This work was supported through funding from the NIH/NIBIB R00 Award (4R00EB008738), Okawa Foundation Research Grant Award, NIH Director's New Innovator Award (1DP2OD007265), the NSF CAREER Award (1056008), and the Alfred P. Sloan Foundation Research Fellowship. J.H.L. would like to thank Karl Deisseroth for providing the DNA plasmids used for the optogenetic experiments. The authors would also like to thank Andrew Weitz and Mankin Choy for editing the manuscript and all the Lee Lab members for their assistance with the ofMRI experiments.

<ol>
	<li>Lee, J. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Global+and+local+fMRI+signals+driven+by+neurons+defined+optogenetically+by+type+and+wiring.">Global and local fMRI signals driven by neurons defined optogenetically by type and wiring.</a> Nature. 465 (7299), 788-792 (2010).</li><li>Weitz, A. J., Lee, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Progress+with+optogenetic+functional+MRI+and+its+translational+implications.">Progress with optogenetic functional MRI and its translational implications.</a> Future Neurol. 8 (6), 691-700 (2013).</li><li>Lee, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Informing+brain+connectivity+with+optogenetic+functional+magnetic+resonance+imaging.">Informing brain connectivity with optogenetic functional magnetic resonance imaging.</a> NeuroImage. 62 (4), 2244-2249 (2012).</li><li>Lee, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tracing+Activity+Across+the+Whole+Brain+Neural+Network+with+Optogenetic+Functional+Magnetic+Resonance+Imaging.">Tracing Activity Across the Whole Brain Neural Network with Optogenetic Functional Magnetic Resonance Imaging.</a> Front. Neuroinform. 5 (October), 1-7 (2011).</li><li>Kahn, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+the+Functional+MRI+Response+Temporal+Linearity+via+Optical+Control+of+Neocortical+Pyramidal+Neurons.">Characterization of the Functional MRI Response Temporal Linearity via Optical Control of Neocortical Pyramidal Neurons.</a> J. Neurosci. 31 (42), 15086-15091 (2011).</li><li>Takata, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optogenetic+Activation+of+CA1+Pyramidal+Neurons+at+the+Dorsal+and+Ventral+Hippocampus+Evokes+Distinct+Brain-Wide+Responses+Revealed+by+Mouse+fMRI.">Optogenetic Activation of CA1 Pyramidal Neurons at the Dorsal and Ventral Hippocampus Evokes Distinct Brain-Wide Responses Revealed by Mouse fMRI.</a> PLoS ONE. 10 (3), e0121417 (2015).</li><li>Iordanova, B., Vazquez, A. L., Poplawsky, A. J., Fukuda, M., Kim, S. -. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neural+and+hemodynamic+responses+to+optogenetic+and+sensory+stimulation+in+the+rat+somatosensory+cortex.">Neural and hemodynamic responses to optogenetic and sensory stimulation in the rat somatosensory cortex.</a> J. Cereb. Blood Flow Metab. 35 (6), 922-932 (2015).</li><li>Weitz, A. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optogenetic+fMRI+reveals+distinct,+frequency-dependent+networks+recruited+by+dorsal+and+intermediate+hippocampus+stimulations.">Optogenetic fMRI reveals distinct, frequency-dependent networks recruited by dorsal and intermediate hippocampus stimulations.</a> NeuroImage. 107, 229-241 (2015).</li><li>Desai, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mapping+brain+networks+in+awake+mice+using+combined+optical+neural+control+and+fMRI.">Mapping brain networks in awake mice using combined optical neural control and fMRI.</a> J. Neurophysiol. 105 (December 2010), 1393-1405 (2011).</li><li>Liang, Z., Watson, G. D. R., Alloway, K. D., Lee, G., Neuberger, T., Zhang, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mapping+the+functional+network+of+medial+prefrontal+cortex+by+combining+optogenetics+and+fMRI+in+awake+rats.">Mapping the functional network of medial prefrontal cortex by combining optogenetics and fMRI in awake rats.</a> NeuroImage. 117, 114-123 (2015).</li><li>Byers, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+in+vivo+assessment+of+human+stem+cell+graft-host+neural+circuits.">Direct in vivo assessment of human stem cell graft-host neural circuits.</a> NeuroImage. 114, 328-337 (2015).</li><li>Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., Deisseroth, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Millisecond-timescale,+genetically+targeted+optical+control+of+neural+activity.">Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity.</a> Nat. Neurosci. 8 (9), 1263-1268 (2005).</li><li>Carter, M. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tuning+arousal+with+optogenetic+modulation+of+locus+coeruleus+neurons.">Tuning arousal with optogenetic modulation of locus coeruleus neurons.</a> Nat. Neurosci. 13 (12), 1526-1533 (2010).</li><li>Zhang, F., Wang, L. P., Boyden, E. S., Deisseroth, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Channelrhodopsin-2+and+optical+control+of+excitable+cells.">Channelrhodopsin-2 and optical control of excitable cells.</a> Nat. Methods. 3 (10), 785-792 (2006).</li><li>Zhao, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cell+type-specific+channelrhodopsin-2+transgenic+mice+for+optogenetic+dissection+of+neural+circuitry+function.">Cell type-specific channelrhodopsin-2 transgenic mice for optogenetic dissection of neural circuitry function.</a> Nat. Methods. 8 (9), 745-752 (2011).</li><li>Ogawa, S., Lee, T. M., Kay, A. R., Tank, D. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brain+magnetic+resonance+imaging+with+contrast+dependent+on+blood+oxygenation.">Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 87 (24), 9868-9872 (1990).</li><li>Ogawa, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intrinsic+signal+changes+accompanying+sensory+stimulation:+functional+brain+mapping+with+magnetic+resonance+imaging.">Intrinsic signal changes accompanying sensory stimulation: functional brain mapping with magnetic resonance imaging.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 89, 5951-5955 (1992).</li><li>Kwong, K. K., Belliveau, J. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamic+magnetic+resonance+imaging+of+human+brain+activity+during+primary+sensory+stimulation.">Dynamic magnetic resonance imaging of human brain activity during primary sensory stimulation.