Name: real-time fmri brain mapping in animals
Uploaded: 2020-09-24T12:30:00.000+00:00
Duration: 4 min 5 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Real-Time fMRI Brain Mapping in Animals at JoVE.com

PV 5 için gerçek zamanlı fMRI'yi kurmak üzere AFNI komut dosyasını paylaştıkları için Dr. D. Chen ve Dr. C. Yen'e ve yazılım desteği için AFNI ekibine teşekkür ederiz. Bu araştırma, NIH Beyin Girişimi fonu (RF1NS113278-01, R01 MH111438-01) ve Martinos Merkezi, Alman Araştırma Vakfı (DFG) Yu215/3-1, BMBF 01GQ1702 ve Max Planck Derneği'nin iç finansmanına S10 enstrüman hibesi (S10 RR023009-01) tarafından desteklenmiştir.

Bu çalışma, Alman Hayvan Refahı Yasası (TierSchG) ve Hayvan Refahı Laboratuvarı Hayvan Yönetmeliği (TierSchVersV) uyarınca gerçekleştirilmiştir. Burada açıklanan deneysel protokol etik komisyonu (§15 TierSchG) tarafından gözden geçirilmiş ve devlet otoritesi (Regierungspräsidium, Tübingen, Baden-Württemberg, Almanya) tarafından onaylanmıştır.
1. Küçük hayvan çalışması için BOLD-fMRI deney düzeneğinin hazırlanması
<ol><li>Görüntüleme parametrelerini kontrol etmek ve MRI verilerini almak için konsol yazılımını açın. NOT: Önerilen gerçek zamanlı fMRI kurulumu, AFNI'nin görüntü işleme işlevlerine paralel olarak konsol yazılımının makro işlevleri (sürüm 6) kullanılarak uygulanır.</li>
	<li>Çalışma alanı gezginiyle MR dizilerini (örneğin, Konum, Yerelleştirici, Gevşeme Geliştirme ile Hızlı Alma (RARE) ve 3B yankı düzlemsel görüntüleme (EPI) bulun ve ardından bunları tarama listesine sürükleyip ekleyin. NOT: Konum ve Yerelleştirici dizileri, beyindeki bir ilgi bölgesini (ROI) tanımlamak için kullanılır. Anatomi taraması için NADİR dizisi kullanılır. Dinamik BOLD yanıtlarını ölçmek için bir 3D EPI dizisi kullanılır.</li>
	<li>Önceden tanımlanmış makro komut dosyalarını, "Setup_rt3DEPI" ve "Feed2AFNI_rt3DEPI" makro komut dosyası yoluna yerleştirin (örneğin, "/opt/(PV sürümü)/prog/curdir/(kullanıcı adı)/ParaVision/macros"). "Veri Yeniden Yapılandırma" kullanıcı arayüzü menüsünde 3D EPI yeniden yapılandırma seçeneklerini, "Görüntü Serisi Öncesi Etkinlikler" ve "Makroyu Yürüt" seçeneklerini etkinleştirin ve ardından "Tara" düğmesini tıklamadan önce önceden tanımlanmış makro komut dosyası "Setup_rt3DEPI" bağlayın. Not: makro komut dosyaları Ek dosyalarda bulunur.</li>
	<li>Gerçek zamanlı BOLD-fMRI analizi ve görselleştirmesi için AFNI yazılımını yükleyin.</li>
</ol>2. Kateterizasyon ve ventilasyon cerrahisi
<ol><li>Şekil 1'de gösterildiği gibi termometre, kan basıncı ve solunum kaydı gibi bir ventilatör ve fizyolojik durum izleme sistemleri kurun. Geri besleme kontrol setine sahip MR uyumlu bir ısıtma yastığı kullanarak ventilatör ile 1 nefes/dk sabit bir frekans ve 37 °C sıcaklık ± sabit bir frekans ayarlayın.</li>
	<li>Yetişkin bir erkek Sprague-Dawley sıçanını (300-600 g) indüksiyon için% 5 izofluran içeren bir odada anestezi yapın ve bir buharlaştırıcıdan ameliyat için% 2-2.5 izofluran verin. Arka pençeyi sıkıştırarak ve geri çekilme yanıtının olmadığını doğrulayarak anestezi derinliğini kontrol edin.</li>
	<li>Hayvanı havalandırma için 14 G'lık bir plastik kanülle entübe edin (% 70 hava ve% 30 oksijen karışımı ile 60 ± 1 nefes / dak). Gelgit sonu karbondioksitini (CO2) 25 ± 5 mmHg29 aralığında olacak şekilde ayarlayın. NOT: Entübasyon, fMRI deneyleri yoluyla uygun CO2 seviyelerini korumak için kritik öneme sahiptir.</li>
	<li>Hayvanı ameliyat masasında sırtüstü pozisyonda yerleştirin ve elektrikli tıraş bıçağı ile uyluk tıraş edin. Ve sonra, tıraş edilmiş cilt üzerinde cerrahi makasla bir kesi yapın. NOT: Kesinin uzunluğu uzunlamasına yönde 1-2 cm civarındadır.</li>
	<li>Kateterizasyon için kesilmiş bölgenin altında bir femoral arter ve ven bulun ve bireysel femoral arter ve veni çevreleyen dokulardan ayırın.</li>
	<li>Ayrılmış femoral arterin bir tarafını cerrahi bir dikişle sabitleyin ve diğer tarafı mikro bulldog forseps ile tutun. Daha sonra, femoral arterdeki bağlı bölgeler arasında küçük bir kesi yapın.</li>
	<li>Küçük kesiden femoral artere bir kateter yerleştirin ve kateteri ve arteri cerrahi dikişlerle birlikte bağlayın. Fizyolojik izleme sistemi ile arteriyel kan basıncını 80-120 mmHg aralığında olacak şekilde sürekli izleyin ve tarama sırasında en az 90 mmHg pO 2 ve 30-45 mmHg pCO2'yi korumak için arteriyel kan gazını düzenli olarak ölçün. NOT: Bu kateterizasyon, fMRI deneyleri sırasında arteriyel kan basıncını izlemek için kritik öneme sahiptir.</li>
	<li>Femoral venin her iki ucunu ipek örgülü cerrahi dikişlerle sabitleyin. Daha sonra, femoral ven üzerindeki bağlı bölgeler arasında küçük bir kesi yapın. Dikişi yapmak için forseps kullanın. NOT: Dikişin boyutu 1-2 cm civarındadır.</li>
	<li>Femoral ven içine bir kateter yerleştirin. Kateteri ve damarı cerrahi dikişlerle birlikte bağlayın. NOT: Bu kateterizasyon, damar yoluyla alfa-kloraloz uygulanması ve fMRI deneyleri sırasında anestezik seviyelerin ayarlanması için kritik öneme sahiptir. Hayvan iyi uyuşturulmamışsa, kendiliğinden nefes almaya başlayacaktır. Bu durumda, solunum hareketi artefaktlarından kaçınmak için daha fazla alfa-kloraloz uygulanmalıdır.</li>
	<li>Tıraş edilen ciltte cerrahi insizyonu dikin. Cerrahi prosedürler tamamlandıktan sonra, femoral vene bağlı kateterden ~ 80 mg / kg dozajı ile bir bolus alfa-kloralose infüzyonu ile hayvanı anestezi altında tutun ve aynı zamanda izofluran uygulamasını durdurun.</li>
</ol>3. Hayvanı MRI tarayıcısının içine yerleştirme
<ol><li>Anestezi uygulanan hayvanı 2.10 adım atılır atılmaz MRI tarayıcısına aktarın ve ısmarlama bir beşiğe sabitleyin.</li>
	<li>Hayvanın sıcaklığını izlemek için hayvana gerçek zamanlı bir geri beslemeli rektal termometre yerleştirin. Sıcaklığı kontrol etmek için hayvanın gövdesinin altına bir ısıtma yastığı yerleştirin. MRI taramaları sırasında vücut ısısını 37.0 ± 0.5 °C'de tutun.</li>
	<li>Bir kas gevşetici olan pankuronyum (~2 mg / kg / s) karışımında ~ 25 mg / kg / s çözeltisi ile alfa-kloraloz verin, aynı zamanda hayvanı anestezi altında tutun ve fMRI görüntülerinde hareket artefaktlarını azaltın. İlaç miktarını ve ventilasyon oranını fizyolojik duruma göre ayarlayarak kan basıncını ve solunumu izleyin.</li>
	<li>fMRI deneyleri sırasında kuruluğu önlemek için hayvanın gözlerine oftalmik merhem uygulayın. Baş hareketi artefaktlarını önlemek için hayvanın kafasını iki kulak çubuğuyla güvenli bir şekilde sabitleyin.</li>
