Summary
מיפוי תפקודי של מוח בעלי חיים יכול להפיק תועלת ממערך הניסויים של דימות תהודה מגנטית תפקודי בזמן אמת (fMRI). באמצעות התוכנה העדכנית ביותר המיושמת במערכת MRI של בעלי חיים, הקמנו פלטפורמת ניטור בזמן אמת עבור fMRI של בעלי חיים קטנים.
Abstract
תגובות fMRI דינמיות משתנות במידה רבה בהתאם לתנאים הפיזיולוגיים של בעלי חיים תחת הרדמה או במצב ער. פיתחנו פלטפורמת fMRI בזמן אמת כדי להנחות נסיינים לנטר תגובות fMRI באופן מיידי במהלך הרכישה, אשר ניתן להשתמש בהן כדי לשנות את הפיזיולוגיה של בעלי חיים כדי להשיג את התגובות ההמודינמיות הרצויות במוחות של בעלי חיים. מערך ה-fMRI בזמן אמת מבוסס על מערכת MRI פרה-קלינית 14.1T, המאפשרת מיפוי בזמן אמת של תגובות fMRI דינמיות בקליפת המוח הסומטוסנסורית הראשונית (FP-S1) של חולדות מורדמות. במקום ניתוח רטרוספקטיבי כדי לחקור מקורות מבלבלים המובילים לשונות של אותות fMRI, פלטפורמת fMRI בזמן אמת מספקת סכימה יעילה יותר לזיהוי תגובות fMRI דינמיות באמצעות פונקציות מאקרו מותאמות אישית ותוכנת ניתוח neuroimage נפוצה במערכת MRI. כמו כן, הוא מספק היתכנות מיידית לפתרון בעיות ופרדיגמת גירוי ביופידבק בזמן אמת למחקרים תפקודי מוח בבעלי חיים.
Introduction
דימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI) היא שיטה לא פולשנית למדידת התגובות ההמודינמיות 1,2,3,4,5,6,7,8,9, למשל, תלויות ברמת החמצן בדם (BOLD), נפח הדם במוח ואות זרימה, הקשורים לפעילות עצבית במוח. במחקרים בבעלי חיים, אותות המודינמיים יכולים להיות מושפעים מהרדמה10, מרמת הלחץ של בעלי חיים ערים 11, כמו גם מהממצאים הפוטנציאליים שאינם פיזיולוגיים, למשל, פעימות לב ותנועות נשימה 12,13,14,15. למרות ששיטות רבות לאחר עיבוד פותחו כדי לספק ניתוח רטרוספקטיבי של אות ה- fMRI עבור הדינמיקה התפקודית הקשורה למשימה ומצב מנוחה ומיפוי קישוריות16,17,18,19, ישנן מעט טכניקות לספק פתרון מיפוי תפקודי מוח בזמן אמת וקריאות מיידיות במוח החיה 20 (שרובן משמשות בעיקר למיפוי המוח האנושי 21, 22,23,24,25,26,27). בפרט, סוג זה של שיטת מיפוי fMRI בזמן אמת חסר במחקרים בבעלי חיים. יש צורך להקים פלטפורמת fMRI שתאפשר חקירה של שלבים פיזיולוגיים תלויי מצב מוחי בזמן אמת ותספק פרדיגמת גירוי ביופידבק בזמן אמת למחקרים תפקודי מוח בבעלי חיים.
