Dieses Material basiert auf Arbeiten von der National Science Foundation unter Grant 1063774 BCS unterstützt werden.

1. Polar-Winkel Topographie Stimulus und Psychophysik Um einen polaren Winkel retinotopen-Karte in der SC zu erhalten, verwenden wir eine 90 °-Keil von sich bewegenden Punkten als Stimulus (Exzentrizität 2-9 ° Sehwinkel, bedeuten dot-Speed ​​4 ° / sec) (Abb. 1). Es ist bekannt, dass Aktivität in der SC durch die Anwendung verdeckter Aufmerksamkeit 5 wird erweitert, daher verwenden wir eine Aufmerksamkeit Aufgabe in unserem Paradigma zur Verfügung Signal zu erhöhen. Auf je 2 s-Studie werden die Personen angewiesen, heimlich auf den gesamten Keil besuchen und führen Sie eine Geschwindigkeit von Diskriminierung Aufgabe unter Beibehaltung Fixierung. Der Keil wird in 2 × 3 virtuelle Sektoren mit Punkten in einer der Sektoren, die zufällig für jede Versuchsperson ausgewählt, bewegen sich langsamer oder schneller als alle anderen Punkte geteilt. Nach jedem Versuch wird der Keil um 30 ° gedreht um Fixierung, so dass der Reiz vollständig rotiert mit einer 24 Sek. Zeit. Jeder Lauf besteht aus 9,5 Umdrehungen des Stimulus (228 sec) und experimentellen Sitzungen umfassen16-18 Läufe. Zum Thema Performance an dieser Aufgabe während der gesamten Dauer der einzelnen Läufe zu halten, wird die Schwierigkeit der Aufgabe angepasst mit Hilfe von zwei zufällig verschachtelt Zwei-bis-Eins-Down-Treppen. Nach jeweils zwei aufeinander folgenden richtigen Studien der Geschwindigkeitsunterschied wird um 8% reduziert, und für jeden falschen Versuch, die Differenz wird um 8% erhöht. Vor dem Scannen zu üben alle Probanden die visuelle Aufgabe außerhalb des Scanners, bis sie eine stabile Niveau der Leistung zu erreichen; dies erfordert 4.3 20 Minuten Dauer Trainingssitzungen. Typische Diskriminierung Schwellenwerte liegen im Bereich von 1 ° -1,5 ° / sek. 2. Betreff Vorbereitung <ol><li> Themen Köpfe sind mit Pads befestigt, um Kopfbewegungen zu minimieren, bevor sie das Innere des Scanners Bohrung positioniert sind. Bei diesen hohen räumlichen Auflösungen, ist fMRT besonders empfindlich gegenüber Bewegungsartefakten, so Kopf Stabilisierung ist kritisch. </li><li> Themen sind eine MRT-Kompatib gegebenle Tastenfeld in der einen Hand und wies darüber, welche Taste zu drücken, um ihre Urteile über dot Geschwindigkeit angeben. </li></ol> 3. Die Lokalisierung und die den SC <ol><li> Menschliche SC ist eine kleine, aber feine Struktur, ~ 9 mm im Durchmesser, auf dem Dach des Mittelhirns gelegen. Bei Verwendung einer kleinen Anzahl von fMRT-Scheiben werden mehrere Localizer Imaging-Serie für seine präzise Lokalisation erforderlich. Wir führen diese Reihe entlang sagittal, axial und koronal Ebenen. </li><li> Dann verwenden wir diese Lokalisierungsbildern genau vorschreiben, die mit 8-10 SC zusammenhängenden Scheiben, 1,2 mm dick, Field-of-View (FOV), 170 mm in einer schrägen, quasi-axialen Ebene. </li><li> Weiter mit hoher Auflösung T 1-gewichteten strukturellen Bilder werden unter Verwendung eines dreidimensionalen (3D) HF-verdorben GRAS (SPGR)-Sequenz (15 ° Kippwinkel, 1,2 mm Voxel) einmal vor dem Sammeln der Funktionsdaten und einmal nach. Diese Bilder werden als Referenz verwendet, um die fMRI-Daten zu einem hochauflösenden str auszurichtenuctural Referenzvolumen in einer separaten Sitzung, die wir später beschreiben erhalten. </li></ol> 4. Funktionelle MRT-Parameter Alle Bildgebung wurde an einem GE Signa HD12 3T-MRT-Scanner mit der GE-supplied 8-Kanal, Kopfspule durchgeführt. Die Anregung war ein 6,4 ms windowed-sinc-Puls angewendet Benutzung