رسم خرائط الدماغ بالرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الحقيقي في الحيوانات
Summary
يمكن أن يستفيد رسم الخرائط الوظيفية لدماغ الحيوان من الإعداد التجريبي للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) في الوقت الفعلي. باستخدام أحدث البرامج المطبقة في نظام التصوير بالرنين المغناطيسي للحيوانات ، أنشأنا منصة مراقبة في الوقت الفعلي للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي للحيوانات الصغيرة.
Abstract
تختلف استجابات الرنين المغناطيسي الوظيفي الديناميكية إلى حد كبير وفقا للظروف الفسيولوجية للحيوانات إما تحت التخدير أو في حالات اليقظة. قمنا بتطوير منصة الرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الفعلي لتوجيه المجربين لمراقبة استجابات الرنين المغناطيسي الوظيفي على الفور أثناء الاستحواذ ، والتي يمكن استخدامها لتعديل فسيولوجيا الحيوانات لتحقيق استجابات الدورة الدموية المرغوبة في أدمغة الحيوانات. يعتمد إعداد التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الفعلي على نظام التصوير بالرنين المغناطيسي قبل السريري 14.1T ، مما يتيح رسم الخرائط في الوقت الفعلي لاستجابات الرنين المغناطيسي الوظيفي الديناميكية في القشرة الحسية الجسدية الأولية (FP-S1) للفئران المخدرة. بدلا من التحليل بأثر رجعي للتحقيق في المصادر المربكة التي تؤدي إلى تباين إشارات الرنين المغناطيسي الوظيفي ، توفر منصة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الفعلي مخططا أكثر فاعلية لتحديد استجابات الرنين المغناطيسي الوظيفي الديناميكية باستخدام وظائف ماكرو مخصصة وبرنامج تحليل الصور العصبية الشائع في نظام التصوير بالرنين المغناطيسي. كما أنه يوفر جدوى فورية لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها ونموذج تحفيز الارتجاع البيولوجي في الوقت الفعلي للدراسات الوظيفية للدماغ في الحيوانات.
Introduction
التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) هو طريقة غير جراحية لقياس استجابات الدورة الدموية1،2،3،4،5،6،7،8،9 ، على سبيل المثال ، يعتمد على مستوى الأكسجين في الدم (BOLD) ، وحجم الدم الدماغي وإشارة التدفق ، المرتبطة بالنشاط العصبي في الدماغ. في الدراسات التي أجريت على الحيوانات ، يمكن أن تتأثر إشارات الدورة الدموية بالتخدير 10 ، ومستوى الإجهاد للحيوانات المستيقظة 11 ، بالإضافة إلى القطع الأثرية غير الفسيولوجية المحتملة ، على سبيل المثال ، نبض القلب وحركات الجهاز التنفسي12،13،14،15. على الرغم من تطوير العديد من طرق ما بعد المعالجة لتوفير تحليل بأثر رجعي لإشارة الرنين المغناطيسي الوظيفي للديناميكيات الوظيفية المتعلقة بالمهمة وحالة الراحة ورسم خرائط الاتصال16،17،18،19 ، إلا أن هناك القليل من التقنيات لتوفير حل رسم خرائط وظائف الدماغ في الوقت الفعلي وقراءات فورية في دماغ الحيوان20 (يستخدم معظمها بشكل أساسي لرسم خرائط الدماغ البشري21 ، 22،23،24،25،26،27). على وجه الخصوص ، هذا النوع من طريقة رسم خرائط الرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الحقيقي غير موجود في الدراسات على الحيوانات. من الضروري إنشاء منصة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي لتمكين التحقيق في المراحل الفسيولوجية المعتمدة على حالة الدماغ في الوقت الفعلي وتوفير نموذج تحفيز الارتجاع البيولوجي في الوقت الفعلي للدراسات الوظيفية لدماغ الحيوان.
في العمل الحالي ، نوضح إعدادا تجريبيا للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الفعلي مع الوظائف الكلية المخصصة لبرنامج وحدة التحكم في التصوير بالرنين المغناطيسي ، مما يدل على المراقبة في الوقت الفعلي لاستجابات BOLD-fMRI المستثارة في القشرة الحسية الجسدية الأولية (FP-S1) للفئران المخدرة. يسمح هذا الإعداد في الوقت الفعلي بتصور تنشيط الدماغ المستمر في الخرائط الوظيفية ، بالإضافة إلى الدورات الزمنية الفردية بطريقة voxel الحكيمة ، باستخدام برنامج تحليل الصور العصبية الحالي ، تحليل الصور العصبية الوظيفية (AFNI)28. يتم وصف إعداد الإعداد التجريبي للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الفعلي للدراسة على الحيوانات في البروتوكول. إلى جانب إعداد الحيوانات ، نقدم إجراءات مفصلة لإعداد تصور وتحليل إشارات الرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الفعلي باستخدام أحدث برامج وحدة التحكم بالتوازي مع نصوص معالجة الصور. باختصار ، يعد إعداد التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي المقترح في الوقت الفعلي للدراسات على الحيوانات أداة قوية لمراقبة إشارات الرنين المغناطيسي الوظيفي الديناميكية في دماغ الحيوان باستخدام نظام وحدة التحكم في التصوير بالرنين المغناطيسي.
