Mapeo cerebral de resonancia magnética funcional en tiempo real en animales
Summary
El mapeo funcional del cerebro animal puede beneficiarse de la configuración experimental de imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI) en tiempo real. Utilizando el último software implementado en el sistema de resonancia magnética animal, establecimos una plataforma de monitoreo en tiempo real para fMRI de animales pequeños.
Abstract
Las respuestas dinámicas de fMRI varían en gran medida de acuerdo con las condiciones fisiológicas de los animales, ya sea bajo anestesia o en estados despiertos. Desarrollamos una plataforma de resonancia magnética funcional en tiempo real para guiar a los experimentadores a monitorear las respuestas de resonancia magnética funcional instantáneamente durante la adquisición, que se puede utilizar para modificar la fisiología de los animales para lograr las respuestas hemodinámicas deseadas en los cerebros de los animales. La configuración de fMRI en tiempo real se basa en un sistema de resonancia magnética preclínica de 14.1T, lo que permite el mapeo en tiempo real de las respuestas dinámicas de fMRI en la corteza somatosensorial primaria de la pata anterior (FP-S1) de ratas anestesiadas. En lugar de un análisis retrospectivo para investigar las fuentes de confusión que conducen a la variabilidad de las señales de fMRI, la plataforma fMRI en tiempo real proporciona un esquema más efectivo para identificar respuestas dinámicas de fMRI utilizando macrofunciones personalizadas y un software de análisis de neuroimagen común en el sistema de MRI. Además, proporciona una viabilidad inmediata de solución de problemas y un paradigma de estimulación de biorretroalimentación en tiempo real para estudios funcionales cerebrales en animales.
Introduction
La resonancia magnética funcional (fMRI) es un método no invasivo para medir las respuestas hemodinámicas 1,2,3,4,5,6,7,8,9, por ejemplo, la señal de flujo y volumen sanguíneo dependiente del nivel de oxígeno en sangre (BOLD), asociada con la actividad neuronal en el cerebro. En estudios con animales, las señales hemodinámicas pueden ser afectadas por la anestesia 10, el nivel de estrés de animales despiertos11, así como los posibles artefactos no fisiológicos, por ejemplo, pulsaciones cardíacas y movimientos respiratorios12,13,14,15. Aunque se han desarrollado muchos métodos de posprocesamiento para proporcionar un análisis retrospectivo de la señal de fMRI para la dinámica funcional relacionada con la tarea y el estado de reposo y el mapeo de conectividad16,17,18,19, existen pocas técnicas para proporcionar una solución de mapeo de la función cerebral en tiempo real y lecturas instantáneas en el cerebro animal 20 (la mayoría de las cuales se utilizan principalmente para el mapeo del cerebro humano 21, 22,23,24,25,26,27). En particular, este tipo de método de mapeo de fMRI en tiempo real falta en los estudios con animales. Es necesario establecer una plataforma de resonancia magnética funcional para permitir la investigación de las etapas fisiológicas dependientes del estado cerebral en tiempo real y proporcionar un paradigma de estimulación de biorretroalimentación en tiempo real para estudios funcionales del cerebro animal.
En el presente trabajo, ilustramos una configuración experimental de fMRI en tiempo real con las macrofunciones personalizadas del software de consola de MRI, demostrando el monitoreo en tiempo real de las respuestas evocadas BOLD-fMRI en la corteza somatosensorial de la pata anterior primaria (FP-S1) de las ratas anestesiadas. Esta configuración en tiempo real permite la visualización de la activación cerebral en curso en mapas funcionales, así como cursos de tiempo individuales de una manera voxel-wise, utilizando el software de análisis de neuroimagen existente, Análisis de NeuroImágenes Funcionales (AFNI)28. La preparación de la configuración experimental de fMRI en tiempo real para el estudio en animales se describe en el protocolo. Además de la configuración del animal, proporcionamos procedimientos detallados para configurar la visualización y el análisis de las señales de fMRI en tiempo real utilizando el último software de consola en paralelo con los scripts de procesamiento de imágenes. En resumen, la configuración de fMRI en tiempo real propuesta para estudios en animales es una herramienta poderosa para monitorear las señales dinámicas de fMRI en el cerebro animal utilizando el sistema de consola de MRI.
Protocol
Representative Results
Discussion
El monitoreo en tiempo real de la señal de fMRI ayuda a los experimentadores a ajustar la fisiología de los animales para optimizar el mapeo funcional. Los artefactos de movimiento en animales despiertos, así como el efecto anestésico, son factores importantes que median la variabilidad de las señales de fMRI, confundiendo la interpretación biológica de la señal por sí misma 31,32,33,34,35,36,37,38 <sup class…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos al Dr. D. Chen y al Dr. C. Yen por compartir el script AFNI para configurar la fMRI en tiempo real para PV 5 y al equipo de AFNI por el soporte del software. Esta investigación fue apoyada por la financiación de la Iniciativa Cerebral de los NIH (RF1NS113278-01, R01 MH111438-01), y la subvención del instrumento S10 (S10 RR023009-01) al Centro Martinos, la Fundación Alemana de Investigación (DFG) Yu215/3-1, BMBF 01GQ1702 y la financiación interna de la Sociedad Max Planck.
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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