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 89, 5675-5679 (1992).</li><li>Canals, S., Beyerlein, M., Murayama, Y., Logothetis, N. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electric+stimulation+fMRI+of+the+perforant+pathway+to+the+rat+hippocampus.">Electric stimulation fMRI of the perforant pathway to the rat hippocampus.</a> Magn. Reson. Imaging. 26, 978-986 (2008).</li><li>Antal, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+artifacts+induced+by+electrical+stimulation+during+conventional+fMRI+of+the+brain.">Imaging artifacts induced by electrical stimulation during conventional fMRI of the brain.</a> NeuroImage. 85 (3), (2014).</li><li>Lin, J. Y., Knutsen, P. M., Muller, A., Kleinfeld, D., Tsien, R. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=ReaChR:+a+red-shifted+variant+of+channelrhodopsin+enables+deep+transcranial+optogenetic+excitation.">ReaChR: a red-shifted variant of channelrhodopsin enables deep transcranial optogenetic excitation.</a> Nat. Neurosci. 16 (10), 1499-1508 (2013).</li><li>Christie, I. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=FMRI+response+to+blue+light+delivery+in+the+na&#239;ve+brain:+Implications+for+combined+optogenetic+fMRI+studies.">FMRI response to blue light delivery in the na&#239;ve brain: Implications for combined optogenetic fMRI studies.</a> NeuroImage. 66, 634-641 (2013).</li><li>Aravanis, A. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+optical+neural+interface:+in+vivo+control+of+rodent+motor+cortex+with+integrated+fiberoptic+and+optogenetic+technology.">An optical neural interface: in vivo control of rodent motor cortex with integrated fiberoptic and optogenetic technology.</a> J. Neural Eng. 4, S143-S156 (2007).</li><li>Pashaie, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optogenetic+brain+interfaces.">Optogenetic brain interfaces.</a> IEEE Rev. Biomed. Eng. 7, 3-30 (2014).</li><li>Gradinaru, V., Mogri, M., Thompson, K. R., Henderson, J. M., Deisseroth, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+deconstruction+of+parkinsonian+neural+circuitry.">Optical deconstruction of parkinsonian neural circuitry.</a> Science. 324, 354-359 (2009).</li><li>Rivard, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rat+intubation+and+ventilation+for+surgical+research.">Rat intubation and ventilation for surgical research.</a> J. Invest. Surg. 19, 267-274 (2006).</li><li>Fang, Z., Lee, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-throughput+optogenetic+functional+magnetic+resonance+imaging+with+parallel+computations.">High-throughput optogenetic functional magnetic resonance imaging with parallel computations.</a> J. Neurosci. Meth. 218 (2), 184-195 (2013).</li><li>Da Silva, F. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=EEG:+Origin+and+measurement.">EEG: Origin and measurement.</a> EEG - fMRI: Physiological Basis, Technique, and Applications. , 19-38 (2010).</li><li>Becker, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low+dose+isoflurane+exerts+opposing+effects+on+neuronal+network+excitability+in+neocortex+and+hippocampus.">Low dose isoflurane exerts opposing effects on neuronal network excitability in neocortex and hippocampus.</a> PLoS ONE. 7 (6), 3-9 (2012).</li><li>Nishikawa, K., Maciver, M. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Agent-selective+Effects+of+Volatile+Anesthetics+on+GABA+A+Receptor+-+mediated+Synaptic+Inhibition+in+Hippocampal+Interneurons.">Agent-selective Effects of Volatile Anesthetics on GABA A Receptor - mediated Synaptic Inhibition in Hippocampal Interneurons.</a> Anesthesiology. 94 (2), 340-347 (2001).</li><li>Jackson, J. I., Meyer, C. H., Nishimura, D. G., Macovski, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Selection+of+a+convolution+function+for+Fourier+inversion+using+gridding.">Selection of a convolution function for Fourier inversion using gridding.</a> IEEE Trans. Med. Imag. 10 (3), 473-478 (1991).</li><li>Glover, G. H., Lee, A. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Motion+artifacts+in+fMRI:+comparison+of+2DFT+with+PR+and+spiral+scan+methods.">Motion artifacts in fMRI: comparison of 2DFT with PR and spiral scan methods.</a> Magn. Reson. Med. 33 (20), 624-635 (1995).</li><li>Kim, D. H., Adalsteinsson, E., Spielman, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simple+analytic+variable+density+spiral+design.">Simple analytic variable density spiral design.</a> Magn. Reson. Med. 50, 214-219 (2003).</li><li>Friston, K. J., Harrison, L., Penny, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamic+causal+modeling.">Dynamic causal modeling.</a> Neuroimage. 19, 1273-1302 (2003).</li><li>Alkire, M. T., McReynolds, J. R., Hahn, E. L., Trivedi, A. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thalamic+microinjection+of+nicotine+reverses+sevoflurane-induced+loss+of+righting+reflex+in+the+rat.">Thalamic microinjection of nicotine reverses sevoflurane-induced loss of righting reflex in the rat.</a> Anesthesiology. 107 (2), 264-272 (2007).</li><li>Zincarelli, C., Soltys, S., Rengo, G., Rabinowitz, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+of+AAV+serotypes+1-9+mediated+gene+expression+and+tropism+in+mice+after+systemic+injection.">Analysis of AAV serotypes 1-9 mediated gene expression and tropism in mice after systemic injection.</a> Mol. Ther. 16 (6), 1073-1080 (2008).</li><li>Aschauer, D. F., Kreuz, S., Rumpel, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+of+Transduction+Efficiency,+Tropism+and+Axonal+Transport+of+AAV+Serotypes+1,+2,+5,+6,+8+and+9+in+the+Mouse+Brain.">Analysis of Transduction Efficiency, Tropism and Axonal Transport of AAV Serotypes 1, 2, 5, 6, 8 and 9 in the Mouse Brain.</a> PLoS ONE. 8 (9), 1-16 (2013).</li><li>Liu, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Frequency-selective+control+of+cortical+and+subcortical+networks+by+central+thalamus.">Frequency-selective control of cortical and subcortical networks by central thalamus.</a> eLife. 4, e09215 (2015).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

