Die Autoren möchten die Beiträge von Kyle Gilbert, der die benutzerdefinierte HF-Spule entwickelt, und Kevin Barker, der die MRI-kompatiblen Schlitten entworfen bestätigen. Diese Arbeit wurde von der Canadian Institutes of Health Research (CIHR), Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) und Kanada Foundation for Innovation (CFI) unterstützt.

Das folgende Verfahren kann auf jede Imaging-Experiments in narkotisierten Katzen eingesetzt werden eingesetzt werden. Schritte, die speziell für Gehör Experimente erforderlich sind (Schritte 1.1-1.7, 2.8, 4.1) können modifiziert werden, um andere Sinnesreiz Protokolle aufzunehmen. Alle Experimente die Genehmigung der Einsatz von Tieren Unterausschuss des Universitätsrates für Tierpflege an der Universität von Western Ontario und folgte den von der Canadian Council on Animal Care (CCAC) 44 festgelegten Richtlinien. Die geschilderte Experiment erfordert ca. 150 min von Tierpräparation zur Genesung. Der Zeitverlauf des Experiments ist in Fig. 1 dargestellt. 1. Stimulus Vorbereitung der Ausrüstung Fig. 2 zeigt die elektronischen Komponenten und entsprechenden Anschlüssen zum Erzeugen eines auditorischen Reizes in der MRI-Scanner erforderlich. Die Anforderungen sind als follows: ein Computer, eine externe Soundkarte, ein Stereo-Leistungsverstärker und einem fMRI-kompatiblen Kopfhörer-System. <ol><li> Schließen Sie den Computer, die verwendet werden, um die auditorischen Reizes an die externe Soundkarte über den Universal Serial Bus (USB)-Kabel präsentieren wird. </li><li> Die Kabel, welche die Ausgangsanschlüsse des externen Soundkarte mit den Eingangsanschlüssen der Stereo-Endstufe. </li><li> Befestigen Sie die Verbindungskabel der Ausgangs-Ports des Stereo-Endstufe an die Eingangstore des Transformators Kasten des fMRI-kompatiblen Kopfhörer-System. </li><li> Schließen Sie die binaurale Kopfhörer an den Ausgangsanschlüssen des Transformators Feld. </li><li> Verwenden Sie abgeschirmte Koaxialkabel mit BNC-Anschlüsse, um den Transformator Feld, um das Eindringen Tafel außerhalb des Scanners Raum verbinden. </li><li> Schließen Sie das Kopfhörerkabel-Montage mit den entsprechenden BNC-Anschlüsse an der Durchdringung Tafel im Inneren des Scanners Raum. </li><li> Schließen Sie die Schaumstoff-Ohr Tipps, um die Kopfhörer schließen Sie dann die Ohrhörer to die Kabelkonfektion. Führen Sie einen Test auditorischen Reizes zu bestätigen, dass Ton aus dem Computer, um die Kopfhörer übertragen. Ziehen Sie die Ohrhörer und legen Sie die Schaumstoff-Ohrspitzen fest in die Ohren der Katze während der Tiervorbereitungsphase (Schritt 2.7). </li></ol> 2. Vorbereitung der Tiere <ol><li> Um die Katze premedicate, ein Beruhigungsmittel verabreichen Mischung von Atropinsulfat (0,02 mg / kg) und Acepromazin (0,02 mg / kg) über eine subkutane (SC) Injektion. </li><li> Nach 20 min zu verabreichen Ketamin (4 mg / kg) und Dexmedetomidinhydrochlorid (0,02-0,03 mg / kg) über eine intramuskuläre (IM) Injektion Anästhesie zu induzieren. Ketamin ist üblicherweise mit einem Beruhigungsmittel und Muskelentspannungsmittel kombiniert, in diesem Fall, Dexmedetomidin-Hydrochlorid, das Zittern und Muskelstarre häufig beobachtet, wenn Ketamin alleine 45 zu verringern. Diese Betäubung Kombination induziert typischerweise etwa 150 min der Sedierung und wird häufig in der tierärztlichen Praxis verwendet werden, um zu induzierenAnästhesie bei