Este material está basado en trabajo apoyado por la National Science Foundation con la subvención BCS 1063774.

1. Polar angular Topografía estímulo y Psicofísica Para obtener un mapa retinotópico polar ángulo en el SC, se utiliza una cuña 90 ° de puntos que se mueven como el estímulo (excentricidad 2-9 ° de ángulo visual, con una media de puntos de velocidad 4 ° / seg) (fig. 1). Se sabe que la actividad en el SC se mejora mediante la aplicación de la atención encubierta 5, por lo tanto, se utiliza una tarea de atención en nuestro paradigma para aumentar la señal disponible. En el juicio de cada 2 s, los sujetos se les instruye para asistir a escondidas a la cuña y llevar a cabo toda una tarea de discriminación de velocidad mientras se mantiene la fijación. La cuña se divide en 2 × 3 sectores virtuales con puntos en uno de los sectores, escogidos al azar en cada ensayo, se mueve más lento o más rápido que todos los otros puntos. Después de cada ensayo, la cuña se gira 30 ° alrededor de la fijación de manera que el estímulo gira plenamente con un periodo de 24 seg. Cada carrera consta de 9,5 rotaciones del estímulo (228 segundos), e incluyen sesiones experimentales16-18 carreras. Para mantener el rendimiento del sujeto en esta tarea a lo largo de la duración de cada carrera, la dificultad de la tarea se ajusta usando dos aleatoriamente intercaladas de dos hasta-un-bajando escaleras. Después de cada dos ensayos consecutivos correctos la diferencia de velocidad se reduce en un 8%, y para cada prueba son correctos, la diferencia se incrementó en un 8%. Antes de la digitalización, todos los sujetos practican la tarea visual fuera del escáner hasta que alcancen un nivel estable de rendimiento, lo que requiere de 20 minutos 3-4 sesiones de prácticas de duración. Umbrales típicos discriminación están en el intervalo de 1 ° -1,5 ° / seg. 2. Preparación Asunto <ol><li> Temas cabezas están aseguradas con almohadillas para reducir al mínimo movimiento de la cabeza antes de que se colocan dentro del escáner dio a luz. En estas resoluciones espaciales altas, resonancia magnética funcional es particularmente sensible a los artefactos de movimiento, por lo que la estabilización de la cabeza es fundamental. </li><li> Los sujetos se les da una resonancia magnética-compatibLe panel de botones en una mano y dio instrucciones acerca de qué botón hay que pulsar para indicar sus juicios acerca de la velocidad de punto. </li></ol> 3. La localización y la prescripción de la SC <ol><li> Humano SC es una estructura pequeña pero clara, ~ 9 mm de diámetro, situada en el techo del mesencéfalo. Cuando se utiliza un pequeño número de rebanadas fMRI, varias series de imágenes localizador son necesarios para su localización precisa. Llevamos a cabo esta serie a lo largo de los planos sagital, axial y coronal. </li><li> A continuación, utilizamos estas imágenes localizador de prescribir exactamente la SC con 8-10 cortes contiguos, 1,2 mm de espesor, campo de visión (FOV), 170 mm de una barra oblicua, casi axial avión. </li><li> A continuación, de alta resolución de imágenes estructurales T 1-ponderados se obtienen a partir de tres dimensiones (3D) de RF-echado a perder GRASS (SPGR) secuencia (15 ° ángulo de inclinación, los voxels 1.2 mm) una vez antes de la recogida de los datos de funcionamiento y una vez después. Estas imágenes se utilizan como una referencia para alinear los datos de la fMRI para un str de alta resoluciónvolumen de referencia uctural obtenida en una sesión separada que se describen más adelante. </li></ol> 4. Los parámetros funcionales de resonancia magnética Todas las imágenes se realizó en un escáner GE Signa 3T HD12 resonancia magnética utilizando el GE-suministrado de 8 canales, la bobina de la cabeza. La excitación fue un 6,4 ms ventana-sinc del pulso aplicado en forma de bobina de cuerpo del escáner. Para obtener 1,2 mm en la toma de muestras humanas SC, se utiliza una de tres inyecciones en espiral la trayectoria de la adquisición de 6,7. Tres vacunas son necesarias por varias razones. En particular, la adquisición de un solo tiro para nuestro campo de visión del escáner y requiere&gt; 77 ms, demasiado largo para ser práctico. Las inyecciones múltiples se combinan juntos después de la corrección restando el valor inicial y la tendencia lineal de la fase. TE se incrementa en 2 ms en el primer cuadro para calcular un mapa de campo de los dos primeros volúmenes adquiridos, y este mapa se utiliza para la corrección lineal. Las imágenes reconstruidas tenía una SNR de ~ 20. Espectros de potencia temporal en Carolina del Sur voxels normalmentemostró poco de la estructura asociada con ruido fisiológico; el uso de una adquisición 3-disparo tenía un fuerte efecto de filtrado en los comparativamente alta frecuencia efectos de pulso cardíaco y la respiración. Otras técnicas de reducción de ruido son problemáticos en este contexto de alta resolución. Por ejemplo, los métodos de corrección retrospectivos como RETROICOR 6 no son aplicables a la multi-shot de datos, y gating cardíaco introduce ruido y artefacto