Name: real-time fmri brain mapping in animals
Uploaded: 2020-09-24T12:30:00.000+00:00
Duration: 4 min 5 s
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Wir danken Dr. D. Chen und Dr. C. Yen für die Bereitstellung des AFNI-Skripts zur Einrichtung der Echtzeit-fMRT für PV 5 und dem AFNI-Team für die Softwareunterstützung. Diese Forschung wurde durch die Förderung der NIH Brain Initiative (RF1NS113278-01, R01 MH111438-01) und den S10-Instrumentenzuschuss (S10 RR023009-01) an das Martinos Center, die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) Yu215/3-1, das BMBF 01GQ1702 und die interne Förderung der Max-Planck-Gesellschaft unterstützt.

Diese Studie wurde in Übereinstimmung mit dem Tierschutzgesetz (TierSchG) und der Tierschutz-Versuchstierverordnung (TierSchVersV) durchgeführt. Das hier beschriebene Versuchsprotokoll wurde von der Ethikkommission (§15 TierSchG) geprüft und von der Landesbehörde (Regierungspräsidium Tübingen, Baden-Württemberg, Deutschland) genehmigt.
1. Vorbereitung des BOLD-fMRT-Versuchsaufbaus für Kleintierversuche
<ol></ol>2. Katheter- und Beatmungschirurgie
<ol><li>Richten Sie ein Beatmungsgerät und physiologische Statusüberwachungssysteme wie Thermometer, Blutdruck- und Atemaufzeichnung ein, wie in Abbildung 1 dargestellt. Stellen Sie mit dem Beatmungsgerät eine konstante Frequenz von 60 ± 1 Atemzug/min und eine Temperatur von 37 °C mit einem MR-kompatiblen Heizkissen mit Feedback-Regelsatz ein.</li>
	<li>Betäuben Sie eine erwachsene männliche Sprague-Dawley-Ratte (300-600 g) in einer Kammer mit 5% Isofluran für die Induktion und geben Sie 2-2,5% Isofluran für die Operation aus einem Vaporizer ab. Überprüfen Sie die Tiefe der Anästhesie, indem Sie die Hintersähe kneifen und das Fehlen einer Entzugsreaktion bestätigen.</li>
	<li>Intubieren Sie das Tier mit einer 14 g Kunststoffkanüle zur Beatmung (60 ± 1 Atemzug/min mit einem Gemisch aus 70 % Luft und 30 % Sauerstoff). Das endtidale Kohlendioxid (CO2) wird so eingestellt, dass es im Bereich von 25 ± 5 mmHg29 liegt. HINWEIS: Die Intubation ist entscheidend für die Aufrechterhaltung des richtigen CO2 -Spiegels durch fMRT-Experimente.</li>
	<li>Legen Sie das Tier in Rückenlage auf einen Operationstisch und rasieren Sie einen Oberschenkel mit einem Elektrorasierer. Und dann machen Sie einen Schnitt auf der rasierten Haut mit einer chirurgischen Schere. HINWEIS: Die Länge des Schnittes beträgt ca. 1-2 cm in Längsrichtung.</li>
	<li>Finden Sie eine Oberschenkelarterie und eine Vene unter der Schnittregion für die Katheterisierung und trennen Sie die einzelne Oberschenkelarterie und Vene vom umgebenden Gewebe.</li>
	<li>Befestigen Sie eine Seite der abgetrennten Oberschenkelarterie mit einer chirurgischen Naht und halten Sie die andere Seite mit einer Mikro-Bulldoggenzange fest. Dann machen Sie einen kleinen Schnitt zwischen den gebundenen Regionen an der Oberschenkelarterie.</li>
	<li>Führen Sie einen Katheter durch den kleinen Schnitt in die Oberschenkelarterie ein und binden Sie den Katheter und die Arterie mit chirurgischen Nähten zusammen. Überwachen Sie den arteriellen Blutdruck ständig mit dem physiologischen Überwachungssystem, um im Bereich von 80-120 mmHg zu liegen, und messen Sie das arterielle Blutgas regelmäßig, um pO 2 von mindestens 90 mmHg und pCO2 von 30-45 mmHg während des Scannens aufrechtzuerhalten. HINWEIS: Diese Katheterisierung ist entscheidend für die Überwachung des arteriellen Blutdrucks während fMRT-Experimenten.</li>
	<li>Befestigen Sie beide Enden der Oberschenkelvene mit seidengeflochtenen chirurgischen Nähten. Dann machen Sie einen kleinen Schnitt zwischen den gebundenen Regionen an der Oberschenkelvene. Verwenden Sie eine Pinzette, um das Nähen durchzuführen. HINWEIS: Die Größe der Naht beträgt ca. 1-2 cm.</li>
	<li>Führen Sie einen Katheter in die Oberschenkelvene ein. Binden Sie den Katheter und die Vene mit chirurgischen Nähten zusammen. HINWEIS: Diese Katheterisierung ist entscheidend für die Verabreichung von Alpha-Chloralose durch die Vene und die Anpassung der Anästhesiespiegel während fMRT-Experimenten. Wenn das Tier nicht gut betäubt ist, beginnt es spontan zu atmen. In diesem Fall muss mehr Alpha-Chloralose verabreicht werden, um Atembewegungsartefakte zu vermeiden.</li>
	<li>Vernähen Sie den chirurgischen Schnitt auf der rasierten Haut. Sobald die chirurgischen Eingriffe abgeschlossen sind, halten Sie das Tier anästhesiert, indem Sie einen Bolus von Alpha-Chloralose mit einer Dosierung von ~ 80 mg / kg durch den Katheter infundieren, der mit der Oberschenkelvene verbunden ist, und gleichzeitig die Isofluran-Verabreichung stoppen.</li>
</ol>3. Einsetzen des Tieres in den MRT-Scanner
<ol><li>Übertragen Sie das betäubte Tier in den MRT-Scanner, sobald der 2.10-Schritt abgeschlossen ist, und befestigen Sie es auf einer speziell angefertigten Halterung.</li>
	<li>Führen Sie ein Echtzeit-Rektalthermometer in das Tier ein, um die Temperatur des Tieres zu überwachen. Legen Sie ein Heizkissen unter den Oberkörper des Tieres, um die Temperatur zu kontrollieren. Halten Sie die Körpertemperatur während der MRT-Untersuchung bei 37,0 ± 0,5 °C.</li>
	<li>Geben Sie Alpha-Chloralose mit ~ 25 mg / kg / h Lösung in einer Mischung aus Pancuronium (~ 2 mg / kg / h), einem Muskelrelaxans, kontinuierlich ab, während das Tier anästhesiert bleibt und Bewegungsartefakte in fMRT-Bildern reduziert werden. Überwachen Sie den Blutdruck und die Atmung, indem Sie die Menge des Medikaments und die Beatmungsrate entsprechend dem physiologischen Status anpassen.</li>
	<li>Verabreichen Sie ophthalmologische Salbe auf die Augen des Tieres, um Trockenheit während fMRT-Experimenten zu verhindern. Befestigen Sie den Kopf des Tieres sicher mit zwei Ohrstangen, um Artefakte der Kopfbewegung zu vermeiden.</li>
	<li>Befestigen Sie eine Transceiver-Oberflächenspule am Kopf. Stellen Sie die Spule vor den MRT-Messungen auf die Larmorfrequenz (z. B. 599 MHz auf 14,1 T) am Kopf ein und passen Sie sie an. HINWEIS: Hier wird eine Spule mit einem Durchmesser von 22 mm verwendet, um das gesamte Gehirn einer Ratte zu bedecken.</li>
	<li>Führen Sie ein Paar Nadelelektroden in die Haut der Vorderpfote zwischen den Fingern 1 und 4 ein und fixieren Sie sie mit chirurgischem Klebeband. Und dann bestätigen Sie, dass die Stimulation ordnungsgemäß funktioniert, nachdem Sie ein Stimulationseingangskabel an diese Elektroden30 angeschlossen haben.</li>
	<li>Setzen Sie das Tier in die MRT-Bohrung ein und platzieren Sie es ungefähr im Isozentrum.</li>
</ol>4. Messung von anatomischen MRT-Bildern
<ol><li>Klicken Sie in der Hauptbenutzeroberfläche auf die Schaltfläche im Kalibrierungsmenü. Führen Sie die Kalibrierungen des MRT-Systems durch, indem Sie auf die folgenden Punkte in der Benutzeroberfläche der Anpassungsplattform klicken (siehe Hilfemenü in der Konsolensoftware): Ermitteln der grundlegenden Resonanzfrequenz, Kalibrieren der HF-Impulsleistung, Einstellen der optimalen Empfängerverstärkung, Messen der B0-Karte im Tier für das Shimming, Ausführen globaler linearer Unterlegscheiben basierend auf dem nicht lokalisierten Integral des freien Induktionszerfalls (FID). HINWEIS: Dieser Schritt dauert weniger als 2 Minuten.</li>
	<li>Führen Sie eine Positionssequenz durch, indem Sie auf die Schaltfläche "Scannen" klicken, um die Kopfposition des Tieres in der MRT-Bohrung zu finden. Wenn sich der Kopf nicht in der Isomitte befindet, passen Sie die Position des Kopfes an, während Sie die Halterung hin und her bewegen, bis sich der Kopf in der Isomitte befindet.</li>