des Scanners Körperspule. Bis 1,2 mm Probenahme in der menschlichen SC erhalten, verwenden wir ein Drei-Schuss-Spirale Flugbahn Übernahme 6,7. Drei Schüsse sind aus mehreren Gründen notwendig. Vor allem Single-Shot-Übernahme für unsere Scanner und FOV erforderlich&gt; 77 ms, zu lang, praktisch zu sein. Die mehrere Aufnahmen miteinander nach einer Korrektur durch Subtrahieren des Ausgangswertes und lineare Verlauf der Phase vereinigt. TE von 2 ms an dem ersten Rahmen, um ein Feld Landkarte aus den ersten beiden Volumina erworbenen abzuschätzen erhöht, und diese Karte für eine lineare Korrektur verwendet. Rekonstruierte Bilder hatten ein SNR von ~ 20. Zeitliche Leistungsspektren in SC Voxel typischerweisezeigten wenig von der Struktur mit physiologischem Rauschen zugeordnet ist; die Verwendung eines 3-Schuss-Akquisition eine starke Filterung auf der vergleichsweise hohen Frequenz Auswirkungen der kardialen Puls und Atmung. Andere Lärmminderung Techniken sind problematisch in diesem Kontext mit hoher Auflösung. Zum Beispiel sind rückwirkenden Korrektur Verfahren wie RETROICOR 6 nicht für Multi-Shot-Daten und EKG-Gating stellt Rauschen und Störung der Artefakt mit T 1 Gleichgewicht zugeordnet. Echo Zeit T E = 40 ms, ist länger als in der Regel in der Rinde (30 ms) verwendet, weil wir eine entsprechend längerem T 2 * im SC Gewebe (~ 60 ms) gemessen wird, als in kortikalen grauen Substanz (~ 45 ms) beobachtet. Acquisition Bandbreite ist auf 62,5 kHz begrenzt auf Spitzenleistung Gradientenstrom, die unerwünschte Erwärmung verursacht auf unseren Scanner zu reduzieren. Wir wählen TR = 1 sec, also mit drei Schüssen ein Volumen alle 3 wird erworbensek. 5. Strukturelle MRT und 3D-Modellierung In einem einzigen separaten Sitzung für jedes Fach, so erhalten wir eine hochauflösende (0,7 mm Probenahme) Referenzvolumen mit einem T 1-gewichteten Sequenz, die gute Gewebekontrast (3D SPGR, 15 ° Kippwinkel, Inversion mit T I = 450 gibt vorbereitet ms, 2 Anregungen, ~ 28 Minuten Dauer, 0,7 mm Voxel). In dieser Referenz Volumen, Segment, das wir das Gewebe des Mittelhirns, Hirnstamm und Teile des Thalamus (Abb. 2A) mit einer Kombination aus automatischen und manuellen Techniken, die von der ITK-SNAP Anwendung 2 vorgesehen ist. Insbesondere nutzen wir eine automatische Segmentierung Werkzeug, in dem der Benutzer Samen mehreren Punkten innerhalb jeder Hirnstamm; die Software dann automatisch erweitert die Segmentierung um den Samen herum Punkte innerhalb einer Region durch Kontrast und Intensität Kriterien definiert eingeschränkt. Diese automatische Segmentierung wird dann einstellened, wenn nötig, mit Hilfe manueller, &quot;Paint-like&quot; Voxel-Tools. Der Liquor-Gewebe-Grenzfläche des SC ausgewählt ist aus der Segmentierung mit isodensity Oberfläche Tessellation interpoliert, und diese erste Oberfläche wird raffiniert, um Aliasing-Artefakte (Abb. 2, B und D) mit einem Variationsproblem verformbare Oberfläche Algorithmus 3 zu reduzieren. Diese Oberfläche Ecken und äußeren Normalen-Vektoren als Referenz für die laminare Berechnungen (unten beschrieben) sowie Mittel zur funktionellen Daten zu visualisieren verwendet werden. 