Motion של הנושא במהלך ההדמיה מהווה מקור משמעותי של חפץ שניתן להוביל לפגם בנתונים. כראוי אבטחת החיה על ערש ההדמיה יכולה למזער חפצים כגון יהיה שמירה על רמות הרדמה מתאימות. הנה, השתמשנו isoflurane אבל הרדמה חלופית, כגון medetomidine או קטמין ו xylazine, צריך להיות גם נחשב. עם זאת, הרמות והבחירה של הרדמה יכולות להשפיע פרמטרים רבים במוח, כולל תגובת BOLD 28. Isoflurane יכול לגרום לשינויים רגישים עצבי 29. הרדמה אחרת גם יכולה להשפיע עיכוב סינפטי GABA 30. לכן, הבחירה של הרדמה חשובה בעת ביצוע ofMRI נתון ויכולתה להשפיע על פעילות עצבית. ofMRI בהעדר ההרדמה אפשרי אבל יכול להיות מאתגר עם תנועה מוגברת מן החי, אשר יכול להיות מופחת אם החיה היא מורגל; כגון מחקרי ofMRI ערים בוצעו בעברnd ימנע את ההשפעה של בלבול הרדמה על המוח 9,10. תיקון תנועת אלגוריתמים לאחר עיבוד יכולים לשמש כדי למתן את ההשפעות של תנועה מאוד. כמה שיטות אלה קיימים, כולל אלגוריתם גאוס-ניוטון ההופכי המועסקים פרוטוקול זה, אשר ממזער את סכום ריבועי עלות פונקציה של תמונת ייחוס ותמונה תחת תיקון. האלגוריתם הוא שימושי משום שהוא מאפשר תיקון תנועה מהיר חזק, באמצעות עיצוב פלטפורמה במקביל GPU כדי לקצר את זמן עיבוד 27. לשיקום נתונים בפרוטוקול זה, תוכנות שנכתבו מותאם אישית בסביבת MATLAB שמשו שחזור gridding דו ממדים, שבו דגימות ספירלה משוחזרות ב k-שטח לדימויי gridded 31-33. נתוני סדרות עתיות נוצרו על ידי חישוב אפנון האחוזים של אות BOLD של כל יחסי voxel לתקופת הבסיס שנאספה לפני גירוי. ווקסלים שסדרת זמן היו synchronized לבלוקים של גירוי optogenetic עם ערך קוהרנטיות של 0.35 ומעלה הוגדרו ווקסלים מופעלים; ערך קוהרנטיות זו מקבילה לערך P פחות מ -10 -9 8. ערכי קוהרנטיות חושבו את הגודל התמר בתדר של מחזורי גירוי חזרו מחולקים הסכום-של-הריבועים של כל רכיבי התדר 8,27. שגיאת Familywise ניתן לשלוט באמצעות תיקון Bonferroni להשוואות מרובות. ניתן להשתמש בשיטות של ניתוח אלטרנטיבי, כולל בדיקות סטטיסטיות פרמטרית כגון מודלים ליניאריים כללי (GLMs). שיטת קוהרנטיות דורשת פחות ידע מוקדם של HRF בהשוואת לדגם ליניארי כללי הקונבנציונלי. לכן, זה יתרון כאשר בוחנים נתונים באמצעות ofMRI. עם זאת, שיטת קוהרנטיות ניתן להשתמש רק עבור נתונים עם עיצובים לחסום או את עיצובים הקשור לאירוע עם קבוע interstimulus מרווח אין להשתמש בנתוני ofMRI עם אירוע-רלה אחרטד עיצובים או עיצובים מעורבים. בהמשך לכך, דוגמנות סיבתי דינמית (DCM) ניתן להשתמש כדי לנתח אינטראקציות בין איזורים במוח שזוהו באמצעות ofMRI. DCM היא טכניקה סטטיסטית בייס פתחה לניתוח של קישוריות תפקודית מתגובות מערכת לתשומות ניסיוניות במהלך fMRI 34. בעיות טכניות נוספות ofMRI נדונות כאן. עלולים להיפגע שתלים או לנפול, מה שמוביל את הסרת החיה המושפעת מן המחקר. Re-השתלת ניתוחים אינם מומלצים בשל אי ודאות הנוספת של מיקוד אותו ROI כמו ניתוח ההשתלה המקורי ובשל נושאי רווחת בעלי חיים. בגלל הכמות של זמן ומשאבים רבים מושקעים בכל מקצוע בעלי חיים, השיקול של כוחו של החומר הוא דאגה משמעותית בבחירת דבק דנטלי מתאים לשימוש במחקרים ofMRI. ניתוח ההשתלה מהווה גורם קריטי למקסם את תוחלת החיים של implant ובכפוף חיה. לדוגמא, על מנת להבטיח כי הגולגולת היא יבשה לפני החלת מלט השיניים והצבת כמות מספקת של מלט סביב שתל טבעת חזוק הקרמיקה יכולה להבטיח יציבות לאורך ציר זמן החודשים ארוכי הפוטנציאל של החיה במהלך תקופת המחקר. בנוסף, עיצובי כלוב חלופיים יכולים להיחקר ודן עם מתקן הטיפול בבעלי החיים המקומי כדי למנוע כלובים עם צמרות חוט החזקת המזון ומים, כי לעתים קרובות לבלוט לתוך הכלוב ולספק הזדמנויות החיה לפגוע השתל. חשוב לציין, מלט השיניים חייב להיות שנבחר בקפידה על מנת להפחית לכלוכים המשפיעים הדמיה ומלט חלופי יכולים להיבדק על ידי יישום על רוח רפאים והדמיה בתוך סורק לפני השימוש בניסויים בבעלי חיים. ניסוי וטעייה עם מכתיר שיניים שונים הראו כי הבטון להשתמש בפרוטוקול זה נותן חפצים מעטים יחסית. אתגר טכני נוסף בביצוע ofMRI הוא הדיוק של מיקום סיבים אופטיים על ROI המיועד, בהתחשב extrמרחקים קטנים emely שיכול להתקיים בין גרעינים במוח 35. לאחר השלים ניתוחי ההשתלה, סריקות אנטומיים משוקללים T2 יכולות לשמש כדי לקבוע מיקום נכון על