JoVE Journal > Neuroscience
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Neuroscience

מיפוי מוח fMRI בזמן אמת בבעלי חיים

Published: September 24, 2020
doi:
10.3791/61463
, , , , , , ,
1Max Planck Institute for Biological Cybernetics, 2Graduate Training Centre of Neuroscience, 3MGH/MIT/HMS Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging, Department of Radiology, Harvard Medical School,Massachusetts General Hospital, 4Bruker BioSpin

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.

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 קט?…

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 ש…

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<sup class="xr…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Belliveau, J. W., et al. Functional mapping of the human visual cortex by magnetic resonance imaging. Science. 254 (5032), 716-719 (1991).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Logothetis, N. K. What we can do and what we cannot do with fMRI. Nature. 453 (7197), 869-878 (2008).
  9. 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).
  10. Peltier, S. J., et al. Functional connectivity changes with concentration of sevoflurane anesthesia. Neuroreport. 16 (3), 285-288 (2005).
  11. Dopfel, D., Zhang, N. Mapping stress networks using functional magnetic resonance imaging in awake animals. Neurobiology of Stress. 9, 251-263 (2018).
  12. 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).
  13. Birn, R. M. The role of physiological noise in resting-state functional connectivity. Neuroimage. 62 (2), 864-870 (2012).
  14. Caballero-Gaudes, C., Reynolds, R. C. Methods for cleaning the BOLD fMRI signal. Neuroimage. 154, 128-149 (2017).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Cox, R. W., Jesmanowicz, A., Hyde, J. S. Real-time functional magnetic resonance imaging. Magnetic Resonance Medicine. 33 (2), 230-236 (1995).
  22. 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).
  23. Voyvodic, J. T. Real-time fMRI paradigm control, physiology, and behavior combined with near real-time statistical analysis. Neuroimage. 10 (2), 91-106 (1999).
  24. Cohen, M. S. Real-time functional magnetic resonance imaging. Methods. 25 (2), 201-220 (2001).
  25. 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).
  26. 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).
  27. Bruhl, A. B. Making Sense of Real-Time Functional Magnetic Resonance Imaging (rtfMRI) and rtfMRI Neurofeedback. International Journal of Neuropsychopharmacology. 18 (6), (2015).
  28. Cox, R. W. AFNI: Software for analysis and visualization of functional magnetic resonance neuroimages. Computers and Biomedical Research. 29 (3), 162-173 (1996).
  29. 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).
  30. Shih, Y. Y., et al. Ultra high-resolution fMRI and electrophysiology of the rat primary somatosensory cortex. Neuroimage. 73, 113-120 (2013).
  31. 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).
  32. van Alst, T. M., et al. Anesthesia differentially modulates neuronal and vascular contributions to the BOLD signal. Neuroimage. 195, 89-103 (2019).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).
  38. 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).

Tags

Real-time FMRIBrain MappingAnimal StudiesAFNI SoftwareEPI AcquisitionFunctional ConnectivityResting-state FMRIElectrical StimulationBold ResponseVoxel-wise Analysis
check_url/61463?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Choi, S., Takahashi, K., Jiang, Y., Köhler, S., Zeng, H., Wang, Q., Ma, Y., Yu, X. Real-Time fMRI Brain Mapping in Animals. J. Vis. Exp. (163), e61463, doi:10.3791/61463 (2020).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image