи в режиме реального времени на животное, чтобы контролировать температуру животного. Поместите грелку под туловище животного, чтобы контролировать температуру. Поддерживайте температуру тела на уровне 37,0 ± 0,5 °C во время МРТ-сканирования.
- Доставляют альфа-хлоралозу с ~25 мг/кг/ч раствором в смеси панкурония (~2 мг/кг/ч), мышечного релаксатора, непрерывно сохраняя животное под наркозом и уменьшая артефакты движения на изображениях фМРТ. Контролируйте артериальное давление и дыхание, регулируя количество препарата и скорость вентиляции в соответствии с физиологическим состоянием.
- Вводите офтальмологическую мазь на глаза животного, чтобы предотвратить сухость во время экспериментов с фМРТ. Надежно зафиксируйте голову животного с помощью двух ушных перекладин, чтобы избежать артефактов движения головы.
- Закрепите поверхностную катушку приемопередатчика на головке. Настройте и сопоставьте катушку с частотой Лармора (например, 599 МГц на 14,1 Т) на голове перед измерениями МРТ.
ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь катушка диаметром 22 мм используется для покрытия всего мозга крысы. - Вставьте пару игольчатых электродов в кожу передней лапы между цифрами 1 и 4 и зафиксируйте их хирургической лентой. А затем, подтвердите, что стимуляция работает правильно после подключения стимулирующего входного кабеля к этим электродам30.
- Вставьте животное в отверстие МРТ и поместите его примерно в изо-центр.
4. Измерение анатомических МР-изображений
- Нажмите кнопку меню калибровки в главном пользовательском интерфейсе. Выполните калибровку системы МРТ, щелкнув следующие пункты в пользовательском интерфейсе Платформы регулировки (см. меню Справка в консольном программном обеспечении): Найдите базовую резонансную частоту, Откалибруйте мощность ВЧ-импульса, Установите оптимальное усиление приемника, Измерьте карту B0 в животном для шимминга, Запустите глобальные линейные оболочки на основе нелокализованного интеграла свободного индукционного распада (FID).
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг занимает менее 2 минут. - Запустите последовательность позиций, нажав кнопку «Сканировать», чтобы найти местоположение головы животного внутри отверстия МРТ. Если головка не расположена в изоцентре, отрегулируйте положение головы, перемещая люльку вперед и назад, пока голова не будет расположена в изоцентре.
- Запустите последовательность localizer, нажав кнопку «Сканировать», чтобы определить рентабельность инвестиций в голову. Выберите Map Shim и определите ROI объема прокладки, чтобы покрыть весь мозг на изображении локализатора, а затем запустите шимминг высокого порядка (например,2-го или3-го порядка), используя опцию «Shim up to», чтобы уменьшить неоднородности основного магнитного поля (B0) при ROI.
ПРИМЕЧАНИЕ: Шимминг высокого порядка является критически важным шагом для улучшения качества данных BOLD-fMRI при использовании последовательностей EPI. - Запустите T2-взвешенную последовательность RARE, нажав кнопку «Сканировать», чтобы получить анатомические изображения, охватывающие весь мозг в корональном виде (например, используются следующие параметры последовательности: время повторения (TR) 4000 мс, эффективное время эха (TE) 36,1 мс, матрица 128 x 128, поле зрения (FOV) 19,2x19,2 мм2, количество срезов 32, толщина среза 0,3 мм, РЕДКИЙ фактор 8).
ПРИМЕЧАНИЕ: На следующем этапе визуализации фМРТ в режиме реального времени анатомические изображения используются для регистрации изображений 3D EPI в качестве шаблона.
5. Настройка программного обеспечения фМРТ в режиме реального времени и визуализация ответа фМРТ
- Откройте окно терминала и перейдите по пути к плагину AFNI в режиме реального времени с помощью следующей команды:
cd /home/(имя пользователя)/rt_afni
ПРИМЕЧАНИЕ: Скрипт плагина AFNI "afni_rt" включен в дополнительные файлы. - Запустите программное обеспечение AFNI с плагином реального времени, используя команду и опции ниже.
