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

Картирование мозга фМРТ в реальном времени у животных

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

Функциональное картирование мозга животных может извлечь выгоду из экспериментальной установки функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) в режиме реального времени. Используя новейшее программное обеспечение, внедренное в систему МРТ животных, мы создали платформу мониторинга в режиме реального времени для фМРТ мелких животных.

Abstract

Динамические реакции фМРТ варьируются в значительной степени в зависимости от физиологических условий животных либо под наркозом, либо в бодрствующих состояниях. Мы разработали платформу фМРТ в режиме реального времени, чтобы помочь экспериментаторам мгновенно контролировать ответы фМРТ во время приобретения, которая может быть использована для изменения физиологии животных для достижения желаемых гемодинамических реакций в мозге животных. Настройка фМРТ в реальном времени основана на доклинической системе МРТ 14.1T, позволяющей в режиме реального времени отображать динамические ответы фМРТ в первичной передней соматосенсорной коре (FP-S1) анестезированных крыс. Вместо ретроспективного анализа для исследования смешанных источников, приводящих к изменчивости сигналов фМРТ, платформа фМРТ в реальном времени предоставляет более эффективную схему для идентификации динамических ответов фМРТ с использованием настраиваемых макрофункций и общего программного обеспечения для анализа нейроизображений в системе МРТ. Кроме того, он обеспечивает немедленную возможность устранения неполадок и парадигму стимуляции биологической обратной связи в режиме реального времени для функциональных исследований мозга на животных.

Introduction

Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) является неинвазивным методом измерения гемодинамическихреакций 1,2,3,4,5,6,7,8,9, например, зависящих от уровня кислорода в крови (BOLD), объема мозговой крови и сигнала потока, связанных с нейронной активностью в головном мозге. В исследованиях на животных гемодинамические сигналы могут быть затронуты анестезией10, уровнем стресса бодрствующих животных11, а также потенциальными нефизиологическими артефактами, например, пульсацией сердца и дыхательными движениями 12,13,14,15. Хотя многие методы постобработки были разработаны для обеспечения ретроспективного анализа сигнала фМРТ для функциональной динамики и отображения связности 16,17,18,19, связанных с задачей и состоянием покоя, существует несколько методов для обеспечения решения для картирования функций мозга в реальном времени и мгновенных считываний в мозге животных20 (большинство из которых в основном используются для картирования человеческого мозга 21, 22,23,24,25,26,27). В частности, такого рода метод картирования фМРТ в реальном времени отсутствует в исследованиях на животных. Необходимо создать платформу фМРТ, позволяющую исследовать физиологические стадии, зависящие от состояния мозга в режиме реального времени, и обеспечить парадигму стимуляции биологической обратной связи в режиме реального времени для функциональных исследований мозга животных.

В настоящей работе мы иллюстрируем экспериментальную установку фМРТ в реальном времени с настраиваемыми макрофункциями консольного программного обеспечения МРТ, демонстрируя мониторинг в режиме реального времени вызванных ответов BOLD-fMRI в первичной передней соматосенсорной коре (FP-S1) анестезированных крыс. Эта настройка в режиме реального времени позволяет визуализировать текущую активацию мозга на функциональных картах, а также на индивидуальных курсах времени в воксельной манере, используя существующее программное обеспечение для анализа нейроизображений, Analysis of Functional NeuroImages (AFNI)28. Подготовка экспериментальной установки фМРТ в реальном времени для исследования на животных описана в протоколе. Помимо настройки животных, мы предоставляем подробные процедуры для настройки визуализации и анализа сигналов фМРТ в реальном времени с использованием новейшего консольного программного обеспечения параллельно со скриптами обработки изображений. Таким образом, предлагаемая настройка фМРТ в режиме реального времени для исследований на животных является мощным инструментом для мониторинга динамических сигналов фМРТ в мозге животных с использованием консольной системы МРТ.

Protocol

Это исследование было проведено в соответствии с Немецким законом о благополучии животных (TierSchG) и Постановлением о благополучии лабораторных животных (TierSchVersV). Экспериментальный протокол, описанный здесь, был рассмотрен комиссией по этике (§15 TierSchG) и одобрен государственным органом (R…

Representative Results

На рисунках 3 и 4 показан репрезентативный воксельный курс времени BOLD-fMRI в реальном времени и функциональные карты с электрической стимуляцией передней челюсти (3 Гц, 4 с, ширина импульса 300 ме, 2,5 мА). Парадигма проектирования фМРТ включает в себя 10 сканиров…

Discussion

Мониторинг сигнала фМРТ в режиме реального времени помогает экспериментаторам корректировать физиологию животных для оптимизации функционального картирования. Артефакты движения у бодрствующих животных, а также анестезирующий эффект являются основными факторами, которые опосреду…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Мы благодарим д-ра Д. Чена и д-ра К. Йена за то, что они поделились скриптом AFNI для настройки фМРТ в реальном времени для PV 5, а также команду AFNI за поддержку программного обеспечения. Это исследование было поддержано финансированием NIH Brain Initiative (RF1NS113278-01, R01 MH111438-01) и грантом инструмента S10 (S10 RR023009-01) Центру Мартиноса, Немецкому исследовательскому фонду (DFG) Yu215/3-1, BMBF 01GQ1702 и внутренним финансированием от Общества Макса Планка.

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