Summary
Funktionell kartläggning av djurhjärnan kan dra nytta av experimentell konfiguration av funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI). Med hjälp av den senaste programvaran som implementerats i djur-MRI-systemet etablerade vi en realtidsövervakningsplattform för fMRI för små djur.
Abstract
Dynamiska fMRI-svar varierar till stor del beroende på djurens fysiologiska förhållanden, antingen under anestesi eller i vakna tillstånd. Vi utvecklade en fMRI-plattform i realtid för att vägleda experimenter att övervaka fMRI-svar omedelbart under förvärvet, som kan användas för att modifiera djurens fysiologi för att uppnå önskade hemodynamiska svar i djurhjärnor. Realtidsuppsättningen av fMRI är baserad på ett 14.1T prekliniskt MRI-system, vilket möjliggör kartläggning i realtid av dynamiska fMRI-svar i den primära forepaw somatosensoriska cortexen (FP-S1) hos bedövade råttor. Istället för en retrospektiv analys för att undersöka förvirrande källor som leder till variationen i fMRI-signaler, ger fMRI-plattformen i realtid ett mer effektivt schema för att identifiera dynamiska fMRI-svar med hjälp av anpassade makrofunktioner och en gemensam neuroimage-analysprogramvara i MR-systemet. Det ger också omedelbar felsökning genomförbarhet och ett realtidsbiofeedback-stimuleringsparadigm för hjärnfunktionella studier på djur.
Introduction
Funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) är en icke-invasiv metod för att mäta de hemodynamiska svaren 1,2,3,4,5,6,7,8,9, t.ex. den blod-syrenivåberoende (BOLD), cerebral blodvolym och flödessignal, associerad med neural aktivitet i hjärnan. I djurstudier kan hemodynamiska signaler påverkas av anestesi10, stressnivån hos vakna djur 11, liksom de potentiella icke-fysiologiska artefakterna, t.ex. hjärtpulsering och andningsrörelser12,13,14,15. Även om många efterbehandlingsmetoder har utvecklats för att ge en retrospektiv analys av fMRI-signalen för den uppgiftsrelaterade och vilotillståndsfunktionella dynamiken och anslutningskartläggningen16,17,18,19, finns det få tekniker för att tillhandahålla en realtidslösning för kartläggning av hjärnfunktioner och momentana avläsningar i djurhjärnan 20 (varav de flesta huvudsakligen används för kartläggning av mänsklig hjärna 21, 22,23,24,25,26,27). I synnerhet saknas denna typ av fMRI-kartläggningsmetod i realtid i djurstudier. Det är nödvändigt att inrätta en fMRI-plattform för att möjliggöra undersökning av realtidsberoende fysiologiska stadier i hjärnan och för att tillhandahålla biofeedback-stimuleringsparadigm i realtid för djurhjärnfunktionella studier.
I det aktuella arbetet illustrerar vi en realtids fMRI-experimentell inställning med de anpassade makrofunktionerna i MRI-konsolprogramvaran, som visar realtidsövervakning av de framkallade BOLD-fMRI-svaren i den primära forepaw somatosensoriska cortexen (FP-S1) hos de bedövade råttorna. Denna realtidsuppsättning möjliggör visualisering av den pågående hjärnaktiveringen i funktionella kartor, såväl som individuella tidskurser på ett voxelmässigt sätt, med hjälp av den befintliga neuroimage-analysprogramvaran, Analysis of Functional NeuroImages (AFNI)28. Förberedelsen av fMRI-experimentupplägget i realtid för djurstudien beskrivs i protokollet. Förutom djuruppsättningen tillhandahåller vi detaljerade procedurer för att ställa in visualisering och analys av fMRI-signaler i realtid med hjälp av den senaste konsolprogramvaran parallellt med bildbehandlingsskripten. Sammanfattningsvis är den föreslagna fMRI-inställningen i realtid för djurstudier ett kraftfullt verktyg för att övervaka de dynamiska fMRI-signalerna i djurhjärnan med hjälp av MR-konsolsystemet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Denna studie utfördes i enlighet med den tyska djurskyddslagen (TierSchG) och djurskyddslaboratoriets djurförordning (TierSchVersV). Det experimentella protokollet som beskrivs här granskades av etikkommissionen (§ 15 TierSchG) och godkändes av den statliga myndigheten (Regierungspräsidium, Tübingen, Baden-Württemberg, Tyskland).
