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

जानवरों में रियल-टाइम एफएमआरआई ब्रेन मैपिंग

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

पशु मस्तिष्क कार्यात्मक मानचित्रण वास्तविक समय कार्यात्मक चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एफएमआरआई) प्रयोगात्मक सेट-अप से लाभ उठा सकता है। पशु एमआरआई प्रणाली में लागू नवीनतम सॉफ्टवेयर का उपयोग करते हुए, हमने छोटे पशु एफएमआरआई के लिए एक वास्तविक समय निगरानी मंच स्थापित किया।

Abstract

गतिशील एफएमआरआई प्रतिक्रियाएं एनेस्थीसिया के तहत या जागृत अवस्थाओं में जानवरों की शारीरिक स्थितियों के अनुसार काफी हद तक भिन्न होती हैं। हमने अधिग्रहण के दौरान तुरंत एफएमआरआई प्रतिक्रियाओं की निगरानी करने के लिए प्रयोगकर्ताओं का मार्गदर्शन करने के लिए एक वास्तविक समय एफएमआरआई मंच विकसित किया, जिसका उपयोग जानवरों के दिमाग में वांछित हेमोडायनामिक प्रतिक्रियाओं को प्राप्त करने के लिए जानवरों के शरीर विज्ञान को संशोधित करने के लिए किया जा सकता है। रियल-टाइम एफएमआरआई सेट-अप 14.1 टी प्रीक्लिनिकल एमआरआई सिस्टम पर आधारित है, जो एनेस्थेटाइज्ड चूहों के प्राथमिक फोरपॉ सोमाटोसेंसरी कॉर्टेक्स (एफपी-एस 1) में गतिशील एफएमआरआई प्रतिक्रियाओं के वास्तविक समय मानचित्रण को सक्षम करता है। एफएमआरआई संकेतों की परिवर्तनशीलता के लिए अग्रणी भ्रामक स्रोतों की जांच करने के लिए एक पूर्वव्यापी विश्लेषण के बजाय, वास्तविक समय एफएमआरआई प्लेटफॉर्म एमआरआई सिस्टम में अनुकूलित मैक्रो-फ़ंक्शन और एक सामान्य न्यूरोइमेजिंग विश्लेषण सॉफ्टवेयर का उपयोग करके गतिशील एफएमआरआई प्रतिक्रियाओं की पहचान करने के लिए एक अधिक प्रभावी योजना प्रदान करता है। इसके अलावा, यह जानवरों में मस्तिष्क कार्यात्मक अध्ययन के लिए तत्काल समस्या निवारण व्यवहार्यता और वास्तविक समय बायोफीडबैक उत्तेजना प्रतिमान प्रदान करता है।

Introduction

फंक्शनल मैग्नेटिक रेजोनेंस इमेजिंग (एफएमआरआई) हेमोडायनामिक प्रतिक्रियाओं को मापने के लिए एक गैर-इनवेसिव विधि है 1,2,3,4,5,6,7,8,9, उदाहरण के लिए, रक्त-ऑक्सीजन-स्तर-निर्भर (बोल्ड), सेरेब्रल रक्त की मात्रा और प्रवाह संकेत, मस्तिष्क में तंत्रिका गतिविधि से जुड़ा हुआ है। पशु अध्ययन में, हेमोडायनामिक सिग्नल संज्ञाहरण10, जागृत जानवरों के तनाव स्तर11, साथ ही संभावित गैर-शारीरिक कलाकृतियों, जैसे, कार्डियक स्पंदन और श्वसन गति 12,13,14,15 से प्रभावित हो सकते हैं। यद्यपि कार्य-संबंधित और विश्राम-राज्य कार्यात्मक गतिशीलता और कनेक्टिविटी मैपिंग 16,17,18,19 के लिए एफएमआरआई सिग्नल का पूर्वव्यापी विश्लेषण प्रदान करने के लिए कई पोस्ट-प्रोसेसिंग विधियां विकसित की गई हैं, लेकिन पशु मस्तिष्क20 में वास्तविक समय मस्तिष्क समारोह मैपिंग समाधान और तात्कालिक रीडआउट प्रदान करने के लिए कुछ तकनीकें हैं (जिनमें से अधिकांश मुख्य रूप से मानव मस्तिष्क मानचित्रण के लिए उपयोग की जाती हैं 21, 22,23,24,25,26,27)। विशेष रूप से, जानवरों के अध्ययन में इस तरह की वास्तविक समय एफएमआरआई मैपिंग विधि की कमी है। वास्तविक समय मस्तिष्क राज्य-निर्भर शारीरिक चरणों की जांच को सक्षम करने और पशु मस्तिष्क कार्यात्मक अध्ययन के लिए वास्तविक समय बायोफीडबैक उत्तेजना प्रतिमान प्रदान करने के लिए एक एफएमआरआई प्लेटफॉर्म स्थापित करना आवश्यक है।