Protocol
Representative Results
Discussion
تساعد المراقبة في الوقت الفعلي لإشارة الرنين المغناطيسي الوظيفي المجربين على ضبط فسيولوجيا الحيوانات لتحسين رسم الخرائط الوظيفية. تعتبر القطع الأثرية الحركية في الحيوانات المستيقظة ، بالإضافة إلى تأثير التخدير ، من العوامل الرئيسية التي تتوسط في تباين إشارات التصوير بالرنين المغناطيس…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر الدكتور D. Chen والدكتور C. Yen على مشاركة نص AFNI لإعداد التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي في الوقت الفعلي ل PV 5 وفريق AFNI لدعم البرنامج. تم دعم هذا البحث بتمويل مبادرة NIH Brain Initiative (RF1NS113278-01 ، R01 MH111438-01) ، ومنحة أداة S10 (S10 RR023009-01) إلى مركز مارتينوس ، مؤسسة الأبحاث الألمانية (DFG) Yu215 / 3-1 ، BMBF 01GQ1702 ، والتمويل الداخلي من جمعية ماكس بلانك.
Materials
| 14.1T Bruker MRI system | Bruker BioSpin MRI GmbH | N/A | |
| A365 Stimulus Isolator | World Precision Instruments | N/A | |
| AcqKnowledge Software | Biopac | RRID:SCR_014279, http://www.biopac.com/product/acqknowledge-software/ | |
| AFNI | Cox, 1996 | RRID:SCR_005927, http://afni.nimh.nih.gov | |
| CO2SMO (ETCO2/SpO2 Monitor), Model 7100 | Novametrix Medical Systems Inc | N/A | |
| Isoflurane | CP-Pharma | Cat# 1214 | |
| Master-9 | A.M.P.I | N/A | |
| Nanoliter Injector | World Precision Instruments | Cat# NANOFIL | |
| Pancuronium Bromide | Inresa Arzneimittel | Cat# 34409.00.00 | |
| ParaVision 6 | Bruker BioSpin MRI GmbH | RRID:SCR_001964 | |
| Phosphate Buffered Saline (PBS) | Gibco | Cat# 10010-023 | |
| Rat: Sprague Dawley rat | Charles River Laboratories | Crl:CD(SD) | |
| SAR-830/AP Ventilator | CWE | N/A | |
| α-chloralose | Sigma-Aldrich | Cat# C0128-25G;RRID |
References
- Ogawa, S., Lee, T. M., Kay, A. R., Tank, D. W. Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation. Proceedings of the National Academy of Sciences U.S.A. 87 (24), 9868-9872 (1990).
- Belliveau, J. W., et al. Functional mapping of the human visual cortex by magnetic resonance imaging. Science. 254 (5032), 716-719 (1991).
- Stehling, M. K., Turner, R., Mansfield, P. Echo-planar imaging: magnetic resonance imaging in a fraction of a second. Science. 254 (5028), 43-50 (1991).
- Bandettini, P. A., Wong, E. C., Hinks, R. S., Tikofsky, R. S., Hyde, J. S. Time course EPI of human brain function during task activation. Magnetic Resonance in Medicine. 25 (2), 390-397 (1992).
- Kwong, K. K., et al. Dynamic magnetic resonance imaging of human brain activity during primary sensory stimulation. Proceedings of the National Academy of Science U. S. A. 89 (12), 5675-5679 (1992).
- Ogawa, S., et al. Intrinsic signal changes accompanying sensory stimulation: functional brain mapping with magnetic resonance imaging. Proceedings of the National Academy of Science U. S. A. 89 (13), 5951-5955 (1992).
- Biswal, B., Yetkin, F. Z., Haughton, V. M., Hyde, J. S. Functional connectivity in the motor cortex of resting human brain using echo-planar MRI. Magnetic Resonance in Medicine. 34 (4), 537-541 (1995).
- Logothetis, N. K. What we can do and what we cannot do with fMRI. Nature. 453 (7197), 869-878 (2008).
- Kim, S. G., Ogawa, S. Biophysical and physiological origins of blood oxygenation level-dependent fMRI signals. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 32 (7), 1188-1206 (2012).
- Peltier, S. J., et al. Functional connectivity changes with concentration of sevoflurane anesthesia. Neuroreport. 16 (3), 285-288 (2005).
- Dopfel, D., Zhang, N. Mapping stress networks using functional magnetic resonance imaging in awake animals. Neurobiology of Stress. 9, 251-263 (2018).
- Hu, X. P., Le, T. H., Parrish, T., Erhard, P. Retrospective Estimation and Correction of Physiological Fluctuation in Functional Mri. Magnetic Resonance in Medicine. 34 (2), 201-212 (1995).
- Birn, R. M. The role of physiological noise in resting-state functional connectivity. Neuroimage. 62 (2), 864-870 (2012).