1. Förberedelse av BOLD-fMRI-försöksuppsättningen för smådjursstudier
- Slå på konsolprogramvaran för att styra bildparametrar och hämta MR-data.
OBS: Den föreslagna fMRI-installationen i realtid implementeras med hjälp av makrofunktioner i konsolprogramvaran (version 6) parallellt med AFNI: s bildbehandlingsfunktioner. - Hitta MR-sekvenser (dvs. position, lokalisering, snabb förvärv med avslappningsförbättring (RARE) och 3D-eko-planar avbildning (EPI) med arbetsyteutforskaren och dra och lägg sedan till dem i skanningslistan.
OBS: Positions- och lokaliseringssekvenser används för att identifiera en region av intresse (ROI) i en hjärna. En RARE-sekvens används för en anatomiskanning. En 3D EPI-sekvens används för att mäta dynamiska BOLD-svar. - Placera de fördefinierade makroskripten "Setup_rt3DEPI" och "Feed2AFNI_rt3DEPI" i makroskriptsökvägen (t.ex. "/opt/(PV-version)/prog/curdir/(användarnamn)/ParaVision/macros"). Aktivera 3D EPI-rekonstruktionsalternativen, "Pre Image Series Activities" och "Execute Macro" i användargränssnittsmenyn "Data Reconstruction" och länka sedan det fördefinierade makroskriptet "Setup_rt3DEPI" innan du klickar på "Scan" -knappen.
Makroskripten ingår i tilläggsfilerna. - Installera AFNI-programvaran för BOLD-fMRI-analys och visualisering i realtid.
2. Kateterisering och ventilationskirurgi
- Ställ in en ventilator och fysiologiska statusövervakningssystem som termometer, blodtryck och andningsregistrering som visas i figur 1. Ställ in en konstant frekvens på 60 ± 1 andetag/min med ventilatorn och en temperatur på 37 °C med en MR-kompatibel värmedyna med en återkopplingskontrolluppsättning.
- Bedöva en vuxen manlig Sprague-Dawley-råtta (300-600 g) i en kammare med 5% isofluran för induktion och leverera 2-2,5% isofluran för operation från en förångare. Kontrollera anestesidjupet genom att klämma fast bakpoten och bekräfta bristen på abstinenssvar.
- Intubera djuret med en 14 G plastkanyl för ventilation (60 ± 1 andetag/min med en blandning av 70% luft och 30% syre). Justera koldioxid i slutet av tidvattnet (CO2) så att den ligger i intervallet 25 ± 5 mmHg29.
OBS: Intubationen är avgörande för att upprätthålla korrekta CO2-nivåer genom fMRI-experiment. - Placera djuret i ryggläge på ett operationsbord och raka ett lår med en elektrisk rakhyvel. Och gör sedan ett snitt på den rakade huden med kirurgisk sax.
OBS: Snittets längd är cirka 1-2 cm i längdriktningen. - Hitta en lårbensartär och ven under den snittade regionen för kateterisering och separera den enskilda lårbensartären och venen från de omgivande vävnaderna.
- Fäst ena sidan av den separerade lårbensartären med en kirurgisk sutur och håll den andra sidan med mikro bulldogg-pincett. Gör sedan ett litet snitt mellan de bundna regionerna på lårbensartären.
- Sätt in en kateter i lårbensartären genom det lilla snittet och binda katetern och artären tillsammans med kirurgiska suturer. Övervaka det arteriella blodtrycket ständigt med det fysiologiska övervakningssystemet för att ligga i intervallet 80-120 mmHg och mät den arteriella blodgasen regelbundet för att upprätthålla pO 2 på minst 90 mmHg och pCO2 på 30-45 mmHg under skanning.
OBS: Denna kateterisering är avgörande för att övervaka det arteriella blodtrycket under fMRI-experiment. - Fäst båda ändarna av lårbensvenen med silkeflätade kirurgiska suturer. Gör sedan ett litet snitt mellan de bundna regionerna på lårbenet. Använd pincett för att utföra sutureringen.
OBS: Suturens storlek är cirka 1-2 cm. - Sätt in en kateter i lårbensvenen. Bind katetern och venen tillsammans med kirurgiska suturer.
