Hayvanlarda Gerçek Zamanlı fMRI Beyin Haritalaması
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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 </su…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
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).