בעבודה הנוכחית, אנו מדגימים מערך ניסויי fMRI בזמן אמת עם פונקציות המאקרו המותאמות אישית של תוכנת מסוף ה-MRI, ומדגימים ניטור בזמן אמת של תגובות BOLD-fMRI המעוררות בקליפת המוח הסומטוסנסורית הראשונית (FP-S1) של החולדות המורדמות. מערך זה בזמן אמת מאפשר הדמיה של הפעלת המוח המתמשכת במפות פונקציונליות, כמו גם קורסי זמן פרטניים באופן ווקסל, תוך שימוש בתוכנה הקיימת לניתוח תמונות נוירואימג', Analysis of Functional NeuroImages (AFNI)28. הכנת מערך ניסויי fMRI בזמן אמת למחקר בבעלי חיים מתוארת בפרוטוקול. מלבד הגדרת בעלי החיים, אנו מספקים נהלים מפורטים להגדרת ההדמיה והניתוח של אותות fMRI בזמן אמת באמצעות תוכנת המסוף העדכנית ביותר במקביל לסקריפטי עיבוד התמונה. לסיכום, מערך ה-fMRI המוצע בזמן אמת למחקרים בבעלי חיים הוא כלי רב עוצמה לניטור אותות ה-fMRI הדינמיים במוח בעלי החיים באמצעות מערכת מסוף ה-MRI.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
מחקר זה בוצע בהתאם לחוק הגרמני לרווחת בעלי חיים (TierSchG) ופקודת חיות המעבדה לרווחת בעלי חיים (TierSchVersV). הפרוטוקול הניסיוני המתואר כאן נבדק על ידי ועדת האתיקה (§15 TierSchG) ואושר על ידי רשות המדינה (Regierungspräsidium, Tübingen, באדן-וירטמברג, גרמניה).
1. הכנת מערך הניסויים BOLD-fMRI למחקר בבעלי חיים קטנים
- הפעל את תוכנת המסוף כדי לשלוט בפרמטרים של הדמיה ולקבל נתוני MRI.
הערה: הגדרת fMRI המוצעת בזמן אמת מיושמת תוך שימוש בפונקציות מאקרו של תוכנת המסוף (גרסה 6) במקביל לפונקציות עיבוד התמונה של AFNI. - מצא רצפי MR (כלומר, מיקום, לוקלייזר, רכישה מהירה עם שיפור הרפיה (נדיר) והדמיית הד-מישור תלת-ממדית (EPI) עם סייר סביבת העבודה, ולאחר מכן גרור והוסף אותם לרשימת הסריקה.
הערה: רצפי מיקום ולוקלייזר משמשים לזיהוי אזור עניין (ROI) במוח. רצף נדיר משמש לסריקת אנטומיה. רצף EPI תלת-ממדי משמש למדידת תגובות BOLD דינמיות. - מקם את סקריפטי המאקרו המוגדרים מראש, "Setup_rt3DEPI" ו- "Feed2AFNI_rt3DEPI" בנתיב סקריפט המאקרו (לדוגמה, "/opt/(גירסת PV)/prog/curdir/(שם משתמש)/ParaVision/פקודות מאקרו"). הפעל את אפשרויות השחזור 3D EPI, "פעילויות טרום סדרת תמונה" ו"ביצוע מאקרו " בתפריט ממשק המשתמש "שחזור נתונים", ולאחר מכן קשר את סקריפט המאקרו המוגדר מראש, "Setup_rt3DEPI", לפני לחיצה על הלחצן "סרוק".
הערה: קבצי ה- Script של המאקרו כלולים בקבצים המשלימים. - התקן את תוכנת AFNI לניתוח ולתצוגה חזותית של BOLD-fMRI בזמן אמת.
2. ניתוח צנתור והנשמה
- הגדירו מכונת הנשמה ומערכות לניטור מצב פיזיולוגי כמו מדחום, לחץ דם ורישום נשימה, כפי שמוצג באיור 1. הגדר תדר קבוע של 60 ± 1 נשימה לדקה עם מכונת ההנשמה וטמפרטורה של 37 מעלות צלזיוס באמצעות כרית חימום תואמת MR עם ערכת בקרת משוב.
- הרדימו חולדה בוגרת של ספראג-דאולי (300-600 גרם) בתא עם 5% איזופלורן לאינדוקציה והעבירו 2-2.5% איזופלוראן לניתוח ממכשיר אידוי. בדוק את עומק ההרדמה על ידי צביטה האחורית ואישור היעדר תגובת נסיגה.