Kleintieren. </li><li> Sobald die Katze hat ihre Aufrichtungsreflexes verloren, gelten Augensalbe in die Augen zu Trockenheit während des Verfahrens zu verhindern. Legen Sie eine Dauerkatheter in der medialen Vena saphena für intravenöse Verabreichung von Ketamin. </li><li> Test für erfolgreiche Narkoseeinleitung durch Kneifen einen Fuß auf die Vorderpfote dann beobachtet, ob die Katze die Pfote zurückzieht. Sobald das Pedal Reflex verschwindet, unterdrücken den Würgereflex durch Besprühen Lidocain auf die Rachenwände dann intubieren die Katze mit einem 4,0-4,5 Endotrachealtubus. </li><li> Pflegen Anästhesie in der gesamten Imaging-Sitzung mit einer konstanten Rate Infusion von Ketamin (0,6-0,75 mg / kg / h) und inhalativen Isofluran (0,4-0,5%) in 100% Sauerstoff bei 1-1,5 l / min geliefert. Kombinieren Sie 60 ml Kochsalzlösung und 0,07 ml Ketamin in einem 60-ml-Spritze, dann legen Sie die Spritze in die Spritzenpumpe. Dieser Schritt kann vor premedicating die Katze durchgeführt werden. </li><li> Zeigen Warmwachs gefüllte Wärmekissen auf dem Boden der MRI-kompatiblen sgeführt (Fig. 3a und 3c) Schicht dann das isolierende Kunststoffluftpolsterfolie rund um die Innenwände des Schlittens. </li><li> Legen Sie die Katze in einem Brustbeinposition innerhalb der isolierenden Luftpolsterfolie in der MRI-kompatiblen Schlitten (Abbildung 3c). </li><li> Sobald die Katze ist so positioniert, stellen Sie den Kopf, um den Zugriff auf die Ohren bekommen. Rollen Sie die Schaumstoff-Ohrstöpsel in den kleinstmöglichen Durchmesser setzen Sie dann jedes Ohr Spitze tief in den Gehörgang. Einmal eingesetzt, sollten die Schaumstoff-Ohrspitzen zu erweitern, um den Raum in die Gehörgänge zu füllen. </li><li> Stellen Sie die Katze bis sein Kopf richtig in dem 3-Kanal-Funkfrequenz-(RF)-Spule (Abbildung 3b) positioniert. Stabilisieren Sie den Kopf mit akustischen Dämpfung Memory-Schaum (Abbildung 3d). Zeigen Schaum um die Ohren, um zusätzliche Dämpfung der Scanner Lärm bieten. </li><li> Wickeln Sie die Katze in der Decke der isolierenden Kunststoffluftpolsterfolie und befestigen und den Transport der Schlitten an den Scanner-Bett. </li><li> Verbinden Sie die Infusionsleitungen, Anästhesie Förderrohren und Überwachungsgeräte für die Katze. Schließen Sie die Kopfhörer an den Kopfhörerkabelbaugruppe für das Eindringen Tafel angebracht. </li><li> Starten Sie die Ketamin-Infusion an der Basis Flussrate von 0,6 mg / kg / h dann die Durchflussrate zu erhöhen, wie auf der Grundlage der Narkosetiefe erforderlich. Stellen Sie die Anfangsdosis Isofluran 0,5% dann auf 0,4% verringern, wenn die anatomischen Scans wurden gesammelt. </li><li> Überwachen und aufzeichnen, Sauerstoffsättigung im Blut der Katze, endexspiratorischen CO 2-Niveaus, Herzfrequenz, Atmung und rektale Temperatur (wenn möglich) während des Experiments mit der MRT-kompatiblen Überwachungsanlagen in einem angemessenen Abstand vom Scanner Bohrung positioniert. Tabelle 1 sind die Mittelwerte und Bereiche der physiologischen Messungen für die erfolgreiche Durchführung dieses Verfahrens. Stetige Erhöhung der Herzfrequenz und Atmung werden in der Regel mit baldige Erholung von der Narkose verbunden. </li><li> Nachdem die session abgeschlossen ist, entfernen Sie die Katze aus dem Schlitten. Weiter zu Zusatzheizung mit Wärmekissen und Handtücher, bis das Tier vollständig erholt. Sobald die Würgereflex Renditen, entfernen Sie den Tubus. Überwachen