ידי שכיסה על אטלס מוח. המיומנות של המנתח ותרגול ביצוע ניתוחים אלה יכול לשפר את שיעורי מיקום נכונים. סגולי והביטוי של opsin בבית ROI המיועד ניתן לאמת בסיומו של המחקר על ידי מרוססת החיה ותיקון במוח באמצעות אימונוהיסטוכימיה או הקרינה אנדוגני של חלבון כתב מתויג אל opsin לשם ויזואליזציה. חלבוני כתב אלה ניתן colocalized גם עם חלבונים אחרים על מנת להבטיח כי opsin מתבטא סוגי התאים העצביים הרצויים 1,8,15,25. כאמור, חפצים שיכולים להתעורר בעת ביצוע ofMRI עקב חימום רקמת משלוח אור 22. חימום הרקמות גורם שינוי של פעמי הרפיה, וכתוצאה מכך אות BOLD שווא. כדי להבטיח כי activation הנובע גירוי אור במהלך ofMRI אינו בשל חפץ זה, בקרות opsin השלילית צריכות להתבצע בו גם חיות מוזרקות מלוחות או חיות הזריקו וקטורי fluorophore המלא (כגון AAV-CaMKIIa-EYFP) עוברות ofMRI. בנוסף, בנויים היטב רק שתלי סיבים אופטיים עם יעילות העברת אור טובה צריכים לשמש כדי להסיר את הצורך להשתמש בכוחות ליזר גבוהים. מחקרי ofMRI בוצעו הפעלה אשר שווא עקב חימום רקמות לא הייתה בעיה 1,6-8,10,11. לגבי הבחירה של וקטור להציג את גני optogenetic הנדרשים לתוך הנוירונים לביטוי, AAVs אינם ידוע לגרום למחלה בבני אדם ולכן הם אופציה נוחה, בהינתן רמת הבטיחות הביולוגית הנמוכה נדרשה להשתמש בתכשירים אלו (BSL-1). בנוסף, מספר רב של ליבות וקטור לשאת AAVs ארוז עם גני optogenetic שונים במלאי ועם קפסיד מרובה. סרוטיפ של AAV חייב להיבחר בased על יעד אוכלוסיית תאים שנועד להבטיח רמות ביטוי אופטימליות 36,37. Lentiviruses יכול לשמש גם, אך דורש רמת בטיחות ביולוגית גבוהה. פרק הזמן הנדרש עבור ביטוי מספיק של גני optogenetic הוא משתנה בהתאם לדגם חיה המסוים, על AAV מסוים בשימוש על הפרדיגמה הניסוי הספציפי. בפרוטוקול זה, חולדות ספראג Dawley ב -11 שבועות משמשות ומחקרי optogenetic להתחיל ארבעה עד שישה שבועות לאחר הזרקת וירוס. עכברים טרנסגניים יכולים לשמש גם במחקרים optogenetic. יש צורך לבצע ניסויים ניסיוניים לקביעת הסכום המסוים של הזמן הנדרש עבור ביטוי מספיק של opsins. פרדיגמות גירוי יכולות להשתנות בהתאם opsin הספציפי בשימוש. בפרוטוקול זה, AAV5-CaMKIIa-hChR2 (H134R) -EYFP משמש ואת הפרדיגמה גירוי הוא 20 שניות על / 40 שניות מנוחה. אם אתה משתמש SSFO, הפרדיגמה הגירוי תשתנה בגלל SSFO דורש דופק אור קצר רק כדי להיות activated ואז דופק אור קצר באורך גל אחר יופסק. דאגה קריטית נוספת בעת ביצוע ofMRI מונע זליגת אור מממשק שתל טבעת חזוק עם הכבל אופטי תיקון סיבים במהלך גירוי optogenetic למנוע אות מוח מבלבלת שמקורם גירוי חזותי, גם כאשר החיה היא מורדם. קונוסים של הקלטת חשמל שחור יכול לשמש כדי לחסום את האור מן ferrules וכדי לכסות את העיניים של החיה. חשוב לציין, ערכים פיסיולוגיים כוללים טמפרטורת CO 2 וגוף נשיפה של הנושא חייבים להיות מתוחזק כראוי לאורך כל תקופת ההדמיה. CO 2 הנשיפה צריך להישמר בין 3 - 4% ואת טמפרטורת הגוף על 37 מעלות צלזיוס. בנוסף, רצפי shimming להפחית הומגניות ככל האפשר בשדה המגנטי לפני תחילת ofMRI סורק מאוד קובע את איכות נתוני BOLD שהתקבלו. פיקוח על גורמים אלההוא קריטי בהפקת נתוני ofMRI אמינים. בפרוטוקול זה, לייזרים DPSS משמשים כמקור האור לגירוי optogenetic. בגלל אור הלייזר הוא עקבי, יותר כוח מספיק יכול להיות מסופק בקלות דרך סיבים אופטיים. מקורות אור LED מצמידים סיבים אופטיים זמינים מיצרנים מסחריים, אבל יש את החסרון של כוח ירדה של העברת אור. מקור אור לייזר דורש יישור כל כבל אופטי תיקון סיבים מסוים, אך עם תרגול, יישור שניתן להשיג זאת במהלך שניות עד דקות. יישומים עתידיים של ofMRI כוללים שימוש opsins הדור הבא כגון opsins האדום העביר לאפשר גירוי פולשני במהלך הדמיה. בנוסף, השתלת MRI התואם EEG או אלקטרודות להקלטה דומה יחד עם שתל הסיבים האופטי עלולה לאפשר לרכישת נתונים ברזולוציה גבוהה זמניים בנוסף נתונים ברזולוציה מרחבית הגבוהים של MRI. ofMRI עם electrophysiolהקלטת ogical יכולה לספק מידע נרחב על הקישוריות התפקודית של המוח. לסיכום, את הכוח של ofMRI לפקח על כל המוח בתגובה לגירוי של אוכלוסיות תאים ספציפיים שהוגדרו על ידי זהות גנטית או אנטומי עושה ofMRI כלי קריטי להשתמש בחקר מחלות נוירולוגיות של connectomics של מוח בריא.