	<li>Kafasına bir alıcı-verici yüzey bobini sabitleyin. MRI ölçümlerinden önce bobini kafadaki Larmor frekansına (örneğin, 14.1 T'de 599 MHz) ayarlayın ve eşleştirin. NOT: Burada, bir sıçanın tüm beynini örtmek için 22 mm çapında bobin kullanılır.</li>
	<li>Ön pençenin derisine 1 ve 4 basamakları arasına bir çift iğne elektrodu yerleştirin ve bunları cerrahi bantla sabitleyin. Ve sonra, bu elektrotlara bir stimülasyon giriş kablosu bağladıktan sonra stimülasyonun düzgün çalıştığını onaylayın30.</li>
	<li>Hayvanı MRI deliğine yerleştirin ve yaklaşık olarak izo-merkeze yerleştirin.</li>
</ol>4. Anatomik MR görüntülerinin ölçülmesi
<ol><li>Ana kullanıcı arayüzündeki kalibrasyon menüsü düğmesini tıklatın. Ayarlama Platformu kullanıcı arayüzünde aşağıdaki öğeleri tıklatarak MRI sisteminin kalibrasyonlarını gerçekleştirin (konsol yazılımındaki Yardım menüsüne bakın): Temel rezonans frekansını bulun, RF darbe gücünü kalibre edin, En uygun alıcı kazancını ayarlayın, Şimleme için hayvandaki B0 haritasını ölçün, Lokalize edilmemiş serbest indüksiyon bozunumu (FID) integraline dayalı küresel doğrusal şimleri çalıştırın. NOT: Bu adım 2 dakikadan az sürer.</li>
	<li>MRI deliğinin içindeki hayvanın baş konumunu bulmak için "Tara" düğmesine tıklayarak bir Konum dizisi çalıştırın. Kafa izo-merkezde yer almıyorsa, kafa izo-merkeze yerleştirilene kadar beşiği ileri geri hareket ettirirken kafa konumunu ayarlayın.</li>
	<li>Kafadaki bir yatırım getirisini tanımlamak için "Tara" düğmesine tıklayarak bir Localizer dizisi çalıştırın. Harita Şim'i seçin ve yerelleştirici görüntüde tüm beyni kapsayacak şekilde dolgu hacminin yatırım getirisini tanımlayın ve ardından yatırım getirisindeki ana manyetik alan (B0) homojensizliklerini azaltmak için "Şim'e kadar" seçeneğini kullanarak yüksek dereceli (örneğin, 2. veya 3. dereceden) bir şimleme çalıştırın. NOT: Yüksek dereceli şimleme, EPI dizileri kullanıldığında BOLD-fMRI verilerinin kalitesini artırmak için kritik bir adımdır.</li>
	<li>Koronal görünümde tüm beyni kapsayan anatomik görüntüler elde etmek için "Tara" düğmesine tıklayarak T2 ağırlıklı bir RARE dizisi çalıştırın (örneğin, aşağıdaki dizi parametreleri kullanılır: tekrarlama süresi (TR) 4000 ms, etkili yankı süresi (TE) 36,1 ms, matris 128 x 128, görüş alanı (FOV) 19,2x19,2 mm2, dilim sayısı 32, dilim kalınlığı 0,3 mm, NADİR faktör 8). NOT: Aşağıdaki gerçek zamanlı fMRI görselleştirme adımında, anatomik görüntüler 3B EPI görüntülerini şablon olarak kaydetmek için kullanılır.</li>
</ol>5. Gerçek Zamanlı fMRI yazılım kurulumu ve fMRI yanıt görselleştirme
<ol><li>Bir terminal penceresi açın ve aşağıdaki komutu kullanarak gerçek zamanlı AFNI eklenti yoluna gidin: cd /home/(kullanıcı adı)/rt_afni NOT: AFNI eklenti komut dosyası, "afni_rt" Ek dosyalarda bulunur.</li>
	<li>Aşağıdaki komutu ve seçenekleri kullanarak AFNI yazılımını gerçek zamanlı eklentiyle çalıştırın. afni -rt -yestplugouts -DAFNI_REALTIME_MP_HOST_PORT=localhost:(bağlantı noktası numarası) -DAFNI_REALTIME_Graph=Gerçek zamanlı -DAFNI_FIM_IDEAL=(Paradigma) NOT: İlk durumda, kod harici programların AFNI ile veri alışverişinde bulunmasına izin verirken, ikinci durumda gerçek zamanlı eklenti kullanıcı tanımlı localhost ve bağlantı noktasına bir TCP soketi açmaya çalışacaktır. Üçüncü ve dördüncü durumlarda, kodlar fMRI verilerinin zaman seyrini gerçek zamanlı olarak çizecek ve gerçek zamanlı fMRI verileri elde edildiğinde sırasıyla fMRI zaman seyrinde kullanıcı tanımlı paradigmanın zaman seyrini çizecektir. Daha fazla bilgi için https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/README.environment.html'i kontrol edin.</li>
	<li>Aşağıdaki seçeneklerle, Şekil 2'de gösterildiği gibi "Dimon" komutunu kullanarak tanımlanan yaklaşan AFNI BRIK dosyalarını izleyin: Dimon -tr (EPİ'nin TR'si) -nt (EPI'nin NRepetitions) -rt -quit -infile_pattern gerçek zamanlı*. BRIK -file_type AFNI NOT: "Dimon", aşağıdaki seçenekleri kullanarak AFNI görüntü dosyalarının gerçek zamanlı alımını izlemek için kullanılan bir komuttur: gerçek zamanlı eklentiyi yürüten "-rt" ve "-infile_pattern (veri adı). BRIK -file_type AFNI", eklentinin belirli BRIK dosyalarını okumasına ve bunları görüntüleme ve biçimlendirme için AFNI'ye göndermesine olanak tanır. Daha fazla bilgi için https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/Dimon.html'i kontrol edin.</li>
	<li>Aşağıdaki seçeneklerle "pvcmd" komutunu kullanın: pvcmd -a JMacroManager JMMExecuteMacro -category $USER -macro Feed2AFNI_rt3DEPI NOT: Bu kod, EPI alımı için "Tara" düğmesine tıklandıktan hemen sonra, arka plan makro komut dosyası "Setup_rt3DEPI" çalıştırmak için "Feed2AFNI_rt3DEPI" makro komut dosyasında bulunur.</li>
	<li>EPI alma parametrelerini almak için aşağıdaki seçeneklerle "exec pvcmd" komutunu kullanın. exec pvcmd -a ParxServer -r ParamGetValue -psid $ParSpaceId -param (EPI'nin PVM parametreleri) -id 10 -args $AcqKey $ParSpaceId $ProcnoPath</li>
	<li>EPI ham verilerini arka plan makro komut dosyasında gerçek zamanlı olarak AFNI dosyalarına dönüştürmek için aşağıdaki seçeneklerle "exec to3d" komutunu kullanın, "Feed2AFNI_rt3DEPI". exec to3d -omri -xFOV $FOV_X -yFOV $FOV_Y -zFOV $FOV_Z -önek $LastVolName $ImgFormat$Path2dseq</li>
	<li>EPI geometrik bilgilerinin anatomi oryantasyonu ile tutarlı olduğundan emin olun. NOT: "to3d" AFNI komutu, Şekil 2'de gösterildiği gibi her bir TR'den sonra her 3B birim verisi depolandığında, fMRI ham verilerini bir AFNI BRIK verisine dönüştürmek için görüş alanı (FOV) ve matris boyutu gibi geometrik bilgilerle otomatik olarak çalışacaktır. Görüntü yönü "to3d" geometrik bilgi parametreleri ile değiştirilebilir. Daha fazla bilgi için https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/to3d.html kontrol edin.</li>
	<li>Bir elektriksel uyaran izolatörünü açın ve uyarılma bloklarını kullanarak bir uyarılmış fMRI çalışması (örneğin, 3Hz, 4s darbe genişliği 300us, 2.5mA) için elektriksel ön pençe stimülasyonu gerçekleştirin. NOT: Burada, blok tasarım paradigması 10 ön stimülasyon taraması, 3 stimülasyon taraması ve 12 inter-stimülasyon taramasından (dönem başına 15 tarama) oluşur.</li>
