אנו מודים לד"ר ד. צ'ן ולד"ר סי ין על שיתוף סקריפט AFNI להגדרת fMRI בזמן אמת עבור PV 5 ולצוות AFNI עבור תמיכת התוכנה. מחקר זה נתמך על ידי מימון יוזמת המוח של NIH (RF1NS113278-01, R01 MH111438-01), ומענק מכשיר S10 (S10 RR023009-01) למרכז מרטינוס, קרן המחקר הגרמנית (DFG) Yu215/3-1, BMBF 01GQ1702, והמימון הפנימי של אגודת מקס פלנק.

מחקר זה בוצע בהתאם לחוק הגרמני לרווחת בעלי חיים (TierSchG) ופקודת חיות המעבדה לרווחת בעלי חיים (TierSchVersV). הפרוטוקול הניסיוני המתואר כאן נבדק על ידי ועדת האתיקה (§15 TierSchG) ואושר על ידי רשות המדינה (Regierungspräsidium, Tübingen, באדן-וירטמברג, גרמניה).
1. הכנת מערך הניסויים BOLD-fMRI למחקר בבעלי חיים קטנים
<ol><li>הפעל את תוכנת המסוף כדי לשלוט בפרמטרים של הדמיה ולקבל נתוני MRI. הערה: הגדרת fMRI המוצעת בזמן אמת מיושמת תוך שימוש בפונקציות מאקרו של תוכנת המסוף (גרסה 6) במקביל לפונקציות עיבוד התמונה של AFNI.</li>
	<li>מצא רצפי MR (כלומר, מיקום, לוקלייזר, רכישה מהירה עם שיפור הרפיה (נדיר) והדמיית הד-מישור תלת-ממדית (EPI) עם סייר סביבת העבודה, ולאחר מכן גרור והוסף אותם לרשימת הסריקה. הערה: רצפי מיקום ולוקלייזר משמשים לזיהוי אזור עניין (ROI) במוח. רצף נדיר משמש לסריקת אנטומיה. רצף EPI תלת-ממדי משמש למדידת תגובות BOLD דינמיות.</li>
	<li>מקם את סקריפטי המאקרו המוגדרים מראש, "Setup_rt3DEPI" ו- "Feed2AFNI_rt3DEPI" בנתיב סקריפט המאקרו (לדוגמה, "/opt/(גירסת PV)/prog/curdir/(שם משתמש)/ParaVision/פקודות מאקרו"). הפעל את אפשרויות השחזור 3D EPI, "פעילויות טרום סדרת תמונה" ו"ביצוע מאקרו " בתפריט ממשק המשתמש "שחזור נתונים", ולאחר מכן קשר את סקריפט המאקרו המוגדר מראש, "Setup_rt3DEPI", לפני לחיצה על הלחצן "סרוק". הערה: קבצי ה- Script של המאקרו כלולים בקבצים המשלימים.</li>
	<li>התקן את תוכנת AFNI לניתוח ולתצוגה חזותית של BOLD-fMRI בזמן אמת.</li>
</ol>2. ניתוח צנתור והנשמה
<ol><li>הגדירו מכונת הנשמה ומערכות לניטור מצב פיזיולוגי כמו מדחום, לחץ דם ורישום נשימה, כפי שמוצג באיור 1. הגדר תדר קבוע של 60 ± 1 נשימה לדקה עם מכונת ההנשמה וטמפרטורה של 37 מעלות צלזיוס באמצעות כרית חימום תואמת MR עם ערכת בקרת משוב.</li>
	<li>הרדימו חולדה בוגרת של ספראג-דאולי (300-600 גרם) בתא עם 5% איזופלורן לאינדוקציה והעבירו 2-2.5% איזופלוראן לניתוח ממכשיר אידוי. בדוק את עומק ההרדמה על ידי צביטה האחורית ואישור היעדר תגובת נסיגה.</li>
	<li>אינטובציה של החיה עם צינורית פלסטיק 14 גרם לאוורור (60 ± 1 נשימה / דקה עם תערובת של 70% אוויר ו 30% חמצן). התאם את הפחמן הדו-חמצני (CO2) לגאות הסופית כך שיהיה בטווח של 25 ± 5 מ"מכספית 29. הערה: האינטובציה חיונית לשמירה על רמות CO2 תקינות באמצעות ניסויי fMRI.</li>
	<li>מניחים את החיה בתנוחת שכיבה על שולחן ניתוח ומגלחים ירך עם סכין גילוח חשמלית. ואז, לעשות חתך על העור מגולח עם מספריים כירורגיים. הערה: אורך החתך הוא סביב 1-2 ס"מ בכיוון אורך.</li>
	<li>מצא עורק הירך ווריד מתחת לאזור המשופע לצנתור והפרד את עורק הירך והווריד הבודדים מהרקמות הסובבות אותו.</li>