	<li>Führen Sie eine Localizer-Sequenz aus, indem Sie auf die Schaltfläche "Scannen" klicken, um einen ROI im Kopf zu identifizieren. Wählen Sie "Shim zuordnen" und definieren Sie den ROI des Shim-Volumens, um das gesamte Gehirn im Lokalisierungsbild abzudecken, und führen Sie dann ein Shimming hoher Ordnung (z. B. 2. oder 3. Ordnung) mit der Option "Shim bis zu" durch, um die Inhomogenitäten des Hauptmagnetfelds (B0) beim ROI zu reduzieren. HINWEIS: Das Shimming höherer Ordnung ist ein entscheidender Schritt, um die Qualität von BOLD-fMRT-Daten zu verbessern, wenn EPI-Sequenzen verwendet werden.</li>
	<li>Führen Sie eine T2-gewichtete RARE-Sequenz durch, indem Sie auf die Schaltfläche "Scannen" klicken, um anatomische Bilder zu erfassen, die das gesamte Gehirn in einer koronalen Ansicht abdecken (z. B. werden die folgenden Sequenzparameter verwendet): Wiederholzeit (TR) 4000 ms, effektive Echozeit (TE) 36,1 ms, Matrix 128 x 128, Sichtfeld (FOV) 19,2 x 19,2 mm2, Anzahl der Schichten 32, Schichtdicke 0,3 mm, SELTENHEITSFAKTOR 8). HINWEIS: Im folgenden Schritt der Echtzeit-fMRT-Visualisierung werden die anatomischen Bilder verwendet, um 3D-EPI-Bilder als Vorlage zu registrieren.</li>
</ol>5. Einrichtung der fMRT-Software in Echtzeit und Visualisierung der fMRT-Reaktion
<ol><li>Öffnen Sie ein Terminalfenster und gehen Sie mit dem folgenden Befehl zum Echtzeit-AFNI-Plugin-Pfad: cd /home/(Benutzername)/rt_afni HINWEIS: Das AFNI-Plugin-Skript "afni_rt" ist in den Zusatzdateien enthalten.</li>
	<li>Führen Sie die AFNI-Software mit dem Echtzeit-Plugin aus, indem Sie den folgenden Befehl und die folgenden Optionen verwenden. afni -rt -yestplugouts -DAFNI_REALTIME_MP_HOST_PORT=localhost:(Portnummer) -DAFNI_REALTIME_Graph=Echtzeit -DAFNI_FIM_IDEAL=(Paradigma) HINWEIS: Im ersten Fall erlaubt der Code externen Programmen, Daten mit AFNI auszutauschen, während im zweiten Fall das Echtzeit-Plugin versucht, einen TCP-Socket für den benutzerdefinierten localhost und Port zu öffnen. Im dritten und vierten Fall zeichnen die Codes den Zeitverlauf der fMRT-Daten in Echtzeit auf und zeichnen den Zeitverlauf des benutzerdefinierten Paradigmas im fMRT-Zeitverlauf auf, wenn Echtzeit-fMRT-Daten erfasst werden. Weitere Informationen finden Sie https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/README.environment.html.</li>
	<li>Überwachen Sie bevorstehende AFNI BRIK-Dateien, die mit dem Befehl "Dimon" definiert wurden, wie in Abbildung 2 dargestellt, mit den folgenden Optionen: Dimon -tr (TR von EPI) -nt (NRepetitionen von EPI) -rt -quit -infile_pattern Echtzeit*. BRIK -file_type AFNI HINWEIS: "Dimon" ist ein Befehl, um die Echtzeiterfassung von AFNI-Bilddateien mit den folgenden Optionen zu überwachen: "-rt", das das Echtzeit-Plugin ausführt, und "-infile_pattern (Datenname). BRIK -file_type AFNI", das es dem Plugin ermöglicht, die spezifischen BRIK-Dateien zu lesen und zur Anzeige und Formatierung an AFNI zu senden. Weitere Informationen finden Sie https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/Dimon.html.</li>
	<li>Verwenden Sie den Befehl "pvcmd" mit den folgenden Optionen: pvcmd -a JMacroManager JMMExecuteMacro -category $USER -macro Feed2AFNI_rt3DEPI HINWEIS: Dieser Code ist im Makroskript "Setup_rt3DEPI" vorhanden, um das Hintergrundmakroskript "Feed2AFNI_rt3DEPI" direkt nach dem Klicken auf die Schaltfläche "Scannen" für die EPI-Erfassung auszuführen.</li>
	<li>Verwenden Sie den Befehl "exec pvcmd" mit den folgenden Optionen, um EPI-Erfassungsparameter abzurufen. exec pvcmd -a ParxServer -r ParamGetValue -psid $ParSpaceId -param (PVM-Parameter von EPI) -id 10 -args $AcqKey $ParSpaceId $ProcnoPath</li>
	<li>Verwenden Sie den Befehl "exec to3d" mit den folgenden Optionen, um EPI-Rohdaten in Echtzeit im Hintergrundmakroskript "Feed2AFNI_rt3DEPI" in AFNI-Dateien zu konvertieren. exec to3d -omri -xFOV $FOV_X -yFOV $FOV_Y -zFOV $FOV_Z -prefix $LastVolName $ImgFormat$Path2dseq</li>
	<li>Stellen Sie sicher, dass die geometrischen EPI-Informationen mit der anatomischen Ausrichtung übereinstimmen. HINWEIS: Der AFNI-Befehl "to3d" wird automatisch mit den geometrischen Informationen wie dem Sichtfeld (FOV) und der Matrixgröße ausgeführt, um die fMRT-Rohdaten in eine AFNI-BRIK-Daten umzuwandeln, wenn alle 3D-Volumendaten nach jedem einzelnen TR gespeichert werden, wie in Abbildung 2 gezeigt. Die Bildausrichtung kann mit den geometrischen Informationsparametern von "to3d" verändert werden. Weitere Informationen finden Sie https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/to3d.html.</li>
	<li>Schalten Sie einen elektrischen Stimulus-Isolator ein und führen Sie eine elektrische Vorpfotenstimulation für eine evozierte fMRT-Studie (z. B. 3 Hz, 4 s Pulsbreite 300 us, 2,5 mA) unter Verwendung von Stimulationsblöcken durch. HINWEIS: Hier besteht das Blockdesign-Paradigma aus 10 Prästimulationsscans, 3 Stimulationsscans und 12 Interstimulationsscans (15 Scans pro Epoche).</li>
	<li>Führen Sie eine T2*-gewichtete 3D-EPI-Sequenz durch, indem Sie auf die Schaltfläche "Scannen" für die BOLD-fMRT-Studie klicken (z. B. werden die folgenden Parameter verwendet: TR/TE 1500/14 ms, Matrix 64 x 64 x 32, FOV 19,2 x 19,2 x 9,6 mm 3 und Auflösung 300 x 300 μm3). HINWEIS: Sobald Sie auf die Schaltfläche "Scannen" klicken, werden die Rohdaten mithilfe der vordefinierten Makroskripte in Echtzeit überwacht und verarbeitet. Sobald ein AFNI BRIK-Datensatz konvertiert ist, werden voxelweise Zeitverlaufsdiagramme für 3D-EPI-Bilder in der AFNI-Software angezeigt und automatisch für jeden einzelnen TR aktualisiert.</li>
	<li>Um die EPI-Bilder über die anatomischen RARE-Bilder zu legen, konvertieren Sie die RARE-Bilder mit dem Befehl "to3d" wie in Schritt 5.6 in einen AFNI-BRIK-Datensatz und registrieren Sie dann die EPI-Bilder mit dem AFNI-Skript "align_epi_anat.py" mit den folgenden Optionen in den anatomischen Bildern: align_epi_anat.py -anat anatomy_template_al+orig -epi epi.$(epi-Datennummer)+orig -epi_base 1 -Suffix _volreg -rat_align -cost lpa -epi2anat HINWEIS: Weitere Informationen finden Sie https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/ align_epi_anat.py.html.</li>
	<li>Um funktionale Karten der BOLD-Antworten zu verarbeiten, berechnen Sie die Dekonvolution des 3D+Zeit-Datensatzes mit einer bestimmten Stimulus-Zeitreihe mit dem Befehl "3dDeconvolve" mit den folgenden Optionen: 3dDeconvolve -input (Name der Eingabedatei)+orig. -nfirst 0 -polort 3 -num_stimts 1 -stim_times 1 (Dateiname des Stimulationsparadigmas) 'BLOCK(4,1)' -stim_label 1 Vorderpfote -tout -fout -rout HINWEIS: Bildverarbeitungsschritte wie räumliche Glättung oder zeitliche Filterung wurden in ein angepasstes AFNI-Datenverarbeitungsskript integriert. Weitere Informationen finden Sie https://afni.nimh.nih.gov/afni/doc/help/3dDeconvolve.html.</li>
	<li>Um funktionale Karten der BOLD-Signale zu visualisieren, verwenden Sie ein interaktives Clustering in der AFNI-Software. Öffnen Sie die Option "Overlay definieren" und verwenden Sie die Funktion "Cluster" aus dem Menü der AFNI-Benutzeroberfläche.</li>
	<li>Nehmen Sie das Tier nach der letzten fMRT-Untersuchung aus dem MRT-Scanner und euthanasieren Sie es gemäß den genehmigten Protokollen. HINWEIS: Zur Verarbeitung der Echtzeit-fMRT-Daten wurden Bildverarbeitungsfunktionen von AFNI und Makrofunktionen in der neuesten Konsolensoftware verwendet. Detaillierte Informationen und Beschreibungen der Makrofunktionen finden Sie im Hilfemenü der Konsolensoftware. Die AFNI-Software ist eine Freeware, die direkt über die NIMH-AFNI-Website heruntergeladen werden kann. Die zugehörigen Skripte zum Erstellen der Verbindung zwischen AFNI und dem Konsolensystem sind angehängt.</li>
</ol>