הדמיה תפקודית בתהודה מגנטית optogenetic (ofMRI) היא שיטה חדשנית המשלבת את הרזולוציה המרחבית של fMRI גבוהה בשטח עם דיוק של גירוי optogenetic 1-11,38, מה שמאפשר מיפוי סוג תא ספציפי של מעגלים עצביים פונקציונלי הדינמיקה שלהם על פני כל מוֹחַ. Optogenetics מאפשר סוגי תאים מסוימים להיות ממוקדים לגירוי על ידי ההקדמה של ערוצי מוליכות הרגישים לאור טרנס-קרום, שנקרא opsins. אלמנטים ספציפיים של מעגלים עצביים הם מהונדסים גנטית כדי לבטא הערוצים הללו, מה שמאפשר אפנון-זמנים אלפית השנייה של הפעילות ללא פגע במוח 1-15. fMRI מספק שיטה לא פולשנית של קביעת התגובה הדינמית הגלובלית של המוח לגירוי optogenetic של מעגלים עצביים ספציפיים באמצעות המדידה התלויה-דם-חמצן ברמה (BOLD) האות 16-18, אשר מספקת מדידה עקיפה של פעילות עצבית. השילוב של שתי הטכניקות הללו, כינת תהודה מגנטית תפקודית optogenetic (ofMRI), יש יתרון על פני שיטות אחרות של פעילות מוח הקלטה במהלך גירוי כגון אלקטרופיזיולוגיה כי זה יכול לספק מבט של המוח כולו ברזולוציה מרחבית גבוהה יחסית. זה מאפשר זיהוי של פעילות עצבית בתגובה לגירוי ממוקד במרחקים גדולים מהאתר של גירוי ללא הצורך בהשתלת אלקטרודות הקלטה פולשנית 1-11. ofMRI יש יתרון על פני השיטה המסורתית יותר של ביצוע גירוי חשמלי במהלך fMRI, אשר יכולה לגייס תאים מסוגים שונים ליד האלקטרודה ובכך לבלבל את ההשפעה הסיבתית של כל אוכלוסייה 19. בנוסף, האלקטרודות משמשים גירוי חשמלי והזרם שנוצר יכול לייצר חפצים במהלך ההדמיה MR 20. ואכן, ofMRI מאפשרת התצפית של ההשפעה על פעילות המוח העולמית מן modulati הספציפיעל מגוון רחב של סוגי תאים באמצעות השימוש בטכניקות מיקוד גנטי מתקדמות כגון מערכת Cre-לקס בחיות מהונדסות או שימוש יזמים. שליטה אופטית קומבינטורית עם ניטור המוח כולו אפשרית עם ofMRI באמצעות השימוש בשתי NpHR המעכבת ChR2 לרגש סוגי תאים מסוימים. ערכת כלי optogenetic הזמין לשימוש ofMRI גם משתפרות במהירות לאורך זמן עם ההקדמה של opsins עם או קינטיקה השתפר אור-רגישות מוגברות, של opsins פונקצית המדרגה התייצבה (SSFOs) או של opsins האדום העביר שעשויות לשלול את דרישת סיבים מושתלים אופטיקה, המאפשר גירוי בלתי פולשני במהלך ההדמיה 21. אפשרויות אלה אינן זמינות עם גירוי חשמלי. עם זאת, ממצאי אות נובעות חימום רקמות עקב הצגת אור במוח דווחו 22, שם שינוי מושרה טמפרטורה של פעמי הרפיה הוכח לייצר pseuלעשות הפעלה. חוקרים ביצוע ofMRI ולכן צריך להיות מודע לבלבל את הפוטנציאל הזה. עם ההגדרה הנכונה ופקדים, הנושא ניתן לטפל. בנוסף, פתרון זמני נמוך יחסית של מדידת תגובת hemodynamic ב fMRI עשוי להיות גורם מגביל עבור יישומים מסוימים של טכניקה זו. פרוטוקול זה ראשון מתאר את בניית שתלי סיבים האופטיים המאפשרים משלוח של אורכי גל מסוימים של אור עמוק לתוך המוח in vivo. פרוטוקול מכן מתאר את המסירה של וקטור ויראלי קידוד-opsin לאזור המוח מדויק באמצעות ניתוח stereotactic. הבא את הפרוטוקול מתאר את התהליך של MRI פונקציונלי המוח כולו במהלך גירוי האור בו זמנית. לבסוף, הפרוטוקול מתאר ניתוח נתונים בסיסי של הנתונים רכשו. ראוי לציין, optogenetics המתואר כאן דורש שתל כרוני למסירת אור. עם זאת, שתלי סיבים האופטיים יציבים ביו-compatible, המאפשר סריקה וחקירת אורך של מעגלים עצביים על פני תקופה של חודשים 23,24. לסיכום, גירוי מדויק ויכולת ניטור המוח כולו של ofMRI הם גורמים מכריעים בקבלת ofMRI כלי רב עוצמה ללימוד של connectomics של המוח. בנוסף, זה יכול לספק תובנה רומן לתוך המנגנונים של מחלות נוירולוגיות 25 כאשר מצמידים במודלים של בעלי חיים שונים. ואכן, ofMRI נעשה שימוש כדי להבהיר את פעילות הרשת של אזורי משנה בהיפוקמפוס שונים הקשורים התקפים 8. לכן, מעבדות מעוניינות לענות על שאלות הנוירולוגיה מערכות ברמה תמצאנה טכניקה זו של חשיבות.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1117">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:392px;">7 Tesla scanner</td>
			<td style="width:195px;">Agilent Technologies</td>
			<td style="width:205px;">Discovery MR901 System</td>
			<td style="width:325px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Sprague Dawley rats</td>
			<td>Charles River</td>
			<td>Crl:SD</td>
			<td>11 weeks old</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">fiber cleaver</td>
			<td>Fujikura</td>
			<td>CT-05</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">multimode optical fiber</td>
			<td>Thor Labs</td>
			<td>AFS105/125Y</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">fiber stripper&#160;&#160;</td>
			<td>Thor Labs</td>
			<td>T08S13</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">ceramic split sleeve</td>
			<td>Precision Fiber Products</td>
			<td>SM-CS1140S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">epoxy glue</td>
			<td>Thor Labs</td>
			<td>G14250</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">cotton-tipped applicators</td>
			<td>Stoelting Co.</td>
			<td align="right">50975</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">multimode ceramic zirconia ferrules</td>
			<td>Precision Fiber Products</td>
			<td>MM-FER2002</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:392px;">FC/PC multimode connector</td>
			<td>Thor Labs</td>
			<td>30128C3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">fiber optic polishing disk</td>
			<td>Precision Fiber Products</td>
			<td>M1-80754</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">aluminum oxide lapping sheet, 0.3 &#181;m</td>
			<td>Thor Labs</td>
			<td>LFG03P</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">aluminum oxide lapping sheet, 1 &#181;m</td>
			<td>Thor Labs</td>
			<td>LFG1P</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">aluminum oxide lapping sheet, 3 &#181;m</td>
			<td>Thor Labs</td>
			<td>LFG3P</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">binocular biological microscope 40X-1000X</td>
			<td>Amscope</td>
			<td>B100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">laser safety glasses</td>
			<td>Kentek</td>
			<td>KXL-62W01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:392px;">473 nm DPSS laser</td>
			<td>Laserglow</td>
			<td>LRS-0473</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">594 nm DPSS laser</td>
			<td>Laserglow</td>
			<td>LRS-0594</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Allen hex wrench set</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>2.0 mm (5/64&#34;) for alignment of fiber tip to focal point of coupler in the laser</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">power meter, Si Sensor, 400-1100 nm</td>
			<td>Thor Labs</td>
			<td>PM121D&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Isoflurane (Isothesia)</td>
			<td>Henry Schein&#160;</td>
			<td align="right">50033</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">isoflurane vaporizer with induction chamber</td>
			<td>VetEquip</td>
			<td align="right">901806</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">NanoFil 100uL syringe</td>
			<td>World Precision Instruments</td>
			<td>NANOFIL-100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">UltraMicroPump with SYS-Micro4 Controller</td>
			<td>World Precision Instruments</td>
			<td>UMP3-1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">function generator</td>
			<td>A.M.P.I.&#160;</td>
			<td>Master-8</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">small animal stereotax</td>
			<td>David Kopf Instruments</td>
			<td>Model 940&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Model 683 small animal ventilator&#160;</td>
			<td>Harvard Apparatus</td>
			<td align="right">550000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Type 340 capnograph&#160;</td>
			<td>Harvard Apparatus</td>
			<td align="right">733809</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">dental drill (rotary micromotor kit)</td>
			<td>Foredom Electric Co.</td>
			<td style="width:205px;">K.1070</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">ophthalmic ointment (Artificial Tears)</td>
			<td>Rugby</td>
			<td>00536-6550-91</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">instrument sterilizer</td>
			<td>CellPoint Scientific</td>
			<td>Germinator 500</td>
			<td>glass bead sterilizer</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">antibiotic powder</td>
			<td>Pfizer</td>
			<td>NEO-PREDEF</td>
			<td>neomycin sulfate, isoflupredone acetate and tetracaine hydrochloride</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">buprenorphine painkiller</td>
			<td>Hospira</td>
			<td>NDC:0409-2012</td>
			<td>schedule III controlled substance , 0.3 mg/mL stock</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

