Ce matériau est basé sur des travaux appuyés par le National Science Foundation sous Grant BCS 1063774.

1. Stimulation de la topographie Polar-angle et Psychophysique Pour obtenir une carte polaire à angle rétinotopique dans la SC, nous utilisons un coin à 90 ° de points mobiles que le stimulus (excentricité 2-9 ° d&#39;angle visuel, signifie point-vitesse 4 ° / sec) (Fig. 1). Il est connu que l&#39;activité dans le SC est renforcée par l&#39;application de l&#39;attention implicite 5, donc nous utilisons une tâche d&#39;attention dans notre paradigme pour augmenter signal disponible. Le procès, chaque 2 s, les sujets ont pour consigne de secret assister à la cale entière et d&#39;effectuer une tâche de discrimination de vitesse tout en conservant la fixation. Le coin est divisé en 2 × 3 secteurs virtuels avec des points dans l&#39;un des secteurs, choisis au hasard à chaque essai, un déplacement plus lent ou plus rapide que tous les autres points. Après chaque essai, le coin est tourné de 30 ° autour de fixation de telle sorte que le stimulus tourne pleinement avec une période de 24 sec. Chaque course se compose de 9,5 rotations de la relance (228 sec), et des séances de laboratoire, mentionnons16-18 pistes. Pour maintenir les performances du sujet à cette tâche pendant toute la durée de chaque course, la difficulté de la tâche est ajustée en utilisant deux hasard entrelacés deux jusqu&#39;à-un-vers le bas des escaliers. Après tous les deux essais consécutifs de corriger la différence de vitesse est réduite de 8%, et pour chaque essai incorrecte, la différence est augmenté de 8%. Avant la numérisation, tous les sujets de pratiquer la tâche visuelle à l&#39;extérieur du scanner jusqu&#39;à ce qu&#39;ils atteignent un niveau stable de la performance, ce qui nécessite 3-4 de 20 minutes la durée des séances de pratique. Seuils de discrimination typiques sont de l&#39;ordre de 1 ° -1,5 ° / sec. 2. Préparation Sujet <ol><li> Sujets têtes sont fixées avec des tampons pour minimiser mouvement de la tête avant qu&#39;ils ne soient positionnés à l&#39;intérieur du scanner portait. À ces hautes résolutions spatiales, l&#39;IRMf est particulièrement sensible aux artefacts de mouvement, de sorte stabilisation de la tête est essentiel. </li><li> Les sujets ont une IRM-compatibpad bouton le dans une main et instruit sur quel bouton appuyer pour indiquer leurs jugements sur la vitesse dot. </li></ol> 3. Localisation et fixant la SC <ol><li> Human SC est une petite structure, mais distincts, ~ 9 mm de diamètre, situé sur le toit du mésencéphale. Lorsque vous utilisez un petit nombre de tranches d&#39;IRMf, plusieurs séries de l&#39;imagerie alignement sont nécessaires pour sa localisation précise. Nous courons ces séries le long des plans sagittal, axial et coronal. </li><li> Nous utilisons ensuite ces images radiophare d&#39;alignement de précision prescrire la SC avec 8-10 tranches contiguës, 1,2 mm d&#39;épaisseur, le champ de vision (FOV), 170 mm en une barre oblique, quasi-axiale avion. </li><li> Ensuite, à haute résolution T 1-pondérées images structurelles sont obtenues en utilisant un modèle tridimensionnel (3D) RF-gâtés GRASS (SPGR) séquence (15 ° angle de bascule, de 1,2 mm voxels) une fois avant de recueillir des données fonctionnelles et une fois après. Ces images sont utilisées comme référence pour aligner les données IRMf à un str haute résolutionvolume de référence uctural obtenu dans une session distincte que nous décrirons plus tard. </li></ol> 4. Paramètres fonctionnels IRM Tout d&#39;imagerie a été réalisée sur un scanner GE Signa HD12 IRM 3T en utilisant le GE-8-channel fourni, bobine de tête. Excitation était de 6,4 ms-sinc fenêtré impulsion appliquée à l&#39;aide de la bobine corps du scanner. Pour obtenir 1,2 mm d&#39;échantillonnage dans l&#39;homme