6. Bildanalyse Um die fMRI-Daten zu analysieren, verwenden wir die mrVista Software-Paket (zum Download unter <a href="http://white.stanford.edu/mrvista.php" target="_blank">http://white.stanford.edu/mrvista.php)</a> sowie Tools auf der mrVista Rahmen in unserem Labor entwickelt. In den nächsten Schritten verwenden wir Standard-Paket mrVista Werkzeuge: <ol><li> Initialisierendie Sitzung im mrVista, Auswahl der Option zur räumlichen Normalisierung der Intensität der gemittelten Daten, um die Auswirkungen der Spule Inhomogenität zu verringern. Die Normierung verwendet eine homomorphe Verfahren, dh Division mit einem Tiefpass-gefilterte Version der zeitlich gemitteltes Volumen Bildintensitäten mit einem Additiv robuste Korrektur geschätzten Rauschpegel. Die ersten Halbzyklus der Bilder (12 sec) gelöscht wird, um transiente MR Gleichgewicht und hämodynamische Effekte zu vermeiden. </li><li> Korrigieren Sie innerhalb eines Laufs Bewegung. Die Bewegung wird aus der Zeitreihe der Bände geschätzt. Jedoch aufgrund der relativ geringen Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) der Bilder, wir zuerst eine 5-Probe Boxcar Glätten auf der Zeitreihe. Jeder Band wird dann zu dem Durchschnitt der letzten 5 Proben registriert. Beachten Sie, dass Glättung wird nur verwendet, um die Bewegung zu schätzen, und die eigentlichen Daten werden nicht geglättet. </li><li> Bilden zeitliche Mittelwerte von jedem Lauf die Bewegung korrigierten Bilddaten, und verwenden Sie diese Durchschnittswerte, die zwischen geführte Bewegung USI korrigierenng der letzte Lauf als Referenz. </li><li> Führen Sie eine Slice-Timing-Korrektur. Wir verwenden sequentielle Akquisition Scheibe, so dass Fehler durch Durchführung von Timing-Korrektur nach der Bewegungskorrektur klein sein wird (~ 125 ms). </li><li> Durchschnittliche die mehrere Läufe in jeder Session aufgezeichnet das SNR zu verbessern. </li><li> Richten Sie die strukturellen Daten aus der fMRT-Sitzung mit dem Verweis Bauvolumen mit einer robusten Intensität-basierte Registrierung Algorithmus 8. Legen Sie die Ausrichtung und Segmentierung in mrVista. </li><li> Verwandeln Sie die funktionalen Zeitreihendaten der segmentierten Referenz-Lautstärke. In den folgenden Schritten verwenden wir Werkzeuge in unserem Labor entwickelt, um weitere Analysen durchzuführen. </li><li> Berechnen einer Entfernung durch Berechnen des Abstandes zwischen jeweils SC Gewebe Voxel und seinem nächsten Knoten auf dem SC Oberfläche. Diese Abstände werden verwendet, um laminare Position innerhalb des Referenz-Lautstärke zu messen. </li><li> Führen Sie eine laminare Segmentierung in die Tiefe Mittelung der Zeitreihen-Daten zu ermöglichen, th verbesserne SNR. Klein (1,6 mm Durchmesser) Scheiben aus Gewebe zu jedem Eckpunkt des Oberflächenmodells entlang der gesamten oberflächlichen SC Oberfläche verbunden sind, und jede Scheibe wird dann nach innen und nach außen von der SC Gewebe erweitert unter Verwendung der lokalen Flächennormalen einen einzelnen laminaren Nachbarschaft zu bilden 4. </li><li> Für jeden Punkt auf der Oberfläche SC, nutzen wir diese laminare Verbänden, um die Zeitreihen über einen bestimmten Tiefenbereich zu mitteln. Da sind in erster Linie visuell ansprechenden Neuronen in den oberflächlichen Schichten des SC, für die visuelle Stimulation Experiment, das wir einen Tiefenbereich von 0 bis 1,8 mm verwendet. </li></ol> 7. Topographische Kartierung Analyse Zur Analyse der topographischen Darstellung der Daten ist auf der Kohärenzanalyse tiefengemittelten Zeitreihe, indem eine Sinuskurve an der Wiederholfrequenz Impulse (dh, 1/24 Hz für die 24 Sek. Impulse oben beschrieben) für jedes Voxel durchgeführt. Aus dieser Passform, leiten wir Karten Oberfläche der Befragtense Amplitude, Kohärenz und Phase. Diese Analyse wird im Frequenzbereich durchgeführt und ist eine verbreitete Technik, um retinotopen Karten im visuellen Kortex 9,10 quantifizieren. Die Phase des sinusförmigen Sitz misst die Position des Reizes. Zero-Phase entspricht dem oberen vertikalen Meridians (Abb. 3). Der Reiz dann dreht sich im Uhrzeigersinn, so dass eine π / 2 Phasen zu, wenn der Stimulus gedreht hat, um den horizontalen Meridian in der rechten Gesichtsfeld entspricht. Nach π Radian der Stadium überwindet der Stimulus in das linke Gesichtsfeld, und so weiter. Wir haben auch Grenzen der gesamte Flächenausdehnung des SC durch manuelle Inspektion der hochauflösenden T1-gewichteten Volumen Anatomie erhalten. Diese Grenzen sind in Bild markiert. 