optogenetic functional mri

The investigation of the functional connectivity of precise neural circuits across the entire intact brain can be achieved through optogenetic functional magnetic resonance imaging (ofMRI), which is a novel technique that combines the relatively high spatial resolution of high-field fMRI with the precision of optogenetic stimulation. Fiber optics that enable delivery of specific wavelengths of light deep into the brain in vivo are implanted into regions of interest in order to specifically stimulate targeted cell types that have been genetically induced to express light-sensitive trans-membrane conductance channels, called opsins. fMRI is used to provide a non-invasive method of determining the brain's global dynamic response to optogenetic stimulation of specific neural circuits through measurement of the blood-oxygen-level-dependent (BOLD) signal, which provides an indirect measurement of neuronal activity. This protocol describes the construction of fiber optic implants, the implantation surgeries, the imaging with photostimulation and the data analysis required to successfully perform ofMRI. In summary, the precise stimulation and whole-brain monitoring ability of ofMRI are crucial factors in making ofMRI a powerful tool for the study of the connectomics of the brain in both healthy and diseased states.

<html> איור 1 ואיור 2 מראים מידע נציג הנובע 20 הרץ (15 רוחב הפולס msec, 473 ננומטר, 30% מחזור עבודה) גירוי optogenetic של הקורטקס המוטורי. הפרדיגמה גירוי של 30 שניות של בסיס ואחריו 20 שניות על / 40 שניות לסירוגין במשך שש דקות היו בשימוש. מחקרים קודמים הראו כי הפרדיגמה הזו מייצרת אות BOLD חזקה מ 1,8 גירוי optogenetic. איור 1 מציג מופעל ווקסלים זוהה הוא באתר המקומי של גירוי (הקורטקס מוטורי) ו בתלמוס, כתוצאה של קשרים סינפטיים ארוך הטווח בין האזורים אלה. איור 2 מראה כי מידע זמני ניתן ללמוד מן HRFs, כתגובה התלמוס מתעכבת (מדרון ראשוני נמוך יותר) לעומת תגובת הקורטקס המוטורי לאחר גירוי optogenetic. p_upload / 53,346 / 53346fig1.jpg &quot;/&gt; איור 1. הפעלת מפת BOLD האיתותים מושרות על ידי optogenetic גירוי של CaMKIIa להביע תאים ב Motor Cortex. ערכים קוהרנטיות של ווקסלים פעיל, המזוהה אלה מסונכרנים באופן משמעותי על גירויים חוזרים ונשנים, מוצג מעולפת על פרוסת אנטומיים העטרה משוקללת T2. נתונים שנאספו במשך שש דקות, 30 שניות תקופה (בסיס 30 שניות ראשוניות ושישה גירוי מחזורי של 20 שניות על / 40 שניות מנוחה עם 473 אור ננומטר, 20 הרץ, 15 רוחב הפולס msec) מרוכזים לתוך מפת הפעלה חד. פרוסות סדרתית פסוקות 0.5 מ&quot;מ ואת המיקום של שתל הסיב האופטי הוא כונה על ידי משולש. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53346/53346fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 2" src="/files/ftp_upload/53346/53346fig2.jpg" /> <sטרונג&gt; איור 2. פונקצית התגובה hemodynamic. (שמאל) אפנון אחוזים ביחס אות ומודגשים הבסיס מוצג עבור ווקסלים פעיל הקורטקס המוטורי ו התלמוס במהלך גירוי optogenetic של הקורטקס המוטורי (שישה מחזורים גירוי של 20 שניות על / 40 שניות מנוחה עם 473 אור ננומטר, 20 הרץ, 15 רוחב הפולס msec). ברי שגיאה אפורים מוצלל לציין שגיאת מקובלים בכל ווקסלים מופעלים בתוך ROI. (ימין) תגובות ממוצעי זמן ניתנות על ידי פונקציות תגובת hemodynamic (HRF). התלמוס HRF מראה יחסית תגובה בפיגור על הקורטקס המוטורי מגורה. הסורגים הכחולים מציינים תקופות של photostimulation 473 ננומטר. ברי שגיאה אפורים מוצלל לציין סטיית התקן על פני שישה מחזורים. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53346/53346fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Optogenetic Functional MRI at JoVE.com

Optogenetic Functional MRI

This protocol describes the steps and data analysis required to successfully perform optogenetic functional magnetic resonance imaging (ofMRI). ofMRI is a novel technique that combines high-field fMRI readout with optogenetic stimulation, allowing for cell type-specific mapping of functional neural circuits and their dynamics across the whole living brain.

MRI פונקציונלי optogenetic

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

Research

JoVE Journal

Neuroscience

14.7K Views.  Stanford University. This protocol describes the steps and data analysis required to successfully perform optogenetic functional magnetic resonance imaging (ofMRI). ofMRI is a novel technique that combines high-field fMRI readout with optogenetic stimulation, allowing for cell type-specific mapping of functional neural circuits and their dynamics across the whole living brain.

Video: Optogenetic Functional MRI

Measuring the Subjective Value of Risky and Ambiguous Options using Experimental Economics and Functional MRI Methods

Most of the choices we make have uncertain consequences. In some cases the probabilities for different possible outcomes are precisely known, a condition termed "risky". In other cases when probabilities cannot be estimated, this is a condition described as "ambiguous". While most people are averse to both risk and ambiguity1,2, the degree of those aversions vary substantially across individuals, such that the subjective value of the same risky or ambiguous option can be very different for different individuals. We combine functional MRI (fMRI) with an experimental economics-based method3 to assess the neural representation of the subjective values of risky and ambiguous options4. This technique can be now used to study these neural representations in different populations, such as different age groups and different patient populations.
In our experiment, subjects make consequential choices between two alternatives while their neural activation is tracked using fMRI. On each trial subjects choose between lotteries that vary in their monetary amount and in either the probability of winning that amount or the ambiguity level associated with winning. Our parametric design allows us to use each individual's choice behavior to estimate their attitudes towards risk and ambiguity, and thus to estimate the subjective values that each option held for them. Another important feature of the design is that the outcome of the chosen lottery is not revealed during the experiment, so that no learning can take place, and thus the ambiguous options remain ambiguous and risk attitudes are stable. Instead, at the end of the scanning session one or few trials are randomly selected and played for real money. Since subjects do not know beforehand which trials will be selected, they must treat each and every trial as if it and it alone was the one trial on which they will be paid. This design ensures that we can estimate the true subjective value of each option to each subject. We then look for areas in the brain whose activation is correlated with the subjective value of risky options and for areas whose activation is correlated with the subjective value of ambiguous options.

Using functional MRI and behavioral methods to determine the neural representation of the subjective value of risky and ambiguous options in the human brain.

מדידת הערך סובייקטיבי של אפשרויות מסוכנות ושנויות במחלוקת באמצעות כלכלה ניסויית ושיטות MRI פונקציונליות

Most of the choices we make have uncertain consequences. In some cases the probabilities for different possible outcomes are precisely known, a condition ...

Functional Neuroimaging Using Ultrasonic Blood-brain Barrier Disruption and Manganese-enhanced MRI

Although mice are the dominant model system for studying the genetic and molecular underpinnings of neuroscience, functional neuroimaging in mice remains technically challenging. One approach, Activation-Induced Manganese-enhanced MRI (AIM MRI), has been used successfully to map neuronal activity in rodents 1-5. In AIM MRI, Mn2+ acts a calcium analog and accumulates in depolarized neurons 6,7. Because Mn2+ shortens the T1 tissue property, regions of elevated neuronal activity will enhance in MRI. Furthermore, Mn2+ clears slowly from the activated regions; therefore, stimulation can be performed outside the magnet prior to imaging, enabling greater experimental flexibility. However, because Mn2+ does not readily cross the blood-brain barrier (BBB), the need to open the BBB has limited the use of AIM MRI, especially in mice.
One tool for opening the BBB is ultrasound. Though potentially damaging, if ultrasound is administered in combination with gas-filled microbubbles (i.e., ultrasound contrast agents), the acoustic pressure required for BBB opening is considerably lower. This combination of ultrasound and microbubbles can be used to reliably open the BBB without causing tissue damage 8-11.
Here, a method is presented for performing AIM MRI by using microbubbles and ultrasound to open the BBB. After an intravenous injection of perflutren microbubbles, an unfocused pulsed ultrasound beam is applied to the shaved mouse head for 3 minutes. For simplicity, we refer to this technique of BBB Opening with Microbubbles and UltraSound as BOMUS 12. Using BOMUS to open the BBB throughout both cerebral hemispheres, manganese is administered to the whole mouse brain. After experimental stimulation of the lightly sedated mice, AIM MRI is used to map the neuronal response.
To demonstrate this approach, herein BOMUS and AIM MRI are used to map unilateral mechanical stimulation of the vibrissae in lightly sedated mice 13. Because BOMUS can open the BBB throughout both hemispheres, the unstimulated side of the brain is used to control for nonspecific background stimulation. The resultant 3D activation map agrees well with published representations of the vibrissae regions of the barrel field cortex 14. The ultrasonic opening of the BBB is fast, noninvasive, and reversible; and thus this approach is suitable for high-throughput and/or longitudinal studies in awake mice.