Sie die Katze, bis die Aufrichtungsreflexes wiederhergestellt ist dann wieder das Tier in der Einrichtung. Bewerten Sie das Tier am Tag nach dem Verfahren keine negativen Auswirkungen aus dem Experiment zu gewährleisten. </li></ol> 3. Brain Imaging <ol><li> Sammeln anatomischen Scans von Gehirn der Katze in axialer Schichtorientierung. Verwenden Sie die folgenden Abbildungsparameter für die anatomischen Referenzvolumen: FLASH-Bildgebungssequenz mit TR = 750 ms, TE = 8 ms, Matrix = 256 x 256, Erwerb Voxelgröße = 281 um x 281 um x 1,0 mm. Die Dauer der anatomischen Scan beträgt ca. 6 min. Abbildung 4 (links) stellt eine mit den angegebenen Parametern erhaltenen Probe anatomischen Schnittbild. </li><li> Verwenden Sie die folgenden Parameter für die Imaging-funknal Bände: segmentierten verschachtelte Echo-Planar-Akquisition (EPI) mit TR = 1000 ms, TE = 15 ms, 3 Segmente / Flugzeug, 21 x 1 mm Scheiben; Matrix = 96 x 96; Feld-of-view = 72 mm x 72 mm; Erwerb Voxelgröße = 0,75 mm x 0,75 mm x 1,0 mm;. Akquisitionszeit = 3 sec / Volumen Abbildung 4 (rechts) stellt eine mit den angegebenen Parametern erhaltenen Probe Funktionsschnittbild. </li></ol> 4. Stimulus Präsentation <ol><li> Präsentieren Sie eine Breitband-weißes Rauschen Reiz (0-25 kHz, 100 ms Salven 5 ms Anstiegs / Abfallzeit, 1 Präsentation alle 200 ms, 90-100 dB SPL) in einem Block-Design, in dem die auditiven Reiz für 30 Sekunden gespielt und mit einer 30 sec Basislinie (kein Stimulus-) Zustand (Fig. 5) abwechseln. Wiederholen Sie diesen Schritt, bis akustisch evozierte BOLD-Aktivität im auditorischen Kortex beobachtet. Die Dauer der einzelnen Funktionslauf unter Verwendung eines Block-Design ist ungefähr 4,5 min für 90 Volumina. </li><li> Präsentieren Sie den Reiz in der apchenden Block Ausgestaltung für die gewünschte Anzahl an funktionellen verläuft. </li></ol> 5. Datenanalyse <ol><li> Wählen Sie die entsprechende fMRT-Analyse-Software (zB SPM, FSL), die erworbenen Funktionsmengen zu verarbeiten. </li><li> Richten Sie jeden Funktionsvolumen auf den nächsten in die Zeit der anatomischen Referenz Scan erfassten Volumens. Speichern die resultierende Bewegung die Korrekturwerte für die Verwendung in Schritt 5.6. Schließen Sie alle Funktions läuft, in der Drehkopfbewegungen mehr als 1 ° oder translatorische Bewegungen des Kopfes 1 mm überschreiten. </li><li> Coregister jeder Band auf die Referenz anatomische Scan. </li><li> Glatte jeden Band mit einem 2-mm-Halbwertsbreite (FWHM) Gauß-Filter. </li><li> Integrieren Sie eine Rechteck (Güterwagen)-Funktion, die dem ON-OFF Reiz Block-Design als Regressor in die allgemeine lineare Modell (GLM) entspricht. </li><li> Integrieren Sie Bewegung Korrekturwerte als Regressoren nicht von Interesse für bewegungsbezogene Artefakte ausmachen. Tragen Sie eine uncorrected statistische Schwelle von p = 0,001 und der GLM-Ergebnissen an Clustern von BOLD-Aktivierung anzuzeigen. Bestimmen Sie die Größe des kleinsten Cluster, einen korrigierten erfüllt (Familie weise Fehler: FWE) Schwelle von p &lt;0,05 auf Clusterebene. Stellen Sie den Cluster Umfang Schwelle auf diesen Wert, um statistisch signifikante Cluster in Regionen von Interesse zu sehen. </li><li> Definieren Sie die BOLD Prozent Signaländerung (PSC) in jedem Voxel als die Differenz zwischen der mittleren BOLD-Signal während der Stimulationsblöcke und die mittlere BOLD-Signal während der Baseline-Blöcke. </li></ol>

