Los autores desean reconocer las contribuciones de Kyle Gilbert, quien diseñó la bobina personalizada RF, y Kevin Barker, quien diseñó el trineo compatible con resonancia magnética. Este trabajo fue financiado por los Institutos Canadienses de Investigación en Salud (CIHR), Ciencias Naturales e Ingeniería de Investigación de Canadá (NSERC), y la Fundación Canadiense para la Innovación (CFI).

El siguiente procedimiento se puede aplicar a cualquier experimento de formación de imágenes en el que se utilizan gatos anestesiados. Pasos que se requieren específicamente para experimentos auditivos (pasos 1.1 a 1.7, 2.8, 4.1) pueden ser modificados para dar cabida a otros protocolos de estímulos sensoriales. Todos los procedimientos experimentales recibieron la aprobación de la utilización de animales Subcomité del Consejo Universitario de Cuidado de Animales de la Universidad de Western Ontario y siguieron las directrices especificadas por el Consejo Canadiense de Protección de los Animales (CCPA) 44. El experimento descrito requiere aproximadamente 150 minutos, desde la preparación de los animales para la recuperación. El curso de tiempo del experimento se ilustra en la Figura 1. 1. Estímulo para la Preparación de La Figura 2 muestra los componentes electrónicos y las conexiones correspondientes requeridas para generar un estímulo auditivo en el escáner de resonancia magnética. Los requisitos son los follows: un ordenador, una tarjeta de sonido externa, un amplificador de potencia estéreo y un sistema de auriculares compatible con fMRI. <ol><li> Conectar el equipo que se utiliza para presentar el estímulo auditivo a la tarjeta de sonido externa a través del cable (USB) de bus serie universal. </li><li> Conecte los cables que conectan los puertos de salida de la tarjeta de sonido externa a los puertos de entrada del amplificador de potencia estéreo. </li><li> Conecte los cables que conectan los puertos de salida del amplificador de potencia estéreo a los puertos de entrada de la caja del transformador del sistema de auricular compatible con fMRI. </li><li> Conecte los auriculares binaurales a los puertos de salida de la caja del transformador. </li><li> Utilice cables coaxiales apantallados con conexiones BNC para conectar la caja del transformador al panel de penetración fuera de la sala del escáner. </li><li> Conecte el conjunto de cables del auricular a los puertos BNC correspondientes en el panel de la penetración en el interior de la sala del escáner. </li><li> Conecte las puntas de las orejas de espuma para los auriculares y luego conectar los auriculares to el conjunto de cables. Ejecute un estímulo auditivo de prueba para confirmar que el sonido se transmite desde el ordenador a los auriculares. Desconecte los auriculares y insertar las almohadillas de espuma de forma segura en las orejas del gato durante la fase de preparación de animales (paso 2.7). </li></ol> 2. Preparación de los animales <ol><li> Para premedicar el gato, administrar un sedante mezcla de sulfato de atropina (0,02 mg / kg) y acepromacina (0,02 mg / kg) a través de una inyección subcutánea (SC). </li><li> Después de 20 min, administrar la ketamina (4 mg / kg) y clorhidrato de dexmedetomidina (0,02-0,03 mg / kg) a través de una inyección intramuscular (IM) para inducir la anestesia. La ketamina se combina generalmente con un sedante y relajante muscular, en este caso, clorhidrato de dexmedetomidina, para reducir los temblores y la rigidez muscular comúnmente observados cuando la ketamina se usa solo 45. Esta combinación anestésico típicamente induce aproximadamente 150 min de sedación y se utiliza con frecuencia en la práctica veterinaria para induciranestesia en animales pequeños. </li><li> Una vez que el gato ha perdido su reflejo de enderezamiento, aplique ungüento oftálmico para los ojos para evitar la sequedad durante el procedimiento. Coloque un catéter permanente en la vena safena medial de la administración intravenosa de ketamina. </li><li> Prueba para la inducción anestésica con éxito apretando un dedo del pie en la pata delantera y luego observar si el gato retira su pata. Una vez que el reflejo pedal desaparece, suprimir el reflejo de la mordaza rociando lidocaína sobre las paredes faríngeas entonces intubar al gato con un tubo endotraqueal 4,0-4,5. </li><li> Mantener la anestesia durante toda la sesión de formación de imágenes con una infusión a velocidad constante de ketamina (0.6-0.75 mg / kg / h) e isoflurano inhalado (0,4-0,5%) entregado en 100% de oxígeno a 1-1,5 L / min. Combinar 60 ml de solución salina y 0,07 ml de ketamina en una jeringa de 60 ml a continuación, colocar la jeringa en la bomba de jeringa. Este paso puede realizarse antes de premedicating el gato. </li><li> Coloque almohadillas térmicas de cera llenas de cálidos en el suelo de los s compatibles con resonancia magnéticaconducido (figuras 3a y 3c) a continuación, la capa aislante de la envoltura de burbujas de plástico alrededor de las paredes interiores de la corredera. </li><li> Coloque el gato en posición esternal en el plástico de burbujas de aislamiento en el trineo compatible con resonancia magnética (Figura 3c). </li><li> Una vez que el gato se coloca, ajustar la cabeza para obtener acceso a los oídos. Rollo de las puntas de las orejas de espuma en el menor diámetro posible luego inserte la punta de cada oreja profundamente en el canal auditivo. Una vez insertado, las almohadillas de espuma deberían expandirse para llenar el espacio dentro de los canales del oído. </li><li> Ajuste el gato hasta que