	<li>BOLD-fMRI etüdü için "Tara" düğmesini tıklatarak T2* ağırlıklı bir 3D EPI dizisi çalıştırın (ör. aşağıdaki parametreler kullanılır: TR/TE 1500/14 ms, matris 64 x 64 x 32, FOV 19,2 x 19,2 x 9,6 mm 3 ve çözünürlük 300 x 300 x 300 μm3). NOT: "Tara" düğmesine tıklandığında, ham verilerin izlenmesi ve işlenmesi, önceden tanımlanmış makro komut dosyaları gerçek zamanlı olarak kullanılarak yapılacaktır. Bir AFNI BRIK veri kümesi dönüştürüldükten sonra, 3D EPI görüntüleri için voksel olarak zaman kursu grafikleri AFNI yazılımında görüntülenir ve her bir TR için otomatik olarak güncellenir.</li>
	<li>EPI görüntülerini anatomik RARE görüntülerinin üzerine bindirmek için, adım 5.6'da olduğu gibi "to3d" komutunu kullanarak RARE görüntülerini bir AFNI BRIK veri kümesine dönüştürün, ardından EPI görüntülerini aşağıdaki seçeneklerle "align_epi_anat.py" AFNI komut dosyasını kullanarak anatomik görüntülere kaydedin: align_epi_anat.py -anat anatomy_template_al+orig -epi epi.$(epi veri numarası)+orig -epi_base 1 -sonek _volreg -rat_align -cost lpa -epi2anat NOT: Daha fazla ayrıntı için https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/ align_epi_anat.py.html kontrol edin.</li>
	<li>BOLD yanıtlarının işlevsel haritalarını işlemek için, aşağıdaki seçeneklerle "3dDeconvolve" komutunu kullanarak belirli bir uyaran zaman serisine sahip 3D+time veri kümesinin dekonvolüsyonunu hesaplayın: 3dDeconvolve -input (giriş dosyası adı)+orig. -nfirst 0 -polort 3 -num_stimts 1 -stim_times 1 (stimülasyon paradigması dosya adı) 'BLOCK(4,1)' -stim_label 1 forepaw -tout -fout -rout NOT: Uzamsal yumuşatma veya zamansal filtreleme gibi görüntü işleme adımları, özelleştirilmiş bir AFNI veri işleme komut dosyasına dahil edilmiştir. Daha fazla bilgi için https://afni.nimh.nih.gov/afni/doc/help/3dDeconvolve.html kontrol edin.</li>
	<li>BOLD sinyallerinin işlevsel haritalarını görselleştirmek için, AFNI yazılımında etkileşimli bir kümeleme kullanın. "Bindirmeyi Tanımla" seçeneğini açın ve AFNI kullanıcı arayüzü menüsünden "Kümeler" işlevini kullanın.</li>
	<li>Son fMRI taramasından sonra, hayvanı MRI tarayıcısından çıkarın ve onaylanmış protokollere göre ötenazi yapın. NOT: Gerçek zamanlı fMRI verilerini işlemek için AFNI'nin görüntü işleme işlevleri ve en son konsol yazılımındaki makro işlevler kullanılmıştır. Makro işlevlerinin ayrıntılı bilgileri ve açıklamaları konsol yazılımındaki yardım menüsünden bulunabilir. AFNI yazılımı, doğrudan NIMH-AFNI web sitesinden indirilebilen ücretsiz bir yazılımdır. AFNI ve konsol sistemi arasındaki bağlantıyı oluşturmak için ilgili komut dosyaları eklenir.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Ogawa, S., Lee, T. M., Kay, A. R., Tank, D. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brain+magnetic+resonance+imaging+with+contrast+dependent+on+blood+oxygenation.">Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences U.S.A. 87 (24), 9868-9872 (1990).</li><li>Belliveau, J. W., 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=Functional+mapping+of+the+human+visual+cortex+by+magnetic+resonance+imaging.">Functional mapping of the human visual cortex by magnetic resonance imaging.</a> Science. 254 (5032), 716-719 (1991).</li><li>Stehling, M. K., Turner, R., Mansfield, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Echo-planar+imaging:+magnetic+resonance+imaging+in+a+fraction+of+a+second.">Echo-planar imaging: magnetic resonance imaging in a fraction of a second.</a> Science. 254 (5028), 43-50 (1991).</li><li>Bandettini, P. A., Wong, E. C., Hinks, R. S., Tikofsky, R. S., Hyde, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Time+course+EPI+of+human+brain+function+during+task+activation.">Time course EPI of human brain function during task activation.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 25 (2), 390-397 (1992).</li><li>Kwong, K. 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=Dynamic+magnetic+resonance+imaging+of+human+brain+activity+during+primary+sensory+stimulation.">Dynamic magnetic resonance imaging of human brain activity during primary sensory stimulation.</a> Proceedings of the National Academy of Science U. S. A. 89 (12), 5675-5679 (1992).</li><li>Ogawa, S., 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=Intrinsic+signal+changes+accompanying+sensory+stimulation:+functional+brain+mapping+with+magnetic+resonance+imaging.">Intrinsic signal changes accompanying sensory stimulation: functional brain mapping with magnetic resonance imaging.</a> Proceedings of the National Academy of Science U. S. A. 89 (13), 5951-5955 (1992).</li><li>Biswal, B., Yetkin, F. Z., Haughton, V. M., Hyde, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+connectivity+in+the+motor+cortex+of+resting+human+brain+using+echo-planar+MRI.">Functional connectivity in the motor cortex of resting human brain using echo-planar MRI.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 34 (4), 537-541 (1995).</li><li>Logothetis, N. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=What+we+can+do+and+what+we+cannot+do+with+fMRI.">What we can do and what we cannot do with fMRI.</a> Nature. 453 (7197), 869-878 (2008).</li><li>Kim, S. G., Ogawa, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biophysical+and+physiological+origins+of+blood+oxygenation+level-dependent+fMRI+signals.">Biophysical and physiological origins of blood oxygenation level-dependent fMRI signals.</a> Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 32 (7), 1188-1206 (2012).</li><li>Peltier, S. J., 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=Functional+connectivity+changes+with+concentration+of+sevoflurane+anesthesia.">Functional connectivity changes with concentration of sevoflurane anesthesia.</a> Neuroreport. 16 (3), 285-288 (2005).</li><li>Dopfel, D., Zhang, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mapping+stress+networks+using+functional+magnetic+resonance+imaging+in+awake+animals.">Mapping stress networks using functional magnetic resonance imaging in awake animals.</a> Neurobiology of Stress. 9, 251-263 (2018).</li><li>Hu, X. P., Le, T. H., Parrish, T., Erhard, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Retrospective+Estimation+and+Correction+of+Physiological+Fluctuation+in+Functional+Mri.">Retrospective Estimation and Correction of Physiological Fluctuation in Functional Mri.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 34 (2), 201-212 (1995).