asociado con trastornos de T 1 equilibrio. Tiempo de eco, T E = 40 ms, es más largo que utiliza normalmente en la corteza (30 mseg) porque se midió una correspondientemente más largo T 2 * en el tejido SC (~ 60 mseg) que la observada en la materia gris cortical (~ 45 mseg). Adquisición de ancho de banda está limitado a 62,5 kHz para reducir la corriente de gradiente máximo que causa el calentamiento no deseado en nuestro escáner. Elegimos TR = 1 seg, por lo que con tres tiros de un volumen que se adquiere cada 3seg. 5. Modelado de resonancia magnética estructural y 3D En una sola sesión por separado para cada tema, se obtiene una alta resolución (0,7 mm de muestreo) con un volumen de referencia en T1 secuencia que da un buen contraste de los tejidos (3D SPGR, 15 ° ángulo de inclinación, la inversión preparados con T I = 450 mseg, 2 excitaciones, ~ duración 28 minutos, 0,7 mm de voxels). En este volumen de referencia, el segmento del tejido del cerebro medio, el tronco cerebral, y las porciones del tálamo (Fig. 2A), utilizando una combinación de técnicas automáticas y manuales proporcionados por la aplicación ITK-SNAP 2. En particular, se utiliza una herramienta de segmentación automática en la que el usuario semillas múltiples puntos dentro de cada tronco cerebral, el software automáticamente amplía la segmentación en torno a los puntos de siembra restringidos dentro de una región definida por criterios de contraste e intensidad. Esta segmentación automática y ajusteEd, si es necesario, usando el manual, &quot;la pintura-como&quot; herramientas de voxel. El líquido cefalorraquídeo-tejido interfaz del SC es interpolada a partir de la segmentación utilizando teselación isodensidad superficie, y esta superficie inicial se refina para reducir el aliasing (Fig. 2, B y D) utilizando un variacional deformable-superficie algoritmo 3. Esta superficie ofrece vértices y externas vectores normales para ser utilizados como una referencia para los cálculos laminares (descrito más adelante), así como un medio para visualizar datos funcionales. 6. Análisis de Imagen Para analizar los datos de la fMRI, que utiliza el paquete de software mrVista (disponible para su descarga en <a href="http://white.stanford.edu/mrvista.php" target="_blank">http://white.stanford.edu/mrvista.php)</a> , así como las herramientas desarrolladas en el marco de mrVista en nuestro laboratorio. En los próximos pasos que utilizamos las herramientas estándar del paquete mrVista: <ol><li> Inicializarla sesión en mrVista, eligiendo la opción para normalizar espacialmente la intensidad de los datos promediados para reducir los efectos de la falta de homogeneidad de la bobina. La normalización utiliza un método homomórfica, es decir, dividiendo por una versión filtrada de paso bajo de las intensidades de imagen temporalmente promediados volumen con un aditivo sólido para corrección de ruido estimada. El primer medio ciclo de imágenes (12 segundos) se descarta para evitar transitoria equilibrio MR y efectos hemodinámicos. </li><li> Corregir dentro de plazo el movimiento. El movimiento es estimado a partir de la serie de tiempo de los volúmenes. Sin embargo, debido a la relativamente baja relación señal-ruido (SNR) de las imágenes, en primer lugar realizar un vagón 5-muestra suavizado en la serie de tiempo. Cada volumen Después se registra la media de los últimos 5 muestras. Nótese que el suavizado se utiliza únicamente para estimar el movimiento, y los datos reales no se suavizan. </li><li> Forma promedios temporales de los datos de cada plazo de la imagen corregida de movimiento, y usar estas medias para corregir la inter-ensayo de movimiento using la última carrera como referencia. </li><li> Lleve a cabo una corrección de corte-tiempo. Usamos adquisición rebanada secuencial, de modo errores debidos a realizar la corrección de sincronización después de la corrección de movimiento será pequeño (~ 125 mseg). </li><li> Promedio de las múltiples carreras registradas dentro de cada sesión para mejorar la relación señal ruido. </li><li> Alinear los datos estructurales de la sesión de la fMRI para el volumen de referencia estructural a través de un robusto basado en la intensidad algoritmo de registro 8. Carga de la alineación y la segmentación en mrVista. </li><li> Transformar los datos de tiempo funcionales de la serie con el volumen de referencia segmentado. En los pasos siguientes se utilizan herramientas desarrolladas en nuestro laboratorio para hacer análisis adicionales. </li><li> Calcule un mapa de distancia mediante el cálculo de la distancia entre cada uno de los voxels de tejido SC y su vértice más cercano en la superficie de Carolina del Sur. Estas distancias se utilizan para medir la posición laminar dentro del volumen de referencia. </li><li> Realizar un proceso de segmentación laminar para permitir un promedio de profundidad de los datos de series de tiempo para mejorar ªe SNR. Pequeñas (1,6 mm de diámetro) discos de tejido están asociados con cada vértice del modelo de superficie a lo largo de toda la superficie superficial SC, y cada