su cabeza está colocada adecuadamente dentro de la radiofrecuencia (RF) de la bobina de 3 canales (Figura 3b). Estabilice la cabeza con espuma de memoria amortiguación acústica (Figura 3d). Coloque espuma alrededor de las orejas para proporcionar la atenuación del ruido producido por el escáner. </li><li> Envuelva al gato en la manta de aislante plástico de burbujas de plástico y luego asegurar y transportar el trineo a la superficie del escáner. </li><li> Conecte las líneas de infusión, tubos de suministro de anestesia y equipos de monitoreo para el gato. Conecte los auriculares a la asamblea de cable del auricular de la centralita de la penetración. </li><li> Iniciar la infusión de ketamina en la tasa de flujo de base de 0,6 mg / kg / hr a continuación, aumentar la velocidad de flujo según se requiera en base a la profundidad de la anestesia. Ajuste de la dosis inicial isoflurano al 0,5% y luego disminuirá a 0,4% una vez que se han recogido las exploraciones anatómicas. </li><li> Monitorear y registrar la saturación del gato de oxígeno en sangre, final de la espiración niveles de CO 2, la frecuencia cardiaca, la respiración y la temperatura rectal (si es posible) durante todo el experimento utilizando equipos de vigilancia compatible con resonancia magnética colocada a una distancia apropiada desde el agujero del escáner. Tabla 1 enumera los los valores medios y rangos de las mediciones fisiológicas para la ejecución exitosa de este procedimiento. Los constantes aumentos en la frecuencia cardíaca y la respiración se asocian generalmente con la recuperación inminente de la anestesia. </li><li> Después de que los sse completa esión, quite el gato del trineo. Continuar proporcionando calentamiento suplementario con almohadillas de calor y toallas hasta que el animal se recupere por completo. Una vez que los retorne el reflejo nauseoso, retire el tubo endotraqueal. Monitorear el gato hasta que el reflejo de enderezamiento se restaura luego regresar al animal a las instalaciones. Evaluar el animal al día siguiente del procedimiento para asegurarse de efectos adversos del experimento. </li></ol> 3. Brain Imaging <ol><li> Recoger las exploraciones anatómicas del cerebro del gato en una orientación corte axial. Utilice los siguientes parámetros de imagen para el volumen de referencia anatómica: la secuencia de imágenes FLASH con TR = 750 ms, TE = 8 ms, matriz = 256 x 256, la adquisición de un voxel = 281 m x 281 m x 1,0 mm. La duración de la exploración anatómica es aproximadamente 6 min. Figura 4 (panel izquierdo) proporciona una muestra de corte de imagen anatómica obtenida usando los parámetros especificados. </li><li> Utilice los siguientes parámetros de imagen para el funciovolúmenes internos: la adquisición de eco planar intercalada segmentado (EPI) con TR = 1000 ms, TE = 15 ms, 3 segmentos / avión, 21 x 1 mm rebanadas; matriz = 96 x 96; campo de visión = 72 mm x 72 mm, la adquisición de un voxel = 0.75 mm x 0.75 mm x 1,0 mm;. tiempo de adquisición = 3 s / volumen de la figura 4 (panel derecho) ofrece una muestra de corte de imagen funcional obtenida mediante los parámetros especificados. </li></ol> 4. Presentación de Estímulo <ol><li> Presentar un ruido blanco de banda ancha estímulo (0-25 kHz, 100 mseg ráfagas con 5 tiempo de subida / caída ms, 1 presentación cada 200 ms, 90-100 dB SPL) en un diseño de bloques en el que se juega el estímulo auditivo durante 30 segundos y alternado con un 30 seg línea de base (sin-estímulo) condición (Figura 5). Repita este paso hasta que se observe la actividad BOLD acústicamente-evocó en la corteza auditiva. La duración de cada carrera funcional utilizando un diseño de bloques es de aproximadamente 4,5 min por 90 volúmenes. </li><li> Presentar el estímulo en el apbloque apropiado configuración de diseño para el número deseado de carreras funcionales. </li></ol> 5. Análisis de Datos <ol><li> Seleccione el software de análisis de resonancia magnética funcional adecuada (por ejemplo, SPM, FSL) para procesar los volúmenes funcionales adquiridos. </li><li> Vuelva a alinear cada volumen funcional al volumen adquirido más cercano en el tiempo a la referencia anatómica exploración. Guarde los valores de corrección de movimiento resultantes para uso en la etapa 5.6. Excluir las carreras funcionales en las que los movimientos de cabeza de rotación superiores a 1 º o movimientos de la cabeza de traslación superan 1 mm. </li><li> Coregister cada volumen a la referencia anatómica exploración. </li><li> Alise cada volumen con un 2 mm de media máxima de ancho completo (FWHM) de filtro de Gauss. </li><li> Incorporar una función de onda cuadrada (furgón), que se corresponde con el diseño de bloques al estímulo ON-OFF como regresor en el modelo lineal general (GLM). </li><li> Incorporar los valores de corrección de movimiento como regresores de ningún interés para dar cuenta de los artefactos relacionados con el movimiento. Aplicar una uumbral estadístico ncorrected de p = 0,001 para el GLM resulta para ver los grupos de activación BOLD. Determine el tamaño de la agrupación más pequeña que se encuentra con un corregido (error familia de sabios: FWE) umbral de p &lt;0,05 en el nivel de clúster. Ajuste el umbral de extensión de clúster a este valor para ver grupos estadísticamente significativas en las regiones de interés. </li><li> Definir el cambio de la señal BOLD ciento (PSC) en cada voxel como la diferencia entre la señal BOLD media durante los bloques de estimulación y la señal BOLD media durante los bloques de referencia. </li></ol>

