Name: optogenetic functional mri
Uploaded: 2016-04-19T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 6 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Optogenetic Functional MRI at JoVE.com

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><tbody><tr><td>7 Tesla scanner</td><td>Agilent Technologies</td><td>Discovery MR901 System</td><td></td></tr><tr><td>Sprague Dawley rats</td><td>Charles River</td><td>Crl:SD</td><td>11 weeks old</td></tr><tr><td>fiber cleaver</td><td>Fujikura</td><td>CT-05</td><td></td></tr><tr><td>multimode optical fiber</td><td>Thor Labs</td><td>AFS105/125Y</td><td></td></tr><tr><td>fiber stripper&amp;nbsp;&amp;nbsp;</td><td>Thor Labs</td><td>T08S13</td><td></td></tr><tr><td>ceramic split sleeve</td><td>Precision Fiber Products</td><td>SM-CS1140S</td><td></td></tr><tr><td>epoxy glue</td><td>Thor Labs</td><td>G14250</td><td></td></tr><tr><td>cotton-tipped applicators</td><td>Stoelting Co.</td><td>50975</td><td></td></tr><tr><td>multimode ceramic zirconia ferrules</td><td>Precision Fiber Products</td><td>MM-FER2002</td><td></td></tr><tr><td>FC/PC multimode connector</td><td>Thor Labs</td><td>30128C3</td><td></td></tr><tr><td>fiber optic polishing disk</td><td>Precision Fiber Products</td><td>M1-80754</td><td></td></tr><tr><td>aluminum oxide lapping sheet, 0.3 &amp;micro;m</td><td>Thor Labs</td><td>LFG03P</td><td></td></tr><tr><td>aluminum oxide lapping sheet, 1 &amp;micro;m</td><td>Thor Labs</td><td>LFG1P</td><td></td></tr><tr><td>aluminum oxide lapping sheet, 3 &amp;micro;m</td><td>Thor Labs</td><td>LFG3P</td><td></td></tr><tr><td>binocular biological microscope 40X-1,000X</td><td>Amscope</td><td>B100</td><td></td></tr><tr><td>laser safety glasses</td><td>Kentek</td><td>KXL-62W01</td><td></td></tr><tr><td>473 nm DPSS laser</td><td>Laserglow</td><td>LRS-0473</td><td></td></tr><tr><td>594 nm DPSS laser</td><td>Laserglow</td><td>LRS-0594</td><td></td></tr><tr><td>Allen hex wrench set</td><td></td><td></td><td>2.0 mm (5/64&quot;) for alignment of fiber tip to focal point of coupler in the laser</td></tr><tr><td>power meter, Si Sensor, 400-1,100 nm</td><td>Thor Labs</td><td>PM121D</td><td></td></tr><tr><td>Isoflurane (Isothesia)</td><td>Henry Schein&amp;nbsp;</td><td>50033</td><td></td></tr><tr><td>isoflurane vaporizer with induction chamber</td><td>VetEquip</td><td>901806</td><td></td></tr><tr><td>NanoFil 100 &amp;micro;l syringe</td><td>World Precision Instruments</td><td>NANOFIL-100</td><td></td></tr><tr><td>UltraMicroPump with SYS-Micro4 Controller</td><td>World Precision Instruments</td><td>UMP3-1</td><td></td></tr><tr><td>function generator</td><td>A.M.P.I.&amp;nbsp;</td><td>Master-8</td><td></td></tr><tr><td>small animal stereotax</td><td>David Kopf Instruments</td><td>Model 940&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Model 683 small animal ventilator&amp;nbsp;</td><td>Harvard Apparatus</td><td>550000</td><td></td></tr><tr><td>Type 340 capnograph&amp;nbsp;</td><td>Harvard Apparatus</td><td>733809</td><td></td></tr><tr><td>dental drill (rotary micromotor kit)</td><td>Foredom Electric Co.</td><td>K.1070</td><td></td></tr><tr><td>ophthalmic ointment (Artificial Tears)</td><td>Rugby</td><td>00536-6550-91</td><td></td></tr><tr><td>instrument sterilizer</td><td>CellPoint Scientific</td><td>Germinator 500</td><td>glass bead sterilizer</td></tr><tr><td>antibiotic powder</td><td>Pfizer</td><td>NEO-PREDEF</td><td>neomycin sulfate, isoflupredone acetate and tetracaine hydrochloride</td></tr><tr><td>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

Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) with Auditory Stimulation in Songbirds

The neurobiology of birdsong, as a model for human speech, is a pronounced area of research in behavioral neuroscience. Whereas electrophysiology and molecular approaches allow the investigation of either different stimuli on few neurons, or one stimulus in large parts of the brain, blood oxygenation level dependent (BOLD) functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) allows combining both advantages, i.e. compare the neural activation induced by different stimuli in the entire brain at once. fMRI in songbirds is challenging because of the small size of their brains and because their bones and especially their skull comprise numerous air cavities, inducing important susceptibility artifacts. Gradient-echo (GE) BOLD fMRI has been successfully applied to songbirds 1-5 (for a review, see 6). These studies focused on the primary and secondary auditory brain areas, which are regions free of susceptibility artifacts. However, because processes of interest may occur beyond these regions, whole brain BOLD fMRI is required using an MRI sequence less susceptible to these artifacts. This can be achieved by using spin-echo (SE) BOLD fMRI 7,8 . In this article, we describe how to use this technique in zebra finches (Taeniopygia guttata), which are small songbirds with a bodyweight of 15-25 g extensively studied in behavioral neurosciences of birdsong. The main topic of fMRI studies on songbirds is song perception and song learning. The auditory nature of the stimuli combined with the weak BOLD sensitivity of SE (compared to GE) based fMRI sequences makes the implementation of this technique very challenging.

Functional Magnetic Resonance Imaging fMRI with Auditory Stimulation in Songbirds

This article shows an optimized procedure for imaging of the neural substrates of auditory stimulation in the songbird brain using functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI). It describes the preparation of the sound stimuli, the positioning of the subject and the acquisition and subsequent analysis of the fMRI data.

הדמיה תהודה מגנטית תפקודית (fMRI) עם גירוי שמיעתי בציפורי שיר

The neurobiology of birdsong, as a model for human speech, is a pronounced area of research in behavioral neuroscience. Whereas electrophysiology and ...

Behavior

High-resolution Functional Magnetic Resonance Imaging Methods for Human Midbrain

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 measuring activity on the surface of cerebral cortex rather than in subcortical regions such as midbrain and brainstem. Subcortical fMRI must overcome two challenges: spatial resolution and physiological noise. Here we describe an optimized set of techniques developed to perform high-resolution fMRI in human SC, a structure on the dorsal surface of the midbrain; the methods can also be used to image other brainstem and subcortical structures.
High-resolution (1.2 mm voxels) fMRI of the SC requires a non-conventional approach. The desired spatial sampling is obtained using a multi-shot (interleaved) spiral acquisition1. Since, T2* of SC tissue is longer than in cortex, a correspondingly longer echo time (TE ~ 40 msec) is used to maximize functional contrast. To cover the full extent of the SC, 8-10 slices are obtained. For each session a structural anatomy with the same slice prescription as the fMRI is also obtained, which is used to align the functional data to a high-resolution reference volume.
In a separate session, for each subject, we create a high-resolution (0.7 mm sampling) reference volume using a T1-weighted sequence that gives good tissue contrast. In the reference volume, the midbrain region is segmented using the ITK-SNAP software application2. This segmentation is used to create a 3D surface representation of the midbrain that is both smooth and accurate3. The surface vertices and normals are used to create a map of depth from the midbrain surface within the tissue4.
Functional data is transformed into the coordinate system of the segmented reference volume. Depth associations of the voxels enable the averaging of fMRI time series data within specified depth ranges to improve signal quality. Data is rendered on the 3D surface for visualization.
In our lab we use this technique for measuring topographic maps of visual stimulation and covert and overt visual attention within the SC1. As an example, we demonstrate the topographic representation of polar angle to visual stimulation in SC.

