Mapeamento cerebral por fMRI em tempo real em animais
Summary
O mapeamento funcional do cérebro animal pode se beneficiar da configuração experimental de ressonância magnética funcional (fMRI) em tempo real. Usando o mais recente software implementado no sistema de ressonância magnética animal, estabelecemos uma plataforma de monitoramento em tempo real para fMRI de pequenos animais.
Abstract
As respostas dinâmicas de fMRI variam em grande parte de acordo com as condições fisiológicas dos animais, sob anestesia ou em estados acordados. Desenvolvemos uma plataforma de fMRI em tempo real para orientar os experimentadores a monitorar as respostas de fMRI instantaneamente durante a aquisição, que pode ser usada para modificar a fisiologia de animais para alcançar as respostas hemodinâmicas desejadas em cérebros de animais. A configuração de fMRI em tempo real é baseada em um sistema de ressonância magnética pré-clínica de 14,1T, permitindo o mapeamento em tempo real das respostas dinâmicas de fMRI no córtex somatossensorial primário da pata dianteira (FP-S1) de ratos anestesiados. Em vez de uma análise retrospectiva para investigar fontes de confusão que levam à variabilidade dos sinais de fMRI, a plataforma de fMRI em tempo real fornece um esquema mais eficaz para identificar respostas dinâmicas de fMRI usando macrofunções personalizadas e um software comum de análise de neuroimagem no sistema de ressonância magnética. Além disso, fornece viabilidade imediata de solução de problemas e um paradigma de estimulação de biofeedback em tempo real para estudos funcionais cerebrais em animais.
Introduction
A Ressonância Magnética Funcional (RMf) é um método não invasivo para medir as respostas hemodinâmicas 1,2,3,4,5,6,7,8,9, por exemplo, dependentes do nível de oxigênio no sangue (BOLD), volume sanguíneo cerebral e sinal de fluxo, associados à atividade neural no cérebro. Em estudos com animais, os sinais hemodinâmicos podem ser afetados pela anestesia10, pelo nível de estresse de animais acordados 11, bem como pelos potenciais artefatos não fisiológicos, por exemplo, pulsação cardíaca e movimentos respiratórios12,13,14,15. Embora muitos métodos de pós-processamento tenham sido desenvolvidos para fornecer uma análise retrospectiva do sinal de fMRI para a dinâmica funcional relacionada à tarefa e ao estado de repouso e mapeamento de conectividade16,17,18,19, existem poucas técnicas para fornecer uma solução de mapeamento da função cerebral em tempo real e leituras instantâneas no cérebro animal 20 (a maioria das quais é usada principalmente para mapeamento cerebral humano21, 22,23,24,25,26,27). Em particular, esse tipo de método de mapeamento de fMRI em tempo real está faltando em estudos com animais. É necessário criar uma plataforma de fMRI para permitir a investigação de estágios fisiológicos dependentes do estado cerebral em tempo real e fornecer paradigma de estimulação de biofeedback em tempo real para estudos funcionais do cérebro animal.
No presente trabalho, ilustramos uma configuração experimental de fMRI em tempo real com as macrofunções personalizadas do software de console de ressonância magnética, demonstrando o monitoramento em tempo real das respostas evocadas de BOLD-fMRI no córtex somatossensorial primário da pata dianteira (FP-S1) dos ratos anestesiados. Essa configuração em tempo real permite a visualização da ativação cerebral em curso em mapas funcionais, bem como cursos de tempo individuais de forma voxel-wise, utilizando o software de análise de neuroimagem existente, Analysis of Functional NeuroImages (AFNI)28. A preparação da configuração experimental de fMRI em tempo real para o estudo em animais é descrita no protocolo. Além da configuração animal, fornecemos procedimentos detalhados para configurar a visualização e análise dos sinais de fMRI em tempo real usando o software de console mais recente em paralelo com os scripts de processamento de imagem. Em resumo, a configuração de fMRI em tempo real proposta para estudos em animais é uma ferramenta poderosa para monitorar os sinais dinâmicos de fMRI no cérebro animal usando o sistema de console de ressonância magnética.
Protocol
Representative Results
Discussion
O monitoramento em tempo real do sinal de fMRI ajuda os experimentadores a ajustar a fisiologia dos animais para otimizar o mapeamento funcional. Artefatos de movimento em animais acordados, bem como o efeito anestésico, são os principais fatores que medeiam a variabilidade dos sinais de fMRI, confundindo a interpretação biológica do sinal por si só 31,32,33,34,35,36,37,38 <sup…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos ao Dr. D. Chen e ao Dr. C. Yen por compartilharem o script AFNI para configurar a fMRI em tempo real para PV 5 e à equipe AFNI pelo suporte de software. Esta pesquisa foi apoiada pelo financiamento da NIH Brain Initiative (RF1NS113278-01, R01 MH111438-01) e pela concessão do instrumento S10 (S10 RR023009-01) para o Martinos Center, a Fundação Alemã de Pesquisa (DFG) Yu215/3-1, BMBF 01GQ1702 e o financiamento interno da 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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