3 durch rot gestrichelte Linien. fMRT misst nicht direkt die neuronale Aktivität, sondern vielmehr eine Durchblutung Reaktion, die eng gekoppelt ist, aber trägeauf neuronale Aktivität. Dies fügt einen hämodynamischen Verzögerung zum Phasengang. Die Verzögerung wird durch Ergreifung aller Voxel oberhalb unseres Kohärenz Schwelle von jedem SC Region-of-Interest, und Zentrierung ihre Mittel um π in der komplexen Ebene geschätzt. In unserem SC-Daten, sind diese Verzögerungen ziemlich klein in der Größenordnung von 2-4 Sekunden. Wir entfernen diese Verzögerung durch Drehen der Farbtabelle von 45 Grad (entsprechend 3 sec) (Abb. 3) gegen den Uhrzeigersinn. 8. Repräsentative Ergebnisse Phase-Daten auf einer 3D-Oberfläche des SC (3) überlagert zeigt, dass die Reaktion auf visuelle Stimulation kontralateral in der SC, dh dem linken Blickfeld auf der rechten SC dargestellt und vice-versa einem dargestellt. Es gibt auch eine retinotopen Organisation der Aktivität. Der rechte obere Gesichtsfeld medial auf der linken Colliculus (Blau-Magenta) dargestellt, und der untere Bereich seitlich (rot-gelb) dargestellt. Similarly, wird der linke obere Gesichtsfeld medial auf der rechten Colliculus (blau-Cyan) dargestellt und unteren seitlich (grün-gelb) dargestellt. Diese Topographie ist konsistent mit den Ergebnissen der nicht-menschlichen Primaten-Studien von SC Antworten: 1) auf visuelle Stimulation mit Single-Unit-Elektrophysiologie, und 2) die Abbildung der Mikrostimulation induzierten Sakkaden 11,12. <img alt="1" src="/files/ftp_upload/3746/3746fig1.jpg" /> Abbildung 1. A) Slice-Rezept auf mittsagittale Bild betrachtet. B) zeitlichen Mittelwert (aus 1-Lauf) der funktionellen Bilder von der zentralen Scheibe in rot in A) markiert erhalten. <img alt="2" src="/files/ftp_upload/3746/3746fig2.jpg" /> Abbildung 2. Polar-Winkel Topographie Reiz. Eine 90 °-Keil von bewegten schwarz-weißen Punkten auf einem grauen Hintergrund drehte sich langsam um Fixierung. Der Keil wurde in ein Array von 6 unterteilt virtüal Sektoren (graue Linien hinzugefügt, um Sektoren zu betonen), damit das Thema auf eine Geschwindigkeit von Diskriminierung Aufgabe in einem zufällig ausgewählten Sektor durchzuführen. <img alt="Abbildung 3" src="/files/ftp_upload/3746/3746fig3.jpg" /> Abbildung 3. Segmentierung und Oberflächen-Modellierung. A) Das Mittelhirn, Hirnstamm und Teile des Thalamus waren segmentierten von hochauflösenden MRT Anatomie Bände. B) Eine Oberfläche wurde an der Kante der segmentierten Region erstellt. C) Sinus-Fit-Phasen-Daten auf einer Ebene liegenden Scheibe (Kohärenz&gt; 0,25) angesehen. D) A gedreht wird und vergrößerte Ansicht des Hirnstamms Oberfläche Modell wurde verwendet, um Phasendaten auf der SC zu visualisieren. <img alt="Abbildung 4" src="/files/ftp_upload/3746/3746fig4.jpg" /> Abbildung 4. Polar-Winkel Karten. fMRI-Phase-Karten in zwei Fächern, die visuelle Polarwinkel zu kodieren. Coherence Schwellenwerte für jede Karte auf der rechten unteren Ecke zur Verfügung gestellt. Das Farbrad bezieht sich die überlagerte Phasen des Stimulus in S.olar Winkel, um ihre Blickfeldpositionen.