Die Autoren erklären, von Interesse, finanziellen oder sonst keine Konflikte.

In der Gestaltung einer fMRI-Experiment für einen narkotisierten Tiermodell der Gehörfunktion, sollten die folgenden Fragen sorgfältig geprüft werden: (i) die Auswirkungen der Narkose auf kortikalen Antworten, (ii) die Wirkung der Hintergrundscanner Lärm, und (iii) die Optimierung der Datenerfassungsphase der experimentellen Verfahren. Während ein narkotisierten Vorbereitung bietet den wichtigen Vorteil zur Herstellung einer längere Sedierung und Minimierung potenzieller Kopfbewegung ...

Aktuelle Verständnis der auditiven Verarbeitung bei Säugetieren ist vor allem aus invasive elektrophysiologische Studien an Affen 1-5, Frettchen 6-10, 11-14 Fledermäuse, Nagetiere 15-19, 20-24 und Katzen ab. Elektrophysiologische Techniken verwenden üblicherweise extrazellulären Mikroelektroden, die Aktivität von einzelnen und mehreren Neuronen in einem kleinen Bereich der Umgebung der Elektrodenspitze Nervengewebe aufzunehmen. Gegründet funktionellen bildgebenden Verfahren, wie optische Bildgebung und der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRI), dienen als nützliche Ergänzung zu extrazelluläre Ableitungen durch eine makroskopische Perspektive der gleichzeitigen angetriebenen Aktivität über mehrere räumlich getrennte Bereiche des Gehirns. Intrinsic Signal optische Bildgebung erleichtert die Darstellung der evozierten Aktivität im Gehirn durch Messung der Aktivität bedingten Veränderungen in den Reflexionseigenschaften des Oberflächengewebes während fMRI nutzt die Blut-Sauerstoff-Niveau abhängig (BOLD)Im Gegensatz zum Stimulus-evozierte hämodynamischen Veränderungen in Hirnregionen, die bei einer bestimmten Aufgabe aktiv sind, zu messen. Die optische Bildgebung erfordert direkte Exposition der kortikalen Oberfläche, Maßnahmen Veränderungen in Oberflächengewebe Reflexion, die Stimulus-evozierte Aktivität 25 verbunden sind. Im Vergleich dazu ist fMRI nicht-invasive und nutzt die paramagnetischen Eigenschaften von sauerstoffarmes Blut, sowohl kortikalen Oberfläche 26-28 und Sulcus-basierte 27,29 evozierte Aktivität innerhalb einer intakten Schädel zu messen. Starke Korrelationen zwischen dem BOLD-Signal und neuronaler Aktivität in nicht-menschlichen Primaten visuellen Kortex 30 und in der menschlichen auditorischen Kortex 31 validieren fMRI als ein nützliches Werkzeug, um sensorische Funktion zu studieren. Seit fMRI wurde ausgiebig genutzt, um Funktionen der Hörbahn wie tonotopen Organisation 32-36, Lateralisa der auditiven Funktion 37, Muster der kortikalen Aktivierung, die Identifizierung von kortikalen Regionen 38, Auswirkungen von Schall studierenIntensität auf 39,40 Gehörantworteigenschaften, und die Eigenschaften des BOLD Reaktionszeit natürlich in 29,41 Mensch, Affe und Ratte Modelle, die Entwicklung einer geeigneten funktionellen Bildgebungsprotokoll zu Gehörfunktion bei der Katze studieren würde eine sinnvolle Ergänzung zu bieten die funktionelle Bildgebung Literatur. Während fMRI wurde auch verwendet, um verschiedene funktionale Aspekte des visuellen Kortex in der narkotisierten Katze 26-28,42 erkunden, haben nur wenige Studien diese Technik verwendet, um die sensorische Verarbeitung in Katze auditorischen Kortex zu untersuchen. Der Zweck der vorliegenden Protokolls ist es, eine effektive Methode der Verwendung von fMRT-Funktion im auditorischen Kortex der narkotisierten Katze quantifizieren zu etablieren. Die in dieser Handschrift skizzierten experimentellen Verfahren wurden erfolgreich eingesetzt, um die Eigenschaften des BOLD Reaktionszeit natürlich in der erwachsenen Katze auditorischen Kortex 43 zu beschreiben.

<table border="1">
 <tbody>
 <tr>
 <td></td>
 <td></td>
 <td></td>
 <td>Material</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Atropine sulphate injection 0.5 mg/mL</td>
 <td>Rafter 8 Products</td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Acepromazine 5 mg/mL</td>
 <td>Vetoquinol Inc.</td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Ketamine hydrochloride 100 mg/mL</td>
 <td>Bimeda-MTC</td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Dexmedetomidine hydrochloride (Dexdomitor 0.5 mg/mL)</td>
 <td>Orion Pharma</td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Isoflurane 99.9%</td>
 <td>Abbott Laboratories</td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Lidocaine (Xylocaine endotracheal 10 mg/metered dose)</td>
 <td>Astra Zeneca</td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Lubricating opthalmic ointment (Refresh Lacri Lube)</td>
 <td>Allergan Inc.</td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Saline 0.95%</td>
 <td></td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>IV Catheter 22g (wings)</td>
 <td></td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>IV Extension Set</td>
 <td>Codan US Corp.</td>
 <td>BC 269</td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>IV Administration Set 10 drips/mL</td>
 <td></td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Endotracheal tube 4.0</td>
 <td></td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Heating pads (Snuggle Safe)</td>
 <td>Lenric C21 Ltd.</td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Syringe 60 mL</td>
 <td></td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td></td>
 <td></td>
 <td></td>
 <td>Equipment</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>External sound card</td>
 <td>Roland Corporation</td>
 <td>Cakewalk UA-25EX</td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Stereo power amplifier</td>
 <td>Pyle Audio Inc.</td>
 <td>Pyle Pro PCAU11</td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>MRI-compatible insert earphone system</td>
 <td>Sensimetric Corporation</td>
 <td>Model S14</td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Foam ear tips for insert earphones</td>
 <td>E-A-R Auditory Systems</td>
 <td>Earlink 3B</td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>End-tidal CO2 monitor</td>
 <td>Nellcor&nbsp;</td>
 <td>N-85</td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>MRI-compatible pulse oximeter</td>
 <td>Nonin Medical Inc.</td>
 <td>Model 7500</td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Syringe pump</td>
 <td>Harvard Apparatus</td>
 <td>70-2208</td>
 <td></td>
 </tr>
 </tbody>
 </table>