SC, nous utilisons une de trois coups en spirale trajectoire d&#39;acquisition 6,7. Trois coups de feu sont nécessaires pour plusieurs raisons. En particulier, un coup d&#39;acquisition pour notre scanner et FOV requise&gt; 77 ms, trop long pour être pratique. Les coups multiples sont combinés ensemble, après correction en soustrayant la valeur initiale et de la tendance linéaire de la phase. TE est incrémenté de 2 ms à la première image pour estimer une carte de champ à partir des deux premiers volumes acquises, et cette carte est utilisée pour la correction linéaire. Images reconstruites a un SNR de ~ 20. Spectres de puissance temporelle SC voxels généralementont montré peu de la structure associée au bruit physiologique; l&#39;utilisation d&#39;une acquisition 3-tir a eu un fort effet de filtrage sur le niveau relativement élevé de fréquence des effets de pulsation cardiaque et la respiration. Autres techniques de réduction du bruit sont problématiques dans ce contexte à haute résolution. Par exemple, les méthodes de correction rétrospectives comme RETROICOR 6 ne sont pas applicables aux Multi-shot de données, et synchronisation cardiaque introduit du bruit et des artefacts associés à des troubles de l&#39;équilibre T 1. Le temps d&#39;écho, T E = 40 ms, est plus longue que typiquement utilisés dans le cortex (30 ms) parce qu&#39;on mesurée une manière correspondante plus 2 T * dans le tissu SC (~ 60 ms) que celle observée dans la matière grise corticale (~ 45 ms). Acquisition de la bande passante est limitée à 62,5 kHz à réduire le courant de crête gradient qui provoque le chauffage indésirable sur notre scanner. Nous avons choisi TR = 1 sec, donc avec trois coups d&#39;un volume est acquise à tous les 3sec. 5. Modélisation structurelle IRM et 3D En une seule séance distincte pour chaque objet, on obtient une haute résolution (0,7 mm d&#39;échantillonnage) volume de référence en utilisant un T 1-séquence pondérée qui donne une bonne contraste des tissus (3D SPGR, 15 ° angle de bascule, l&#39;inversion préparé avec T I = 450 ms, 2 excitations, durée ~ 28 minutes, 0,7 mm voxels). Dans ce volume de référence, nous segment de tissus du mésencéphale, le tronc cérébral, et des parties du thalamus (figure 2A) en utilisant une combinaison de techniques manuelles et automatiques fournies par l&#39;application ITK-SNAP 2. En particulier, nous utilisons un outil de segmentation automatique dans lequel l&#39;utilisateur graines de multiples points au sein de chaque tronc cérébral, le logiciel, puis étend automatiquement la segmentation autour des points de semences contraints dans une région définie par des critères de contraste et l&#39;intensité. Cette segmentation automatique est ensuite ajustered, le cas échéant, à l&#39;aide manuelle, &quot;peinture-comme des« outils de voxels. Le liquide céphalo-rachidien-tissu interface de la SC est interpolée à partir de la segmentation à l&#39;aide de tessellation de surface isodensité, et cette surface initiale est raffiné pour réduire les artefacts de repliement de spectre (fig. 2, B et D) en utilisant une variationnel déformable de la surface algorithme 3. Cette surface offre sommets et vers l&#39;extérieur des vecteurs normaux à être utilisés comme référence pour les calculs laminaires (décrit ci-dessous) ainsi que d&#39;un moyen de visualiser les données fonctionnelles. 