afni -rt
-yestplugouts
-DAFNI_REALTIME_MP_HOST_PORT=localhost:(номер порта)
-DAFNI_REALTIME_Graph=В реальном времени
-DAFNI_FIM_IDEAL=(Парадигма)
ПРИМЕЧАНИЕ: В первом случае код позволяет внешним программам обмениваться данными с AFNI, в то время как во втором случае плагин реального времени попытается открыть TCP-сокет для определяемого пользователем localhost и порта. В третьем и четвертом случаях коды будут отображать временной ход данных фМРТ в режиме реального времени и строить временной ход определяемой пользователем парадигмы в курсе времени фМРТ соответственно при получении данных фМРТ в реальном времени. Для получения дополнительной информации проверьте https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/README.environment.html. - Отслеживайте предстоящие файлы AFNI BRIK, определенные с помощью команды "Dimon", как показано на рисунке 2 , с помощью следующих опций:
Dimon -tr (TR of EPI) -nt (NRepetitions of EPI)
-rt -quit
-infile_pattern реальном времени*. БРИК
-file_type АФНИ
ПРИМЕЧАНИЕ: "Dimon" - это команда для мониторинга получения файлов изображений AFNI в режиме реального времени с использованием следующих опций: "-rt", который выполняет плагин реального времени и "-infile_pattern (имя данных). BRIK -file_type AFNI», который позволяет плагину считывать конкретные файлы BRIK и отправлять их в AFNI для отображения и форматирования. Для получения дополнительной информации проверьте https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/Dimon.html. - Используйте команду "pvcmd" со следующими параметрами:
pvcmd -a JMacroManager JMMExecuteMacro -категория $USER -макро Feed2AFNI_rt3DEPI
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот код существует в макроскрипте "Setup_rt3DEPI" для запуска фонового макроскрипта "Feed2AFNI_rt3DEPI" сразу после нажатия кнопки "Сканировать" для получения EPI. - Используйте команду "exec pvcmd" со следующими параметрами для получения параметров получения EPI.
exec pvcmd -a ParxServer -r ParamGetValue -psid $ParSpaceId -param (параметры PVM EPI) -id 10 -args $AcqKey $ParSpaceId $ProcnoPath - Используйте команду "exec to3d" со следующими опциями для преобразования необработанных данных EPI в файлы AFNI в режиме реального времени в фоновом макроскрипте "Feed2AFNI_rt3DEPI".
exec to3d -omri -xFOV $FOV_X -yFOV $FOV_Y -zFOV $FOV_Z -префикс $LastVolName $ImgFormat$Path2dseq - Убедитесь, что геометрическая информация EPI соответствует анатомической ориентации.
ПРИМЕЧАНИЕ: Команда "to3d" AFNI будет выполняться автоматически с геометрической информацией, такой как поле зрения (FOV) и размер матрицы, для преобразования необработанных данных фМРТ в один данный AFNI BRIK всякий раз, когда каждый 3D-объем данных хранится после каждого отдельного TR, как показано на рисунке 2. Ориентация изображения может быть изменена с помощью геометрических информационных параметров "to3d". Для получения дополнительной информации проверьте https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/to3d.html. - Включите изолятор электрического стимула и выполните электрическую стимуляцию передней челюсти для одного вызванного исследования фМРТ (например, 3 Гц, 4s широта импульса 300us, 2,5 мА) с использованием стимулирующих блоков.
ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь парадигма блочного дизайна состоит из 10 сканирований перед стимуляцией, 3 сканирований стимуляции и 12 сканирований интерстимуляции (15 сканирований за эпоху). - Запустите T2*-взвешенную последовательность 3D EPI, нажав кнопку «Сканировать» для исследования BOLD-fMRI (например, используются следующие параметры: TR/TE 1500/14 мс, матрица 64 x 64 x 32, FOV 19,2 x 19,2 x 9,6 мм3 и разрешение 300 x 300 x 300 мкм3).