- Caballero-Gaudes, C., Reynolds, R. C. Methods for cleaning the BOLD fMRI signal. Neuroimage. 154, 128-149 (2017).
- Pais-Roldan, P., Biswal, B., Scheffler, K., Yu, X. Identifying Respiration-Related Aliasing Artifacts in the Rodent Resting-State fMRI. Frontiers in Neuroscience. 12, 00788 (2018).
- Glover, G. H., Li, T. Q., Ress, D. Image-based method for retrospective correction of physiological motion effects in fMRI: RETROICOR. Magnetic Resonance in Medicine. 44 (1), 162-167 (2000).
- Chang, C., Cunningham, J. P., Glover, G. H. Influence of heart rate on the BOLD signal: The cardiac response function. Neuroimage. 44 (3), 857-869 (2009).
- Birn, R. M., Diamond, J. B., Smith, M. A., Bandettini, P. A. Separating respiratory-variation-related neuronal-activity-related fluctuations in fluctuations from fMRI. Neuroimage. 31 (4), 1536-1548 (2006).
- Golestani, A. M., Chang, C., Kwinta, J. B., Khatamian, Y. B., Chen, J. J. 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. Neuroimage. 104, 266-277 (2015).
- Lu, H. B., et al. Real-time animal functional magnetic resonance imaging and its application to neurophamacological studies. Magnetic Resonance Imaging. 26 (9), 1266-1272 (2008).
- Cox, R. W., Jesmanowicz, A., Hyde, J. S. Real-time functional magnetic resonance imaging. Magnetic Resonance Medicine. 33 (2), 230-236 (1995).
- Lee, C. C., Jack, C. R., Rossman, P. J., Riederer, S. J. Real-time reconstruction and high-speed processing in functional MR imaging. American Journal of Neuroradiology. 19 (7), 1297-1300 (1998).
- Voyvodic, J. T. Real-time fMRI paradigm control, physiology, and behavior combined with near real-time statistical analysis. Neuroimage. 10 (2), 91-106 (1999).
- Cohen, M. S. Real-time functional magnetic resonance imaging. Methods. 25 (2), 201-220 (2001).
- Posse, S., et al. A new approach to measure single-event related brain activity using real-time fMRI: Feasibility of sensory, motor, and higher cognitive tasks. Human Brain Mapping. 12 (1), 25-41 (2001).
- Decharms, R. C. Reading and controlling human brain activation using real-time functional magnetic resonance imaging. Trends in Cognitive Sciences. 11 (11), 473-481 (2007).
- Bruhl, A. B. Making Sense of Real-Time Functional Magnetic Resonance Imaging (rtfMRI) and rtfMRI Neurofeedback. International Journal of Neuropsychopharmacology. 18 (6), (2015).
- Cox, R. W. AFNI: Software for analysis and visualization of functional magnetic resonance neuroimages. Computers and Biomedical Research. 29 (3), 162-173 (1996).
- Liou, W. W., Goshgarian, H. G. Quantitative assessment of the effect of chronic phrenicotomy on the induction of the crossed phrenic phenomenon. Experimental Neurology. 127 (1), 145-153 (1994).
- Shih, Y. Y., et al. Ultra high-resolution fMRI and electrophysiology of the rat primary somatosensory cortex. Neuroimage. 73, 113-120 (2013).
- Masamoto, K., Kim, T., Fukuda, M., Wang, P., Kim, S. G. Relationship between neural, vascular, and BOLD signals in isoflurane-anesthetized rat somatosensory cortex. Cerebral Cortex. 17 (4), 942-950 (2007).
- van Alst, T. M., et al. Anesthesia differentially modulates neuronal and vascular contributions to the BOLD signal. Neuroimage. 195, 89-103 (2019).
- Wu, T. L., et al. Effects of isoflurane anesthesia on resting-state fMRI signals and functional connectivity within primary somatosensory cortex of monkeys. Brain and Behavior. 6 (12), 00591 (2016).
- Liu, X., Zhu, X. H., Zhang, Y., Chen, W. The change of functional connectivity specificity in rats under various anesthesia levels and its neural origin. Brain Topography. 26 (3), 363-377 (2013).
- Liu, X. P., et al. Multiphasic modification of intrinsic functional connectivity of the rat brain during increasing levels of propofol. Neuroimage. 83, 581-592 (2013).
- Hutchison, R. M., Hutchison, M., Manning, K. Y., Menon, R. S., Everling, S. Isoflurane induces dose-dependent alterations in the cortical connectivity profiles and dynamic properties of the brain’s functional architecture. Human Brain Mapping. 35 (12), 5754-5775 (2014).
- He, Y., et al. Ultra-Slow Single-Vessel BOLD and CBV-Based fMRI Spatiotemporal Dynamics and Their Correlation with Neuronal Intracellular Calcium Signals. Neuron. 97 (4), 925-939 (2018).
- Yoshida, K., et al. Physiological effects of a habituation procedure for functional MRI in awake mice using a cryogenic radiofrequency probe. Journal of Neuroscience Methods. 274, 38-48 (2016).