OBS: Denna kateterisering är avgörande för att administrera alfakloralos genom venen och justera bedövningsnivåerna under fMRI-experiment. Om djuret inte är väl bedövat kommer det att börja andas spontant. I detta fall måste mer alfakloralos administreras för att undvika respiratoriska rörelseartefakter. - Suturera det kirurgiska snittet på den rakade huden. När de kirurgiska ingreppen är klara, håll djuret bedövat genom att införa en bolus av alfakloralos med dosen ~ 80 mg / kg genom katetern ansluten till lårbensvenen och stoppa isofluranadministreringen samtidigt.
3. Placera djuret inuti MR-skannern
- Överför det bedövade djuret till MR-skannern så snart 2.10-steget är klart och säkra det på en skräddarsydd vagga.
- Sätt in en rektal termometer i realtid på djuret för att övervaka djurets temperatur. Placera en värmepanna under djurets torso för att kontrollera temperaturen. Håll kroppstemperaturen vid 37,0 ± 0,5 °C under MR-undersökningar.
- Leverera alfakloralos med ~ 25 mg / kg / h lösning i en blandning av pancuronium (~ 2 mg / kg / h), en muskelavslappnande, kontinuerligt samtidigt som djuret bedövas och minskar rörelseartefakter i fMRI-bilder. Övervaka blodtrycket och andningen genom att justera mängden läkemedel och ventilationshastigheten enligt fysiologisk status.
- Administrera oftalmisk salva på djurets ögon för att förhindra torrhet under fMRI-experiment. Fixa djurets huvud säkert med två öronstänger för att undvika huvudrörelseartefakter.
- Fixa en sändtagarytspole på huvudet. Ställ in och matcha spolen till Larmor-frekvensen (t.ex. 599 MHz på 14,1 T) på huvudet före MR-mätningar.
OBS: Här används spole med en diameter på 22 mm för att täcka hela hjärnan hos en råtta. - Sätt in ett par nålelektroder i huden på förpiken mellan siffrorna 1 och 4 och fixa dem med kirurgisk tejp. Och bekräfta sedan att stimuleringen fungerar korrekt efter anslutning av en stimuleringsingångskabel till dessa elektroder30.
- Sätt in djuret i MR-borrningen och placera det på iso-centret ungefär.
4. Mätning av anatomiska MR-bilder
- Klicka på kalibreringsmenyknappen i huvudanvändargränssnittet. Utför kalibreringarna av MR-systemet genom att klicka på följande objekt i användargränssnittet för justeringsplattformen (se Hjälp-menyn i konsolprogramvaran): Hitta den grundläggande resonansfrekvensen, Kalibrera RF-pulseffekten, Ställ in den optimala mottagarförstärkningen, Mät B0-kartan i djuret för skimning, Kör globala linjära shims baserade på icke-lokaliserad FID-integral (Free Induction Decay).
OBS: Det här steget tar mindre än 2 minuter. - Kör en positionssekvens genom att klicka på "Skanna" -knappen för att hitta djurets huvudplats inuti MR-borrningen. Om huvudet inte är placerat vid iso-centret, justera huvudets placering medan du flyttar vaggan fram och tillbaka tills huvudet är placerat vid iso-centret.
- Kör en lokaliseringssekvens genom att klicka på "Skanna" -knappen för att identifiera en ROI i huvudet. Välj Map Shim och definiera ROI för shim-volymen för att täcka hela hjärnan i lokaliseringsbilden och kör sedan en hög ordning (t.ex. 2:a eller 3:e ordningen) shimming med alternativet "Shim upp till" för att minska de huvudsakliga magnetfältsinhomogeniteterna (B0) vid ROI.
OBS: Den höga ordningen shimming är ett kritiskt steg för att förbättra kvaliteten på BOLD-fMRI-data när EPI-sekvenser används. - Kör en T2-viktad RARE-sekvens genom att klicka på "Skanna" -knappen för att få anatomiska bilder som täcker hela hjärnan i en koronal vy (t.ex. används följande sekvensparametrar: repetitionstid (TR) 4000 ms, effektiv ekotid (TE) 36,1 ms, matris 128 x 128, synfält (FOV) 19,2x19,2 mm2, antal skivor 32, skivtjocklek 0,3 mm, SÄLLSYNT faktor 8).
OBS: I följande fMRI-visualiseringssteg i realtid används de anatomiska bilderna för att registrera 3D EPI-bilder som en mall.