<ol>
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M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anesthesia+differentially+modulates+neuronal+and+vascular+contributions+to+the+BOLD+signal.">Anesthesia differentially modulates neuronal and vascular contributions to the BOLD signal.</a> Neuroimage. 195, 89-103 (2019).</li><li>Wu, T. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+isoflurane+anesthesia+on+resting-state+fMRI+signals+and+functional+connectivity+within+primary+somatosensory+cortex+of+monkeys.">Effects of isoflurane anesthesia on resting-state fMRI signals and functional connectivity within primary somatosensory cortex of monkeys.</a> Brain and Behavior. 6 (12), 00591 (2016).</li><li>Liu, X., Zhu, X. H., Zhang, Y., Chen, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+change+of+functional+connectivity+specificity+in+rats+under+various+anesthesia+levels+and+its+neural+origin.">The change of functional connectivity specificity in rats under various anesthesia levels and its neural origin.</a> Brain Topography. 26 (3), 363-377 (2013).</li><li>Liu, X. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multiphasic+modification+of+intrinsic+functional+connectivity+of+the+rat+brain+during+increasing+levels+of+propofol.">Multiphasic modification of intrinsic functional connectivity of the rat brain during increasing levels of propofol.</a> Neuroimage. 83, 581-592 (2013).</li><li>Hutchison, R. M., Hutchison, M., Manning, K. Y., Menon, R. S., Everling, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Isoflurane+induces+dose-dependent+alterations+in+the+cortical+connectivity+profiles+and+dynamic+properties+of+the+brain's+functional+architecture.">Isoflurane induces dose-dependent alterations in the cortical connectivity profiles and dynamic properties of the brain's functional architecture.</a> Human Brain Mapping. 35 (12), 5754-5775 (2014).</li><li>He, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultra-Slow+Single-Vessel+BOLD+and+CBV-Based+fMRI+Spatiotemporal+Dynamics+and+Their+Correlation+with+Neuronal+Intracellular+Calcium+Signals.">Ultra-Slow Single-Vessel BOLD and CBV-Based fMRI Spatiotemporal Dynamics and Their Correlation with Neuronal Intracellular Calcium Signals.</a> Neuron. 97 (4), 925-939 (2018).</li><li>Yoshida, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physiological+effects+of+a+habituation+procedure+for+functional+MRI+in+awake+mice+using+a+cryogenic+radiofrequency+probe.">Physiological effects of a habituation procedure for functional MRI in awake mice using a cryogenic radiofrequency probe.</a> Journal of Neuroscience Methods. 274, 38-48 (2016).</li></ol>

