Real-Time fMRI hjernekortlægning hos dyr
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
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).