disco se extiende entonces tanto hacia dentro y hacia fuera desde el tejido SC usando las superficies normales de la zona para formar una zona laminar individuo 4. </li><li> Para cada punto de la superficie CS, usamos estas asociaciones laminares para promediar la serie de tiempo sobre un rango de profundidad especificada. Desde entonces, las neuronas de la corteza visual son principalmente presente en las capas superficiales de la SC, para el experimento de estimulación visual se utilizó un rango de profundidad de 0-1,8 mm. </li></ol> 7. Análisis de la cartografía topográfica Para el análisis de la representación topográfica de los datos, el análisis de coherencia se realiza en la serie temporal profundidad promediada por el ajuste de una sinusoide a la frecuencia de repetición del estímulo (es decir, Hz 1/24 para el estímulo 24 segundos se ha descrito anteriormente) para cada voxel. A partir de esta forma, obtenemos los mapas de superficie de la responsabilidadsí la amplitud, coherencia y fase. Este análisis se realiza en el dominio de la frecuencia, y es una técnica común para cuantificar mapas retinotópicos en la corteza visual 9,10. La fase de la forma sinusoidal mide la posición del estímulo. Cero corresponde a la fase superior meridiano vertical (fig. 3). El estímulo luego gira hacia la derecha, por lo que una fase de π / 2 corresponde a cuando el estímulo ha girado a la meridiano horizontal en el campo visual derecho. Después de radianes ¸ de fase, el estímulo cruza en el campo visual izquierdo, y así sucesivamente. También se obtuvieron los límites de toda la extensión superficial de la SC con la inspección manual de la anatomía del volumen de alta resolución en T1. Estos límites están marcados en la figura. 3 por líneas de trazos rojos. fMRI no mide directamente la actividad neuronal, sino más bien una respuesta del flujo sanguíneo que está bien, pero junto con lentituda la actividad neuronal. Esto añade un retraso de hemodinámica a la respuesta de fase. El retraso se estima mediante la adopción de todos los voxels por encima de nuestro umbral de la coherencia de cada región de SC de interés, y centrar sus recursos en torno a π en el plano complejo. En nuestros datos SC, estos retrasos son bastante pequeñas, del orden de 2-4 segundos. Nos eliminar este retraso haciendo girar el mapa de colores en sentido antihorario por 45 grados (correspondiente a 3 segundos) (fig. 3). 8. Los resultados representativos Datos de la Fase superpuestas sobre una superficie 3D de la SC (Fig. 3) muestra que la respuesta a la estimulación visual contralateral está representada en la SC, es decir, el campo visual izquierdo se representa a la derecha, SC, y vice-versa uno. Hay también una organización retinotópico de la actividad. El campo visual superior derecha se representa medial a la izquierda colículo (azul-magenta), y el campo inferior está representada lateralmente (rojo-amarillo). SimilArly, a la izquierda del campo visual superior está representada en sentido medial a la derecha colículo (azul-cian) e inferior está representada lateralmente (verde-amarillo). Esta topografía es consistente con los resultados de los no humanos, los estudios de primates de las respuestas SC: 1) a la estimulación visual, utilizando una sola unidad de electrofisiología, y 2) la asignación de los movimientos oculares inducidos por microestimulación sacádicos 11,12. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/3746/3746fig1.jpg" /> Figura 1. Una receta Slice) se ve en la imagen sagital medio. B) la media temporal (de un plazo) de las imágenes funcionales obtenidos de rodaja central marcado en rojo en A). <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/3746/3746fig2.jpg" /> Figura 2. Polar angular de estímulo topografía. Una cuña 90 ° de movimiento negro-blanco y puntos sobre un fondo gris girado lentamente alrededor de la fijación. La cuña se dividió en una serie de seis virtualmentesectores al (líneas grises añadido para enfatizar los sectores) para permitir que el objeto de realizar una tarea de discriminación de velocidad en un sector escogido de forma aleatoria. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/3746/3746fig3.jpg" /> Figura 3. Segmentación y modelado de superficies. A) El cerebro medio, el tronco cerebral, y partes del tálamo fueron segmentados de alta resolución de volúmenes de anatomía de resonancia magnética. B) Una superficie fue creada en el borde de la región segmentada. C) sinusoidal de ajuste de datos de fase se ve en una rebanada de inplane (coherencia&gt; 0,25). D) A girar y vista ampliada del modelo de superficie del tronco cerebral se utiliza para visualizar los datos de fase en el SC. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/3746/3746fig4.jpg" /> Figura 4. Polar angular mapas. Los mapas de fMRI de fase en dos temas que codifican ángulo polar visuales. Umbrales de coherencia de cada mapa se proporcionan en la parte inferior derecha. La rueda de color se refiere las fases superpuestas de los estímulos en el pángulo de olar a sus posiciones en el campo visual.