Sascha Köhler ist Mitarbeiter bei der Bruker BioSpin MRI GmbH.

Die Echtzeitüberwachung des fMRT-Signals hilft den Experimentatoren, die Physiologie der Tiere anzupassen, um die funktionelle Kartierung zu optimieren. Bewegungsartefakte bei wachen Tieren sowie die anästhetische Wirkung sind wichtige Faktoren, die die Variabilität von fMRT-Signalen vermitteln und die biologische Interpretation des Signals an sich verwirren 31,32,33,34,35,36,37,38 . Die Echtzeit-fMRT-Plattform bietet sofortige Informationen, um die Optimierung von Scanparametern und Anästhesieverabreichungsschemata zu unterstützen. Darüber hinaus können hämodynamische Reaktionen des Gehirns in Echtzeit verwendet werden, um fMRT-basierte Biofeedback-Kontrollsignale für neuartige Stimulationsparadigmen in multimodalen Gehirnfunktionsstudien bereitzustellen.
Ein verbleibendes Problem bei der vorgeschlagenen Echtzeit-fMRT-Einrichtung ist die technische Abhängigkeit von der herstellerspezifischen Konsolensoftware. In diesem Protokoll implementieren die Echtzeit-fMRT-Analyseskripte eine Reihe von Makrofunktionen unter Verwendung einer Konsolensoftware (siehe Materialverzeichnis) Version 6 oder höher. Der Arbeitsablauf des MR-Scans in der vorherigen Konsolensoftware (z. B. PV-Version 5 oder niedriger) unterscheidet sich aufgrund der aktualisierten Benutzeroberfläche und der neuen Parameterdefinition von der neuesten Version. Unter Verwendung der vorherigen Version des Konsolensystems (PV-Version 3) haben Lu et al. (2008) gezeigt, dass der Echtzeit-fMRT-Aufbau die Überwachung der medikamenteninduzierten hämodynamischen Signaländerungen im Rattengehirn ermöglichte, um die Wirkung des Kokains auf das zentrale Nervensystem zu untersuchen20. Diese Setups lassen sich jedoch nicht ohne weiteres auf die neue Konsolensoftware mit modernsten elektronischen Geräten übertragen. In der neuesten Konsolensoftware ist es ein kritischer Schritt, die vordefinierten Makroskripte auszuführen und die fMRT-Rohdaten direkt nach dem Start des Scans zu überwachen, indem Sie die Optionen "Pre Image Series Activities" und "Execute Macro" der "Datenrekonstruktion" auswählen.
Für die weitere Bildverarbeitung können kundenspezifische AFNI-Funktionen problemlos in die Echtzeit-Bildverarbeitungsskripte integriert werden. Insbesondere wird es wertvoll sein, eine Echtzeitanalyse unter Verwendung von bewegungsbezogenen Spuren, z. B. Elektromyographie-Signal (EMG) für wache Tier-fMRT38, bereitzustellen und multimodale dynamische Gehirnsignale, z. B. GCaMP-vermitteltes Ca2+, zu integrieren, um die hämodynamische Korrelation des gesamten Gehirns zu spezifizieren37. Darüber hinaus kann dieser Echtzeit-fMRT-Aufbau auf tierische Neurofeedback-Studien ausgeweitet werden, um das selbstregulierende Gehirn und Verhalten ähnlich wie frühere Studien am Menschen zu untersuchen27.

Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) ist eine nicht-invasive Methode zur Messung der hämodynamischen Reaktionen 1,2,3,4,5,6,7,8,9, z. B. des Blutsauerstoffspiegel-abhängigen (BOLD), des zerebralen Blutvolumens und des Flusssignals, die mit der neuronalen Aktivität im Gehirn verbunden sind. In tierexperimentellen Studien können hämodynamische Signale durch die Anästhesie 10, das Stressniveau wacher Tiere11 sowie die potenziellen nicht-physiologischen Artefakte, z. B. Herzpulsation und Atembewegungen 12, 13, 14, 15, beeinflusst werden. Obwohl viele Post-Processing-Methoden entwickelt wurden, um eine retrospektive Analyse des fMRT-Signals für die aufgabenbezogene und ruhende funktionelle Dynamik und Konnektivitätskartierung16,17,18,19 zu ermöglichen, gibt es nur wenige Techniken, um eine Echtzeit-Lösung für die Kartierung der Gehirnfunktion und sofortige Auslesungen im Tiergehirnbereitzustellen 20 (von denen die meisten hauptsächlich für die Kartierung des menschlichen Gehirns verwendet werden 21). 22,23,24,25,26,27). Insbesondere fehlt diese Art von Echtzeit-fMRT-Mapping-Methode in Tierversuchen. Es ist notwendig, eine fMRT-Plattform einzurichten, um die Untersuchung von Echtzeit-Gehirnzustands-abhängigen physiologischen Stadien zu ermöglichen und ein Echtzeit-Biofeedback-Stimulationsparadigma für tierische Gehirnfunktionsstudien bereitzustellen.
In der vorliegenden Arbeit veranschaulichen wir einen Echtzeit-fMRT-Versuchsaufbau mit den kundenspezifischen Makrofunktionen der MRT-Konsolensoftware, der die Echtzeitüberwachung der evozierten BOLD-fMRT-Reaktionen im primären somatosensorischen Vorderpfotenkortex (FP-S1) der anästhesierten Ratten demonstriert. Dieser Echtzeit-Aufbau ermöglicht die Visualisierung der laufenden Gehirnaktivierung in funktionellen Karten sowie in individuellen Zeitverläufen voxelweise unter Verwendung der bestehenden Neurobild-Analysesoftware Analysis of Functional NeuroImages (AFNI)28. Die Vorbereitung des Echtzeit-fMRT-Versuchsaufbaus für die Tierstudie ist im Protokoll beschrieben. Neben dem Aufbau der Tiere bieten wir detaillierte Verfahren an, um die Visualisierung und Analyse der Echtzeit-fMRT-Signale mit der neuesten Konsolensoftware parallel zu den Bildverarbeitungsskripten einzurichten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der vorgeschlagene Echtzeit-fMRT-Aufbau für Tierstudien ein leistungsfähiges Werkzeug zur Überwachung der dynamischen fMRT-Signale im Tiergehirn mit dem MRT-Konsolensystem ist.