Los autores declaran no tener conflictos de interés, financiero o de otra manera.

En el diseño de un experimento fMRI para un modelo animal anestesiado de la función auditiva, los siguientes aspectos deben recibir una cuidadosa consideración: (i) el impacto de la anestesia en las respuestas corticales, (ii) el efecto del ruido del escáner plano, y (iii) la optimización de la fase de recogida de datos del procedimiento experimental. Mientras que una preparación anestesiado ofrece la importante ventaja de producir un período prolongado de sedación y minimizando el p...

La comprensión actual del procesamiento auditivo en los mamíferos se deriva principalmente de los estudios electrofisiológicos invasivos en monos, hurones 1-5 6-10 11-14, murciélagos, roedores 15-19, 20-24 y gatos. Técnicas electrofisiológicas comúnmente utilizan microelectrodos extracelulares para registrar la actividad de las neuronas individuales y múltiples dentro de una pequeña área de tejido neuronal que rodea la punta del electrodo. Establecido métodos de neuroimagen funcional, como la proyección de imagen óptica y la resonancia magnética funcional (fMRI), sirven como complementos útiles a las grabaciones extracelulares, proporcionando una perspectiva macroscópica de la actividad driven simultánea a través de múltiples regiones, espacialmente distintas del cerebro. Imágenes ópticas señal intrínseca facilita la visualización de la actividad evocada en el cerebro mediante la medición de los cambios relacionados con la actividad en las propiedades de reflectancia de la superficie del tejido, mientras que la fMRI utiliza la sangre oxígeno-dependiente del nivel de (BOLD)contrastar medir estímulo-evocó los cambios hemodinámicos en las regiones del cerebro que están activas durante una tarea en particular. Imágenes ópticas requiere la exposición directa de la superficie cortical que mide los cambios en la superficie de reflectancia del tejido que están relacionados con la actividad provocada por estímulo 25. En comparación, la fMRI es no invasivo y explota las propiedades paramagnéticas de sangre sin oxígeno para medir tanto la superficie cortical 26-28 y 27,29 la actividad evocada basado en surco dentro de un cráneo intacto. Una alta correlación entre la señal BOLD y la actividad neuronal en la corteza visual de los primates no humanos 30 y en la corteza auditiva humana 31 validan fMRI como una herramienta útil para estudiar la función sensorial. Desde fMRI se ha utilizado ampliamente para estudiar las características de la vía auditiva tales como la organización tonotópica 32-36, lateralización de la función auditiva 37, los patrones de activación cortical, la identificación de regiones corticales 38, efectos de sonidointensidad en las propiedades de respuesta auditiva 39,40, y las características de la evolución en el tiempo de respuesta BOLD 29,41 en modelos de ratas humanas, de mono, y, el desarrollo de un protocolo de imagen funcional adecuado para estudiar la función auditiva en el gato proporcionaría un complemento útil para la literatura de imagen funcional. Mientras fMRI también se ha utilizado para explorar diversos aspectos funcionales de la corteza visual en el gato anestesiado 26-28,42, pocos estudios han utilizado esta técnica para examinar el procesamiento sensorial de gato corteza auditiva. El propósito del presente Protocolo es establecer un método eficaz de utilizar fMRI para cuantificar la función en la corteza auditiva del gato anestesiado. Los procedimientos experimentales descritos en este manuscrito se han utilizado con éxito para describir las características de la evolución en el tiempo de respuesta BOLD en la corteza auditiva gato adulto 43.