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Keine Interessenskonflikte erklärt.

Unsere Akquisitions-und Daten-Analyse-Techniken ermöglichen die Messung neuronaler Aktivität im menschlichen Gehirn subkortikalen Strukturen mit hoher Auflösung (1,2 mm Voxel). Das 3-Schuss Spirale Akquisition reduziert die physiologische Geräusche, die besonders schädlich für fMRT-Messungen in der Umgebung des Mittelhirns ist. Darüber hinaus können unsere laminaren Segmentierung des Gewebes uns Tiefe Mittelung der Daten, die Verbesserung der SNR hilft durchzuführen. Wir haben diese Methoden verwendet werden, u...

high-resolution functional magnetic resonance imaging methods for human midbrain

Funktionelle MRT (fMRT) ist ein weit verbreitetes Werkzeug zur nichtinvasiven Messung Korrelate der menschlichen Gehirnaktivität. Allerdings hat die Verwendung meist auf das Messen der Aktivität auf der Oberfläche der Hirnrinde als in subkortikalen Regionen wie Mittelhirn und Hirnstamm konzentriert. Subkortikale fMRI überwinden muss zwei Herausforderungen: räumliche Auflösung und physiologisches Rauschen. Hier beschreiben wir ein optimiertes Set von Techniken entwickelt, um hochauflösende fMRT in der menschlichen SC, eine Struktur auf der dorsalen Fläche des Mittelhirns durchzuführen; Die Methoden können auch auf andere Bild Hirnstamm und subkortikalen Strukturen verwendet werden. Hochauflösende (1,2 mm Voxel) fMRI des SC erfordert einen nicht-konventionellen Ansatz. Die gewünschte räumliche Abtastung wird mit Hilfe einer Multi-Shot (verschachtelt) Spiral-Akquisition ein. Da T 2 * von SC Gewebe länger als in der Rinde, eine entsprechend mehr Echozeit (TE ~ 40 ms) mit Maximieren funktionalen Kontrast. Um das volle Ausmaß der SC zu decken, werden 8-10 Scheiben erhalten. Für jede Sitzung ein strukturelles Anatomie mit der gleichen Schicht wie die Verschreibung fMRI wird auch erhalten, die verwendet wird, um die funktionellen Daten zu einem hochauflösenden Referenzvolumen auszurichten. In einer separaten Sitzung, für jedes Fach, schaffen wir eine hoch auflösende (0,7 mm Probenahme) Referenz-Lautstärke mit einem T 1-gewichteten Sequenz, die gute Gewebeverträglichkeit Gegensatz gibt. In der Referenz-Lautstärke, ist die Region im Mittelhirn segmentiert mit dem ITK-SNAP Software-Anwendung 2. Diese Segmentierung wird verwendet, um eine 3D-Oberfläche Darstellung des Mittelhirns, die sowohl eine präzise und einfache 3 zu schaffen. Die Oberfläche Ecken und Normalen werden verwendet, um eine Straßenkarte der Tiefe von der Oberfläche Mittelhirn innerhalb des Gewebes 4 zu erzeugen. Funktionelle Daten in das Koordinatensystem des segmentierten Referenz-Volumenstrom transformiert. Tiefe Verbände der Voxelermöglichen die Mittelung der fMRT-Zeitreihen im angegebenen Tiefe reicht, um Signalqualität zu verbessern. Die Daten werden auf der 3D-Oberfläche zur Visualisierung erstellt. In unserem Labor verwenden wir diese Technik zur Messung von topographischen Karten der visuellen Stimulation und verdeckten und offenen visuelle Aufmerksamkeit innerhalb der SC-1. Als Beispiel zeigen wir die topographische Darstellung der Polarwinkel zur visuellen Stimulation in SC.