<table><tbody><tr><td>14.1T Bruker MRI system</td><td>Bruker BioSpin MRI GmbH</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>A365 Stimulus Isolator</td><td>World Precision Instruments</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>AcqKnowledge Software</td><td>Biopac</td><td>RRID:SCR_014279, http://www.biopac.com/product/acqknowledge-software/</td><td></td></tr><tr><td>AFNI</td><td>Cox, 1996</td><td>RRID:SCR_005927, http://afni.nimh.nih.gov</td><td></td></tr><tr><td>CO2SMO (ETCO2/SpO2 Monitor), Model 7100</td><td>Novametrix Medical Systems Inc</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Isoflurane</td><td>CP-Pharma</td><td>Cat# 1214</td><td></td></tr><tr><td>Master-9</td><td>A.M.P.I</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Nanoliter Injector</td><td>World Precision Instruments</td><td>Cat# NANOFIL</td><td></td></tr><tr><td>Pancuronium Bromide</td><td>Inresa Arzneimittel</td><td>Cat# 34409.00.00</td><td></td></tr><tr><td>ParaVision 6</td><td>Bruker BioSpin MRI GmbH</td><td>RRID:SCR_001964</td><td></td></tr><tr><td>Phosphate Buffered Saline (PBS)</td><td>Gibco</td><td>Cat# 10010-023</td><td></td></tr><tr><td>Rat: Sprague Dawley rat</td><td>Charles River Laboratories</td><td>Crl:CD(SD)</td><td></td></tr><tr><td>SAR-830/AP Ventilator</td><td>CWE</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>&amp;alpha;-chloralose</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>Cat# C0128-25G;RRID</td><td></td></tr></tbody></table>

real-time fmri brain mapping in animals

Dynamische fMRT-Reaktionen variieren stark in Abhängigkeit von den physiologischen Bedingungen der Tiere entweder unter Narkose oder im Wachzustand. Wir haben eine Echtzeit-fMRT-Plattform entwickelt, um Experimentatoren dabei zu helfen, fMRT-Reaktionen sofort während der Aufnahme zu überwachen, die verwendet werden kann, um die Physiologie von Tieren zu modifizieren, um die gewünschten hämodynamischen Reaktionen im Tiergehirn zu erreichen. Der Echtzeit-fMRT-Aufbau basiert auf einem präklinischen 14,1-T-MRT-System, das die Echtzeit-Kartierung dynamischer fMRT-Reaktionen im primären somatosensorischen Vorderpfotenkortex (FP-S1) von anästhesierten Ratten ermöglicht. Anstelle einer retrospektiven Analyse zur Untersuchung von Störquellen, die zur Variabilität von fMRT-Signalen führen, bietet die Echtzeit-fMRT-Plattform ein effektiveres Schema zur Identifizierung dynamischer fMRT-Reaktionen mit benutzerdefinierten Makrofunktionen und einer gemeinsamen Neurobildanalyse-Software im MRT-System. Darüber hinaus bietet es eine sofortige Fehlerbehebung und ein Echtzeit-Biofeedback-Stimulationsparadigma für Gehirnfunktionsstudien an Tieren.

Abbildung 3 und Abbildung 4 zeigen einen repräsentativen voxelweisen Echtzeit-BOLD-fMRT-Zeitverlauf und funktionelle Karten mit elektrischer Vorderpfotenstimulation (3 Hz, 4 s, Pulsbreite 300 us, 2,5 mA). Das fMRT-Design-Paradigma umfasst 10 Prästimulationsscans, 3 Stimulationsscans und 12 Interstimulationsscans mit insgesamt 8 Epochen (130 Scans). Die gesamte Scanzeit beträgt 3 min 15 sec (195 sec). Abbildung 3 zeigt den voxelweisen Zeitverlauf (schwarze Linie) des kontralateralen FP-S1, der dem Blockdesign-Paradigma (rote Linie) im Echtzeit-Erfassungsformat entspricht. Abbildung 4 zeigt die aktivierten BOLD-Karten, die der elektrischen Vorderpfotenstimulation entsprechen. Die aktivierten Bereiche werden erkannt und als farbige Cluster (rote und gelbe Farben) angezeigt. Experimentatoren können die Funktion "Cluster" in der AFNI-Software verwenden, um Cluster-Volumes interaktiv zu erkunden und als überlagertes farbcodiertes Bild anzuzeigen.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61463/61463fig01.jpg"> Abbildung 1: Echtzeit-fMRT-Versuchsaufbau zur Vorderpfotenstimulation. Eine vereinfachte schematische Darstellung des Echtzeit-fMRT-Aufbaus und des Flusses (gestrichelte Linien) der Kontrollparameter wird gezeigt. Ein Computer (links) dient als Konsole für die Ausführung von Impulssequenzen, die Steuerung von Stimulusisolatoren und die Datenanalyse mit AFNI. Der andere Computer (rechts) dient zur Überwachung physiologischer Informationen (z. B. Blutdruck, Atmung, Brustbewegung usw.). <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/61463/61463fig01large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61463/61463fig02.jpg"> Abbildung 2: Schematische Darstellung der Datenverarbeitung während der fMRT-Untersuchung. Es wird ein vereinfachtes Flussdiagramm der Datenverarbeitung mit den repräsentativen Makro- und AFNI-Funktionen im Echtzeit-fMRT-Aufbau gezeigt. Vor dem Start der fMRT-Scans werden unter den Rekonstruktionsoptionen die Optionen "Pre Image Series Activities" und "Execute Macro" ausgewählt. Das Skript "Setup_rt3DEPI" wird mit diesen Optionen ausgeführt, wenn Sie auf die Schaltfläche "Scannen" klicken. Mit dem Befehl "Dimon" werden die Echtzeit-AFNI-Dateien überwacht und an das AFNI-Plugin gesendet, um dynamische BOLD-Antworten anzuzeigen, wenn das Hintergrundmakroskript "Feed2AFNI_rt3DEPI" die fMRT-Rohdaten in die AFNI-Dateien umwandelt. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/61463/61463fig02large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61463/61463fig03.jpg"> Abbildung 3: Voxelweise fMRT-Antworten in Echtzeit. Ein aktivierter Einzelvoxel-Zeitverlaufsgraph (schwarze Linie) aus dem primären somatosensorischen (FP-S1) Kortex der Vorderpfote wird während des Blockdesign-Stimulationsparadigmas gezeigt. Das repetitive fMRT-Design-Paradigma (rote Linie) wurde durch das "afni -rt -DAFNI_FIM_IDEAL=(Paradigm)" definiert. Die Grafik zeigt, dass klare und stabile BOLD-Reaktionen auf elektrische Stimulation in Echtzeit folgen. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/61463/61463fig03large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61463/61463fig04.jpg"> Abbildung 4: Funktionelle Karten der BOLD-Reaktionen auf elektrische Stimulation in kontralateralen FP-S1-Regionen. Die Voxelcluster, die in den FP-S1-Regionen (gelbe und rote Farben) aktiviert wurden, wurden identifiziert und signifikant mit dem repetitiven Stimulationsparadigma synchronisiert, das auf den T2-gewichteten anatomischen Bildern überlagert wurde. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/61463/61463fig04large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>
Ergänzende Dossiers. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/61463/supplementary_files.zip" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um diese Dateien herunterzuladen.</a>