- אינטובציה של החיה עם צינורית פלסטיק 14 גרם לאוורור (60 ± 1 נשימה / דקה עם תערובת של 70% אוויר ו 30% חמצן). התאם את הפחמן הדו-חמצני (CO2) לגאות הסופית כך שיהיה בטווח של 25 ± 5 מ"מכספית 29.
הערה: האינטובציה חיונית לשמירה על רמות CO2 תקינות באמצעות ניסויי fMRI. - מניחים את החיה בתנוחת שכיבה על שולחן ניתוח ומגלחים ירך עם סכין גילוח חשמלית. ואז, לעשות חתך על העור מגולח עם מספריים כירורגיים.
הערה: אורך החתך הוא סביב 1-2 ס"מ בכיוון אורך. - מצא עורק הירך ווריד מתחת לאזור המשופע לצנתור והפרד את עורק הירך והווריד הבודדים מהרקמות הסובבות אותו.
- הדקו צד אחד של עורק הירך המופרד עם תפר כירורגי והחזיקו את הצד השני עם מלקחיים מיקרו בולדוג. לאחר מכן, בצע חתך קטן בין האזורים הקשורים בעורק הירך.
- יש להחדיר קטטר לעורק הירך דרך החתך הקטן ולקשור את הקטטר ואת העורק יחד עם תפרים כירורגיים. עקוב אחר לחץ הדם העורקי כל הזמן עם מערכת הניטור הפיזיולוגית להיות בטווח של 80-120 מ"מ כספית ולמדוד את גז הדם העורקי באופן קבוע כדי לשמור על pO 2 של מינימום 90 מ"מ כספית ו- pCO2 של 30-45 מ"מ כספית במהלך הסריקה.
הערה: צנתור זה חיוני לניטור לחץ הדם העורקי במהלך ניסויי fMRI. - הדקו את שני הקצוות של וריד הירך עם תפרים כירורגיים קלועים משי. לאחר מכן, בצע חתך קטן בין האזורים הקשורים בווריד הירך. השתמש מלקחיים לביצוע התפירה.
הערה: גודל התפר הוא סביב 1-2 ס"מ. - הכנס קטטר לתוך וריד הירך. קושרים את הקטטר ואת הווריד יחד עם תפרים כירורגיים.
הערה: צנתור זה חיוני למתן אלפא-כלורלוז דרך הווריד ולהתאמת רמות ההרדמה במהלך ניסויי fMRI. אם החיה אינה מורדמת היטב, היא תתחיל לנשום באופן ספונטני. במקרה זה, יש לתת יותר אלפא-כלורלוז כדי למנוע תנועה נשימתית. - תפר את החתך הניתוחי על העור המגולח. לאחר השלמת ההליכים הכירורגיים, שמור על החיה מורדמת על ידי החדרת בולוס של אלפא כלוראלוז עם המינון של ~ 80 מ"ג / ק"ג דרך קטטר מחובר לווריד הירך ולהפסיק את מתן isoflurane באותו זמן.
3. הצבת בעל החיים בתוך סורק ה-MRI
- העבירו את החיה המורדמת לסורק ה-MRI מיד עם סיום שלב 2.10 ואבטחו אותה על עריסה בהתאמה אישית.
- הכנס מדחום רקטלי משוב בזמן אמת על החיה כדי לפקח על הטמפרטורה של החיה. הניחו כרית חימום מתחת לפלג הגוף העליון של בעל החיים כדי לשלוט בטמפרטורה. שמור על טמפרטורת הגוף ב 37.0 ± 0.5 מעלות צלזיוס במהלך סריקות MRI.
- ספק אלפא-כלוראלוז עם תמיסה של ~25 מ"ג/ק"ג/שעה בתערובת של פנקורוניום (~2 מ"ג/ק"ג/שעה), מרפה שרירים, ברציפות תוך שמירה על הרדמת החיה והפחתת תנועתיות בתמונות fMRI. עקוב אחר לחץ הדם והנשימה על ידי התאמת כמות התרופה וקצב ההנשמה בהתאם למצב הפיזיולוגי.