A technique is described for broadly opening the blood-brain barrier in the mouse using microbubbles and ultrasound. Using this technique, manganese can be administered to the mouse brain. Because manganese is an MRI contrast agent that accumulates in depolarized neurons, this approach enables imaging of neuronal activity.

הדמייה תפקודית באמצעות שיבוש Ultrasonic הדם למוח הגדר מנגן משופרת MRI

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

Optogenetic Stimulation of Escape Behavior in Drosophila melanogaster

A growing number of genetically encoded tools are becoming available that allow non-invasive manipulation of the neural activity of specific neurons in Drosophila melanogaster1. Chief among these are optogenetic tools, which enable the activation or silencing of specific neurons in the intact and freely moving animal using bright light. Channelrhodopsin (ChR2) is a light-activated cation channel that, when activated by blue light, causes depolarization of neurons that express it. ChR2 has been effective for identifying neurons critical for specific behaviors, such as CO2 avoidance, proboscis extension and giant-fiber mediated startle response2-4. However, as the intense light sources used to stimulate ChR2 also stimulate photoreceptors, these optogenetic techniques have not previously been used in the visual system. Here, we combine an optogenetic approach with a mutation that impairs phototransduction to demonstrate that activation of a cluster of loom-sensitive neurons in the fly's optic lobe, Foma-1 neurons, can drive an escape behavior used to avoid collision. We used a null allele of a critical component of the phototransduction cascade, phospholipase C-&beta;, encoded by the norpA gene, to render the flies blind and also use the Gal4-UAS transcriptional activator system to drive expression of ChR2 in the Foma-1 neurons. Individual flies are placed on a small platform surrounded by blue LEDs. When the LEDs are illuminated, the flies quickly take-off into flight, in a manner similar to visually driven loom-escape behavior. We believe that this technique can be easily adapted to examine other behaviors in freely moving flies.

Optogenetic Stimulation of Escape Behavior in Drosophila melanogaster

Genetically encoded optogenetic tools enable noninvasive manipulation of specific neurons in the Drosophila brain. Such tools can identify neurons whose activation is sufficient to elicit or suppress particular behaviors. Here we present a method for activating Channelrhodopsin2 that is expressed in targeted neurons in freely walking flies.

גירוי Optogenetic של התנהגות בריחה ב<em&gt; דרוזופילה melanogaster</em

A  growing number of genetically encoded tools are becoming available that allow non-invasive  manipulation of the neural activity of specific neurons in ...

In vivo Optogenetic Stimulation of the Rodent Central Nervous System

The ability to probe defined neural circuits in awake, freely-moving animals with cell-type specificity, spatial precision, and high temporal resolution has been a long sought tool for neuroscientists in the systems-level search for the neural circuitry governing complex behavioral states. Optogenetics is a cutting-edge tool that is revolutionizing the field of neuroscience and represents one of the first systematic approaches to enable causal testing regarding the relation between neural signaling events and behavior. By combining optical and genetic approaches, neural signaling can be bi-directionally controlled through expression of light-sensitive ion channels (opsins) in mammalian cells. The current protocol describes delivery of specific wavelengths of light to opsin-expressing cells in deep brain structures of awake, freely-moving rodents for neural circuit modulation. Theoretical principles of light transmission as an experimental consideration are discussed in the context of performing in vivo optogenetic stimulation. The protocol details the design and construction of both simple and complex laser configurations and describes tethering strategies to permit simultaneous stimulation of multiple animals for high-throughput behavioral testing.

In vivo Optogenetic Stimulation of the Rodent Central Nervous System

Optogenetics has become a powerful tool for use in behavioral neuroscience experiments. This protocol offers a step-by-step guide to the design and set-up of laser systems, and provides a full protocol for carrying out multiple and simultaneous in vivo optogenetic stimulations compatible with most rodent behavioral testing paradigms.

בoptogenetic גירוי vivo של מערכת העצבים המרכזית מכרסם

The ability to probe defined neural circuits in awake, freely-moving animals with cell-type specificity, spatial precision, and high temporal resolution ...

Optogenetic Stimulation of the Auditory Nerve

Direct electrical stimulation of spiral ganglion neurons (SGNs) by cochlear implants (CIs) enables open speech comprehension in the majority of implanted deaf subjects1-6. Nonetheless, sound coding with current CIs has poor frequency and intensity resolution due to broad current spread from each electrode contact activating a large number of SGNs along the tonotopic axis of the cochlea7-9. Optical stimulation is proposed as an alternative to electrical stimulation that promises spatially more confined activation of SGNs and, hence, higher frequency resolution of coding. In recent years, direct infrared illumination of&#160;the cochlea has been used to evoke responses in the auditory nerve10. Nevertheless it requires higher energies than electrical stimulation10,11 and uncertainty remains as to the underlying mechanism12. Here we describe a method based on optogenetics to stimulate SGNs with low intensity blue light, using transgenic mice with neuronal expression of channelrhodopsin 2 (ChR2)13 or virus-mediated expression of the ChR2-variant CatCh14. We used micro-light emitting diodes (&#181;LEDs) and fiber-coupled lasers to stimulate ChR2-expressing SGNs through a small artificial opening (cochleostomy) or the round window. We assayed the responses by scalp recordings of light-evoked potentials (optogenetic auditory brainstem response: oABR) or by microelectrode recordings from the auditory pathway and compared them with acoustic and electrical stimulation.

Cochlear implants (CIs) enable hearing by direct electrical stimulation of the auditory nerve. However, poor frequency and intensity resolution limits the quality of hearing with CIs. Here we describe optogenetic stimulation of the auditory nerve in mice as an alternative strategy for auditory research and developing future CIs.

גירוי optogenetic של עצב השמיעה

Direct electrical stimulation of spiral ganglion neurons (SGNs) by cochlear implants (CIs) enables open speech comprehension in the majority of implanted ...

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.

הדמיית תהודה מגנטית מבנית ברזולוציה גבוהה של תת-הקליפה&quot; האדם<I&gt; In vivo</I&gt; ולאחר המוות

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 ...