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Real-Time fMRI Brain Mapping in Animals

Die funktionelle Kartierung des Tiergehirns kann vom Versuchsaufbau der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) in Echtzeit profitieren. Mit der neuesten Software, die im Tier-MRT-System implementiert ist, haben wir eine Echtzeit-Überwachungsplattform für die fMRT von Kleintieren eingerichtet.

Echtzeit-fMRT-Kartierung des Gehirns bei Tieren

Dynamic fMRI responses vary largely according to the physiological conditions of animals either under anesthesia or in awake states. We developed a ...

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Neuroscience

3.4K Aufrufe.  Max Planck Institute for Biological Cybernetics. Die funktionelle Kartierung des Tiergehirns kann vom Versuchsaufbau der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) in Echtzeit profitieren. Mit der neuesten Software, die im Tier-MRT-System implementiert ist, haben wir eine Echtzeit-Überwachungsplattform für die fMRT von Kleintieren eingerichtet.

Serie: Real-Time fMRI Brain Mapping in Animals

Simultaneous fMRI and Electrophysiology in the Rodent Brain

To examine the neural basis of the blood oxygenation level dependent (BOLD) magnetic resonance imaging (MRI) signal, we have developed a rodent model in which functional MRI data and in vivo intracortical recording can be performed simultaneously. The combination of MRI and electrical recording is technically challenging because the electrodes used for recording distort the MRI images and the MRI acquisition induces noise in the electrical recording. To minimize the mutual interference of the two modalities, glass microelectrodes were used rather than metal and a noise removal algorithm was implemented for the electrophysiology data. In our studies, two microelectrodes were separately implanted in bilateral primary somatosensory cortices (SI) of the rat and fixed in place. One coronal slice covering the electrode tips was selected for functional MRI. Electrode shafts and fixation positions were not included in the image slice to avoid imaging artifacts. The removed scalp was replaced with toothpaste to reduce susceptibility mismatch and prevent Gibbs ringing artifacts in the images. The artifact structure induced in the electrical recordings by the rapidly-switching magnetic fields during image acquisition was characterized by averaging all cycles of scans for each run. The noise structure during imaging was then subtracted from original recordings. The denoised time courses were then used for further analysis in combination with the fMRI data. As an example, the simultaneous acquisition was used to determine the relationship between spontaneous fMRI BOLD signals and band-limited intracortical electrical activity. Simultaneous fMRI and electrophysiological recording in the rodent will provide a platform for many exciting applications in neuroscience in addition to elucidating the relationship between the fMRI BOLD signal and neuronal activity.

We have developed a method for simultaneous functional magnetic resonance imaging and electrophysiological recording in the rodent brain, providing a platform for the investigation of the relationship between neural activity and the blood oxygenation level dependent (BOLD) MRI signal.

Gleichzeitige fMRI und Elektrophysiologie in der Nager Gehirn

To examine the neural basis of the blood oxygenation level dependent (BOLD) magnetic resonance imaging (MRI) signal, we have developed a rodent model in ...

Forschung

Neurowissenschaften

Functional Neuroimaging Using Ultrasonic Blood-brain Barrier Disruption and Manganese-enhanced MRI

Although mice are the dominant model system for studying the genetic and molecular underpinnings of neuroscience, functional neuroimaging in mice remains technically challenging. One approach, Activation-Induced Manganese-enhanced MRI (AIM MRI), has been used successfully to map neuronal activity in rodents 1-5. In AIM MRI, Mn2+ acts a calcium analog and accumulates in depolarized neurons 6,7. Because Mn2+ shortens the T1 tissue property, regions of elevated neuronal activity will enhance in MRI. Furthermore, Mn2+ clears slowly from the activated regions; therefore, stimulation can be performed outside the magnet prior to imaging, enabling greater experimental flexibility. However, because Mn2+ does not readily cross the blood-brain barrier (BBB), the need to open the BBB has limited the use of AIM MRI, especially in mice.
One tool for opening the BBB is ultrasound. Though potentially damaging, if ultrasound is administered in combination with gas-filled microbubbles (i.e., ultrasound contrast agents), the acoustic pressure required for BBB opening is considerably lower. This combination of ultrasound and microbubbles can be used to reliably open the BBB without causing tissue damage 8-11.
Here, a method is presented for performing AIM MRI by using microbubbles and ultrasound to open the BBB. After an intravenous injection of perflutren microbubbles, an unfocused pulsed ultrasound beam is applied to the shaved mouse head for 3 minutes. For simplicity, we refer to this technique of BBB Opening with Microbubbles and UltraSound as BOMUS 12. Using BOMUS to open the BBB throughout both cerebral hemispheres, manganese is administered to the whole mouse brain. After experimental stimulation of the lightly sedated mice, AIM MRI is used to map the neuronal response.
To demonstrate this approach, herein BOMUS and AIM MRI are used to map unilateral mechanical stimulation of the vibrissae in lightly sedated mice 13. Because BOMUS can open the BBB throughout both hemispheres, the unstimulated side of the brain is used to control for nonspecific background stimulation. The resultant 3D activation map agrees well with published representations of the vibrissae regions of the barrel field cortex 14. The ultrasonic opening of the BBB is fast, noninvasive, and reversible; and thus this approach is suitable for high-throughput and/or longitudinal studies in awake mice.