- מתן משחה אופטלמית על העיניים של החיה כדי למנוע יובש במהלך ניסויים fMRI. תקן את ראש החיה בבטחה באמצעות שני מוטות אוזניים כדי למנוע תנועת ראש.
- תקן סליל משטח מקלט-משדר על הראש. כוונן והתאם את הסליל לתדר לרמור (למשל, 599 מגה-הרץ על 14.1 T) על הראש לפני מדידות MRI.
הערה: כאן, סליל בקוטר 22 מ"מ משמש לכיסוי כל המוח של חולדה. - הכנס זוג אלקטרודות מחט לתוך העור של forepaw בין ספרות 1 ו 4 לתקן אותם עם סרט כירורגי. ואז, אשרו שהגירוי פועל כראוי לאחר חיבור כבל קלט גירוי לאלקטרודות אלה30.
- הכנס את החיה לתוך נשא MRI והנח אותו במרכז iso בערך.
4. מדידת תמונות MR אנטומיות
- לחץ על כפתור תפריט הכיול בממשק המשתמש הראשי. בצע את הכיולים של מערכת ה- MRI בלחיצה על הפריטים הבאים בממשק המשתמש של פלטפורמת ההתאמה (ראה תפריט עזרה בתוכנת המסוף): מצא את תדר התהודה הבסיסי, כייל את הספק פולס ה- RF, הגדר את רווח המקלט האופטימלי, מדוד את מפת B0 בחיה לשיימינג, הפעל שימסים ליניאריים גלובליים המבוססים על אינטגרל דעיכת אינדוקציה חופשית (FID) שאינו מקומי.
הערה: שלב זה אורך פחות מ-2 דקות. - הפעל רצף מיקום על ידי לחיצה על כפתור "סרוק" כדי למצוא את מיקום הראש של החיה בתוך בור MRI. אם הראש אינו ממוקם במרכז ה-iso, כוונן את מיקום הראש תוך כדי הזזת העריסה קדימה ואחורה עד שהראש ממוקם במרכז ה-iso.
- הפעל רצף לוקלייזר על ידי לחיצה על כפתור "סרוק" כדי לזהות ROI בראש. בחר Map Shim והגדר את ההחזר על ההשקעה של נפח ה-shim כך שיכסה את כל המוח בתמונת הלוקליזר ולאחר מכן, הפעל שיימינג מסדר גבוה (לדוגמה, סדר2 או 3) באמצעות האפשרות "Shim up to" כדי להפחית את אי-ההומוגניות של השדה המגנטי הראשי (B0) בהחזר ההשקעה.
הערה: השיימינג בסדר גבוה הוא צעד קריטי לשיפור האיכות של נתוני BOLD-fMRI כאשר נעשה שימוש ברצפי EPI. - הפעל רצף נדיר משוקלל T2 על ידי לחיצה על כפתור "סרוק" כדי לקבל תמונות אנטומיות המכסות את כל המוח בתצוגה קורונלית (לדוגמה, נעשה שימוש בפרמטרים הבאים של הרצף: זמן חזרה (TR) 4000 אלפיות השנייה, זמן הד אפקטיבי (TE) 36.1 מטרשניות, מטריצה 128 x 128, שדה ראייה (FOV) 19.2x19.2 מ"מ2, מספר פרוסות 32, עובי פרוסה 0.3 מ"מ, גורם נדיר 8).
הערה: בשלב התצוגה החזותית הבאה של fMRI בזמן אמת, התמונות האנטומיות משמשות לרישום תמונות EPI תלת-ממדיות כתבנית.
5. הגדרת תוכנת fMRI בזמן אמת והדמיית תגובת fMRI
- פתח חלון מסוף ועבור לנתיב תוסף AFNI בזמן אמת באמצעות הפקודה הבאה:
תקליטור /בית/(שם משתמש)/rt_afni
הערה: סקריפט התוסף AFNI, "afni_rt" כלול בקבצים המשלימים. - הפעל את תוכנת AFNI עם התוסף בזמן אמת באמצעות הפקודה והאפשרויות שלהלן.