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No hay conflictos de interés declarado.

Nuestras técnicas de adquisición y análisis de datos a habilitar la medición de la actividad neuronal en las estructuras subcorticales del cerebro humano en alta resolución (1.2 mm voxels). La adquisición de espiral de 3 vacunas reduce el ruido fisiológico que es particularmente perjudicial para las mediciones de resonancia magnética funcional de todo el cerebro medio. Además, nuestra segmentación del tejido laminar nos permite realizar un promedio de profundidad de los datos que ayuda a mejorar la relación s...

high-resolution functional magnetic resonance imaging methods for human midbrain

Resonancia magnética funcional (fMRI) es una herramienta ampliamente utilizada de forma no invasiva de medición de la correlación de la actividad del cerebro humano. Sin embargo, su uso ha sido en su mayoría se centró en la medición de la actividad en la superficie de la corteza cerebral en lugar de en las regiones subcorticales como el mesencéfalo y el tronco cerebral. FMRI subcortical debe superar dos retos: la resolución espacial y el ruido fisiológico. Aquí se describe un conjunto optimizado de las técnicas desarrolladas para llevar a cabo de alta resolución en IRMf humano CS, una estructura en la superficie dorsal del mesencéfalo; los métodos también se puede utilizar para otra imagen tallo cerebral y estructuras subcorticales. De alta resolución (1.2 mm voxels) fMRI de la SC se requiere un enfoque no convencional. El muestreo espacial deseada se obtiene usando un multi-shot (intercalada) espiral adquisición 1. Puesto que, T 2 * de tejido SC es más largo que en la corteza, un tiempo de eco correspondientemente más largo (T E ~ 40 mseg) se utiliza para maximizarminimizar contraste funcional. Para cubrir toda la extensión de la SC, 8-10 rebanadas se obtienen. Para cada período de una anatomía estructural con la receta rebanada misma que la IRMf se obtiene también, que se utiliza para alinear los datos funcionales a un volumen de referencia de alta resolución. En una sesión separada, para cada tema, creamos una resolución alta (0,7 mm de muestreo) con un volumen de referencia en T1 secuencia que da un buen contraste de los tejidos. En el volumen de referencia, la región del mesencéfalo está segmentada mediante la aplicación de software ITK-SNAP 2. Esta segmentación se utiliza para crear una representación de superficie 3D del mesencéfalo que es suave y preciso 3. Los vértices de superficie y normales se utilizan para crear un mapa de profundidad desde la superficie dentro del mesencéfalo 4 tejido. Datos funcionales se transforma en el sistema de coordenadas del volumen de referencia segmentado. Asociaciones de profundidad de los voxelspermitir que el promedio de fMRI series temporales de datos dentro de los rangos de profundidad especificados para mejorar la calidad de la señal. Los datos se representa en la superficie 3D para la visualización. En nuestro laboratorio se utiliza esta técnica para medir los mapas topográficos de la estimulación visual y la atención visual encubierta y manifiesta en el SC 1. A modo de ejemplo, se demuestra la representación topográfica de ángulo polar a la estimulación visual en Carolina del Sur.