A technique is described for broadly opening the blood-brain barrier in the mouse using microbubbles and ultrasound. Using this technique, manganese can be administered to the mouse brain. Because manganese is an MRI contrast agent that accumulates in depolarized neurons, this approach enables imaging of neuronal activity.

Funktionelle Bildgebung mit Ultraschall-Blut-Hirnschranke Störung und Mangan-MRT

Although mice are the dominant model system for studying the genetic and molecular underpinnings of neuroscience, functional neuroimaging in mice remains ...

Functional Imaging of Auditory Cortex in Adult Cats using High-field fMRI

Current knowledge of sensory processing in the mammalian auditory system is mainly derived from electrophysiological studies in a variety of animal models, including monkeys, ferrets, bats, rodents, and cats. In order to draw suitable parallels between human and animal models of auditory function, it is important to establish a bridge between human functional imaging studies and animal electrophysiological studies. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) is an established, minimally invasive method of measuring broad patterns of hemodynamic activity across different regions of the cerebral cortex. This technique is widely used to probe sensory function in the human brain, is a useful tool in linking studies of auditory processing in both humans and animals and has been successfully used to investigate auditory function in monkeys and rodents. The following protocol describes an experimental procedure for investigating auditory function in anesthetized adult cats by measuring stimulus-evoked hemodynamic changes in auditory cortex using fMRI. This method facilitates comparison of the hemodynamic responses across different models of auditory function thus leading to a better understanding of species-independent features of the mammalian auditory cortex.

Functional studies of the auditory system in mammals have traditionally been conducted using spatially-focused techniques such as electrophysiological recordings. The following protocol describes a method of visualizing large-scale patterns of evoked hemodynamic activity in the cat auditory cortex using functional magnetic resonance imaging.

Funktionelle Bildgebung Auditory Cortex bei erwachsenen Katzen mit Hochfeld-fMRI

Current knowledge of sensory processing in the mammalian auditory system is mainly derived from electrophysiological studies in a variety of animal ...

Deep Brain Stimulation with Simultaneous fMRI in Rodents

In order to visualize the global and downstream neuronal responses to deep brain stimulation (DBS) at various targets, we have developed a protocol for using blood oxygen level dependent (BOLD) functional magnetic resonance imaging (fMRI) to image rodents with simultaneous DBS. DBS fMRI presents a number of technical challenges, including accuracy of electrode implantation, MR artifacts created by the electrode, choice of anesthesia and paralytic to minimize any neuronal effects while simultaneously eliminating animal motion, and maintenance of physiological parameters, deviation from which can confound the BOLD signal.&#160;Our laboratory has developed a set of procedures that are capable of overcoming most of these possible issues. For electrical stimulation, a homemade tungsten bipolar microelectrode is used, inserted stereotactically at the stimulation site in the anesthetized subject. In preparation for imaging, rodents are fixed on a plastic headpiece and transferred to the magnet bore. For sedation and paralysis during scanning, a cocktail of dexmedetomidine and pancuronium is continuously infused, along with a minimal dose of isoflurane; this preparation minimizes the BOLD ceiling effect of volatile anesthetics. In this example experiment, stimulation of the subthalamic nucleus (STN) produces BOLD responses which are observed primarily in ipsilateral cortical regions, centered in motor cortex. Simultaneous DBS and fMRI allows the unambiguous modulation of neural circuits dependent on stimulation location and stimulation parameters, and permits observation of neuronal modulations free of regional bias. This technique may be used to explore the downstream effects of modulating neural circuitry at nearly any brain region, with implications for both experimental and clinical DBS.

This protocol describes a standard method for simultaneous functional magnetic resonance imaging and deep brain stimulation in the rodent. The combined use of these experimental tools allows for the exploration of global downstream activity in response to electrical stimulation at virtually any brain target.

Deep Brain Stimulation mit gleichzeitiger fMRT in Nagetiere

In order to visualize the global and downstream neuronal responses to deep brain stimulation (DBS) at various targets, we have developed a protocol for ...

Optogenetic Functional MRI

The investigation of the functional connectivity of precise neural circuits across the entire intact brain can be achieved through optogenetic functional magnetic resonance imaging (ofMRI), which is a novel technique that combines the relatively high spatial resolution of high-field fMRI with the precision of optogenetic stimulation. Fiber optics that enable delivery of specific wavelengths of light deep into the brain in vivo are implanted into regions of interest in order to specifically stimulate targeted cell types that have been genetically induced to express light-sensitive trans-membrane conductance channels, called opsins. fMRI is used to provide a non-invasive method of determining the brain's global dynamic response to optogenetic stimulation of specific neural circuits through measurement of the blood-oxygen-level-dependent (BOLD) signal, which provides an indirect measurement of neuronal activity. This protocol describes the construction of fiber optic implants, the implantation surgeries, the imaging with photostimulation and the data analysis required to successfully perform ofMRI. In summary, the precise stimulation and whole-brain monitoring ability of ofMRI are crucial factors in making ofMRI a powerful tool for the study of the connectomics of the brain in both healthy and diseased states.

This protocol describes the steps and data analysis required to successfully perform optogenetic functional magnetic resonance imaging (ofMRI). ofMRI is a novel technique that combines high-field fMRI readout with optogenetic stimulation, allowing for cell type-specific mapping of functional neural circuits and their dynamics across the whole living brain.

Optogenetische Functional MRI

The investigation of the functional connectivity of precise neural circuits across the entire intact brain can be achieved through optogenetic functional ...

Functional Magnetic Resonance Spectroscopy at 7 T in the Rat Barrel Cortex During Whisker Activation

Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy offers the opportunity to measure cerebral metabolite contents in vivo and noninvasively. Thanks to technological developments over the last decade and the increase in magnetic field strength, it is now possible to obtain good resolution spectra in vivo in the rat brain. Neuroenergetics (i.e., the study of brain metabolism) and, especially, metabolic interactions between the different cell types have attracted more and more interest in recent years. Among these metabolic interactions, the existence of a lactate shuttle between neurons and astrocytes is still debated. It is, thus, of great interest to perform functional proton magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS) in a rat model of brain activation and monitor lactate. However, the methyl lactate peak overlaps lipid resonance peaks and is difficult to quantify. The protocol described below allows metabolic and lactate fluctuations to be monitored in an activated brain area. Cerebral activation is obtained by whisker stimulation and 1H-MRS is performed in the corresponding activated barrel cortex, whose area is detected using blood-oxygen-level-dependent functional magnetic resonance imaging (BOLD fMRI). All steps are fully described: the choice of anesthetics, coils, and sequences, achieving efficient whisker stimulation directly in the magnet, and data processing.

