Funktionel kortlægning af dyrehjerner kan drage fordel af den eksperimentelle opsætning af funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI) i realtid. Ved hjælp af den nyeste software, der er implementeret i dyrenes MR-system, etablerede vi en realtidsovervågningsplatform for fMRI for små dyr.
Dynamiske fMRI-reaktioner varierer stort set alt efter de fysiologiske forhold hos dyr, enten under anæstesi eller i vågen tilstand. Vi udviklede en real-time fMRI-platform til at guide eksperimenter til at overvåge fMRI-responser øjeblikkeligt under erhvervelse, som kan bruges til at ændre dyrs fysiologi for at opnå ønskede hæmodynamiske reaktioner i dyrehjerner. Realtidsopsætningen af fMRI er baseret på et 14,1T præklinisk MR-system, der muliggør kortlægning i realtid af dynamiske fMRI-responser i den primære forpote somatosensoriske cortex (FP-S1) hos bedøvede rotter. I stedet for en retrospektiv analyse for at undersøge forvirrende kilder, der fører til variabiliteten af fMRI-signaler, giver realtids fMRI-platformen et mere effektivt skema til at identificere dynamiske fMRI-svar ved hjælp af tilpassede makrofunktioner og en fælles neuroimageanalysesoftware i MR-systemet. Det giver også øjeblikkelig fejlfindingsmulighed og et realtids biofeedback-stimuleringsparadigme til hjernefunktionelle undersøgelser hos dyr.
Funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI) er en ikke-invasiv metode til måling af hæmodynamiske reaktioner 1,2,3,4,5,6,7,8,9, fx blod-ilt-niveauafhængig (BOLD), cerebral blodvolumen og flowsignal, der er forbundet med neural aktivitet i hjernen. I dyreforsøg kan hæmodynamiske signaler påvirkes af anæstesi10, stressniveauet hos vågne dyr 11 samt de potentielle ikke-fysiologiske artefakter, fx hjertepulsering og åndedrætsbevægelser12,13,14,15. Selvom mange efterbehandlingsmetoder er blevet udviklet til at give en retrospektiv analyse af fMRI-signalet til den opgaverelaterede og hviletilstands funktionelle dynamik og forbindelseskortlægning16,17,18,19, er der få teknikker til at tilvejebringe en realtids hjernefunktionskortlægningsløsning og øjeblikkelige aflæsninger i dyrehjernen 20 (hvoraf de fleste hovedsageligt bruges til kortlægning af menneskelig hjerne 21, 22,23,24,25,26,27). Især mangler denne form for realtids fMRI-kortlægningsmetode i dyreforsøg. Det er nødvendigt at oprette en fMRI-platform for at muliggøre undersøgelse af hjernetilstandsafhængige fysiologiske stadier i realtid og for at tilvejebringe realtids biofeedbackstimuleringsparadigme til funktionelle undersøgelser af dyrehjerner.
I dette arbejde illustrerer vi en real-time fMRI eksperimentel opsætning med de tilpassede makrofunktioner i MR-konsolsoftwaren, der demonstrerer realtidsovervågning af de fremkaldte BOLD-fMRI-responser i den primære forpote somatosensoriske cortex (FP-S1) hos de bedøvede rotter. Denne realtidsopsætning giver mulighed for visualisering af den igangværende hjerneaktivering i funktionelle kort samt individuelle tidsforløb på en voxel-klog måde ved hjælp af den eksisterende neuroimageanalysesoftware, Analysis of Functional NeuroImages (AFNI)28. Forberedelsen af real-time fMRI forsøgsopstillingen til dyreforsøget er beskrevet i protokollen. Udover dyreopsætningen leverer vi detaljerede procedurer til opsætning af visualisering og analyse af fMRI-signaler i realtid ved hjælp af den nyeste konsolsoftware parallelt med billedbehandlingsscripts. Sammenfattende er den foreslåede realtids fMRI-opsætning til dyreforsøg et kraftfuldt værktøj til overvågning af de dynamiske fMRI-signaler i dyrehjernen ved hjælp af MR-konsolsystemet.
Realtidsovervågning af fMRI-signalet hjælper eksperimenter med at justere dyrenes fysiologi for at optimere funktionel kortlægning. Bevægelsesartefakter hos vågne dyr såvel som den bedøvelseseffekt er vigtige faktorer, der formidler variabiliteten af fMRI-signaler, hvilket forvirrer den biologiske fortolkning af signalet i sig selv 31,32,33,34,35,36,37,38 </s…
The authors have nothing to disclose.
Vi takker Dr. D. Chen og Dr. C. Yen for at dele AFNI-scriptet til opsætning af realtids fMRI til PV 5 og AFNI-teamet til softwaresupport. Denne forskning blev støttet af NIH Brain Initiative-finansiering (RF1NS113278-01, R01 MH111438-01) og S10-instrumenttilskuddet (S10 RR023009-01) til Martinos Center, German Research Foundation (DFG) Yu215/3-1, BMBF 01GQ1702 og den interne finansiering fra Max Planck Society.
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 |