functional imaging of auditory cortex in adult cats using high-field fmri

Aktuelle Kenntnisse der sensorischen Verarbeitung im Säuger auditorischen System wird hauptsächlich aus elektrophysiologischen Studien in einer Vielzahl von Tiermodellen, darunter Affen, Frettchen, Fledermäuse, Nagetiere und Katzen ab. Um geeignete Parallelen zwischen Mensch und Tier Modelle der auditorischen Funktion zu zeichnen, ist es wichtig, eine Brücke zwischen Mensch funktionelle Bildgebung Studien und Tierelektrophysiologische Studien zu etablieren. Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) ist eine etablierte, minimal-invasive Methode zur Messung der breiten Muster der hämodynamischen Aktivität in verschiedenen Regionen der Großhirnrinde. Diese Technik wird häufig zur sensorischen Funktion im menschlichen Gehirn zu untersuchen, ist ein nützliches Werkzeug bei der Verknüpfung von Studien von auditiven Verarbeitung bei Menschen und Tieren und ist erfolgreich verwendet worden, um Gehörfunktion bei Affen und Nagetiere zu untersuchen. Das folgende Protokoll beschreibt eine experimentelle Verfahren zur Untersuchung der Gehörfunktion bei narkotisierten ErwachsenenKatzen durch Messung Stimulus-evozierte hämodynamischen Veränderungen im auditorischen Kortex mittels fMRT. Dieses Verfahren erleichtert den Vergleich der hämodynamischen Reaktionen auf verschiedene Modelle der Gehörfunktion so zu einem besseren Verständnis der speziesunabhängige Merkmale des Säuger auditorischen Cortex führt.

Repräsentative funktionellen Daten wurden in einer horizontalen Bohrung 7T Scanner erworben und unter Verwendung des Statistik Parametric Mapping Toolbox in MATLAB analysiert. Robust kortikalen hämodynamischen Reaktionen auf akustische Stimulation durchweg bei Katzen mit dem beschriebenen Versuchsprotokoll 43 beobachtet. Fig. 6 zeigt die BOLD-Aktivierung bei 2 Tieren in Reaktion auf ein Breitbandrauschen 30 sec Stimulus in Blockbauweise dargestellt. T-Statistik Karten der Breitbandrauschen ...

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Functional Imaging of Auditory Cortex in Adult Cats using High-field fMRI

Funktionelle Untersuchungen des Gehörs bei Säugetieren haben traditionell mit räumlich konzentriert Techniken wie elektrophysiologischen Ableitungen durchgeführt. Das folgende Protokoll beschreibt ein Verfahren zur Visualisierung von Großmuster hervorgerufen hämodynamischen Aktivität im auditorischen Kortex der Katze mit Hilfe der funktionellen Kernspintomographie.

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 ...

functional-imaging-auditory-cortex-adult-cats-using-high-field

Research

JoVE Journal

Neuroscience

11.4K Aufrufe.  University of Western Ontario.  Funktionelle Untersuchungen des Gehörs bei Säugetieren haben traditionell mit räumlich konzentriert Techniken wie elektrophysiologischen Ableitungen durchgeführt. Das folgende Protokoll beschreibt ein Verfahren zur Visualisierung von Großmuster hervorgerufen hämodynamischen Aktivität im auditorischen Kortex der Katze mit Hilfe der funktionellen Kernspintomographie. 