AFNI -RT
-yestplugouts
-DAFNI_REALTIME_MP_HOST_PORT=localhost:(מספר יציאה)
-DAFNI_REALTIME_Graph=זמן אמת
-DAFNI_FIM_IDEAL=(פרדיגמה)
הערה: במקרה הראשון, הקוד מאפשר לתוכניות חיצוניות להחליף נתונים עם AFNI ואילו במקרה השני התוסף בזמן אמת ינסה לפתוח שקע TCP ל- localhost וליציאה המוגדרים על-ידי המשתמש. במקרים השלישי והרביעי, הקודים יתוו את מהלך הזמן של נתוני fMRI בזמן אמת ויתוו את מהלך הזמן של הפרדיגמה המוגדרת על ידי המשתמש בקורס זמן fMRI בהתאמה כאשר נתוני fMRI בזמן אמת נרכשים. לפרטים נוספים, בדקו https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/README.environment.html. - עקוב אחר קבצי AFNI BRIK עתידיים המוגדרים באמצעות הפקודה "דימון" כפי שמוצג באיור 2 עם האפשרויות הבאות:
דימון -tr (TR של EPI) -nt (NRepetitions של EPI)
-rt -צא
-infile_pattern בזמן אמת*. בריק
-file_type AFNI
הערה: "דימון" היא פקודה לניטור הרכישה בזמן אמת של קבצי תמונה AFNI באמצעות האפשרויות הבאות: "-rt" אשר מבצע את התוסף בזמן אמת ו "-infile_pattern (שם נתונים). BRIK -file_type AFNI" המאפשר לתוסף לקרוא את קבצי BRIK הספציפיים ולשלוח אותם ל- AFNI לתצוגה ועיצוב. לפרטים נוספים, בדקו https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/Dimon.html. - השתמש בפקודה "pvcmd" עם האפשרויות הבאות:
pvcmd -a JMacroManager JMMExecuteMacro -category $USER -macro Feed2AFNI_rt3DEPI
הערה: קוד זה קיים בסקריפט המאקרו, "Setup_rt3DEPI", כדי להפעיל את סקריפט המאקרו ברקע, "Feed2AFNI_rt3DEPI", מיד לאחר לחיצה על הלחצן "סרוק" לרכישת EPI. - השתמש בפקודה "exec pvcmd" עם האפשרויות הבאות כדי לקבל פרמטרים לרכישת EPI.
exec pvcmd -a ParxServer -r ParamGetValue -psid $ParSpaceId -param (פרמטרי PVM של EPI) -id 10 -args $AcqKey $ParSpaceId $ProcnoPath - השתמש בפקודה "exec to3d" עם האפשרויות הבאות כדי להמיר נתונים גולמיים של EPI לקבצי AFNI בזמן אמת בסקריפט המאקרו ברקע, "Feed2AFNI_rt3DEPI".
exec to3d -omri -xFOV $FOV_X -yFOV $FOV_Y -zFOV $FOV_Z -קידומת $LastVolName $ImgFormat$Path2dseq - ודא שהמידע הגיאומטרי של EPI תואם את כיוון האנטומיה.
הערה: פקודת AFNI "to3d" תפעל באופן אוטומטי עם המידע הגיאומטרי כגון שדה הראייה (FOV) וגודל המטריצה כדי להמיר את הנתונים הגולמיים של fMRI לנתוני AFNI BRIK אחד בכל פעם שכל נתוני נפח תלת-ממדיים מאוחסנים לאחר כל TR בודד כפי שמוצג באיור 2. ניתן לשנות את כיוון התמונה עם פרמטרי המידע הגיאומטרי של "to3d". לפרטים נוספים, בדקו https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/to3d.html. - הפעל מבודד גירוי חשמלי ובצע גירוי חשמלי עבור מחקר fMRI מעורר אחד (למשל, 3Hz, 4s רוחב פולס 300us, 2.5mA) באמצעות בלוקי גירוי.