6. Analyse d&#39;Image Pour analyser les données IRMf, nous utilisons le logiciel mrVista (disponible en téléchargement sur <a href="http://white.stanford.edu/mrvista.php" target="_blank">​​http://white.stanford.edu/mrvista.php)</a> ainsi que des outils développés sur le cadre mrVista dans notre laboratoire. Dans les prochaines étapes, nous utilisons des outils standard de paquet mrVista: <ol><li> Initialiserla session en mrVista, sélectionnant l&#39;option de normalisation dans l&#39;espace l&#39;intensité des données moyennées pour réduire les effets de l&#39;inhomogénéité de la bobine. La normalisation utilise un procédé homomorphique, qui est, en divisant par une version filtrée passe-bas des intensités moyennes temporellement l&#39;image de volume avec une correction additive solide pour le bruit estimé. Le premier demi-cycle d&#39;images (12 sec) est abandonné pour éviter transitoire équilibre MR et les effets hémodynamiques. </li><li> Corrigez au sein terme de mouvement. Le mouvement est estimée à partir de la série chronologique des volumes. Toutefois, en raison de la relativement faible rapport signal sur bruit (SNR) des images, nous avons d&#39;abord effectuer un wagon 5-échantillon de lissage sur les séries chronologiques. Chaque volume est ensuite enregistrée à la moyenne des 5 derniers échantillons. Notez que le lissage est utilisé uniquement pour estimer le mouvement, et les données réelles ne sont pas amortis. </li><li> Formulaire moyennes temporelles de données de chaque terme de l&#39;image en mouvement corrigés, et utiliser ces moyennes pour corriger le mouvement inter-série using pour la dernière série comme référence. </li><li> Effectuer une correction tranche-temps. Nous utilisons acquisition de la coupe progressive, de façon erreurs dues à l&#39;exécution de correction d&#39;horloge après la correction de mouvement sera faible (~ 125 msec). </li><li> Moyenne des multiples joggings enregistrés au sein de chaque session pour améliorer SNR. </li><li> Alignez les données structurelles de la session IRMf au volume de structure de référence en utilisant un algorithme de recalage robuste basée sur l&#39;intensité 8. Chargez l&#39;alignement et la segmentation en mrVista. </li><li> Transformer les données fonctionnelles de séries temporelles sur le volume de référence segmenté. Dans les étapes suivantes, nous utilisons des outils développés dans notre laboratoire pour effectuer une analyse plus approfondie. </li><li> Calculer une carte de distance en calculant la distance entre chacun des voxels de tissus SC et sa plus proche sur la surface de sommet SC. Ces distances sont utilisés pour mesurer la position laminaire dans le volume de référence. </li><li> Effectuer un processus de segmentation laminaire pour permettre moyenne profondeur de données de séries chronologiques pour améliorer èmee SNR. Petites (1,6 mm de diamètre) des disques de tissu sont associés à chaque sommet du modèle de surface le long de la surface superficielle entière SC, et chaque disque est ensuite étendu à la fois vers l&#39;intérieur et vers l&#39;extérieur à partir du tissu SC utilisant les normales de surface locale d&#39;un voisinage former laminaire individuelle 4. </li><li> Pour chaque point de la surface SC, nous utilisons ces associations laminaire à la moyenne de la série chronologique sur une échelle de profondeur. Depuis, les neurones visuels sensibles sont principalement présents dans les couches superficielles de la SC, pour l&#39;expérience de stimulation visuelle, nous avons utilisé une gamme de 0 à 1,8 mm de profondeur. </li></ol> 7. Analyse de cartographie topographique Pour analyser la représentation topographique des données, analyse de cohérence est effectuée sur la série temporelle moyenne profondeur en ajustant une sinusoïde à la fréquence de répétition de stimulation (c.