Serie: Functional Imaging of Auditory Cortex in Adult Cats using High-field fMRI

Chronic Imaging of Mouse Visual Cortex Using a Thinned-skull Preparation

In vivo imaging using two-photon laser scanning microscopy (2PLSM) allows the study of living cells and neuronal processes in the intact brain. The technique presented here allows the imaging of the same area of the brain at several time points (chronic imaging) with microscopic resolution allowing the tracking of dendritic spines which are the small structures that represent the majority of postsynaptic excitatory sites in the CNS. The ability to clearly resolve fine cortical structures over several time points has many advantages, specifically in the study of brain plasticity in which morphological changes at synapses and circuit remodeling may help explain underlying mechanisms. In this video and supplementary material, we show a protocol for chronic in vivo imaging of the intact brain using a thinned-skull preparation. The thinned-skull preparation is a minimally invasive approach, which avoids potential damage to the dura and/or cortex, thus reducing the onset of an inflammatory response. When this protocol is performed correctly, it is possible to clearly monitor changes in dendritic spine characteristics in the intact brain over a prolonged period of time.

In this video and supplemental material, we show a protocol for chronic in vivo imaging of the intact brain using a thinned-skull preparation.

Chronische Imaging of Mouse Visual Cortex Mit einem ausgedünnten Schädel Vorbereitung

In vivo imaging using two-photon laser scanning microscopy (2PLSM) allows the study of living cells and neuronal processes in the intact brain. The ...

Forschung

Neurowissenschaften

Correlating Behavioral Responses to fMRI Signals from Human Prefrontal Cortex: Examining Cognitive Processes Using Task Analysis

The aim of this methods paper is to describe how to implement a neuroimaging technique to examine complementary brain processes engaged by two similar tasks. Participants' behavior during task performance in an fMRI scanner can then be correlated to the brain activity using the blood-oxygen-level-dependent signal. We measure behavior to be able to sort correct trials, where the subject performed the task correctly and then be able to examine the brain signals related to correct performance. Conversely, if subjects do not perform the task correctly, and these trials are included in the same analysis with the correct trials we would introduce trials that were not only for correct performance. Thus, in many cases these errors can be used themselves to then correlate brain activity to them. We describe two complementary tasks that are used in our lab to examine the brain during suppression of an automatic responses: the stroop1 and anti-saccade tasks. The emotional stroop paradigm instructs participants to either report the superimposed emotional 'word' across the affective faces or the facial 'expressions' of the face stimuli1,2. When the word and the facial expression refer to different emotions, a conflict between what must be said and what is automatically read occurs. The participant has to resolve the conflict between two simultaneously competing processes of word reading and facial expression. Our urge to read out a word leads to strong 'stimulus-response (SR)' associations; hence inhibiting these strong SR's is difficult and participants are prone to making errors. Overcoming this conflict and directing attention away from the face or the word requires the subject to inhibit bottom up processes which typically directs attention to the more salient stimulus. Similarly, in the anti-saccade task3,4,5,6, where an instruction cue is used to direct only attention to a peripheral stimulus location but then the eye movement is made to the mirror opposite position. Yet again we measure behavior by recording the eye movements of participants which allows for the sorting of the behavioral responses into correct and error trials7 which then can be correlated to brain activity. Neuroimaging now allows researchers to measure different behaviors of correct and error trials that are indicative of different cognitive processes and pinpoint the different neural networks involved.

The goal of our research is to correlate behavior to brain activity. Accurate behavioral measures and imaging techniques allow us to elucidate brain-behavior relationships.

Korrelation von Verhaltensreaktionen auf fMRI Signalen von Human präfrontalen Kortex: Untersuchung kognitiver Prozesse mit dem Task Analysis

The aim of this methods paper is to describe how to implement a neuroimaging technique to examine complementary brain processes engaged by two similar ...

Co-analysis of Brain Structure and Function using fMRI and Diffusion-weighted Imaging

The study of complex computational systems is facilitated by network maps, such as circuit diagrams. Such mapping is particularly informative when studying the brain, as the functional role that a brain area fulfills may be largely defined by its connections to other brain areas. In this report, we describe a novel, non-invasive approach for relating brain structure and function using magnetic resonance imaging (MRI). This approach, a combination of structural imaging of long-range fiber connections and functional imaging data, is illustrated in two distinct cognitive domains, visual attention and face perception. Structural imaging is performed with diffusion-weighted imaging (DWI) and fiber tractography, which track the diffusion of water molecules along white-matter fiber tracts in the brain (Figure 1). By visualizing these fiber tracts, we are able to investigate the long-range connective architecture of the brain. The results compare favorably with one of the most widely-used techniques in DWI, diffusion tensor imaging (DTI). DTI is unable to resolve complex configurations of fiber tracts, limiting its utility for constructing detailed, anatomically-informed models of brain function. In contrast, our analyses reproduce known neuroanatomy with precision and accuracy. This advantage is partly due to data acquisition procedures: while many DTI protocols measure diffusion in a small number of directions (e.g., 6 or 12), we employ a diffusion spectrum imaging (DSI)1, 2 protocol which assesses diffusion in 257 directions and at a range of magnetic gradient strengths. Moreover, DSI data allow us to use more sophisticated methods for reconstructing acquired data. In two experiments (visual attention and face perception), tractography reveals that co-active areas of the human brain are anatomically connected, supporting extant hypotheses that they form functional networks. DWI allows us to create a "circuit diagram" and reproduce it on an individual-subject basis, for the purpose of monitoring task-relevant brain activity in networks of interest.