ПРИМЕЧАНИЕ: Как только нажмите кнопку «Сканировать», мониторинг и обработка необработанных данных будут осуществляться с помощью предопределенных макроскриптов в режиме реального времени. После преобразования одного набора данных AFNI BRIK графики времени для 3D-изображений EPI отображаются в программном обеспечении AFNI и автоматически обновляются для каждого отдельного TR. - Чтобы наложить изображения EPI поверх анатомических изображений RARE, преобразуйте изображения RARE в набор данных AFNI BRIK с помощью команды «to3d», как на шаге 5.6, затем зарегистрируйте изображения EPI в анатомических изображениях с помощью скрипта AFNI «align_epi_anat.py» со следующими параметрами:
align_epi_anat.py -anat anatomy_template_al+orig -epi epi.$(номер данных эпи)+orig -epi_base 1 -суффикс _volreg -rat_align -cost lpa -epi2anat
ПРИМЕЧАНИЕ: Для получения более подробной информации проверьте https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/ align_epi_anat.py.html. - Для обработки функциональных карт ответов BOLD рассчитайте деконволюцию набора данных 3D+time с определенным временным рядом стимулов с помощью команды «3dDeconvolve» со следующими параметрами:
3dDeconvolve -input (имя входного файла)+orig. -nfirst 0 -polort 3 -num_stimts 1 -stim_times 1 (имя файла парадигмы стимуляции) 'BLOCK(4,1)' -stim_label 1 forepaw -tout -fout -rout
ПРИМЕЧАНИЕ: Этапы обработки изображений, такие как пространственное сглаживание или временная фильтрация, были включены в настраиваемый сценарий обработки данных AFNI. Для получения дополнительной информации проверьте https://afni.nimh.nih.gov/afni/doc/help/3dDeconvolve.html. - Для визуализации функциональных карт сигналов BOLD используйте интерактивную кластеризацию в программном обеспечении AFNI. Откройте опцию "Определить наложение" и используйте функцию "Кластеры" из меню пользовательского интерфейса AFNI.
- После последнего сканирования фМРТ вынимайте животное из МРТ-сканера и усыпляете его в соответствии с утвержденными протоколами.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для обработки данных фМРТ в реальном времени использовались функции обработки изображений AFNI и макрофункции в новейшем консольном программном обеспечении. Подробную информацию и описания макрофункций можно найти в меню справки в консольном программном обеспечении. Программное обеспечение AFNI является бесплатным программным обеспечением, которое можно напрямую загрузить через веб-сайт NIMH-AFNI. Соответствующие скрипты для построения связи между AFNI и консольной системой прилагаются.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
На рисунках 3 и 4 показан репрезентативный воксельный курс времени BOLD-fMRI в реальном времени и функциональные карты с электрической стимуляцией передней челюсти (3 Гц, 4 с, ширина импульса 300 ме, 2,5 мА). Парадигма проектирования фМРТ включает в себя 10 сканирований перед стимуляцией, 3 сканирования стимуляции и 12 сканирований интерстимуляции в общей сложности 8 эпох (130 сканирований). Общее время сканирования составляет 3 мин 15 сек (195 сек). На рисунке 3 показан воксельный временной ход (черная линия) контралатерального FP-S1, соответствующий парадигме блочного проектирования (красная линия) в формате получения в реальном времени. На рисунке 4 показаны активированные карты BOLD, соответствующие электрической стимуляции передней лапы. Активированные области обнаруживаются и отображаются в виде цветных кластеров (красный и желтый цвета). Экспериментаторы могут использовать функцию «Кластеры» в программном обеспечении AFNI для интерактивного исследования кластеризованных томов и отображения их в виде наложенного изображения с цветовой кодировкой.