5. Installation av fMRI-programvara i realtid och visualisering av fMRI-svar
- Öppna ett terminalfönster och gå till AFNI-plugin-sökvägen i realtid med följande kommando:
cd /home/(användarnamn)/rt_afni
OBS: AFNI-plugin-skriptet, "afni_rt" ingår i tilläggsfilerna. - Kör AFNI-programvara med realtidsplugin med kommandot och alternativen nedan.
AFNI -RT
-yestplugouts
-DAFNI_REALTIME_MP_HOST_PORT=localhost:(portnummer)
-DAFNI_REALTIME_Graph=Realtid
-DAFNI_FIM_IDEAL=(Paradigm)
OBS: I det första fallet tillåter koden externa program att utbyta data med AFNI medan i det andra fallet kommer realtidsplugin att försöka öppna en TCP-socket till den användardefinierade localhost och porten. I det tredje och fjärde fallet kommer koderna att plotta tidsförloppet för fMRI-data i realtid och plotta tidsförloppet för det användardefinierade paradigmet i fMRI-tidskursen respektive när fMRI-data i realtid förvärvas. Mer information finns i https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/README.environment.html. - Övervaka kommande AFNI BRIK-filer som definieras med kommandot "Dimon" som visas i bild 2 med följande alternativ:
Dimon -tr (TR av EPI) -nt (NRepetitioner av EPI)
-rt -sluta
-infile_pattern realtid*. BRIK
-file_type AFNI
OBS: "Dimon" är ett kommando för att övervaka realtidsförvärvet av AFNI-bildfiler med följande alternativ: "-rt" som kör realtidsplugin och "-infile_pattern (datanamn). BRIK -file_type AFNI" som gör att plugin kan läsa de specifika BRIK-filerna och skicka dem till AFNI för visning och formatering. Mer information finns i https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/Dimon.html. - Använd kommandot "pvcmd" med följande alternativ:
pvcmd -a JMacroManager JMMExecuteMacro -category $USER -macro Feed2AFNI_rt3DEPI
Den här koden finns i makroskriptet "Setup_rt3DEPI" för att köra bakgrundsmakroskriptet "Feed2AFNI_rt3DEPI" direkt efter att ha klickat på "Skanna" -knappen för EPI-förvärv. - Använd kommandot "exec pvcmd" med följande alternativ för att hämta EPI-förvärvsparametrar.
exec pvcmd -a ParxServer -r ParamGetValue -psid $ParSpaceId -param (PVM-parametrar för EPI) -id 10 -args $AcqKey $ParSpaceId $ProcnoPath - Använd kommandot "exec to3d" med följande alternativ för att konvertera EPI-rådata till AFNI-filer i realtid i bakgrundsmakroskriptet "Feed2AFNI_rt3DEPI".
exec to3d -omri -xFOV $FOV_X -yFOV $FOV_Y -zFOV $FOV_Z -prefix $LastVolName $ImgFormat$Path2dseq - Se till att epi geometrisk information överensstämmer med anatomiorienteringen.
OBS: AFNI-kommandot "to3d" körs automatiskt med geometrisk information som synfält (FOV) och matrisstorlek för att konvertera fMRI-rådata till en AFNI BRIK-data när varje 3D-volymdata lagras efter varje enskild TR som visas i figur 2. Bildorienteringen kan ändras med de geometriska informationsparametrarna "to3d". Mer information finns i https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/to3d.html. - Slå på en elektrisk stimulansisolator och utför elektrisk forepaw-stimulering för en framkallad fMRI-studie (t.ex. 3Hz, 4s pulsbredd 300us, 2.5mA) med hjälp av stimuleringsblock.
OBS: Här består blockdesignparadigmet av 10 prestimuleringsskanningar, 3 stimuleringsskanningar och 12 interstimuleringsskanningar (15 skanningar per epok). - Kör en T2*-viktad 3D EPI-sekvens genom att klicka på "Skanna"-knappen för BOLD-fMRI-studien (t.ex. används följande parametrar: TR/TE 1500/14 ms, matris 64 x 64 x 32, FOV 19,2 x 19,2 x 9,6 mm 3 och upplösning 300 x 300 x300 μm3).