We describe a novel approach for simultaneous analysis of brain function and structure using magnetic resonance imaging (MRI). We assess brain structure with high-resolution diffusion-weighted imaging and white-matter fiber tractography. Unlike standard structural MRI, these techniques allow us to directly relate anatomical connectivity to functional properties of brain networks.

Co-Analyse von Hirnstruktur und-funktion mittels fMRT und Diffusionsgewichtete Imaging

The study of complex computational systems is facilitated by network maps, such as circuit diagrams. Such mapping is particularly informative when ...

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 ...

Live Imaging of Mitosis in the Developing Mouse Embryonic Cortex

Although of short duration, mitosis is a complex and dynamic multi-step process fundamental for development of organs including the brain. In the developing cerebral cortex, abnormal mitosis of neural progenitors can cause defects in brain size and function. Hence, there is a critical need for tools to understand the mechanisms of neural progenitor mitosis. Cortical development in rodents is an outstanding model for studying this process. Neural progenitor mitosis is commonly examined in fixed brain sections. This protocol will describe in detail an approach for live imaging of mitosis in ex vivo embryonic brain slices. We will describe the critical steps for this procedure, which include: brain extraction, brain embedding, vibratome sectioning of brain slices, staining and culturing of slices, and time-lapse imaging. We will then demonstrate and describe in detail how to perform post-acquisition analysis of mitosis. We include representative results from this assay using the vital dye Syto11, transgenic mice (histone H2B-EGFP and centrin-EGFP), and in utero electroporation (mCherry-&#945;-tubulin). We will discuss how this procedure can be best optimized and how it can be modified for study of genetic regulation of mitosis. Live imaging of mitosis in brain slices is a flexible approach to assess the impact of age, anatomy, and genetic perturbation in a controlled environment, and to generate a large amount of data with high temporal and spatial resolution. Hence this protocol will complement existing tools for analysis of neural progenitor mitosis.

Neural progenitor mitosis is a critical parameter of neurogenesis. Much of our understanding of neural progenitor mitosis is based on analysis of fixed tissue. Live imaging in embryonic brain slices is a versatile technique to assess mitosis with high temporal and spatial resolution in a controlled environment.

Live-Imaging der Mitose in der Entwicklung von embryonalen Maus-Cortex

Although of short duration, mitosis is a complex and dynamic multi-step process fundamental for development of organs including the brain. In the ...

Two-Photon in vivo Imaging of Dendritic Spines in the Mouse Cortex Using a Thinned-skull Preparation

In the mammalian cortex, neurons form extremely complicated networks and exchange information at synapses. Changes in synaptic strength, as well as addition/removal of synapses, occur in an experience-dependent manner, providing the structural foundation of neuronal plasticity. As postsynaptic components of the most excitatory synapses in the cortex, dendritic spines are considered to be a good proxy of synapses. Taking advantages of mouse genetics and fluorescent labeling techniques, individual neurons and their synaptic structures can be labeled in the intact brain. Here we introduce a transcranial imaging protocol using two-photon laser scanning microscopy to follow fluorescently labeled postsynaptic dendritic spines over time in vivo. This protocol utilizes a thinned-skull preparation, which keeps the skull intact and avoids inflammatory effects caused by exposure of the meninges and the cortex. Therefore, images can be acquired immediately after surgery is performed. The experimental procedure can be performed repetitively over various time intervals ranging from hours to years. The application of this preparation can also be expanded to investigate different cortical regions and layers, as well as other cell types, under physiological and pathological conditions.

Two-Photon in vivo Imaging of Dendritic Spines in the Mouse Cortex Using a Thinned-skull Preparation

Time-lapse imaging in the living animal provides valuable information on structural reorganization in the intact brain. Here, we introduce a thinned-skull preparation that allows transcranial imaging of fluorescently labeled synaptic structures in the living mouse cortex by two-photon microscopy.

Zwei-Photonen-<em&gt; In vivo</em&gt; Imaging von dendritischen Dornen in der Maus Cortex Mit einem ausgedünnten Schädel Vorbereitung

In the mammalian cortex, neurons form extremely complicated networks and exchange information at synapses. Changes in synaptic strength, as well as ...