</li><li>Birn, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+role+of+physiological+noise+in+resting-state+functional+connectivity.">The role of physiological noise in resting-state functional connectivity.</a> Neuroimage. 62 (2), 864-870 (2012).</li><li>Caballero-Gaudes, C., Reynolds, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Methods+for+cleaning+the+BOLD+fMRI+signal.">Methods for cleaning the BOLD fMRI signal.</a> Neuroimage. 154, 128-149 (2017).</li><li>Pais-Roldan, P., Biswal, B., Scheffler, K., Yu, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Identifying+Respiration-Related+Aliasing+Artifacts+in+the+Rodent+Resting-State+fMRI.">Identifying Respiration-Related Aliasing Artifacts in the Rodent Resting-State fMRI.</a> Frontiers in Neuroscience. 12, 00788 (2018).</li><li>Glover, G. H., Li, T. Q., Ress, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Image-based+method+for+retrospective+correction+of+physiological+motion+effects+in+fMRI:+RETROICOR.">Image-based method for retrospective correction of physiological motion effects in fMRI: RETROICOR.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 44 (1), 162-167 (2000).</li><li>Chang, C., Cunningham, J. P., Glover, G. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+heart+rate+on+the+BOLD+signal:+The+cardiac+response+function.">Influence of heart rate on the BOLD signal: The cardiac response function.</a> Neuroimage. 44 (3), 857-869 (2009).</li><li>Birn, R. M., Diamond, J. B., Smith, M. A., Bandettini, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Separating+respiratory-variation-related+neuronal-activity-related+fluctuations+in+fluctuations+from+fMRI.">Separating respiratory-variation-related neuronal-activity-related fluctuations in fluctuations from fMRI.</a> Neuroimage. 31 (4), 1536-1548 (2006).</li><li>Golestani, A. M., Chang, C., Kwinta, J. B., Khatamian, Y. B., Chen, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mapping+the+end-tidal+CO2+response+function+in+the+resting-state+BOLD+fMRI+signal:+Spatial+specificity,+test-retest+reliability+and+effect+of+fMRI+sampling+rate.">Mapping the end-tidal CO2 response function in the resting-state BOLD fMRI signal: Spatial specificity, test-retest reliability and effect of fMRI sampling rate.</a> Neuroimage. 104, 266-277 (2015).</li><li>Lu, H. B., 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=Real-time+animal+functional+magnetic+resonance+imaging+and+its+application+to+neurophamacological+studies.">Real-time animal functional magnetic resonance imaging and its application to neurophamacological studies.</a> Magnetic Resonance Imaging. 26 (9), 1266-1272 (2008).</li><li>Cox, R. W., Jesmanowicz, A., Hyde, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+functional+magnetic+resonance+imaging.">Real-time functional magnetic resonance imaging.</a> Magnetic Resonance Medicine. 33 (2), 230-236 (1995).</li><li>Lee, C. C., Jack, C. R., Rossman, P. J., Riederer, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+reconstruction+and+high-speed+processing+in+functional+MR+imaging.">Real-time reconstruction and high-speed processing in functional MR imaging.</a> American Journal of Neuroradiology. 19 (7), 1297-1300 (1998).</li><li>Voyvodic, J. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+fMRI+paradigm+control,+physiology,+and+behavior+combined+with+near+real-time+statistical+analysis.">Real-time fMRI paradigm control, physiology, and behavior combined with near real-time statistical analysis.</a> Neuroimage. 10 (2), 91-106 (1999).</li><li>Cohen, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+functional+magnetic+resonance+imaging.">Real-time functional magnetic resonance imaging.</a> Methods. 25 (2), 201-220 (2001).</li><li>Posse, S., 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=A+new+approach+to+measure+single-event+related+brain+activity+using+real-time+fMRI:+Feasibility+of+sensory,+motor,+and+higher+cognitive+tasks.">A new approach to measure single-event related brain activity using real-time fMRI: Feasibility of sensory, motor, and higher cognitive tasks.</a> Human Brain Mapping. 12 (1), 25-41 (2001).</li><li>Decharms, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reading+and+controlling+human+brain+activation+using+real-time+functional+magnetic+resonance+imaging.">Reading and controlling human brain activation using real-time functional magnetic resonance imaging.</a> Trends in Cognitive Sciences. 11 (11), 473-481 (2007).</li><li>Bruhl, A. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Making+Sense+of+Real-Time+Functional+Magnetic+Resonance+Imaging+(rtfMRI)+and+rtfMRI+Neurofeedback.">Making Sense of Real-Time Functional Magnetic Resonance Imaging (rtfMRI) and rtfMRI Neurofeedback.</a> International Journal of Neuropsychopharmacology. 18 (6), (2015).</li><li>Cox, R. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=AFNI:+Software+for+analysis+and+visualization+of+functional+magnetic+resonance+neuroimages.">AFNI: Software for analysis and visualization of functional magnetic resonance neuroimages.</a> Computers and Biomedical Research. 29 (3), 162-173 (1996).</li><li>Liou, W. W., Goshgarian, H. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+assessment+of+the+effect+of+chronic+phrenicotomy+on+the+induction+of+the+crossed+phrenic+phenomenon.">Quantitative assessment of the effect of chronic phrenicotomy on the induction of the crossed phrenic phenomenon.</a> Experimental Neurology. 127 (1), 145-153 (1994).</li><li>Shih, Y. 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+high-resolution+fMRI+and+electrophysiology+of+the+rat+primary+somatosensory+cortex.">Ultra high-resolution fMRI and electrophysiology of the rat primary somatosensory cortex.</a> Neuroimage. 73, 113-120 (2013).</li><li>Masamoto, K., Kim, T., Fukuda, M., Wang, P., Kim, S. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Relationship+between+neural,+vascular,+and+BOLD+signals+in+isoflurane-anesthetized+rat+somatosensory+cortex.">Relationship between neural, vascular, and BOLD signals in isoflurane-anesthetized rat somatosensory cortex.</a> Cerebral Cortex. 17 (4), 942-950 (2007).</li><li>van Alst, T. 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, Bruker BioSpin MRI GmbH'de bir çalışandır.