Рисунок 1: Экспериментальная установка фМРТ в режиме реального времени для стимуляции передней челюсти. Показана упрощенная схема настройки фМРТ в реальном времени и потока (пунктирных линий) контрольных параметров. Один компьютер (слева) используется в качестве консоли для выполнения последовательности импульсов, управления изолятором стимулов и анализа данных с помощью AFNI. Другой компьютер (справа) используется для мониторинга физиологической информации (например, артериального давления, дыхания, движения грудной клетки и т. Д.). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Схема обработки данных при фМРТ-сканировании. Показана упрощенная блок-схема обработки данных с репрезентативными функциями макро и AFNI в настройке фМРТ в режиме реального времени. Перед началом сканирования фМРТ среди вариантов реконструкции выбираются параметры «Действия перед серией изображений» и «Выполнить макрос». Скрипт "Setup_rt3DEPI" выполняется с использованием этих опций при нажатии кнопки "Сканировать". С помощью команды «Dimon» файлы AFNI в режиме реального времени отслеживаются и отправляются в плагин AFNI для отображения динамических полужирных ответов, когда фоновый макроскрипт «Feed2AFNI_rt3DEPI» преобразует необработанные данные fMRI в файлы AFNI. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Ответы фМРТ в режиме реального времени. Во время парадигмы стимуляции блок-дизайн показан график времени активированного одиночного вокселя (черная линия) от первичной передней соматосенсорной (FP-S1) коры. Повторяющаяся парадигма проектирования фМРТ (красная линия) была определена «afni -rt -DAFNI_FIM_IDEAL=(парадигма)». График демонстрирует, что четкие и стабильные ответы BOLD следуют за электрической стимуляцией в режиме реального времени. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Функциональные карты ответов BOLD на электрическую стимуляцию в контралатеральных областях FP-S1. Воксельные кластеры, активированные в областях FP-S1 (желтый и красный цвета), были идентифицированы и значительно синхронизированы с повторяющейся парадигмой стимуляции, наложенной на Т2-взвешенные анатомические изображения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Дополнительные файлы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эти файлы.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Мониторинг сигнала фМРТ в режиме реального времени помогает экспериментаторам корректировать физиологию животных для оптимизации функционального картирования. Артефакты движения у бодрствующих животных, а также анестезирующий эффект являются основными факторами, которые опосредуют изменчивость сигналов фМРТ, смешивая биологическую интерпретацию сигнала сама по себе 31,32,33,34,35,36,37,38 . Платформа фМРТ в режиме реального времени предлагает мгновенную информацию для оптимизации параметров сканирования и схем администрирования анестетиков. Кроме того, гемодинамические реакции мозга в режиме реального времени могут быть использованы для обеспечения сигналов биологической обратной связи на основе фМРТ для новых парадигм стимуляции в мультимодальных функциональных исследованиях мозга.
По-прежнему озабоченность по поводу предлагаемой настройки фМРТ в режиме реального времени связана с технической зависимостью от консольного программного обеспечения конкретного поставщика. В этом протоколе скрипты анализа фМРТ в реальном времени реализуют ряд макрофункций с помощью консольного программного обеспечения (см. Таблицу материалов) версии 6 или выше. Рабочий процесс сканирования MR в предыдущем консольном программном обеспечении (например, PV версии 5 или ниже) отличается от последней версии из-за обновленного пользовательского интерфейса и нового определения параметров. Используя предыдущую версию консольной системы (PV версия 3), Lu et al. (2008) показали, что установка фМРТ в реальном времени позволила контролировать вызванные препаратом гемодинамические изменения сигнала в мозге крыс для изучения влияния кокаина на центральную нервную систему20. Однако эти настройки не могут быть легко применены к новому консольному программному обеспечению с современными электронными устройствами. В новейшем консольном программном обеспечении критически важным шагом является запуск предопределенных макроскриптов и мониторинг необработанных данных фМРТ сразу после начала сканирования, выбрав опции «Действия до серии изображений» и «Выполнить макрос» в разделе «Реконструкция данных».
Для дальнейшей обработки изображений настраиваемые функции AFNI могут быть легко включены в сценарии обработки изображений в режиме реального времени. В частности, будет полезно обеспечить анализ в режиме реального времени с использованием следов, связанных с движением, например, сигнала электромиографии (ЭМГ) для бодрствующего животного фМРТ38, и включить мультимодальный динамический сигнал мозга, например, GCaMP-опосредованный Ca2+, для определения гемодинамической корреляциивсего мозга 37. Кроме того, эта настройка фМРТ в режиме реального времени может быть распространена на исследования нейрофидбэка на животных для изучения саморегулирующегося мозга и поведения, аналогичного предыдущим исследованиям на людях27.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Саша Кёлер является сотрудником компании Bruker BioSpin MRI GmbH.
Acknowledgments
Мы благодарим д-ра Д. Чена и д-ра К. Йена за то, что они поделились скриптом AFNI для настройки фМРТ в реальном времени для PV 5, а также команду AFNI за поддержку программного обеспечения. Это исследование было поддержано финансированием NIH Brain Initiative (RF1NS113278-01, R01 MH111438-01) и грантом инструмента S10 (S10 RR023009-01) Центру Мартиноса, Немецкому исследовательскому фонду (DFG) Yu215/3-1, BMBF 01GQ1702 и внутренним финансированием от Общества Макса Планка.
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).