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High-resolution Functional Magnetic Resonance Imaging Methods for Human Midbrain

En este artículo se describen las técnicas para realizar imágenes de alta resolución de resonancia magnética funcional con el muestreo de 1,2 mm en el cerebro medio humano y las estructuras subcorticales mediante un escáner 3T. El uso de estas técnicas para resolver los mapas topográficos de la estimulación visual en el ser humano colículo superior (SC) se da como un ejemplo.

De alta resolución Magnética Funcional por imágenes de los métodos de resonancia cerebro medio humano

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 ...

high-resolution-functional-magnetic-resonance-imaging-methods-for

Research

JoVE Journal

Neuroscience

12.7K vistas.  The University of Texas at Austin. En este artículo se describen las técnicas para realizar imágenes de alta resolución de resonancia magnética funcional con el muestreo de 1,2 mm en el cerebro medio humano y las estructuras subcorticales mediante un escáner 3T. El uso de estas técnicas para resolver los mapas topográficos de la estimulación visual en el ser humano colículo superior (SC) se da como un ejemplo.

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Multiple-mouse Neuroanatomical Magnetic Resonance Imaging

The field of mouse phenotyping with magnetic resonance imaging (MRI) is rapidly growing, motivated by the need for improved tools for characterizing and evaluating mouse models of human disease. MRI is an excellent modality for investigating genetically altered animals. It is capable of whole brain coverage, can be used in vivo, and provides multiple contrast mechanisms for investigating different aspects of neuranatomy and physiology. The advent of high-field scanners along with the ability to scan multiple mice simultaneously allows for rapid phenotyping of novel mutations.
Effective mouse MRI studies require attention to many aspects of experiment design. In this article, we will describe general methods to acquire quality images for mouse phenotyping using a system that images mice concurrently in shielded transmit/receive radio frequency (RF) coils in a common magnet (Bock et al., 2003). We focus particularly on anatomical phenotyping, an important and accessible application that has shown a high potential for impact in many mouse models at our imaging centre. Before we can provide the detailed steps to acquire such images, there are important practical considerations for both in vivo brain imaging (Dazai et al., 2004) and ex vivo brain imaging (Spring et al., 2007) that should be noted. These are discussed below.

Magnetic resonance imaging (MRI) has become an increasingly popular tool for examining the phenotype of genetically altered mice. This article illustrates the methods necessary to achieve high-throughput phenotyping of genetically altered mice using multiple-mouse MRI.

Múltiples imágenes del ratón neuroanatómicos de Resonancia Magnética

The field of mouse phenotyping with magnetic resonance imaging (MRI) is rapidly growing, motivated by the need for improved tools for characterizing and ...

Investigación

Neurociencias

A Rapid Approach to High-Resolution Fluorescence Imaging in Semi-Thick Brain Slices