Ex Vivo Optogenetic Dissection of Fear Circuits in Brain Slices

Optogenetic approaches are now widely used to study the function of neural populations and circuits by combining targeted expression of light-activated proteins and subsequent manipulation of neural activity by light. Channelrhodopsins (ChRs) are light-gated cation-channels and when fused to a fluorescent protein their expression allows for visualization and concurrent activation of specific cell types and their axonal projections in defined areas of the brain. Via stereotactic injection of viral vectors, ChR fusion proteins can be constitutively or conditionally expressed in specific cells of a defined brain region, and their axonal projections can subsequently be studied anatomically and functionally via ex vivo optogenetic activation in brain slices. This is of particular importance when aiming to understand synaptic properties of connections that could not be addressed with conventional electrical stimulation approaches, or in identifying novel afferent and efferent connectivity that was previously poorly understood. Here, a few examples illustrate how this technique can be applied to investigate these questions to elucidating fear-related circuits in the amygdala. The amygdala is a key region for acquisition and expression of fear, and storage of fear and emotional memories. Many lines of evidence suggest that the medial prefrontal cortex (mPFC) participates in different aspects of fear acquisition and extinction, but its precise connectivity with the amygdala is just starting to be understood. First, it is shown how ex vivo optogenetic activation can be used to study aspects of synaptic communication between mPFC afferents and target cells in the basolateral amygdala (BLA). Furthermore, it is illustrated how this ex vivo optogenetic approach can be applied to assess novel connectivity patterns using a group of GABAergic neurons in the amygdala, the paracapsular intercalated cell cluster (mpITC), as an example.

Ex Vivo Optogenetic Dissection of Fear Circuits in Brain Slices

Optogenetic approaches are widely used to manipulate neural activity and assess the consequences for brain function. Here, a technique is outlined that&#160;upon in vivo expression of the optical activator Channelrhodopsin, allows for ex vivo analysis of synaptic properties of specific long range and local neural connections in fear-related circuits.

Ex Vivo optogenetic Dissection של מעגלי פחד פרוסות המוח

Optogenetic approaches are now widely used to study the function of neural populations and circuits by combining targeted expression of light-activated ...

Optogenetic Entrainment of Hippocampal Theta Oscillations in Behaving Mice

Extensive data on relationships of neural network oscillations to behavior and organization of neuronal discharge across brain regions call for new tools to selectively manipulate brain rhythms. Here we describe an approach combining projection-specific optogenetics with extracellular electrophysiology for high-fidelity control of hippocampal theta oscillations (5-10 Hz) in behaving mice. The specificity of the optogenetic entrainment is achieved by targeting channelrhodopsin-2 (ChR2) to the GABAergic population of medial septal cells, crucially involved in the generation of hippocampal theta oscillations, and a local synchronized activation of a subset of inhibitory septal afferents in the hippocampus. The efficacy of the optogenetic rhythm control is verified by a simultaneous monitoring of the local field potential (LFP) across lamina of the CA1 area and/or of neuronal discharge. Using this readily implementable preparation we show efficacy of various optogenetic stimulation protocols for induction of theta oscillations and for the manipulation of their frequency and regularity. Finally, a combination of the theta rhythm control with projection-specific inhibition addresses the readout of particular aspects of the hippocampal synchronization by efferent regions.

We describe the use of optogenetics and electrophysiological recordings for selective manipulations of hippocampal theta oscillations (5-10 Hz) in behaving mice. The efficacy of the rhythm entrainment is monitored using local field potential. A combination of opto- and pharmacogenetic inhibition addresses the efferent readout of hippocampal synchronization.

Optogenetic Entrainment התנודות תטא בהיפוקמפוס ב מתנהג עכברים

Extensive data on relationships of neural network oscillations to behavior and organization of neuronal discharge across brain regions call for new tools ...

Automated Segmentation of Cortical Grey Matter from T1-Weighted MRI Images

Within neuroimaging research, a number of recent studies have discussed the impact of between-study differences in volumetric findings that are thought to result from the use of different segmentation tools to generate brain volumes. Here, processing pipelines for seven automated tools that can be used to segment grey matter within the brain are presented. The protocol provides an initial step for researchers aiming to find the most accurate method for generating grey matter volumes from T1-weighted MRI scans. Steps to undertake detailed visual quality control are also included in the manuscript. This protocol covers a range of potential segmentation tools and encourages users to compare the performance of these tools within a subset of their data before selecting one to apply to a full cohort. Furthermore, the protocol may be further generalized to the segmentation of other brain regions.

This protocol describes the process of applying seven different automated segmentation tools to structural T1-weighted MRI scans to delineate grey matter regions that can be used for the quantification of grey matter volume.

פילוח אוטומטיות של החומר האפור קורטיקלית מתמונות MRI T1 משוקלל

Within neuroimaging research, a number of recent studies have discussed the impact of between-study differences in volumetric findings that are thought to ...

In Vivo Targeted Expression of Optogenetic Proteins Using Silk/AAV Films

The quest to understand how neural circuits process information in order to drive behavioral output has been greatly aided by recently-developed optical methods for manipulating and monitoring the activity of neurons in vivo. These types of experiments rely on two main components: 1) implantable devices that provide optical access to the brain, and 2) light-sensitive proteins that change neuronal excitability or provide a readout of neuronal activity. There are a number of ways to express light-sensitive proteins, but stereotaxic injection of viral vectors is currently the most flexible approach because expression can be controlled with genetic, anatomical, and temporal precision. Despite the great utility of viral vectors, delivering the virus to the site of optical implants poses numerous challenges. Stereotaxic virus injections are demanding surgeries that increase surgical time, increase the cost of studies, and pose a risk to the animal's health. The surrounding tissue can be physically damaged by the injection syringe, and by immunogenic inflammation caused by the abrupt delivery of a bolus of high-titer virus. Aligning injections with optical implants is especially difficult when targeting small regions deep in the brain. To overcome these challenges, we describe a method for coating multiple types of optical implants with films composed of silk fibroin and Adeno-associated viral (AAV) vectors. Fibroin, a polymer derived from the cocoon of Bombyx mori, can encapsulate and protect biomolecules and can be processed into forms ranging from soluble films to ceramics. When implanted into the brain, silk/AAV coatings release virus at the interface between optical elements and the surrounding brain, driving expression precisely where it is needed. This method is easily implemented and promises to greatly facilitate in vivo studies of neural circuit function.

In Vivo Targeted Expression of Optogenetic Proteins Using Silk/AAV Films

Here, we present a method for delivering viral expression vectors into the brain using silk fibroin films. This method allows targeted delivery of expression vectors using silk/AAV coated optical fibers, tapered optical fibers, and cranial windows.

אין ויוו יישוב ביטוי של חלבונים Optogenetic באמצעות סרטי משי/AAV

The quest to understand how neural circuits process information in order to drive behavioral output has been greatly aided by recently-developed optical ...

MRI פונקציונלי optogenetic

Summary

Explore More Videos

Chapters in this video