הערה: כאן, פרדיגמת עיצוב הבלוקים מורכבת מ-10 סריקות קדם-גירוי, 3 סריקות גירוי ו-12 סריקות בין-גירוי (15 סריקות לכל תקופה). - הפעל רצף EPI תלת-ממדי משוקלל T2* על-ידי לחיצה על הלחצן "סרוק" עבור מחקר BOLD-fMRI (לדוגמה, נעשה שימוש בפרמטרים הבאים: TR/TE 1500/14 מטריות, מטריצה 64 x 64 x 32, FOV 19.2 x 19.2 x 9.6 מ"מ 3, ורזולוציה 300 x 300 x 300 מיקרומטר3).
הערה: מיד בלחיצה על כפתור "סרוק", ניטור ועיבוד נתונים גולמיים ייעשה באמצעות סקריפטי המאקרו המוגדרים מראש בזמן אמת. לאחר המרת ערכת נתונים אחת של AFNI BRIK, גרפים של מסלול זמן מבחינת ווקסל עבור תמונות EPI תלת-ממדיות מוצגים בתוכנת AFNI ומתעדכנים אוטומטית עבור כל TR בודד. - כדי לכסות את תמונות ה-EPI על גבי תמונות ה-RARE האנטומיות, המירו את תמונות ה-RARE לערכת נתונים של AFNI BRIK באמצעות הפקודה "to3d" כמו בשלב 5.6, ולאחר מכן רשמו את תמונות ה-EPI לתמונות האנטומיות באמצעות סקריפט AFNI "align_epi_anat.py" עם האפשרויות הבאות:
align_epi_anat.py -ענת anatomy_template_al+אוריג -אפי אפי.$(מספר נתוני אפי)+אוריג -epi_base 1 -סיומת _volreg -rat_align -עלות LPA -epi2anat
הערה: לפרטים נוספים, בדוק https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/ align_epi_anat.py.html. - כדי לעבד מפות פונקציונליות של תגובות BOLD, חשב את הדה-קונבולוציה של ערכת נתונים תלת-ממדית+זמן עם סדרת זמן גירוי ספציפית באמצעות הפקודה "3dDeconvolve" עם האפשרויות הבאות:
3dDeconvolve -input (שם קובץ קלט)+orig. -nfirst 0 -polort 3 -num_stimts 1 -stim_times 1 (שם הקובץ של פרדיגמת הגירוי) 'BLOCK(4,1)' -stim_label 1 forepaw -tout -fout -rout
הערה: שלבי עיבוד תמונה כגון החלקה מרחבית או סינון זמני שולבו בסקריפט עיבוד נתונים מותאם אישית של AFNI. לפרטים נוספים, בדקו https://afni.nimh.nih.gov/afni/doc/help/3dDeconvolve.html. - כדי להציג באופן חזותי מפות פונקציונליות של אותות BOLD, השתמש באשכולות אינטראקטיביים בתוכנת AFNI. פתח את האפשרות "הגדר כיסוי" והשתמש בפונקציה "אשכולות" מתפריט ממשק המשתמש של AFNI.
- לאחר סריקת ה-fMRI האחרונה, הוציאו את החיה מסורק ה-MRI והרדימו אותה בהתאם לפרוטוקולים המאושרים.