OBS: Så snart du klickar på "Skanna" -knappen kommer övervakning och bearbetning av rådata att göras med hjälp av de fördefinierade makroskripten i realtid. När en AFNI BRIK-datauppsättning har konverterats visas voxelvisa tidskursdiagram för 3D EPI-bilder i AFNI-programvaran och uppdateras automatiskt för varje enskild TR. - Om du vill lägga över EPI-bilderna ovanpå de anatomiska RARE-bilderna konverterar du RARE-bilderna till en AFNI BRIK-datauppsättning med kommandot "to3d" som i steg 5.6 och registrerar sedan EPI-bilderna till de anatomiska bilderna med hjälp av AFNI-skriptet "align_epi_anat.py" med följande alternativ:
align_epi_anat.py -anat anatomy_template_al+orig -epi epi.$(epi-datanummer)+orig -epi_base 1 -suffix _volreg -rat_align -cost lpa -epi2anat
OBS: För mer information, se https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/ align_epi_anat.py.html. - Om du vill bearbeta funktionella kartor över BOLD-svaren beräknar du dekonvolutionen av 3D+time-datauppsättningen med en specifik stimulanstidsserie med kommandot "3dDeconvolve" med följande alternativ:
3dDeconvolve -input (inmatningsfilnamn)+orig. -nfirst 0 -polort 3 -num_stimts 1 -stim_times 1 (stimuleringsparadigmfilnamn) 'BLOCK(4,1)' -stim_label 1 forepaw -tout -fout -rout
Bildbehandlingssteg som rumslig utjämning eller tidsfiltrering har införlivats i ett anpassat AFNI-databehandlingsskript. Mer information finns i https://afni.nimh.nih.gov/afni/doc/help/3dDeconvolve.html. - För att visualisera funktionella kartor över BOLD-signalerna, använd en interaktiv klustring i AFNI-programvaran. Öppna alternativet "Definiera överlägg" och använd funktionen "Kluster" från AFNI-användargränssnittsmenyn.
- Efter den sista fMRI-skanningen, ta djuret ur MR-skannern och avliva det enligt de godkända protokollen.
Bildbehandlingsfunktioner för AFNI och makrofunktioner i den senaste konsolprogramvaran användes för att bearbeta fMRI-data i realtid. Detaljerad information och beskrivningar av makrofunktioner finns i hjälpmenyn i konsolprogramvaran. AFNI-programvaran är ett freeware som kan laddas ner direkt via NIMH-AFNI-webbplatsen. De relaterade skripten för att bygga kopplingen mellan AFNI och konsolsystemet är anslutna.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 3 och figur 4 visar en representativ realtids voxelvis BOLD-fMRI tidskurs och funktionella kartor med elektrisk forepaw-stimulering (3 Hz, 4 s, pulsbredd 300 us, 2,5 mA). fMRI-designparadigmet omfattar 10 prestimuleringsskanningar, 3 stimuleringsskanningar och 12 interstimuleringsskanningar med totalt 8 epoker (130 skanningar). Den totala skanningstiden är 3 min 15 sek (195 sek). Figur 3 visar den voxelvisa tidsförloppet (svart linje) för den kontralaterala FP-S1 som motsvarar blockdesignparadigmet (röd linje) i realtidsförvärvsformatet. Figur 4 visar de aktiverade BOLD-kartorna som motsvarar den elektriska forepaw-stimuleringen. De aktiverade regionerna identifieras och visas som de färgade klustren (röda och gula färger). Experimenterare kan använda funktionen "Kluster" i AFNI-programvaran för att interaktivt utforska klustrade volymer och visa dem som en överlagrad färgkodad bild.
