Funktionell kartläggning av djurhjärnan kan dra nytta av experimentell konfiguration av funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI). Med hjälp av den senaste programvaran som implementerats i djur-MRI-systemet etablerade vi en realtidsövervakningsplattform för fMRI för små djur.
Dynamiska fMRI-svar varierar till stor del beroende på djurens fysiologiska förhållanden, antingen under anestesi eller i vakna tillstånd. Vi utvecklade en fMRI-plattform i realtid för att vägleda experimenter att övervaka fMRI-svar omedelbart under förvärvet, som kan användas för att modifiera djurens fysiologi för att uppnå önskade hemodynamiska svar i djurhjärnor. Realtidsuppsättningen av fMRI är baserad på ett 14.1T prekliniskt MRI-system, vilket möjliggör kartläggning i realtid av dynamiska fMRI-svar i den primära forepaw somatosensoriska cortexen (FP-S1) hos bedövade råttor. Istället för en retrospektiv analys för att undersöka förvirrande källor som leder till variationen i fMRI-signaler, ger fMRI-plattformen i realtid ett mer effektivt schema för att identifiera dynamiska fMRI-svar med hjälp av anpassade makrofunktioner och en gemensam neuroimage-analysprogramvara i MR-systemet. Det ger också omedelbar felsökning genomförbarhet och ett realtidsbiofeedback-stimuleringsparadigm för hjärnfunktionella studier på djur.
Funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) är en icke-invasiv metod för att mäta de hemodynamiska svaren 1,2,3,4,5,6,7,8,9, t.ex. den blod-syrenivåberoende (BOLD), cerebral blodvolym och flödessignal, associerad med neural aktivitet i hjärnan. I djurstudier kan hemodynamiska signaler påverkas av anestesi10, stressnivån hos vakna djur 11, liksom de potentiella icke-fysiologiska artefakterna, t.ex. hjärtpulsering och andningsrörelser12,13,14,15. Även om många efterbehandlingsmetoder har utvecklats för att ge en retrospektiv analys av fMRI-signalen för den uppgiftsrelaterade och vilotillståndsfunktionella dynamiken och anslutningskartläggningen16,17,18,19, finns det få tekniker för att tillhandahålla en realtidslösning för kartläggning av hjärnfunktioner och momentana avläsningar i djurhjärnan 20 (varav de flesta huvudsakligen används för kartläggning av mänsklig hjärna 21, 22,23,24,25,26,27). I synnerhet saknas denna typ av fMRI-kartläggningsmetod i realtid i djurstudier. Det är nödvändigt att inrätta en fMRI-plattform för att möjliggöra undersökning av realtidsberoende fysiologiska stadier i hjärnan och för att tillhandahålla biofeedback-stimuleringsparadigm i realtid för djurhjärnfunktionella studier.
I det aktuella arbetet illustrerar vi en realtids fMRI-experimentell inställning med de anpassade makrofunktionerna i MRI-konsolprogramvaran, som visar realtidsövervakning av de framkallade BOLD-fMRI-svaren i den primära forepaw somatosensoriska cortexen (FP-S1) hos de bedövade råttorna. Denna realtidsuppsättning möjliggör visualisering av den pågående hjärnaktiveringen i funktionella kartor, såväl som individuella tidskurser på ett voxelmässigt sätt, med hjälp av den befintliga neuroimage-analysprogramvaran, Analysis of Functional NeuroImages (AFNI)28. Förberedelsen av fMRI-experimentupplägget i realtid för djurstudien beskrivs i protokollet. Förutom djuruppsättningen tillhandahåller vi detaljerade procedurer för att ställa in visualisering och analys av fMRI-signaler i realtid med hjälp av den senaste konsolprogramvaran parallellt med bildbehandlingsskripten. Sammanfattningsvis är den föreslagna fMRI-inställningen i realtid för djurstudier ett kraftfullt verktyg för att övervaka de dynamiska fMRI-signalerna i djurhjärnan med hjälp av MR-konsolsystemet.
Realtidsövervakning av fMRI-signalen hjälper experimenterare att justera djurens fysiologi för att optimera funktionell kartläggning. Rörelseartefakter hos vakna djur, liksom bedövningseffekten, är viktiga faktorer som förmedlar variationen hos fMRI-signaler, vilket förvirrar den biologiska tolkningen av signalen i sig 31,32,33,34,35,36,37,38</su…
The authors have nothing to disclose.
Vi tackar Dr. D. Chen och Dr. C. Yen för att de delar AFNI-skriptet för att ställa in fMRI i realtid för PV 5 och AFNI-teamet för programvarusupporten. Denna forskning stöddes av NIH Brain Initiative-finansiering (RF1NS113278-01, R01 MH111438-01) och S10-instrumentbidraget (S10 RR023009-01) till Martinos Center, German Research Foundation (DFG) Yu215/3-1, BMBF 01GQ1702 och den interna finansieringen från Max Planck Society.
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 |