הערה: פונקציות עיבוד תמונה של AFNI ופונקציות מאקרו בתוכנת המסוף העדכנית ביותר שימשו לעיבוד נתוני fMRI בזמן אמת. מידע מפורט ותיאורים של פונקציות מאקרו ניתן למצוא מתפריט העזרה בתוכנת המסוף. תוכנת AFNI היא תוכנה חופשית, הניתנת להורדה ישירה דרך אתר NIMH-AFNI. הסקריפטים הקשורים לבניית הקישור בין AFNI למערכת המסוף מצורפים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
איור 3 ואיור 4 מראים מסלול זמן BOLD-fMRI מייצג בזמן אמת ומפות פונקציונליות עם גירוי חשמלי (3 הרץ, 4 שניות, רוחב פולס 300 לנו, 2.5 mA). פרדיגמת התכנון fMRI כוללת 10 סריקות קדם-גירוי, 3 סריקות גירוי ו-12 סריקות בין-גירוי עם סך של 8 תקופות (130 סריקות). זמן הסריקה הכולל הוא 3 דקות ו-15 שניות (195 שניות). איור 3 מציג את מהלך הזמן מבחינת ווקסל (קו שחור) של FP-S1 המקביל לפרדיגמת עיצוב הבלוקים (קו אדום) בתבנית הרכישה בזמן אמת. איור 4 מציג את מפות ה-BOLD המופעלות המתאימות לגירוי החשמלי הקדמי. האזורים המופעלים מזוהים ומוצגים כאשכולות הצבעוניים (צבעי אדום וצהוב). נסיינים יכולים להשתמש בפונקציה "אשכולות" בתוכנת AFNI כדי לחקור באופן אינטראקטיבי אמצעי אחסון מקובצים באשכולות ולהציג אותם כתמונה מקודדת צבע שכבת-על.
איור 1: מערך ניסויי fMRI בזמן אמת לגירוי חזיתי. סכמת פשוטה של הגדרת fMRI בזמן אמת והזרימה (קווים מקווקווים) של פרמטרי הבקרה מוצגים. מחשב אחד (משמאל) משמש כקונסולה לביצוע רצף פולסים, בקרת בידוד גירויים וניתוח נתונים עם AFNI. המחשב השני (מימין) משמש לניטור מידע פיזיולוגי (למשל, לחץ דם, נשימה, תנועת חזה וכו'). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 2: דיאגרמה של עיבוד הנתונים במהלך סריקת fMRI. מוצג תרשים זרימה פשוט של עיבוד נתונים עם פונקציות המאקרו וה- AFNI המייצגות בהגדרת fMRI בזמן אמת. לפני תחילת סריקות fMRI, האפשרויות "פעילויות טרום סדרת תמונה" ו"ביצוע מאקרו" נבחרות מבין אפשרויות השחזור. הסקריפט "Setup_rt3DEPI" מבוצע באמצעות אפשרויות אלה בעת לחיצה על כפתור "סרוק". בעזרת הפקודה "דימון", קבצי AFNI בזמן אמת מנוטרים ונשלחים לתוסף AFNI כדי להציג תגובות BOLD דינמיות כאשר סקריפט המאקרו ברקע, "Feed2AFNI_rt3DEPI" ממיר את הנתונים הגולמיים של fMRI לקבצי AFNI. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 3: תגובות fMRI בזמן אמת. גרף מסלול זמן ווקסל יחיד מופעל (קו שחור) מקליפת המוח הסומטוסנסורית הראשית (FP-S1) מוצג במהלך פרדיגמת גירוי תכנון הבלוקים. פרדיגמת התכנון החוזרת ונשנית של fMRI (קו אדום) הוגדרה על ידי "afni -rt -DAFNI_FIM_IDEAL=(Paradigm)". הגרף מדגים שתגובות BOLD ברורות ויציבות עוקבות אחר גירוי חשמלי בזמן אמת. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 4: מפות פונקציונליות של תגובות BOLD לגירוי חשמלי באזורי FP-S1 מנוגדים. צבירי הווקסל שהופעלו באזורי FP-S1 (צבעי צהוב ואדום) זוהו וסונכרנו באופן משמעותי עם פרדיגמת הגירוי החוזר, על גבי התמונות האנטומיות המשוקללות T2. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
קבצים משלימים. אנא לחץ כאן כדי להוריד קבצים אלה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
ניטור בזמן אמת של אות ה-fMRI מסייע לנסיינים להתאים את הפיזיולוגיה של בעלי חיים כדי לייעל את המיפוי התפקודי. ממצאי תנועה בבעלי חיים ערים, כמו גם אפקט ההרדמה, הם גורמים עיקריים המתווכים את השונות של אותות fMRI, מבלבלים את הפרשנות הביולוגית של האות בפני עצמה 31,32,33,34,35,36,37,38 . פלטפורמת fMRI בזמן אמת מציעה מידע מיידי כדי לסייע באופטימיזציה של פרמטרי סריקה ותוכניות ניהול הרדמה. כמו כן, ניתן להשתמש בתגובות המודינמיות של המוח בזמן אמת כדי לספק אותות בקרה מבוססי fMRI עבור פרדיגמות גירוי חדשניות במחקרים רב-מודאליים של תפקודי מוח.