This article describes techniques to perform high-resolution functional magnetic resonance imaging with 1.2 mm sampling in human midbrain and subcortical structures using a 3T scanner. Use of these techniques to resolve topographic maps of visual stimulation in the human superior colliculus (SC) is given as an example.

ברזולוציה גבוהה תהודה מגנטית פונקציונלית שיטות המוח התיכון האדם

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 ...

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 ...

Laser-scanning Photostimulation of Optogenetically Targeted Forebrain Circuits

The sensory forebrain is composed of intricately connected cell types, of which functional properties have yet to be fully elucidated. Understanding the interactions of these forebrain circuits has been aided recently by the development of optogenetic methods for light-mediated modulation of neuronal activity. Here, we describe a protocol for examining the functional organization of forebrain circuits&#160;in vitro using laser-scanning photostimulation of channelrhodopsin, expressed optogenetically via viral-mediated transfection. This approach also exploits the utility of cre-lox recombination in transgenic mice to target expression in specific neuronal cell types. Following transfection, neurons are physiologically recorded in slice preparations using whole-cell patch clamp to measure their evoked responses to laser-scanning photostimulation of channelrhodopsin expressing fibers. This approach enables an assessment of functional topography and synaptic properties. Morphological correlates can be obtained by imaging the neuroanatomical expression of channelrhodopsin expressing fibers using confocal microscopy of the live slice or post-fixed tissue. These methods enable functional investigations of forebrain circuits that expand upon more conventional approaches.

We describe a method for characterizing the functional topography and synaptic properties of forebrain circuits using an optogenetic approach to photostimulate neuronal populations&#160;in vitro.

Photostimulation לייזר לסריקת של מעגלים מוח קדמי ממוקדים Optogenetically

The sensory forebrain is composed of intricately connected cell types, of which functional properties have yet to be fully elucidated. Understanding the ...

Optogenetic Manipulation of Neuronal Activity to Modulate Behavior in Freely Moving Mice

Optogenetic modulation of neuronal circuits in freely moving mice affects acute and long-term behavior. This method is able to perform manipulations of single neurons and region-specific transmitter release, up to whole neuronal circuitries in the central nervous system, and allows the direct measurement of behavioral outcomes. Neurons express optogenetic tools via an injection of viral vectors carrying the DNA of choice, such as Channelrhodopsin2 (ChR2). Light is brought into specific brain regions via chronic optical implants that terminate directly above the target region. After two weeks of recovery and proper tool-expression, mice can be repeatedly used for behavioral tests with optogenetic stimulation of the neurons of interest.
Optogenetic modulation has a high temporal and spatial resolution that can be accomplished with high cell specificity, compared to the commonly used methods such as chemical or electrical stimulation. The light does not harm neuronal tissue and can therefore be used for long-term experiments as well as for multiple behavioral experiments in one mouse. The possibilities of optogenetic tools are nearly unlimited and enable the activation or silencing of whole neurons, or even the manipulation of a specific receptor type by light.
The results of such behavioral experiments with integrated optogenetic stimulation directly visualizes changes in behavior caused by the manipulation. The behavior of the same animal without light stimulation as a baseline is a good control for induced changes. This allows a detailed overview of neuronal types or neurotransmitter systems involved in specific behaviors, such as anxiety. The plasticity of neuronal networks can also be investigated in great detail through long-term stimulation or behavioral observations after optical stimulation. Optogenetics will help to enlighten neuronal signaling in several kinds of neurological diseases.