A fundamental goal to both basic and clinical neuroscience is to better understand the identities, molecular makeup, and patterns of connectivity that are characteristic to neurons in both normal and diseased brain. Towards this, a great deal of effort has been placed on building high-resolution neuroanatomical maps1-3. With the expansion of molecular genetics and advances in light microscopy has come the ability to query not only neuronal morphologies, but also the molecular and cellular makeup of individual neurons and their associated networks4. Major advances in the ability to mark and manipulate neurons through transgenic and gene targeting technologies in the rodent now allow investigators to 'program' neuronal subsets at will5-6. Arguably, one of the most influential contributions to contemporary neuroscience has been the discovery and cloning of genes encoding fluorescent proteins (FPs) in marine invertebrates7-8, alongside their subsequent engineering to yield an ever-expanding toolbox of vital reporters9. Exploiting cell type-specific promoter activity to drive targeted FP expression in discrete neuronal populations now affords neuroanatomical investigation with genetic precision.
Engineering FP expression in neurons has vastly improved our understanding of brain structure and function. However, imaging individual neurons and their associated networks in deep brain tissues, or in three dimensions, has remained a challenge. Due to high lipid content, nervous tissue is rather opaque and exhibits auto fluorescence. These inherent biophysical properties make it difficult to visualize and image fluorescently labelled neurons at high resolution using standard epifluorescent or confocal microscopy beyond depths of tens of microns. To circumvent this challenge investigators often employ serial thin-section imaging and reconstruction methods10, or 2-photon laser scanning microscopy11. Current drawbacks to these approaches are the associated labor-intensive tissue preparation, or cost-prohibitive instrumentation respectively.
Here, we present a relatively rapid and simple method to visualize fluorescently labelled cells in fixed semi-thick mouse brain slices by optical clearing and imaging. In the attached protocol we describe the methods of: 1) fixing brain tissue in situ via intracardial perfusion, 2) dissection and removal of whole brain, 3) stationary brain embedding in agarose, 4) precision semi-thick slice preparation using new vibratome instrumentation, 5) clearing brain tissue through a glycerol gradient, and 6) mounting on glass slides for light microscopy and z-stack reconstruction (Figure 1).
For preparing brain slices we implemented a relatively new piece of instrumentation called the 'Compresstome' VF-200 (http://www.precisionary.com/products_vf200.html). This instrument is a semi-automated microtome equipped with a motorized advance and blade vibration system with features similar in function to other vibratomes. Unlike other vibratomes, the tissue to be sliced is mounted in an agarose plug within a stainless steel cylinder. The tissue is extruded at desired thicknesses from the cylinder, and cut by the forward advancing vibrating blade. The agarose plug/cylinder system allows for reproducible tissue mounting, alignment, and precision cutting. In our hands, the 'Compresstome' yields high quality tissue slices for electrophysiology, immunohistochemistry, and direct fixed-tissue mounting and imaging. Combined with optical clearing, here we demonstrate the preparation of semi-thick fixed brain slices for high-resolution fluorescent imaging.

Here we describe a rapid and simple method to image fluorescently labeled cells in semi-thick brain slices. By fixing, slicing, and optically clearing brain tissue we describe how standard epifluorescent or confocal imaging can be used to visualize individual cells and neuronal networks within intact nervous tissue.

Un enfoque rápido para imágenes de fluorescencia de alta resolución en rodajas de cerebro semi-gruesa

A fundamental goal to both basic and clinical neuroscience is to better understand the identities, molecular makeup, and patterns of connectivity that are ...

The Use of Magnetic Resonance Spectroscopy as a Tool for the Measurement of Bi-hemispheric Transcranial Electric Stimulation Effects on Primary Motor Cortex Metabolism

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a neuromodulation technique that has been increasingly used over the past decade in the treatment of neurological and psychiatric disorders such as stroke and depression. Yet, the mechanisms underlying its ability to modulate brain excitability to improve clinical symptoms remains poorly understood 33. To help improve this understanding, proton magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS) can be used as it allows the in vivo quantification of brain metabolites such as &#947;-aminobutyric acid (GABA) and glutamate in a region-specific manner 41. In fact, a recent study demonstrated that 1H-MRS is indeed a powerful means to better understand the effects of tDCS on neurotransmitter concentration 34. This article aims to describe the complete protocol for combining tDCS (NeuroConn MR compatible stimulator) with 1H-MRS at 3 T using a MEGA-PRESS sequence. We will describe the impact of a protocol that has shown great promise for the treatment of motor dysfunctions after stroke, which consists of bilateral stimulation of primary motor cortices 27,30,31. Methodological factors to consider and possible modifications to the protocol are also discussed.

This article aims to describe a basic protocol for combining transcranial direct current stimulation (tDCS) with proton magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS) measurements to investigate the effects of bilateral stimulation on primary motor cortex metabolism.

El uso de la espectroscopia de resonancia magnética como herramienta para la medición de Bi-hemisféricos Transcraneal eléctricos Efectos de estimulación sobre la corteza primaria Motor Metabolismo

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a neuromodulation technique that has been increasingly used over the past decade in the treatment of ...