<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

El conocimiento actual de procesamiento sensorial en el sistema auditivo mamífero se deriva principalmente de estudios electrofisiológicos en una variedad de modelos animales, incluyendo monos, hurones, murciélagos, roedores y gatos. Con el fin de establecer paralelismos adecuados entre los modelos humanos y animales de la función auditiva, es importante establecer un puente entre los estudios de imagen funcional humanos y estudios electrofisiológicos animales. La resonancia magnética funcional (fMRI) es establecido un método mínimamente invasivo para medir patrones amplios de la actividad hemodinámica en las distintas regiones de la corteza cerebral. Esta técnica es ampliamente utilizado para sondear la función sensorial en el cerebro humano, es una herramienta útil en la vinculación de los estudios de procesamiento auditivo en los seres humanos y los animales y se ha utilizado con éxito para investigar la función auditiva en monos y roedores. El siguiente protocolo describe un procedimiento experimental para la investigación de la función auditiva en adultos anestesiadosgatos mediante la medición de estímulo-evocó los cambios hemodinámicos en el córtex auditivo mediante resonancia magnética funcional. Este método facilita la comparación de las respuestas hemodinámicas a través de diferentes modelos de la función auditiva lo que conduce a una mejor comprensión de las características de especies independiente de la corteza auditiva de los mamíferos.

Datos funcionales representativos fueron adquiridos en un escáner de perforación horizontal 7T y se analizaron usando la caja de herramientas Statistical Parametric Mapping en MATLAB. Respuestas hemodinámicas corticales robusto para la estimulación auditiva consistentemente se han observado en los gatos utilizando el protocolo experimental descrito 43. Figura 6 ilustra la activación negrita en 2 animales en respuesta a un estímulo ruido de banda ancha 30 seg presentado en un diseño de ...

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

Los estudios funcionales del sistema auditivo en los mamíferos que tradicionalmente han llevado a cabo utilizando técnicas espacialmente focalizadas tales como registros electrofisiológicos. El siguiente protocolo describe un método de visualización de los patrones a gran escala de la actividad hemodinámica evocado en la corteza auditiva gato utilizando imágenes de resonancia magnética funcional.

Imágenes funcionales de la corteza auditiva en los gatos adultos el uso de alto campo 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 vistas.  University of Western Ontario.  Los estudios funcionales del sistema auditivo en los mamíferos que tradicionalmente han llevado a cabo utilizando técnicas espacialmente focalizadas tales como registros electrofisiológicos. El siguiente protocolo describe un método de visualización de los patrones a gran escala de la actividad hemodinámica evocado en la corteza auditiva gato utilizando imágenes de resonancia magnética funcional. 

Video: 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.

Imagen crónica de la corteza visual del ratón usando una preparación de Diluido-cráneo

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

Investigación

Neurociencias

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.

La correlación entre las respuestas de comportamiento a las señales de fMRI de la corteza prefrontal humana: estudio de determinados procesos cognitivos Uso del análisis de tareas

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-análisis de la estructura y función cerebral mediante resonancia magnética funcional y la difusión de imágenes ponderado

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.

La estimulación cerebral profunda con simultánea fMRI en roedores

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.

Imágenes en vivo de la mitosis en el desarrollo de la corteza de embriones de ratón

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.

De dos fotones<em&gt; In vivo</em&gt; Imágenes de las espinas dendríticas en la corteza del ratón Usando un Diluido-cráneo Preparación

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.

Proyección de imagen de las células de la corteza Cerebral primaria usando un sistema 2D de la cultura en vivo

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.

Imágenes de la actividad neuronal en la corteza somatosensorial primaria usando Thy1-ratones transgénicos GCaMP6s

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.

Mapeo cerebral de resonancia magnética funcional en tiempo real en animales

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.

Activación 3D de todo el cerebro y mapeo de conectividad funcional en ratones utilizando imágenes de ultrasonido funcional transcraneal

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