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High-resolution Functional Magnetic Resonance Imaging Methods for Human Midbrain

Dieser Artikel beschreibt Techniken zur hochauflösenden funktionellen Kernspintomografie mit 1,2 mm Probenahme in der menschlichen Mittelhirn und subkortikalen Strukturen mit einem 3T Scanner durchführen. Die Verwendung dieser Techniken, um topographische Karten der visuellen Stimulation in der menschlichen Colliculus superior (SC) zu lösen ist als ein Beispiel gegeben.

Hochauflösende Functional Magnetic Resonance Imaging Methods for Human Mittelhirn

Functional MRI (fMRI) is a widely used tool for non-invasively measuring correlates of human brain activity. However, its use has mostly been focused upon ...

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Research

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Neuroscience

12.8K Aufrufe.  The University of Texas at Austin. Dieser Artikel beschreibt Techniken zur hochauflösenden funktionellen Kernspintomografie mit 1,2 mm Probenahme in der menschlichen Mittelhirn und subkortikalen Strukturen mit einem 3T Scanner durchführen. Die Verwendung dieser Techniken, um topographische Karten der visuellen Stimulation in der menschlichen Colliculus superior (SC) zu lösen ist als ein Beispiel gegeben.

Serie: High-resolution Functional Magnetic Resonance Imaging Methods for Human Midbrain

Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) with Auditory Stimulation in Songbirds

The neurobiology of birdsong, as a model for human speech, is a pronounced area of research in behavioral neuroscience. Whereas electrophysiology and molecular approaches allow the investigation of either different stimuli on few neurons, or one stimulus in large parts of the brain, blood oxygenation level dependent (BOLD) functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) allows combining both advantages, i.e. compare the neural activation induced by different stimuli in the entire brain at once. fMRI in songbirds is challenging because of the small size of their brains and because their bones and especially their skull comprise numerous air cavities, inducing important susceptibility artifacts. Gradient-echo (GE) BOLD fMRI has been successfully applied to songbirds 1-5 (for a review, see 6). These studies focused on the primary and secondary auditory brain areas, which are regions free of susceptibility artifacts. However, because processes of interest may occur beyond these regions, whole brain BOLD fMRI is required using an MRI sequence less susceptible to these artifacts. This can be achieved by using spin-echo (SE) BOLD fMRI 7,8 . In this article, we describe how to use this technique in zebra finches (Taeniopygia guttata), which are small songbirds with a bodyweight of 15-25 g extensively studied in behavioral neurosciences of birdsong. The main topic of fMRI studies on songbirds is song perception and song learning. The auditory nature of the stimuli combined with the weak BOLD sensitivity of SE (compared to GE) based fMRI sequences makes the implementation of this technique very challenging.

Functional Magnetic Resonance Imaging fMRI with Auditory Stimulation in Songbirds

This article shows an optimized procedure for imaging of the neural substrates of auditory stimulation in the songbird brain using functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI). It describes the preparation of the sound stimuli, the positioning of the subject and the acquisition and subsequent analysis of the fMRI data.

Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) mit Auditive Stimulation in Singvögel

The neurobiology of birdsong, as a model for human speech, is a pronounced area of research in behavioral neuroscience. Whereas electrophysiology and ...

Forschung

Verhalten

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.

Funktionelle Bildgebung mit Ultraschall-Blut-Hirnschranke Störung und Mangan-MRT

Although mice are the dominant model system for studying the genetic and molecular underpinnings of neuroscience, functional neuroimaging in mice remains ...

Neurowissenschaften

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.

Funktionelle Bildgebung Auditory Cortex bei erwachsenen Katzen mit Hochfeld-fMRI

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.