After checking by blood-oxygen-level-dependent functional magnetic resonance imaging (BOLD fMRI) that the corresponding somatosensory barrel field cortex area (called S1BF) is correctly activated, the main goal of this study is to quantify lactate content fluctuations in the activated rat brains by localized proton magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS) at 7 T.

Funktionelle Magnet-Resonanz-Spektroskopie bei 7 T in der Ratte Barrel Cortex während der Whisker-Aktivierung

Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy offers the opportunity to measure cerebral metabolite contents in vivo and noninvasively. Thanks to ...

Precise Brain Mapping to Perform Repetitive In Vivo Imaging of Neuro-Immune Dynamics in Mice

The central nervous system (CNS) is regulated by a complex interplay of neuronal, glial, stromal, and vascular cells that facilitate its proper function. Although studying these cells in isolation in vitro or together ex vivo provides useful physiological information; salient features of neural cell physiology will be missed in such contexts. Therefore, there is a need for studying neural cells in their native in vivo environment. The protocol detailed here describes repetitive in vivo two-photon imaging of neural cells in the rodent cortex as a tool to visualize and study specific cells over extended periods of time from hours to months. We describe in detail the use of the grossly stable brain vasculature as a coarse map or fluorescently labeled dendrites as a fine map of select brain regions of interest. Using these maps as a visual key, we show how neural cells can be precisely relocated for subsequent repetitive in vivo imaging. Using examples of in vivo imaging of fluorescently-labeled microglia, neurons, and NG2+ cells, this protocol demonstrates the ability of this technique to allow repetitive visualization of cellular dynamics in the same brain location over extended time periods, that can further aid in understanding the structural and functional responses of these cells in normal physiology or following pathological insults. Where necessary, this approach can be coupled to functional imaging of neural cells, e.g., with calcium imaging. This approach is especially a powerful technique to visualize the physical interaction between different cell types of the CNS in vivo when genetic mouse models or specific dyes with distinct fluorescent tags to label the cells of interest are available.

This protocol describes a chronic cranial window implantation technique that can be used for longitudinal imaging of neuro-glio-vascular structures, interactions, and function in both healthy and diseased conditions. It serves as a complementary alternative to the transcranial imaging approach that, while often preferred, possesses some critical limitations.

Präzise Gehirnkartierung zur Durchführung von Repetitiven In-Vivo-Bildgebungen der Neuro-Immun-Dynamik bei Mäusen

The central nervous system (CNS) is regulated by a complex interplay of neuronal, glial, stromal, and vascular cells that facilitate its proper function. ...

Immunologie und Infektion

Translational Brain Mapping at the University of Rochester Medical Center: Preserving the Mind Through Personalized Brain Mapping

The Translational Brain Mapping Program at the University of Rochester is an interdisciplinary effort that integrates cognitive science, neurophysiology, neuroanesthesia, and neurosurgery. Patients who have tumors or epileptogenic tissue in eloquent brain areas are studied preoperatively with functional and structural MRI, and intraoperatively with direct electrical stimulation mapping. Post-operative neural and cognitive outcome measures fuel basic science studies about the factors that mediate good versus poor outcome after surgery, and how brain mapping can be further optimized to ensure the best outcome for future patients. In this article, we describe the interdisciplinary workflow that allows our team to meet the synergistic goals of optimizing patient outcome and advancing scientific understanding of the human brain.

This article provides an overview of a multi-modal brain mapping program designed to identify regions of the brain that support critical cognitive functions in individual neurosurgery patients.

Translational Brain Mapping am University of Rochester Medical Center: Erhaltung des Geistes durch personalisierte Brain Mapping

The Translational Brain Mapping Program at the University of Rochester is an interdisciplinary effort that integrates cognitive science, neurophysiology, ...

Whole-Brain 3D Activation and Functional Connectivity Mapping in Mice using Transcranial Functional Ultrasound Imaging

Functional ultrasound (fUS) imaging is a novel brain imaging modality that relies on the high-sensitivity measure of the cerebral blood volume achieved by ultrafast doppler angiography. As brain perfusion is strongly linked to local neuronal activity, this technique allows the whole-brain 3D mapping of task-induced regional activation as well as resting-state functional connectivity, non-invasively, with unmatched spatio-temporal resolution and operational simplicity. In comparison with fMRI (functional magnetic resonance imaging), a main advantage of fUS imaging consists in enabling a complete compatibility with awake and behaving animal experiments. Moreover, fMRI brain mapping in mice, the most used preclinical model in Neuroscience, remains technically challenging due to the small size of the brain and the difficulty to maintain stable physiological conditions. Here we present a simple, reliable and robust protocol for whole-brain fUS imaging in anesthetized and awake mice using an off-the-shelf commercial fUS system with a motorized linear transducer, yielding significant cortical activation following sensory stimulation as well as reproducible 3D functional connectivity pattern for network identification.

This protocol describes the quantification of volumetric cerebral hemodynamic variations in the mouse brain using functional ultrasound (fUS). Procedures for 3D functional activation map following sensory stimulation as well as resting-state functional connectivity are provided as illustrative examples, in anesthetized and awake mice.

3D-Aktivierung des gesamten Gehirns und funktionelle Konnektivitätskartierung bei Mäusen mit transkranieller funktioneller Ultraschallbildgebung

Functional ultrasound (fUS) imaging is a novel brain imaging modality that relies on the high-sensitivity measure of the cerebral blood volume achieved by ...

Acquisition of Resting-State Functional Magnetic Resonance Imaging Data in the Rat

Resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) has become an increasingly popular method to study brain function in a resting, non-task state. This protocol describes a preclinical survival method for obtaining rs-fMRI data. Combining low dose isoflurane with continuous infusion of the &#945;2 adrenergic receptor agonist dexmedetomidine provides a robust option for stable, high-quality data acquisition while preserving brain network function. Furthermore, this procedure allows for spontaneous breathing and near-normal physiology in the rat. Additional imaging sequences can be combined with resting-state acquisition creating experimental protocols with anesthetic stability of up to 5 h using this method. This protocol describes the setup of equipment, monitoring of rat physiology during four distinct phases of anesthesia, acquisition of resting-state scans, quality assessment of data, recovery of the animal, and a brief discussion of post-processing data analysis. This protocol can be used across a wide variety of preclinical rodent models to help reveal the resulting brain network changes that occur at rest.

This protocol describes a method for obtaining stable resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) data from a rat using low dose isoflurane in combination with low dose dexmedetomidine.

Erfassung von funktionellen Magnetresonanztomographiedaten im Ruhezustand bei ratten

Resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) has become an increasingly popular method to study brain function in a resting, non-task ...