Metabolomic Analysis of Rat Brain by High Resolution Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy of Tissue Extracts

Studies of gene expression on the RNA and protein levels have long been used to explore biological processes underlying disease. More recently, genomics and proteomics have been complemented by comprehensive quantitative analysis of the metabolite pool present in biological systems. This strategy, termed metabolomics, strives to provide a global characterization of the small-molecule complement involved in metabolism. While the genome and the proteome define the tasks cells can perform, the metabolome is part of the actual phenotype. Among the methods currently used in metabolomics, spectroscopic techniques are of special interest because they allow one to simultaneously analyze a large number of metabolites without prior selection for specific biochemical pathways, thus enabling a broad unbiased approach. Here, an optimized experimental protocol for metabolomic analysis by high-resolution NMR spectroscopy is presented, which is the method of choice for efficient quantification of tissue metabolites. Important strengths of this method are (i) the use of crude extracts, without the need to purify the sample and/or separate metabolites; (ii) the intrinsically quantitative nature of NMR, permitting quantitation of all metabolites represented by an NMR spectrum with one reference compound only; and (iii) the nondestructive nature of NMR enabling repeated use of the same sample for multiple measurements. The dynamic range of metabolite concentrations that can be covered is considerable due to the linear response of NMR signals, although metabolites occurring at extremely low concentrations may be difficult to detect. For the least abundant compounds, the highly sensitive mass spectrometry method may be advantageous although this technique requires more intricate sample preparation and quantification procedures than NMR spectroscopy. We present here an NMR protocol adjusted to rat brain analysis; however, the same protocol can be applied to other tissues with minor modifications.

The neurochemistry of mammalian brain is changed in many neurological and systemic diseases. Characteristic profiles of cerebral metabolites can be efficiently obtained based on crude extracts of brain tissue. To this end, high-resolution NMR spectroscopy is employed, enabling detailed quantitative analysis of metabolite concentrations (metabolomics).

Análisis de Metabolómica de cerebro de rata por Alta Resolución Nuclear Espectroscopía de Resonancia Magnética de Extractos de Tejidos

Studies of gene expression on the RNA and protein levels have long been used to explore biological processes underlying disease. More recently, genomics ...

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.

Alta resolución<em&gt; En Vivo</em&gt; Protocolo Segmentación Manual for Human hipocampo subcampos Usando 3T Imágenes por Resonancia Magnética

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.

De alta resolución de imagen de resonancia magnética estructural del subcorteza Humano<I&gt; En Vivo</I&gt; Y 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 ...

Acquisition of Resting-State Functional Magnetic Resonance Imaging Data in the Rat

Resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) has become an increasingly popular method to study brain function in a resting, non-task state. This protocol describes a preclinical survival method for obtaining rs-fMRI data. Combining low dose isoflurane with continuous infusion of the &#945;2 adrenergic receptor agonist dexmedetomidine provides a robust option for stable, high-quality data acquisition while preserving brain network function. Furthermore, this procedure allows for spontaneous breathing and near-normal physiology in the rat. Additional imaging sequences can be combined with resting-state acquisition creating experimental protocols with anesthetic stability of up to 5 h using this method. This protocol describes the setup of equipment, monitoring of rat physiology during four distinct phases of anesthesia, acquisition of resting-state scans, quality assessment of data, recovery of the animal, and a brief discussion of post-processing data analysis. This protocol can be used across a wide variety of preclinical rodent models to help reveal the resulting brain network changes that occur at rest.

This protocol describes a method for obtaining stable resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) data from a rat using low dose isoflurane in combination with low dose dexmedetomidine.

Adquisición de datos de resonancia magnética funcional en estado de reposo en la rata

Resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) has become an increasingly popular method to study brain function in a resting, non-task ...

Endovascular Perforation Model for Subarachnoid Hemorrhage Combined with Magnetic Resonance Imaging (MRI)

The endovascular filament perforation model to mimic subarachnoid hemorrhage (SAH) is a commonly used model - however, the technique can cause a high mortality rate as well as an uncontrollable volume of SAH and other intracranial complications such as stroke or intracranial hemorrhage. In this protocol, a standardized SAH mouse model is presented, induced by endovascular filament perforation, combined with magnetic resonance imaging (MRI) 24 h after operation to ensure the correct bleeding site and exclude other relevant intracranial pathologies. Briefly, C57BL/6J mice are anesthetized with an intraperitoneal ketamine/xylazine (70 mg/16 mg/kg body weight) injection and placed in a supine position. After midline neck incision, the common carotid artery (CCA) and carotid bifurcation are exposed, and a 5-0 non-absorbable monofilament polypropylene suture is inserted in a retrograde fashion into the external carotid artery (ECA) and advanced into the common carotid artery. Then, the filament is invaginated into the internal carotid artery (ICA) and pushed forward to perforate the anterior cerebral artery (ACA). After recovery from surgery, mice undergo a 7.0 T MRI 24 h later. The volume of bleeding can be quantified and graded via postoperative MRI, enabling a robust experimental SAH group with the option to perform further subgroup analyses based on blood quantity.