With optogenetic manipulation of specific neuronal populations or brain regions, behavior can be modified with high temporal and spatial resolution in freely moving animals. By using different optogenetic tools in combination with chronically implanted optical fibers, a variety of neuronal modulations and behavioral testing can be performed.

מניפולציה אופטוגנטית של פעילות עצבית לווסת את ההתנהגות בעכברים נעים בחופשיות

Optogenetic modulation of neuronal circuits in freely moving mice affects acute and long-term behavior. This method is able to perform manipulations of ...

Deep Brain Stimulation with Simultaneous fMRI in Rodents

In order to visualize the global and downstream neuronal responses to deep brain stimulation (DBS) at various targets, we have developed a protocol for using blood oxygen level dependent (BOLD) functional magnetic resonance imaging (fMRI) to image rodents with simultaneous DBS. DBS fMRI presents a number of technical challenges, including accuracy of electrode implantation, MR artifacts created by the electrode, choice of anesthesia and paralytic to minimize any neuronal effects while simultaneously eliminating animal motion, and maintenance of physiological parameters, deviation from which can confound the BOLD signal.&#160;Our laboratory has developed a set of procedures that are capable of overcoming most of these possible issues. For electrical stimulation, a homemade tungsten bipolar microelectrode is used, inserted stereotactically at the stimulation site in the anesthetized subject. In preparation for imaging, rodents are fixed on a plastic headpiece and transferred to the magnet bore. For sedation and paralysis during scanning, a cocktail of dexmedetomidine and pancuronium is continuously infused, along with a minimal dose of isoflurane; this preparation minimizes the BOLD ceiling effect of volatile anesthetics. In this example experiment, stimulation of the subthalamic nucleus (STN) produces BOLD responses which are observed primarily in ipsilateral cortical regions, centered in motor cortex. Simultaneous DBS and fMRI allows the unambiguous modulation of neural circuits dependent on stimulation location and stimulation parameters, and permits observation of neuronal modulations free of regional bias. This technique may be used to explore the downstream effects of modulating neural circuitry at nearly any brain region, with implications for both experimental and clinical DBS.

This protocol describes a standard method for simultaneous functional magnetic resonance imaging and deep brain stimulation in the rodent. The combined use of these experimental tools allows for the exploration of global downstream activity in response to electrical stimulation at virtually any brain target.

גירוי מוחי עמוק עם fMRI סימולטני במכרסמים

In order to visualize the global and downstream neuronal responses to deep brain stimulation (DBS) at various targets, we have developed a protocol for ...

In vivo Imaging of Optic Nerve Fiber Integrity by Contrast-Enhanced MRI in Mice

The rodent visual system encompasses retinal ganglion cells and their axons that form the optic nerve to enter thalamic and midbrain centers, and postsynaptic projections to the visual cortex. Based on its distinct anatomical structure and convenient accessibility, it has become the favored structure for studies on neuronal survival, axonal regeneration, and synaptic plasticity. Recent advancements in MR imaging have enabled the in vivo visualization of the retino-tectal part of this projection using manganese mediated contrast enhancement (MEMRI). Here, we present a MEMRI protocol for illustration of the visual projection in mice, by which resolutions of (200 &#181;m)3 can be achieved using common 3 Tesla scanners. We demonstrate how intravitreal injection of a single dosage of 15 nmol MnCl2 leads to a saturated enhancement of the intact projection within 24 hr. With exception of the retina, changes in signal intensity are independent of coincided visual stimulation or physiological aging. We further apply this technique to longitudinally monitor axonal degeneration in response to acute optic nerve injury, a paradigm by which Mn2+ transport completely arrests at the lesion site. Conversely, active Mn2+ transport is quantitatively proportionate to the viability, number, and electrical activity of axon fibers. For such an analysis, we exemplify Mn2+ transport kinetics along the visual path in a transgenic mouse model (NF-&#954;B p50KO) displaying spontaneous atrophy of sensory, including visual, projections. In these mice, MEMRI indicates reduced but not delayed Mn2+ transport as compared to wild type mice, thus revealing signs of structural and/or functional impairments by NF-&#954;B mutations.
In summary, MEMRI conveniently bridges in vivo assays and post mortem histology for the characterization of nerve fiber integrity and activity. It is highly useful for longitudinal studies on axonal degeneration and regeneration, and investigations of mutant mice for genuine or inducible phenotypes.