fMRI sinyalinin gerçek zamanlı izlenmesi, deneycilerin fonksiyonel haritalamayı optimize etmek için hayvanların fizyolojisini ayarlamalarına yardımcı olur. Uyanık hayvanlardaki hareket artefaktları ve anestezik etki, fMRI sinyallerinin değişkenliğine aracılık eden ve sinyalin biyolojik yorumunu kendi başına karıştıran başlıca faktörlerdir 31,32,33,34,35,36,37,38 . Gerçek zamanlı fMRI platformu, tarama parametrelerinin ve anestezik uygulama şemalarının optimizasyonuna yardımcı olmak için anlık bilgiler sunar. Ayrıca, gerçek zamanlı beyin hemodinamik yanıtları, çok modlu beyin fonksiyonel çalışmalarında yeni stimülasyon paradigmaları için fMRI tabanlı biofeedback kontrol sinyalleri sağlamak için kullanılabilir.
Önerilen gerçek zamanlı fMRI kurulumuyla ilgili kalan bir endişe, satıcıya özgü konsol yazılımına olan teknik bağımlılıktır. Bu protokolde, gerçek zamanlı fMRI analiz komut dosyaları, bir konsol yazılımı (bkz. Malzeme Tablosu) sürüm 6 veya üstünü kullanarak bir dizi makro işlevi uygular. Önceki konsol yazılımındaki MR taramasının iş akışı (örneğin, PV sürüm 5 veya daha düşük), yükseltilmiş kullanıcı arayüzü ve yeni parametre tanımı nedeniyle en son sürümden farklıdır. Konsol sisteminin önceki sürümünü (PV sürüm 3) kullanarak, Lu ve ark. (2008), gerçek zamanlı fMRI kurulumunun, kokainin merkezi sinir sistemi üzerindeki etkisini incelemek için sıçan beynindeki ilaca bağlı hemodinamik sinyal değişikliklerinin izlenmesini sağladığını göstermiştir20. Bununla birlikte, bu kurulumlar son teknoloji ürünü elektronik cihazlara sahip yeni konsol yazılımına kolayca uygulanamaz. En son konsol yazılımında, önceden tanımlanmış makro komut dosyalarını çalıştırmak ve "Veri Yeniden Yapılandırma" nın "Görüntü Serisi Öncesi Etkinlikler" ve "Makroyu Yürüt" seçeneklerini seçerek taramaya başladıktan hemen sonra fMRI ham verilerini izlemek kritik bir adımdır.
Daha fazla görüntü işleme için, özelleştirilmiş AFNI işlevleri gerçek zamanlı görüntü işleme komut dosyalarına kolayca dahil edilebilir. Özellikle, uyanık hayvan fMRI38 için elektromiyografi (EMG) sinyali gibi hareketle ilgili izleri kullanarak gerçek zamanlı analiz sağlamak ve tüm beyin hemodinamik korelasyonunu belirtmek için GCaMP aracılı Ca2 + gibi çok modlu dinamik beyin sinyalini dahil etmek değerli olacaktır37. Ayrıca, bu gerçek zamanlı fMRI kurulumu, önceki insan çalışmalarına benzer şekilde kendi kendini düzenleyen beyni ve davranışları araştırmak için hayvan neurofeedback çalışmalarına genişletilebilir27.

Fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntüleme (fMRI), beyindeki nöral aktivite ile ilişkili kan-oksijen seviyesine bağımlı (BOLD), serebral kan hacmi ve akış sinyali gibi hemodinamik yanıtları 1,2,3,4,5,6,7,8,9 ölçmek için invaziv olmayan bir yöntemdir. Hayvan çalışmalarında, hemodinamik sinyaller anestezi10, uyanık hayvanların stres seviyesi11 ve ayrıca potansiyel fizyolojik olmayan eserlerden, örneğin kardiyak nabız ve solunum hareketlerinden12,13,14,15 etkilenebilir. Görevle ilgili ve dinlenme durumu fonksiyonel dinamikleri ve bağlantı haritalaması16,17,18,19 için fMRI sinyalinin geriye dönük bir analizini sağlamak için birçok işlem sonrası yöntem geliştirilmiş olsa da, hayvan beyninde gerçek zamanlı bir beyin fonksiyonu haritalama çözümü ve anlık okumalar sağlamak için birkaç teknik vardır 20 (bunların çoğu esas olarak insan beyni haritalaması için kullanılır 21, 22,23,24,25,26,27). Özellikle, bu tür gerçek zamanlı fMRI haritalama yöntemi hayvan çalışmalarında eksiktir. Gerçek zamanlı beyin durumuna bağlı fizyolojik aşamaların araştırılmasını sağlamak ve hayvan beyni fonksiyonel çalışmaları için gerçek zamanlı biofeedback stimülasyon paradigması sağlamak için bir fMRI platformu kurmak gerekir.
Bu çalışmada, MRI konsol yazılımının özelleştirilmiş makro fonksiyonları ile gerçek zamanlı bir fMRI deney kurulumunu gösteriyoruz ve anestezi uygulanan sıçanların birincil ön pençe somatosensoriyel korteksindeki (FP-S1) uyarılmış BOLD-fMRI yanıtlarının gerçek zamanlı olarak izlenmesini gösteriyoruz. Bu gerçek zamanlı kurulum, fonksiyonel haritalarda devam eden beyin aktivasyonunun görselleştirilmesinin yanı sıra, mevcut nörogörüntü analiz yazılımı olan Fonksiyonel Nörogörüntülerin Analizi (AFNI) 28'i kullanarak voksel açısından bireysel zaman kurslarının görselleştirilmesine olanak tanır. Hayvan çalışması için gerçek zamanlı fMRI deney düzeneğinin hazırlanması protokolde açıklanmıştır. Hayvan kurulumunun yanı sıra, görüntü işleme komut dosyalarına paralel olarak en son konsol yazılımını kullanarak gerçek zamanlı fMRI sinyallerinin görselleştirilmesini ve analizini ayarlamak için ayrıntılı prosedürler sunuyoruz. Özetle, hayvan çalışmaları için önerilen gerçek zamanlı fMRI kurulumu, MRI konsol sistemini kullanarak hayvan beynindeki dinamik fMRI sinyallerini izlemek için güçlü bir araçtır.