Live Imaging of Primary Cerebral Cortex Cells Using a 2D Culture System

During cerebral cortex development, progenitor cells undergo several rounds of symmetric and asymmetric cell divisions to generate new progenitors or postmitotic neurons. Later, some progenitors switch to a gliogenic fate, adding to the astrocyte and oligodendrocyte populations. Using time-lapse video-microscopy of primary cerebral cortex cell cultures, it is possible to study the cellular and molecular mechanisms controlling the mode of cell division and cell cycle parameters of progenitor cells. Similarly, the fate of postmitotic cells can be examined using cell-specific fluorescent reporter proteins or post-imaging immunocytochemistry. More importantly, all these features can be analyzed at the single-cell level, allowing the identification of progenitors committed to the generation of specific cell types. Manipulation of gene expression can also be performed using viral-mediated transfection, allowing the study of cell-autonomous and non-cell-autonomous phenomena. Finally, the use of fusion fluorescent proteins allows the study of symmetric and asymmetric distribution of selected proteins during division and the correlation with daughter cells fate. Here, we describe the time-lapse video-microscopy method to image primary cerebral cortex murine cells for up to several days and analyze the mode of cell division, cell cycle length and fate of newly generated cells. We also describe a simple method to transfect progenitor cells, which can be applied to manipulate genes of interest or simply label cells with reporter proteins.

Live imaging is a powerful tool to study cellular behaviors in real time. Here, we describe a protocol for time-lapse video-microscopy of primary cerebral cortex cells that allows a detailed examination of the phases enacted during the lineage progression from primary neural stem cells to differentiated neurons and glia.

Bildgebung des primären Hirnrinde Zellen unter Verwendung einer 2D Kultursystem zu leben

During cerebral cortex development, progenitor cells undergo several rounds of symmetric and asymmetric cell divisions to generate new progenitors or ...

Imaging Neural Activity in the Primary Somatosensory Cortex Using Thy1-GCaMP6s Transgenic Mice

The mammalian brain exhibits marked symmetry across the sagittal plane. However, detailed description of neural dynamics in symmetric brain regions in adult mammalian animals remains elusive. In this study, we describe an experimental procedure for measuring calcium dynamics through dual optical windows above bilateral primary somatosensory corticies (S1) in Thy1-GCaMP6s transgenic mice using 2-photon (2P) microscopy. This method enables recordings and quantifications of neural activity in bilateral mouse brain regions one at a time in the same experiment for a prolonged period in vivo. Key aspects of this method, which can be completed within an hour, include minimally invasive surgery procedures for creating dual optical windows, and the use of 2P imaging. Although we only demonstrate the technique in the S1 area, the method can be applied to other regions of the living brain facilitating the elucidation of structural and functional complexities of brain neural networks.

Imaging Neural Activity in the Primary Somatosensory Cortex Using Thy1-GCaMP6s Transgenic Mice

We describe an experimental procedure for measuring neuronal activity through dual optical windows above bilateral primary somatosensory corticies (S1) in Thy1-GCaMP6s transgenic mice using 2-photon (2P) microscopy in vivo.

Neuronalen Aktivität im primären somatosensorischen Cortex mit Thy1Imaging-GCaMP6s transgene Mäuse

The mammalian brain exhibits marked symmetry across the sagittal plane. However, detailed description of neural dynamics in symmetric brain regions in ...

Real-Time fMRI Brain Mapping in Animals

Dynamic fMRI responses vary largely according to the physiological conditions of animals either under anesthesia or in awake states. We developed a real-time fMRI platform to guide experimenters to monitor fMRI responses instantaneously during acquisition, which can be used to modify the physiology of animals to achieve desired hemodynamic responses in animal brains. The real-time fMRI set-up is based on a 14.1T preclinical MRI system, enabling the real-time mapping of dynamic fMRI responses in the primary forepaw somatosensory cortex (FP-S1) of anesthetized rats. Instead of a retrospective analysis to investigate confounding sources leading to the variability of fMRI signals, the real-time fMRI platform provides a more effective scheme to identify dynamic fMRI responses using customized macro-functions and a common neuroimage analysis software in the MRI system. Also, it provides immediate troubleshooting feasibility and a real-time biofeedback stimulation paradigm for brain functional studies in animals.

Animal brain functional mapping can benefit from the real-time functional magnetic resonance imaging (fMRI) experimental set-up. Using the latest software implemented in the animal MRI system, we established a real-time monitoring platform for small animal fMRI.

Echtzeit-fMRT-Kartierung des Gehirns bei Tieren

Dynamic fMRI responses vary largely according to the physiological conditions of animals either under anesthesia or in awake states. We developed a ...

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 ...