Mappatura cerebrale fMRI in tempo reale negli animali
Summary
La mappatura funzionale del cervello animale può trarre vantaggio dalla configurazione sperimentale di risonanza magnetica funzionale in tempo reale (fMRI). Utilizzando il più recente software implementato nel sistema di risonanza magnetica animale, abbiamo creato una piattaforma di monitoraggio in tempo reale per la fMRI dei piccoli animali.
Abstract
Le risposte fMRI dinamiche variano in gran parte in base alle condizioni fisiologiche degli animali sia in anestesia che in stato di veglia. Abbiamo sviluppato una piattaforma fMRI in tempo reale per guidare gli sperimentatori a monitorare istantaneamente le risposte fMRI durante l’acquisizione, che può essere utilizzata per modificare la fisiologia degli animali per ottenere le risposte emodinamiche desiderate nel cervello animale. La configurazione fMRI in tempo reale si basa su un sistema di risonanza magnetica preclinica 14.1T, che consente la mappatura in tempo reale delle risposte fMRI dinamiche nella corteccia somatosensoriale primaria della zampa anteriore (FP-S1) di ratti anestetizzati. Invece di un’analisi retrospettiva per indagare le fonti confondenti che portano alla variabilità dei segnali fMRI, la piattaforma fMRI in tempo reale fornisce uno schema più efficace per identificare le risposte fMRI dinamiche utilizzando macro-funzioni personalizzate e un software di analisi delle neuroimmagini comune nel sistema MRI. Inoltre, fornisce una fattibilità immediata per la risoluzione dei problemi e un paradigma di stimolazione del biofeedback in tempo reale per gli studi funzionali del cervello negli animali.
Introduction
La risonanza magnetica funzionale (fMRI) è un metodo non invasivo per misurare le risposte emodinamiche 1,2,3,4,5,6,7,8,9, ad esempio, il volume del sangue cerebrale dipendente dal livello di ossigeno nel sangue (BOLD), il volume del sangue cerebrale e il segnale di flusso, associati all’attività neurale nel cervello. Negli studi sugli animali, i segnali emodinamici possono essere influenzati dall’anestesia10, dal livello di stress degli animali svegli 11, nonché dai potenziali artefatti non fisiologici, ad esempio pulsazioni cardiache e movimenti respiratori12,13,14,15. Sebbene siano stati sviluppati molti metodi di post-elaborazione per fornire un’analisi retrospettiva del segnale fMRI per la dinamica funzionale correlata al compito e allo stato di riposo e la mappatura della connettività16,17,18,19, ci sono poche tecniche per fornire una soluzione di mappatura delle funzioni cerebrali in tempo reale e letture istantanee nel cervello animale 20 (la maggior parte delle quali sono utilizzate principalmente per la mappatura del cervello umano21, 22,23,24,25,26,27). In particolare, questo tipo di metodo di mappatura fMRI in tempo reale è carente negli studi sugli animali. È necessario istituire una piattaforma fMRI per consentire l’indagine degli stadi fisiologici dipendenti dallo stato cerebrale in tempo reale e fornire un paradigma di stimolazione biofeedback in tempo reale per studi funzionali del cervello animale.
Nel presente lavoro, illustriamo un set-up sperimentale fMRI in tempo reale con le macro-funzioni personalizzate del software della console MRI, dimostrando il monitoraggio in tempo reale delle risposte BOLD-fMRI evocate nella corteccia somatosensoriale primaria della zampa anteriore (FP-S1) dei ratti anestetizzati. Questa configurazione in tempo reale consente la visualizzazione dell’attivazione cerebrale in corso in mappe funzionali, nonché singoli corsi temporali in modo voxel-wise, utilizzando il software di analisi delle neuroimmagini esistente, Analysis of Functional NeuroImages (AFNI)28. La preparazione del set-up sperimentale fMRI in tempo reale per lo studio sugli animali è descritta nel protocollo. Oltre alla configurazione degli animali, forniamo procedure dettagliate per impostare la visualizzazione e l’analisi dei segnali fMRI in tempo reale utilizzando il più recente software della console in parallelo con gli script di elaborazione delle immagini. In sintesi, la configurazione fMRI in tempo reale proposta per gli studi sugli animali è un potente strumento per monitorare i segnali dinamici fMRI nel cervello animale utilizzando il sistema di console MRI.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il monitoraggio in tempo reale del segnale fMRI aiuta gli sperimentatori a regolare la fisiologia degli animali per ottimizzare la mappatura funzionale. Gli artefatti di movimento negli animali svegli, così come l’effetto anestetico, sono i principali fattori che mediano la variabilità dei segnali fMRI, confondendo l’interpretazione biologica del segnale da solo 31,32,33,34,35,36,37,38</…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ringraziamo il Dr. D. Chen e il Dr. C. Yen per aver condiviso lo script AFNI per impostare la fMRI in tempo reale per PV 5 e il team AFNI per il supporto software. Questa ricerca è stata supportata dal finanziamento NIH Brain Initiative (RF1NS113278-01, R01 MH111438-01), e dalla sovvenzione dello strumento S10 (S10 RR023009-01) al Martinos Center, German Research Foundation (DFG) Yu215 / 3-1, BMBF 01GQ1702 e dal finanziamento interno della Max Planck Society.
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 |
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