<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

Dinamik fMRI yanıtları, anestezi altında veya uyanık durumdaki hayvanların fizyolojik koşullarına göre büyük ölçüde değişir. Deneycilere, hayvan beyinlerinde istenen hemodinamik yanıtları elde etmek için hayvanların fizyolojisini değiştirmek için kullanılabilecek, edinim sırasında fMRI yanıtlarını anında izlemeleri için rehberlik etmek üzere gerçek zamanlı bir fMRI platformu geliştirdik. Gerçek zamanlı fMRI kurulumu, anestezi uygulanan sıçanların primer ön pençe somatosensoriyel korteksindeki (FP-S1) dinamik fMRI yanıtlarının gerçek zamanlı haritalandırılmasını sağlayan 14.1T preklinik MRI sistemine dayanmaktadır. fMRI sinyallerinin değişkenliğine yol açan kafa karıştırıcı kaynakları araştırmak için geriye dönük bir analiz yerine, gerçek zamanlı fMRI platformu, özelleştirilmiş makro fonksiyonları ve MRI sisteminde ortak bir nörogörüntü analiz yazılımı kullanarak dinamik fMRI yanıtlarını tanımlamak için daha etkili bir şema sağlar. Ayrıca, hayvanlarda beyin fonksiyonel çalışmaları için anında sorun giderme fizibilitesi ve gerçek zamanlı bir biofeedback stimülasyon paradigması sağlar.