-à-Hz 1/24 pour le stimulus 24 secondes décrit ci-dessus) pour chaque voxel. De cette adaptation, nous tirons des cartes de surface de responsabilitésoi amplitude, la cohérence, et la phase. Cette analyse est effectuée dans le domaine fréquentiel, et est une technique courante pour quantifier cartes rétinotopiques dans le cortex visuel 9,10. La phase de l&#39;ajustement sinusoïdal mesure la position du stimulus. À phase nulle correspond à la partie supérieure méridien vertical (fig. 3). Le stimulus tourne alors vers la droite, de sorte qu&#39;une phase de π / 2 correspond à quand le stimulus a tourné vers le méridien horizontal dans le champ visuel droit. Après la phase de radians, l&#39;impulsion traverse dans le champ visuel gauche, et ainsi de suite. Nous avons également obtenu des limites de toute l&#39;étendue superficielle de la SC en utilisant une inspection manuelle de l&#39;anatomie de haute résolution de volume pondérée en T1. Ces limites sont marquées dans la figure. 3 par lignes rouges en pointillés. IRMf ne mesure pas directement l&#39;activité neuronale, mais plutôt une réponse du flux sanguin qui est étroitement couplé, mais lentementà l&#39;activité neuronale. Cela ajoute un délai hémodynamique à la réponse en phase. Le retard est estimé en prenant toutes les voxels-dessus de notre seuil de cohérence de chaque SC région d&#39;intérêt, et le centrage de leurs moyens autour de π dans le plan complexe. Dans nos données SC, ces retards sont assez petites, de l&#39;ordre de 2-4 sec. Nous supprimons ce retard en faisant tourner la palette de couleurs dans le sens antihoraire de 45 degrés (correspondant à 3 sec) (Fig. 3). 8. Les résultats représentatifs Données de phase en superposition sur une surface 3D de la SC (Fig. 3) montre que la réponse à une stimulation visuelle est représentée controlatéral dans le SC, c&#39;est à dire, le champ visuel gauche est représentée sur la droite SC et le vice-a-versa. Il ya aussi une organisation rétinotopique de l&#39;activité. Le droit champ visuel supérieur est représenté en dedans sur la gauche colliculus (bleu-magenta), et le champ inférieur est représenté latéralement (rouge-jaune). SimilArly, le champ supérieur gauche visuel est représenté en dedans sur le droit colliculus (bleu-cyan) et inférieure est représentée latéralement (vert-jaune). Cette topographie est compatible avec les résultats de non-humains études sur les primates de réponses SC: 1) à une stimulation visuelle à l&#39;aide unitaire électrophysiologie, et 2) la cartographie des mouvements induits par microstimulation saccades 11,12. <img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/3746/3746fig1.jpg" /> Figure 1. Une ordonnance Slice) affichée sur la mi-sagittale image. B) moyenne temporelle (à partir du 1er terme) des images fonctionnelles obtenues de la tranche centrale marquée en rouge dans A). <img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/3746/3746fig2.jpg" /> Figure 2. Relance la topographie Polar-angle. Un coin de 90 ° de déplacement en noir et blanc des points sur un fond gris tourner lentement autour de la fixation. Le coin a été divisée en un réseau de 6 Virtusecteurs al (lignes grises ajouté pour souligner les secteurs) pour permettre au sujet d&#39;effectuer une tâche de discrimination de vitesse dans un secteur choisi au hasard. <img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/3746/3746fig3.jpg" /> Figure 3. Segmentation et modélisation de la surface. A) Le mésencéphale, le tronc cérébral, et des parties du thalamus ont été segmentés de haute résolution volumes anatomie IRM. B) une surface a été créé sur le bord de la région segmentée. C) des données de phase sinusoïdale ajustés vu sur une tranche inplane (cohérence&gt; 0,25). D) A tourné et vue agrandie de la surface du modèle du tronc cérébral a été utilisée pour visualiser des données de phase sur le SC. <img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/3746/3746fig4.jpg" /> Figure 4. Polar-angle cartes. cartes de phase IRMf dans deux sujets qui codent visuelle angle polaire. Seuils cohérence pour chaque carte sont prévus sur le coin inférieur droit. La roue des couleurs concerne les phases superposées de la relance dans les pangle alvéolaire à leurs positions du champ visuel.