Deep Brain Stimulation mit gleichzeitiger fMRT in Nagetiere

In order to visualize the global and downstream neuronal responses to deep brain stimulation (DBS) at various targets, we have developed a protocol for ...

High-resolution In Vivo Manual Segmentation Protocol for Human Hippocampal Subfields Using 3T Magnetic Resonance Imaging

The human hippocampus has been broadly studied in the context of memory and normal brain function and its role in different neuropsychiatric disorders has been heavily studied. While many imaging studies treat the hippocampus as a single unitary neuroanatomical structure, it is, in fact, composed of several subfields that have a complex three-dimensional geometry. As such, it is known that these subfields perform specialized functions and are differentially affected through the course of different disease states. Magnetic resonance (MR) imaging can be used as a powerful tool to interrogate the morphology of the hippocampus and its subfields. Many groups use advanced imaging software and hardware (&#62;3T) to image the subfields; however this type of technology may not be readily available in most research and clinical imaging centers. To address this need, this manuscript provides a detailed step-by-step protocol for segmenting the full anterior-posterior length of the hippocampus and its subfields: cornu ammonis (CA) 1, CA2/CA3, CA4/dentate gyrus (DG), strata radiatum/lacunosum/moleculare (SR/SL/SM), and subiculum. This protocol has been applied to five subjects (3F, 2M; age 29-57, avg. 37). Protocol reliability is assessed by resegmenting either the right or left hippocampus of each subject and computing the overlap using the Dice&#39;s kappa metric. Mean Dice&#39;s kappa (range) across the five subjects are: whole hippocampus, 0.91 (0.90-0.92); CA1, 0.78 (0.77-0.79); CA2/CA3, 0.64 (0.56-0.73); CA4/dentate gyrus, 0.83 (0.81-0.85); strata radiatum/lacunosum/moleculare, 0.71 (0.68-0.73); and subiculum 0.75 (0.72-0.78). The segmentation protocol presented here provides other laboratories with a reliable method to study the hippocampus and hippocampal subfields in vivo using commonly available MR tools.

High-resolution In Vivo Manual Segmentation Protocol for Human Hippocampal Subfields Using 3T Magnetic Resonance Imaging

The goal of this manuscript is to study the hippocampus and hippocampal subfields using MRI. The manuscript describes a protocol for segmenting the hippocampus and five hippocampal substructures: cornu ammonis (CA) 1, CA2/CA3, CA4/dentate gyrus, strata radiatum/lacunosum/moleculare, and subiculum.

Hohe Auflösung<em&gt; In-vivo-</em&gt; Manuelle Segmentierung Protokoll für Menschen Hippocampus Teilfelder Verwenden von 3T Kernspintomographie

The human hippocampus has been broadly studied in the context of memory and normal brain function and its role in different neuropsychiatric disorders has ...

High-resolution Structural Magnetic Resonance Imaging of the Human Subcortex In Vivo and Postmortem

The focus of this study was to test the resolution limits of structural MRI of a postmortem brain compared to living human brains. The resolution of structural MRI in vivo is ultimately limited by physiological noise, including pulsation, respiration and head movement. Although imaging hardware continues to improve, it is still difficult to resolve structures on the millimeter scale. For example, the primary visual sensory pathways synapse at the lateral geniculate nucleus (LGN), a visual relay and control nucleus in the thalamus that normally is organized into six interleaved monocular layers. Neuroimaging studies have not been able to reliably distinguish these layers due their small size that are less than 1 mm thick.
The resolving limit of structural MRI, in a postmortem brain was tested using multiple images averaged over a long duration (~24 h). The purpose was to test whether it was possible to resolve the individual layers of the LGN in the absence of physiological noise. A proton density (PD)1 weighted pulse sequence was used with varying resolution and other parameters to determine the minimum number of images necessary to be registered and averaged to reliably distinguish the LGN and other subcortical regions. The results were also compared to images acquired in living human brains. In vivo subjects were scanned in order to determine the additional effects of physiological noise on the minimum number of PD scans needed to differentiate subcortical structures, useful in clinical applications.

High-resolution Structural Magnetic Resonance Imaging of the Human Subcortex In Vivo and Postmortem

Here we present a protocol to determine the minimum number images that needed to be registered and averaged to resolve subcortical structures and test whether the individual layers of the LGN could be resolved in the absence of physiological noise.