חשש נוסף לגבי ההגדרה המוצעת של fMRI בזמן אמת הוא התלות הטכנית בתוכנת הקונסולה הספציפית לספק. בפרוטוקול זה, סקריפטי ניתוח fMRI בזמן אמת מיישמים סדרה של פונקציות מאקרו באמצעות תוכנת מסוף (ראה טבלת חומרים) גרסה 6 ומעלה. זרימת העבודה של סריקת MR בתוכנת המסוף הקודמת (לדוגמה, PV גרסה 5 ומטה) שונה מהגרסה העדכנית ביותר בשל ממשק המשתמש המשודרג והגדרת הפרמטר החדש. באמצעות הגרסה הקודמת של מערכת הקונסולה (PV גרסה 3), Lu et al. (2008) הראו כי הגדרת fMRI בזמן אמת אפשרה ניטור של שינויי האותות ההמודינמיים הנגרמים על ידי סמים במוח החולדה כדי לחקור את השפעת הקוקאין על מערכת העצבים המרכזית20. עם זאת, לא ניתן להחיל הגדרות אלה בקלות על תוכנת הקונסולה החדשה עם התקנים אלקטרוניים חדישים. בתוכנת המסוף העדכנית ביותר, זהו שלב קריטי להפעלת סקריפטי המאקרו המוגדרים מראש ולניטור הנתונים הגולמיים של fMRI מיד לאחר תחילת הסריקה על-ידי בחירה באפשרויות "פעילויות טרום סדרת תמונות" ו"ביצוע מאקרו" של "שחזור נתונים".
לעיבוד תמונה נוסף, ניתן לשלב בקלות פונקציות AFNI מותאמות אישית בסקריפטים של עיבוד תמונה בזמן אמת. בפרט, יהיה זה בעל ערך לספק ניתוח בזמן אמת באמצעות עקבות הקשורים לתנועה, למשל, אות אלקטרומיוגרפיה (EMG) עבור fMRI38 של בעלי חיים ערים, ולשלב אות מוח דינמי רב-מודאלי, למשל, Ca2+ בתיווך GCaMP, כדי לציין מתאם המודינמי של מוח שלם37. יתר על כן, ניתן להרחיב את מערך ה-fMRI הזה בזמן אמת למחקרי נוירופידבק בבעלי חיים כדי לחקור את המוח וההתנהגות המווסתים את עצמם, בדומה למחקרים קודמים בבני אדם27.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
סשה קוהלר היא עובדת בחברת Bruker BioSpin MRI GmbH.
Acknowledgments
אנו מודים לד"ר ד. צ'ן ולד"ר סי ין על שיתוף סקריפט AFNI להגדרת fMRI בזמן אמת עבור PV 5 ולצוות AFNI עבור תמיכת התוכנה. מחקר זה נתמך על ידי מימון יוזמת המוח של NIH (RF1NS113278-01, R01 MH111438-01), ומענק מכשיר S10 (S10 RR023009-01) למרכז מרטינוס, קרן המחקר הגרמנית (DFG) Yu215/3-1, BMBF 01GQ1702, והמימון הפנימי של אגודת מקס פלנק.
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).