वर्तमान काम में, हम एमआरआई कंसोल सॉफ्टवेयर के अनुकूलित मैक्रो-फ़ंक्शंस के साथ एक वास्तविक समय एफएमआरआई प्रयोगात्मक सेट-अप का वर्णन करते हैं, जो एनेस्थेटाइज्ड चूहों के प्राथमिक फोरपॉ सोमैटोसेंसरी कॉर्टेक्स (एफपी-एस 1) में बोल्ड-एफएमआरआई प्रतिक्रियाओं की वास्तविक समय की निगरानी का प्रदर्शन करता है। यह वास्तविक समय सेट-अप मौजूदा न्यूरोइमेजिंग विश्लेषण सॉफ्टवेयर, फंक्शनल न्यूरोइमेजेज (एएफएनआई) 28 का विश्लेषण करके कार्यात्मक मानचित्रों में चल रहे मस्तिष्क सक्रियण के विज़ुअलाइज़ेशन के साथ-साथ वोक्सेल-वार तरीके से व्यक्तिगत समय पाठ्यक्रमों की अनुमति देता है। पशु अध्ययन के लिए वास्तविक समय एफएमआरआई प्रयोगात्मक सेट-अप की तैयारी प्रोटोकॉल में वर्णित है। पशु सेट-अप के अलावा, हम छवि प्रसंस्करण स्क्रिप्ट के समानांतर नवीनतम कंसोल सॉफ्टवेयर का उपयोग करके वास्तविक समय एफएमआरआई संकेतों के विज़ुअलाइज़ेशन और विश्लेषण को सेट करने के लिए विस्तृत प्रक्रियाएं प्रदान करते हैं। सारांश में, पशु अध्ययन के लिए प्रस्तावित वास्तविक समय एफएमआरआई सेट-अप एमआरआई कंसोल सिस्टम का उपयोग करके पशु मस्तिष्क में गतिशील एफएमआरआई संकेतों की निगरानी के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है।

Protocol

यह अध्ययन जर्मन पशु कल्याण अधिनियम (टियरएसएचजी) और पशु कल्याण प्रयोगशाला पशु अध्यादेश (टियरएसएचवर्सवी) के अनुसार किया गया था। यहां वर्णित प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल की समीक्षा नैतिकता आयोग (§15 टियर्सएचजी…

Representative Results

चित्रा 3 और चित्रा 4 एक प्रतिनिधि वास्तविक समय वोक्सेल-वार बोल्ड-एफएमआरआई समय पाठ्यक्रम और विद्युत फोरपाव उत्तेजना (3 हर्ट्ज, 4 एस, पल्स चौड़ाई 300 यूएस, 2.5 एमए) के साथ कार्यात्मक मानचि?…

Discussion

एफएमआरआई सिग्नल की वास्तविक समय की निगरानी प्रयोगकर्ताओं को कार्यात्मक मानचित्रण को अनुकूलित करने के लिए जानवरों के शरीर विज्ञान को समायोजित करने में मदद करती है। जागृत जानवरों में गति कलाकृतियां, ?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

हम पीवी 5 के लिए वास्तविक समय एफएमआरआई स्थापित करने के लिए एएफएनआई स्क्रिप्ट साझा करने के लिए डॉ डी चेन और डॉ सी येन और सॉफ्टवेयर समर्थन के लिए एएफएनआई टीम को धन्यवाद देते हैं। इस शोध को एनआईएच ब्रेन इनिशिएटिव फंडिंग (आरएफ 1एनएस 113278-01, आर01 एमएच 111438-01), और एस 10 इंस्ट्रूमेंट ग्रांट (एस 10 आरआर 023009-01) मार्टिनोस सेंटर, जर्मन रिसर्च फाउंडेशन (डीएफजी) यू 215/3-1, बीएमबीएफ 01 जीक्यू 1702 और मैक्स प्लैंक सोसाइटी से आंतरिक वित्त पोषण द्वारा समर्थित किया गया था।

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