Hochauflösende Strukturkernspintomographie des menschlichen Subcortex<I&gt; In-vivo-</I&gt; Und Postmortem

The focus of this study was to test the resolution limits of structural MRI of a postmortem brain compared to living human brains. The resolution of ...

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.

Optogenetische Functional MRI

The investigation of the functional connectivity of precise neural circuits across the entire intact brain can be achieved through optogenetic functional ...

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.

3D-Aktivierung des gesamten Gehirns und funktionelle Konnektivitätskartierung bei Mäusen mit transkranieller funktioneller Ultraschallbildgebung

Functional ultrasound (fUS) imaging is a novel brain imaging modality that relies on the high-sensitivity measure of the cerebral blood volume achieved by ...

Standardized Data Acquisition for Neuromelanin-Sensitive Magnetic Resonance Imaging of the Substantia Nigra

The dopaminergic system plays a crucial role in healthy cognition (e.g., reward learning and uncertainty) and neuropsychiatric disorders (e.g., Parkinson's disease and schizophrenia). Neuromelanin is a byproduct of dopamine synthesis that accumulates in dopaminergic neurons of the substantia nigra. Neuromelanin-sensitive magnetic resonance imaging (NM-MRI) is a noninvasive method for measuring neuromelanin in those dopaminergic neurons, providing a direct measure of dopaminergic cell loss in the substantia nigra and a proxy measure of dopamine function. Although NM-MRI has been shown to be useful for studying various neuropsychiatric disorders, it is challenged by a limited field-of-view in the inferior-superior direction resulting in the potential loss of data from the accidental exclusion of part of the substantia nigra. In addition, the field is lacking a standardized protocol for the acquisition of NM-MRI data, a critical step in facilitating large-scale multisite studies and translation into the clinic. This protocol describes a step-by-step NM-MRI volume placement procedure and online quality control checks to ensure the acquisition of good-quality data covering the entire substantia nigra.

This protocol shows how to acquire neuromelanin-sensitive magnetic resonance imaging data of the substantia nigra.

Standardisierte Datenerfassung für Neuromelanin-sensitive Magnetresonanztomographie der Substantia nigra

The dopaminergic system plays a crucial role in healthy cognition (e.g., reward learning and uncertainty) and neuropsychiatric disorders (e.g., ...

Weiterentwicklung des Visual Cortex Mapping für eine verbesserte Bewertung von Sehstörungen

Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) of the Visual Cortex with Wide-View Retinotopic Stimulation

High-resolution retinotopic blood oxygenation level-dependent (BOLD) functional magnetic resonance imaging (fMRI) with a wide-view presentation can be used to functionally map the peripheral and central visual cortex. This method for measuring functional changes of the visual brain allows for functional mapping of the occipital lobe, stimulating &gt;100&#176; (&plusmn;50&#176;) or more of the visual field, compared to standard fMRI visual presentation setups which usually cover &lt;30&#176; of the visual field. A simple wide-view stimulation system for BOLD fMRI can be set up using common MR-compatible projectors by placing a large mirror or screen close to the subject's face and using only the posterior half of a standard head coil to provide a wide-viewing angle without obstructing their vision. The wide-view retinotopic fMRI map can then be imaged using various retinotopic stimulation paradigms, and the data can be analyzed to determine the functional activity of visual cortical regions corresponding to central and peripheral vision. This method provides a practical, easy-to-implement visual presentation system that can be used to evaluate changes in the peripheral and central visual cortex due to eye diseases such as glaucoma and the vision loss that may accompany them.

Autor im Rampenlicht: Einblicke in die Forschung des visuellen Kortex durch Wide-View-fMRT-Mapping 

We have developed techniques for mapping the visual cortex function utilizing more of the visual field than is commonly used. This approach has the potential to enhance the evaluation of vision disorders and eye diseases.

Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) der Sehrinde mit retinotopischer Stimulation

High-resolution retinotopic blood oxygenation level-dependent (BOLD) functional magnetic resonance imaging (fMRI) with a wide-view presentation can be ...

Hochauflösende Functional Magnetic Resonance Imaging Methods for Human Mittelhirn

Zusammenfassung

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