Sanntids fMRI-hjernekartlegging hos dyr

Summary

Funksjonell kartlegging av dyrehjernen kan dra nytte av sanntids funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI) eksperimentell oppsett. Ved hjelp av den nyeste programvaren implementert i MR-systemet for dyr, etablerte vi en sanntidsovervåkingsplattform for fMRI for små dyr.

Abstract

Dynamiske fMRI-responser varierer i stor grad i henhold til de fysiologiske forholdene til dyr enten under anestesi eller i våken tilstand. Vi utviklet en sanntids fMRI-plattform for å veilede eksperimenter for å overvåke fMRI-responser umiddelbart under oppkjøpet, som kan brukes til å modifisere dyrenes fysiologi for å oppnå ønskede hemodynamiske responser i dyrehjerner. Sanntids fMRI-oppsettet er basert på et 14.1T preklinisk MR-system, noe som muliggjør sanntidskartlegging av dynamiske fMRI-responser i den primære forepaw somatosensoriske cortex (FP-S1) av bedøvede rotter. I stedet for en retrospektiv analyse for å undersøke forstyrrende kilder som fører til variabiliteten av fMRI-signaler, gir sanntids fMRI-plattformen et mer effektivt skjema for å identifisere dynamiske fMRI-svar ved hjelp av tilpassede makrofunksjoner og en felles neuroimage-analyseprogramvare i MR-systemet. Det gir også umiddelbar feilsøkingsmulighet og et sanntids biofeedback-stimuleringsparadigme for hjernefunksjonelle studier hos dyr.

Introduction

Funksjonell magnetisk resonansavbildning (fMRI) er en ikke-invasiv metode for å måle de hemodynamiske responsene 1,2,3,4,5,6,7,8,9, for eksempel blod-oksygennivåavhengig (BOLD), hjerneblodvolum og strømningssignal^, assosiert med nevral aktivitet i hjernen. I dyreforsøk kan hemodynamiske signaler påvirkes av anestesi¹⁰, stressnivået til våkne dyr 11, samt potensielle ikke-fysiologiske gjenstander, for eksempel hjertepulsasjon og respiratoriske bevegelser 12,13,14,15. Selv om mange etterbehandlingsmetoder er utviklet for å gi en retrospektiv analyse av fMRI-signalet for oppgaverelatert og hviletilstand funksjonell dynamikk og tilkoblingskartlegging^16,17,18,19, er det få teknikker for å gi en sanntids hjernefunksjonskartleggingsløsning og øyeblikkelige avlesninger i dyrehjernen 20 (hvorav de fleste hovedsakelig brukes til kartlegging av menneskelig hjerne ^21, 22,23,24,25,26,27). Spesielt mangler denne typen sanntids fMRI-kartleggingsmetode i dyreforsøk. Det er nødvendig å sette opp en fMRI-plattform for å muliggjøre undersøkelse av sanntids hjernetilstandsavhengige fysiologiske stadier og å gi sanntids biofeedback-stimuleringsparadigme for dyrehjernefunksjonelle studier.

I dette arbeidet illustrerer vi et sanntids fMRI-eksperimentelt oppsett med de tilpassede makrofunksjonene til MR-konsollprogramvaren, som demonstrerer sanntidsovervåking av de fremkalte BOLD-fMRI-responsene i den primære forepaw somatosensoriske cortex (FP-S1) hos de bedøvede rottene. Dette sanntidsoppsettet muliggjør visualisering av den pågående hjerneaktiveringen i funksjonelle kart, samt individuelle tidskurs på en voxel-vis måte, ved hjelp av den eksisterende neuroimage-analyseprogramvaren, Analysis of Functional NeuroImages (AFNI)²⁸. Utarbeidelsen av sanntids fMRI-eksperimentelt oppsett for dyrestudien er beskrevet i protokollen. I tillegg til dyreoppsettet, tilbyr vi detaljerte prosedyrer for å sette opp visualisering og analyse av sanntids fMRI-signaler ved hjelp av den nyeste konsollprogramvaren parallelt med bildebehandlingsskriptene. Oppsummert er det foreslåtte sanntids fMRI-oppsettet for dyreforsøk et kraftig verktøy for å overvåke de dynamiske fMRI-signalene i dyrehjernen ved hjelp av MR-konsollsystemet.

Protocol

Denne studien ble utført i samsvar med den tyske dyrevelferdsloven (TierSchG) og dyrevelferdslaboratoriedyrforordningen (TierSchVersV). Den eksperimentelle protokollen som er beskrevet her, ble gjennomgått av etikkkommisjonen (§15 TierSchG) og godkjent av statlig myndighet (Regierungspräsidium, Tübingen, Baden-Württemberg, Tyskland). 1. Utarbeide BOLD-fMRI eksperimentelt oppsett for smådyrstudier Slå på konsollprogramvaren for å kontrollere bildeparametere og hente MR-data….

Representative Results

Figur 3 og figur 4 viser et representativt sanntids voxel-klokt BOLD-fMRI-tidsforløp og funksjonskart med elektrisk forepaw-stimulering (3 Hz, 4 s, pulsbredde 300 us, 2,5 mA). fMRI-designparadigmet består av 10 prestimuleringsskanninger, 3 stimuleringsskanninger og 12 interstimuleringsskanninger med totalt 8 epoker (130 skanninger). Den totale skannetiden er 3 min 15 sek (195 sek). Figur 3 viser den voxel-kloke tidsbanen (svart li…

Discussion

Sanntidsovervåking av fMRI-signalet hjelper eksperimenter med å justere dyrenes fysiologi for å optimalisere funksjonell kartlegging. Bevegelsesartefakter hos våkne dyr, så vel som bedøvelseseffekten, er viktige faktorer som formidler variasjonen av fMRI-signaler, og forvirrer den biologiske tolkningen av signalet i seg selv 31,32,33,34,35,36,37,38^<…

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