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Pas de conflits d&#39;intérêt déclarés.

Nos techniques d&#39;acquisition et d&#39;analyse de données permettent de mesurer l&#39;activité neuronale dans des structures sous-corticales du cerveau humain à haute résolution (1,2 mm voxels). L&#39;acquisition spirale 3-shot réduit le bruit physiologique qui est particulièrement préjudiciable aux mesures IRMf dans le mésencéphale. En outre, notre segmentation du tissu laminaire nous permet d&#39;effectuer moyenne approfondie des données qui contribuent à améliorer le SNR. Nous avons utilisé ces métho...

high-resolution functional magnetic resonance imaging methods for human midbrain

L&#39;IRM fonctionnelle (IRMf) est un outil largement utilisé pour la mesure non invasive de corrélats activité du cerveau humain. Cependant, son utilisation a surtout été centrée sur mesure de l&#39;activité sur la surface du cortex cérébral plutôt que dans les régions sous-corticales comme le mésencéphale et du tronc cérébral. IRMf sous-corticale doit relever deux défis: la résolution spatiale et le bruit physiologique. Nous décrivons ici un ensemble optimisé de techniques mises au point pour effectuer à haute résolution IRMf chez l&#39;homme SC, une structure sur la surface dorsale du mésencéphale, les méthodes peuvent également être utilisés pour le tronc cérébral autre image et les structures sous-corticales. Haute résolution (1,2 mm voxels) de l&#39;IRMf SC exige une approche non-conventionnelle. L&#39;échantillonnage spatiale souhaitée est obtenue en utilisant un multi-shot (entrelacé) en spirale d&#39;acquisition 1. Étant donné que, T 2 * du tissu SC est plus longue que dans le cortex, une durée d&#39;écho correspondante plus (T E ~ 40 ms) est utilisé pour maxiMize contraste fonctionnelle. Afin de couvrir toute l&#39;étendue de la SC, 8-10 tranches sont obtenues. Pour chaque session, un anatomie structurelle avec la prescription même tranche que l&#39;IRMf est également obtenue, qui est utilisé pour aligner les données fonctionnelles à un volume de référence à haute résolution. Dans une session distincte, pour chaque sujet, nous créons une haute résolution (0,7 mm d&#39;échantillonnage) volume de référence en utilisant un T 1-séquence pondérée qui donne une bonne contraste des tissus. Dans le volume de référence, la région du mésencéphale est segmenté en utilisant le logiciel d&#39;application ITK-SNAP 2. Cette segmentation est utilisée pour créer une représentation de la surface 3D du mésencéphale qui est à la fois doux et précis 3. Les sommets de surface et les normales sont utilisées pour créer une carte de la profondeur de la surface du mésencéphale dans les 4 tissus. Les données fonctionnelles est transformé dans le système de coordonnées du volume de référence segmenté. Les associations de profondeur des voxelspermettre à la moyenne des données de séries chronologiques IRMf dans des intervalles de profondeur déterminées à améliorer la qualité du signal. Les données sont rendues sur la surface 3D pour la visualisation. Dans notre laboratoire, nous utilisons cette technique pour mesurer des cartes topographiques de la stimulation visuelle et secrète et manifeste l&#39;attention visuelle dans la SC 1. A titre d&#39;exemple, nous démontrons la représentation topographique de l&#39;angle polaire à une stimulation visuelle dans SC.

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High-resolution Functional Magnetic Resonance Imaging Methods for Human Midbrain

Cet article décrit les techniques pour réaliser l&#39;imagerie haute résolution par résonance magnétique fonctionnelle avec 1,2 mm d&#39;échantillonnage dans le mésencéphale humain et structures sous-corticales à l&#39;aide d&#39;un scanner 3T. L&#39;utilisation de ces techniques pour résoudre les cartes topographiques de la stimulation visuelle chez l&#39;homme colliculus supérieur (CS) est donnée à titre d&#39;exemple.

Haute résolution magnétique fonctionnelle Méthodes d&#39;imagerie par résonance mésencéphale humain

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

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Neuroscience

12.7K vues.  The University of Texas at Austin. Cet article décrit les techniques pour réaliser l'imagerie haute résolution par résonance magnétique fonctionnelle avec 1,2 mm d'échantillonnage dans le mésencéphale humain et structures sous-corticales à l'aide d'un scanner 3T. L'utilisation de ces techniques pour résoudre les cartes topographiques de la stimulation visuelle chez l'homme colliculus supérieur (CS) est donnée à titre d'exemple.

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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.

Multiple-Mouse Imaging neuroanatomiques par résonance magnétique

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

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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.

Une approche rapide à l&#39;imagerie de fluorescence à haute résolution dans les tranches de cerveau semi-épais

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.

L&#39;utilisation de la spectroscopie par résonance magnétique, un outil pour la mesure de la Bi-hémisphériques transcrânienne électriques effets de stimulation sur le moteur primaire Cortex métabolisme

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).

Analyse métabolomique de cerveau de rat par la Résolution nucléaire Haute spectroscopie par résonance magnétique d&#39;extraits de tissus

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.

Haute résolution<em&gt; In Vivo</em&gt; Protocole de segmentation manuelle pour les sous-zones de l&#39;hippocampe humain Utilisation 3T imagerie par résonance magnétique

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.

Haute résolution structurelle Imagerie par résonance magnétique de la sous-cortex humain<I&gt; In Vivo</I&gt; Et 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.

Acquisition de données d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle à l’état de repos chez le rat

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.

Modèle de perforation endovasculaire pour l’hémorragie sous-arachnoïdienne combinée à l’imagerie par résonance magnétique (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.

Un pipeline standardisé pour l’examen de la morphométrie de la matière grise cérébelleuse humaine à l’aide de l’imagerie par résonance magnétique structurelle

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.

Stéréotaxie guidée par résonance magnétique pour les perfusions dans le cerveau du porc

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