Şekil 3 ve Şekil 4, temsili gerçek zamanlı voksel bilge BOLD-fMRI zaman rotasını ve elektriksel ön pençe stimülasyonlu fonksiyonel haritaları göstermektedir (3 Hz, 4 s, darbe genişliği 300 us, 2.5 mA). fMRI tasarım paradigması, toplam 8 çağ (130 tarama) ile 10 ön stimülasyon taraması, 3 stimülasyon taraması ve 12 inter-stimülasyon taramasından oluşur. Toplam tarama süresi 3 dakika 15 saniyedir (195 sn). Şekil 3, gerçek zamanlı edinme biçiminde blok tasarım paradigmasına (kırmızı çizgi) karşılık gelen karşıt FP-S1'in voksel açısından zaman seyrini (siyah çizgi) göstermektedir. Şekil 4, elektriksel ön pençe stimülasyonuna karşılık gelen aktif BOLD haritalarını göstermektedir. Etkinleştirilen bölgeler algılanır ve renkli kümeler (kırmızı ve sarı renkler) olarak görüntülenir. Deneyciler, kümelenmiş birimleri etkileşimli olarak keşfetmek ve bunları üst üste bindirilmiş renk kodlu bir görüntü olarak görüntülemek için AFNI yazılımındaki "Kümeler" işlevini kullanabilir.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61463/61463fig01.jpg"> Şekil 1: Ön pençe stimülasyonu için gerçek zamanlı fMRI deney düzeneği. Gerçek zamanlı fMRI kurulumunun basitleştirilmiş bir şeması ve kontrol parametrelerinin akışı (kesikli çizgiler) gösterilir. Bir bilgisayar (solda), darbe dizisi yürütme, uyaran izolatör kontrolü ve AFNI ile veri analizi için bir konsol olarak kullanılır. Diğer bilgisayar (sağda) fizyolojik bilgileri (örneğin, kan basıncı, solunum ve göğüs hareketi vb.) izlemek için kullanılır. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/61463/61463fig01large.jpg" target="_blank">Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61463/61463fig02.jpg"> Şekil 2: fMRI taraması sırasında veri işlemenin diyagramı. Gerçek zamanlı fMRI kurulumunda temsili makro ve AFNI işlevleriyle basitleştirilmiş bir veri işleme akış şeması gösterilir. fMRI taramalarına başlamadan önce, yeniden yapılandırma seçenekleri arasından "Görüntü Öncesi Etkinlikler" ve "Makro Yürüt" seçenekleri seçilir. "Setup_rt3DEPI" komut dosyası, "Tara" düğmesine tıklandığında bu seçenekler kullanılarak yürütülür. "Dimon" komutuyla, gerçek zamanlı AFNI dosyaları izlenir ve arka plan makro komut dosyası "Feed2AFNI_rt3DEPI" fMRI ham verilerini AFNI dosyalarına dönüştürdüğünde dinamik BOLD yanıtlarını görüntülemek için AFNI eklentisine gönderilir. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/61463/61463fig02large.jpg" target="_blank">Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61463/61463fig03.jpg"> Şekil 3: Gerçek zamanlı voksel tabanlı fMRI yanıtları. Blok tasarımı stimülasyon paradigması sırasında birincil ön pençe somatosensoriyel (FP-S1) korteksten aktive edilmiş tek bir voksel zaman kursu grafiği (siyah çizgi) gösterilmiştir. Tekrarlayan fMRI tasarım paradigması (kırmızı çizgi) "afni -rt -DAFNI_FIM_IDEAL=(Paradigma)" ile tanımlanmıştır. Grafik, net ve kararlı BOLD yanıtlarının gerçek zamanlı olarak elektriksel stimülasyonu takip ettiğini göstermektedir. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/61463/61463fig03large.jpg" target="_blank">Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61463/61463fig04.jpg"> Şekil 4: Kontralateral FP-S1 bölgelerinde elektriksel stimülasyona BOLD yanıtlarının fonksiyonel haritaları. FP-S1 bölgelerinde (sarı ve kırmızı renkler) aktive olan voksel kümeleri tanımlandı ve T2 ağırlıklı anatomik görüntülerin üzerine bindirilen tekrarlayan stimülasyon paradigması ile önemli ölçüde senkronize edildi. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/61463/61463fig04large.jpg" target="_blank">Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
Ek Dosyalar. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/61463/supplementary_files.zip" target="_blank">Bu dosyaları indirmek için lütfen tıklayınız.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Real-Time fMRI Brain Mapping in Animals at JoVE.com

Real-Time fMRI Brain Mapping in Animals

Hayvan beyni fonksiyonel haritalaması, gerçek zamanlı fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) deney kurulumundan yararlanabilir. Hayvan MRG sisteminde uygulanan en son yazılımı kullanarak, küçük hayvan fMRI için gerçek zamanlı bir izleme platformu kurduk.

Hayvanlarda Gerçek Zamanlı fMRI Beyin Haritalaması

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

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Neuroscience

3.4K Görüntüleme.  Max Planck Institute for Biological Cybernetics. Hayvan beyni fonksiyonel haritalaması, gerçek zamanlı fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) deney kurulumundan yararlanabilir. Hayvan MRG sisteminde uygulanan en son yazılımı kullanarak, küçük hayvan fMRI için gerçek zamanlı bir izleme platformu kurduk.

Video: 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.

Kemirgen Beyin aynı anda fMRI ve Elektrofizyoloji

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

Nörobilim

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.

Ultrasonik Kan-beyin bariyeri bozulması ve Manganez kontrastlı MRG kullanma İşlevsel beyin görüntüleme

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.

Yüksek alan fMRI kullanılarak Yetişkin kedilerde işitme korteksi Fonksiyonel Görüntüleme

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.

Kemirgenler Eşzamanlı fMRI ile derin beyin stimülasyonu

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.

Optogenetic Fonksiyonel 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.

Fonksiyonel Manyetik rezonans spektroskopi 7 fare varil kortekste bıyık etkinleştirme sırasında T

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.

Farelerde Nöro-İmmün Dinamiğin Vivo Görüntülemesinde Tekrarlayan Performans için Hassas Beyin Haritalaması

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

İmmünoloji ve Enfeksiyon

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.

Rochester Tıp Merkezi Üniversitesi'nde Çeviri beyin haritalama: Kişiselleştirilmiş Beyin Haritalama ile Zihin Korunması

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.

Transkraniyal Fonksiyonel Ultrason Görüntüleme Kullanan Farelerde Tüm Beyin 3D Aktivasyon ve Fonksiyonel Bağlantı Haritalaması

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.

Sıçanda Dinlenme Durumu Fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntüleme Verilerinin Alınması

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