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Neuroscience

動物におけるリアルタイムfMRI脳マッピング

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

動物の脳機能マッピングは、リアルタイムの機能的磁気共鳴画像法(fMRI)実験セットアップの恩恵を受けることができます。動物MRIシステムに実装された最新のソフトウェアを使用して、小動物fMRIのリアルタイムモニタリングプラットフォームを確立しました。

Abstract

動的fMRI応答は、麻酔下または覚醒状態の動物の生理学的条件によって大きく異なります。私たちは、取得中にfMRI応答を瞬時にモニターするように実験者を導くリアルタイムfMRIプラットフォームを開発し、動物の生理機能を変更して動物の脳で目的の血行動態応答を達成することができます。リアルタイムfMRIセットアップは、14.1Tの前臨床MRIシステムに基づいており、麻酔をかけたラットの一次前足体性感覚皮質(FP-S1)における動的fMRI応答のリアルタイムマッピングを可能にします。リアルタイムfMRIプラットフォームは、fMRI信号の変動につながる交絡源を調査するための遡及的分析の代わりに、カスタマイズされたマクロ機能とMRIシステムの一般的な神経画像解析ソフトウェアを使用して動的fMRI応答を識別するためのより効果的なスキームを提供します。また、動物の脳機能研究のための即時のトラブルシューティングの実現可能性とリアルタイムのバイオフィードバック刺激パラダイムを提供します。

Introduction

機能的磁気共鳴画像法(fMRI)は、血行動態応答1、2、3、4、5、6、7、8、9、例えば、血中酸素レベル依存性(BOLD)、脳内の神経活動に関連する脳血液量および流量信号を測定する非侵襲的方法である。動物実験では、血行動態信号は、麻酔10、覚醒している動物のストレスレベル11、ならびに潜在的な非生理学的アーティファクト、例えば、心拍動および呼吸運動12、13、14、15によって影響を受ける可能性がある。タスク関連および安静状態機能ダイナミクスおよび接続性マッピング16、17、18、19のためのfMRI信号の遡及的分析を提供するために多くの後処理方法が開発されているが、動物の脳20におけるリアルタイムの脳機能マッピングソリューションおよび瞬間的な読み出しを提供する技術はほとんどない(そのほとんどは、主にヒト脳マッピング21に使用される、 22,23,24,25,26,27)。特に、この種のリアルタイムfMRIマッピング法は、動物実験では欠けています。fMRIプラットフォームを構築して、リアルタイムの脳状態依存的な生理学的病期の調査を可能にし、動物の脳機能研究にリアルタイムのバイオフィードバック刺激パラダイムを提供する必要があります。

本研究では、MRIコンソールソフトウェアのカスタマイズされたマクロ機能を備えたリアルタイムfMRI実験セットアップを示し、麻酔をかけたラットの一次前足体性感覚皮質(FP-S1)における誘発されたBOLD-fMRI応答のリアルタイムモニタリングを示します。このリアルタイムセットアップにより、既存の神経画像解析ソフトウェアである機能神経画像解析(AFNI)28を使用して、機能マップで進行中の脳の活性化と個々の時間コースをボクセル単位で視覚化できます。動物実験のためのリアルタイムfMRI実験セットアップの準備は、プロトコルに記載されています。動物のセットアップに加えて、画像処理スクリプトと並行して、最新のコンソールソフトウェアを使用してリアルタイムfMRI信号の視覚化と分析を設定するための詳細な手順を提供します。要約すると、動物実験用に提案されたリアルタイムfMRIセットアップは、MRIコンソールシステムを使用して動物の脳内の動的fMRI信号を監視するための強力なツールです。

Protocol

この研究は、ドイツ動物福祉法(TierSchG)および動物福祉実験動物条例(TierSchVersV)に従って実施されました。ここに記載されている実験プロトコルは、倫理委員会(§15 TierSchG)によってレビューされ、州当局(ドイツ、バーデンヴュルテンベルク州テュービンゲンのRegierungspräsidium)によって承認されました。 1. 小動物研究のためのBOLD-fMRI実験セットアップの準備 コンソ?…

Representative Results

図3と図4は、代表的なリアルタイムボクセル単位のBOLD-fMRIタイムコースと、電気前足刺激(3 Hz、4 s、パルス幅300 us、2.5 mA)を使用した関数マップを示しています。fMRI設計パラダイムは、10回の刺激前スキャン、3回の刺激スキャン、および合計8回のエポック(130回のスキャン)の12回の刺激間スキャンで構成されています。合計スキャン時間は3分15秒(195?…

Discussion

fMRI信号のリアルタイムモニタリングは、実験者が動物の生理機能を調整して機能マッピングを最適化するのに役立ちます。覚醒している動物における運動アーチファクト、ならびに麻酔効果は、fMRI信号の変動性を媒介する主要な要因であり、信号の生物学的解釈をそれ自体で混乱させる31,32,33,34,35,36,37,38<sup class="…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

PV 5のリアルタイムfMRIをセットアップするためのAFNIスクリプトを共有してくれたD.Chen博士とC.Yen博士、およびソフトウェアサポートを提供してくれたAFNIチームに感謝します。この研究は、NIHブレインイニシアチブの資金提供(RF1NS113278-01、R01 MH111438-01)、およびドイツ研究財団(DFG)のマルティノスセンターへのS10機器助成金(S10 RR023009-01)、およびマックスプランク協会からの内部資金提供によってサポートされました。

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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References

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Real-time FMRIBrain MappingAnimal StudiesAFNI SoftwareEPI AcquisitionFunctional ConnectivityResting-state FMRIElectrical StimulationBold ResponseVoxel-wise Analysis
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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).
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