In vivo Imaging of Optic Nerve Fiber Integrity by Contrast-Enhanced MRI in Mice

This video illustrates a method, using a clinical 3 T scanner, for contrast-enhanced MR imaging of the na&#239;ve mouse visual projection and for repetitive and longitudinal in vivo studies of optic nerve degeneration associated with acute optic nerve crush injury and chronic optic nerve degeneration in knock-out mice (p50KO).

בהדמית vivo של יושרה סיבי עצב הראייה על ידי contrast-enhanced MRI בעכברים

The rodent visual system encompasses retinal ganglion cells and their axons that form the optic nerve to enter thalamic and midbrain centers, and ...

קידום מיפוי קליפת המוח הראייתית להערכה משופרת של הפרעות ראייה

Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) of the Visual Cortex with Wide-View Retinotopic Stimulation

High-resolution retinotopic blood oxygenation level-dependent (BOLD) functional magnetic resonance imaging (fMRI) with a wide-view presentation can be used to functionally map the peripheral and central visual cortex. This method for measuring functional changes of the visual brain allows for functional mapping of the occipital lobe, stimulating &gt;100&#176; (&plusmn;50&#176;) or more of the visual field, compared to standard fMRI visual presentation setups which usually cover &lt;30&#176; of the visual field. A simple wide-view stimulation system for BOLD fMRI can be set up using common MR-compatible projectors by placing a large mirror or screen close to the subject's face and using only the posterior half of a standard head coil to provide a wide-viewing angle without obstructing their vision. The wide-view retinotopic fMRI map can then be imaged using various retinotopic stimulation paradigms, and the data can be analyzed to determine the functional activity of visual cortical regions corresponding to central and peripheral vision. This method provides a practical, easy-to-implement visual presentation system that can be used to evaluate changes in the peripheral and central visual cortex due to eye diseases such as glaucoma and the vision loss that may accompany them.

Author Spotlight: תובנות על מחקר קליפת המוח הראייתית באמצעות מיפוי fMRI בתצוגה רחבה 

We have developed techniques for mapping the visual cortex function utilizing more of the visual field than is commonly used. This approach has the potential to enhance the evaluation of vision disorders and eye diseases.

דימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI) של קליפת המוח הראייתית עם גירוי רטינוטופי רחב

High-resolution retinotopic blood oxygenation level-dependent (BOLD) functional magnetic resonance imaging (fMRI) with a wide-view presentation can be ...

MRI פונקציונלי optogenetic

Summary

Explore More Videos

Chapters in this video

הדמיה תהודה מגנטית תפקודית (fMRI) עם גירוי שמיעתי בציפורי שיר

ברזולוציה גבוהה תהודה מגנטית פונקציונלית שיטות המוח התיכון האדם

הדמייה תפקודית באמצעות שיבוש Ultrasonic הדם למוח הגדר מנגן משופרת MRI

Photostimulation לייזר לסריקת של מעגלים מוח קדמי ממוקדים Optogenetically

מניפולציה אופטוגנטית של פעילות עצבית לווסת את ההתנהגות בעכברים נעים בחופשיות

גירוי מוחי עמוק עם fMRI סימולטני במכרסמים

בהדמית vivo של יושרה סיבי עצב הראייה על ידי contrast-enhanced MRI בעכברים

דימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI) של קליפת המוח הראייתית עם גירוי רטינוטופי רחב

דימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI) של קליפת המוח הראייתית עם גירוי רטינוטופי רחב

דימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI) של קליפת המוח הראייתית עם גירוי רטינוטופי רחב