Figur 1: Experimentell fMRI-inställning i realtid för forepaw-stimulering. Ett förenklat schema över realtidsinställningen av fMRI och flödet (streckade linjer) för kontrollparametrarna visas. En dator (vänster) används som konsol för pulssekvenskörning, stimulansisolatorkontroll och dataanalys med AFNI. Den andra datorn (till höger) används för att övervaka fysiologisk information (t.ex. blodtryck, andning och bröströrelser etc.). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Bild 2: Diagram över databehandlingen under fMRI-skanning. Ett förenklat flödesschema över databehandling med de representativa makro- och AFNI-funktionerna i realtidskonfigurationen av fMRI visas. Innan fMRI-skanningar påbörjas väljs alternativen "Pre Image Series Activities" och "Execute Macro" bland rekonstruktionsalternativen. Skriptet "Setup_rt3DEPI" körs med hjälp av dessa alternativ när du klickar på "Skanna" -knappen. Med kommandot "Dimon" övervakas AFNI-filerna i realtid och skickas till AFNI-plugin för att visa dynamiska BOLD-svar när bakgrundsmakroskriptet "Feed2AFNI_rt3DEPI" konverterar fMRI-rådata till AFNI-filerna. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: Voxel-vis fMRI-svar i realtid. En aktiverad enkel voxeltidskursgraf (svart linje) från den primära forepaw somatosensory (FP-S1) cortex visas under blockdesignstimuleringsparadigmet. Det repetitiva fMRI-designparadigmet (röd linje) definierades av "afni -rt -DAFNI_FIM_IDEAL=(Paradigm)". Grafen visar att tydliga och stabila BOLD-svar följer elektrisk stimulering i realtid. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: Funktionella kartor över BOLD-svar på elektrisk stimulering i kontralaterala FP-S1-regioner. Voxel-klustren aktiverade i FP-S1-regionerna (gula och röda färger) identifierades och synkroniserades signifikant med det repetitiva stimuleringsparadigmet, överlagrat på de T2-viktade anatomiska bilderna. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Kompletterande filer. Klicka här för att ladda ner dessa filer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Realtidsövervakning av fMRI-signalen hjälper experimenterare att justera djurens fysiologi för att optimera funktionell kartläggning. Rörelseartefakter hos vakna djur, liksom bedövningseffekten, är viktiga faktorer som förmedlar variationen hos fMRI-signaler, vilket förvirrar den biologiska tolkningen av signalen i sig 31,32,33,34,35,36,37,38 . FMRI-plattformen i realtid erbjuder omedelbar information för att hjälpa till att optimera skanningsparametrar och anestesiadministrationsscheman. Dessutom kan hjärnhemodynamiska svar i realtid användas för att tillhandahålla fMRI-baserade biofeedback-styrsignaler för nya stimuleringsparadigmer i multimodala hjärnfunktionella studier.
Ett kvarstående problem med den föreslagna fMRI-konfigurationen i realtid är det tekniska beroendet av den leverantörsspecifika konsolprogramvaran. I detta protokoll implementerar fMRI-analysskripten i realtid en serie makrofunktioner med hjälp av en konsolprogramvara (se Materialförteckning) version 6 eller högre. Arbetsflödet för MR-skanningen i den tidigare konsolprogramvaran (t.ex. PV version 5 eller lägre) skiljer sig från den senaste versionen på grund av det uppgraderade användargränssnittet och den nya parameterdefinitionen. (2008) har med hjälp av den tidigare versionen av konsolsystemet (PV version 3) visat att fMRI-inställningen i realtid möjliggjorde övervakning av de läkemedelsinducerade hemodynamiska signalförändringarna i råtthjärnan för att studera kokainets effekt på centrala nervsystemet20. Dessa inställningar kan dock inte lätt tillämpas på den nya konsolprogramvaran med toppmodern elektronisk utrustning. I den senaste konsolprogramvaran är det ett kritiskt steg att köra de fördefinierade makroskripten och övervaka fMRI-rådata direkt efter att ha börjat skanna genom att välja alternativen "Pre Image Series Activities" och "Execute Macro" i "Data Reconstruction".
För ytterligare bildbehandling kan anpassade AFNI-funktioner enkelt införlivas i bildbehandlingsskript i realtid. I synnerhet kommer det att vara värdefullt att tillhandahålla realtidsanalys med hjälp av rörelserelaterade spår, t.ex. elektromyografi (EMG) signal för vaken djur fMRI38, och införliva multimodal dynamisk hjärnsignal, t.ex. GCaMP-medierad Ca2+, för att specificera helhjärnans hemodynamiska korrelation37. Dessutom kan denna fMRI-inställning i realtid utvidgas till djurneurofeedback-studier för att undersöka självreglerande hjärna och beteende som liknar tidigare mänskliga studier27.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Sascha Köhler är anställd på Bruker BioSpin MRI GmbH.
Acknowledgments
Vi tackar Dr. D. Chen och Dr. C. Yen för att de delar AFNI-skriptet för att ställa in fMRI i realtid för PV 5 och AFNI-teamet för programvarusupporten. Denna forskning stöddes av NIH Brain Initiative-finansiering (RF1NS113278-01, R01 MH111438-01) och S10-instrumentbidraget (S10 RR023009-01) till Martinos Center, German Research Foundation (DFG) Yu215/3-1, BMBF 01GQ1702 och den interna finansieringen från 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).