Endovascular Perforation Model for Subarachnoid Hemorrhage Combined with Magnetic Resonance Imaging MRI

Here we present a standardized SAH mouse model, induced by endovascular filament perforation, combined with magnetic resonance imaging (MRI) 24 h after operation to ensure the correct bleeding site and exclude other relevant intracranial pathologies.

Modelo de perforación endovascular para hemorragia subaracnoidea combinada con resonancia magnética (IRM)

The endovascular filament perforation model to mimic subarachnoid hemorrhage (SAH) is a commonly used model - however, the technique can cause a high ...

A Standardized Pipeline for Examining Human Cerebellar Grey Matter Morphometry using Structural Magnetic Resonance Imaging

Multiple lines of research provide compelling evidence for a role of the cerebellum in a wide array of cognitive and affective functions, going far beyond its historical association with motor control. Structural and functional neuroimaging studies have further refined understanding of the functional neuroanatomy of the cerebellum beyond its anatomical divisions, highlighting the need for the examination of individual cerebellar subunits in healthy variability and neurological diseases. This paper presents a standardized pipeline for examining cerebellum grey matter morphometry that combines high-resolution, state-of-the-art approaches for optimized and automated cerebellum parcellation (Automatic Cerebellum Anatomical Parcellation using U-Net Locally Constrained Optimization; ACAPULCO) and voxel-based registration of the cerebellum (Spatially Unbiased Infra-tentorial Template; SUIT) for volumetric quantification. 
The pipeline has broad applicability to a range of neurological diseases and is fully automated, with manual intervention only required for quality control of the outputs. The pipeline is freely available, with substantial accompanying documentation, and can be run on Mac, Windows, and Linux operating systems. The pipeline is applied in a cohort of individuals with Friedreich ataxia (FRDA), and representative results, as well as recommendations on group-level inferential statistical analyses, are provided. This pipeline could facilitate reliability and reproducibility across the field, ultimately providing a powerful methodological approach for characterizing and tracking cerebellar structural changes in neurological diseases.

A standardized pipeline is presented for examining cerebellum grey matter morphometry. The pipeline combines high-resolution, state-of-the-art approaches for optimized and automated cerebellum parcellation and voxel-based registration of the cerebellum for volumetric quantification.

Una tubería estandarizada para examinar la morfometría de materia gris cerebelosa humana utilizando imágenes de resonancia magnética estructural

Multiple lines of research provide compelling evidence for a role of the cerebellum in a wide array of cognitive and affective functions, going far beyond ...

Magnetic Resonance-Guided Stereotaxy for Infusions to the Pig Brain

The overall goal of this procedure is to perform stereotaxy in the pig brain with real-time magnetic resonance (MR) visualization guidance to provide precise infusions. The subject was positioned prone in the MR bore for optimal access to the top of the skull with the torso raised, the neck flexed, and the head inclined downward. Two anchor pins anchored on the bilateral zygoma held the head steady using the head holder. A magnetic resonance imaging (MRI) flex-coil was placed rostrally across the head holder so that the skull was accessible for the intervention procedure. A planning grid placed on the scalp was used to determine the appropriate entry point of the cannula. The stereotactic frame was secured and aligned iteratively through software projection until the projected radial error was less than 0.5 mm. A hand drill was used to create a burr hole for insertion of the cannula. A gadolinium-enhanced co-infusion was used to visualize the infusion of a cell suspension. Repeated T1-weighted MRI scans were registered in real time during the agent delivery process to visualize the volume of gadolinium distribution. MRI-guided stereotaxy allows for precise and controlled infusion into the pig brain, with concurrent monitoring of cannula insertion accuracy and determination of the agent volume of distribution.

The protocol presented here demonstrates stereotaxy to the pig brain using convection-enhanced infusions, with real-time magnetic resonance imaging (MRI) visualization guidance and real-time infusion distribution visualization.

Estereotaxia guiada por resonancia magnética para infusiones al cerebro de cerdo

The overall goal of this procedure is to perform stereotaxy in the pig brain with real-time magnetic resonance (MR) visualization guidance to provide ...