	<li>הדקו צד אחד של עורק הירך המופרד עם תפר כירורגי והחזיקו את הצד השני עם מלקחיים מיקרו בולדוג. לאחר מכן, בצע חתך קטן בין האזורים הקשורים בעורק הירך.</li>
	<li>יש להחדיר קטטר לעורק הירך דרך החתך הקטן ולקשור את הקטטר ואת העורק יחד עם תפרים כירורגיים. עקוב אחר לחץ הדם העורקי כל הזמן עם מערכת הניטור הפיזיולוגית להיות בטווח של 80-120 מ"מ כספית ולמדוד את גז הדם העורקי באופן קבוע כדי לשמור על pO 2 של מינימום 90 מ"מ כספית ו- pCO2 של 30-45 מ"מ כספית במהלך הסריקה. הערה: צנתור זה חיוני לניטור לחץ הדם העורקי במהלך ניסויי fMRI.</li>
	<li>הדקו את שני הקצוות של וריד הירך עם תפרים כירורגיים קלועים משי. לאחר מכן, בצע חתך קטן בין האזורים הקשורים בווריד הירך. השתמש מלקחיים לביצוע התפירה. הערה: גודל התפר הוא סביב 1-2 ס"מ.</li>
	<li>הכנס קטטר לתוך וריד הירך. קושרים את הקטטר ואת הווריד יחד עם תפרים כירורגיים. הערה: צנתור זה חיוני למתן אלפא-כלורלוז דרך הווריד ולהתאמת רמות ההרדמה במהלך ניסויי fMRI. אם החיה אינה מורדמת היטב, היא תתחיל לנשום באופן ספונטני. במקרה זה, יש לתת יותר אלפא-כלורלוז כדי למנוע תנועה נשימתית.</li>
	<li>תפר את החתך הניתוחי על העור המגולח. לאחר השלמת ההליכים הכירורגיים, שמור על החיה מורדמת על ידי החדרת בולוס של אלפא כלוראלוז עם המינון של ~ 80 מ"ג / ק"ג דרך קטטר מחובר לווריד הירך ולהפסיק את מתן isoflurane באותו זמן.</li>
</ol>3. הצבת בעל החיים בתוך סורק ה-MRI
<ol><li>העבירו את החיה המורדמת לסורק ה-MRI מיד עם סיום שלב 2.10 ואבטחו אותה על עריסה בהתאמה אישית.</li>
	<li>הכנס מדחום רקטלי משוב בזמן אמת על החיה כדי לפקח על הטמפרטורה של החיה. הניחו כרית חימום מתחת לפלג הגוף העליון של בעל החיים כדי לשלוט בטמפרטורה. שמור על טמפרטורת הגוף ב 37.0 ± 0.5 מעלות צלזיוס במהלך סריקות MRI.</li>
	<li>ספק אלפא-כלוראלוז עם תמיסה של ~25 מ"ג/ק"ג/שעה בתערובת של פנקורוניום (~2 מ"ג/ק"ג/שעה), מרפה שרירים, ברציפות תוך שמירה על הרדמת החיה והפחתת תנועתיות בתמונות fMRI. עקוב אחר לחץ הדם והנשימה על ידי התאמת כמות התרופה וקצב ההנשמה בהתאם למצב הפיזיולוגי.</li>
	<li>מתן משחה אופטלמית על העיניים של החיה כדי למנוע יובש במהלך ניסויים fMRI. תקן את ראש החיה בבטחה באמצעות שני מוטות אוזניים כדי למנוע תנועת ראש.</li>
	<li>תקן סליל משטח מקלט-משדר על הראש. כוונן והתאם את הסליל לתדר לרמור (למשל, 599 מגה-הרץ על 14.1 T) על הראש לפני מדידות MRI. הערה: כאן, סליל בקוטר 22 מ"מ משמש לכיסוי כל המוח של חולדה.</li>
	<li>הכנס זוג אלקטרודות מחט לתוך העור של forepaw בין ספרות 1 ו 4 לתקן אותם עם סרט כירורגי. ואז, אשרו שהגירוי פועל כראוי לאחר חיבור כבל קלט גירוי לאלקטרודות אלה30.</li>
	<li>הכנס את החיה לתוך נשא MRI והנח אותו במרכז iso בערך.</li>
</ol>4. מדידת תמונות MR אנטומיות
<ol><li>לחץ על כפתור תפריט הכיול בממשק המשתמש הראשי. בצע את הכיולים של מערכת ה- MRI בלחיצה על הפריטים הבאים בממשק המשתמש של פלטפורמת ההתאמה (ראה תפריט עזרה בתוכנת המסוף): מצא את תדר התהודה הבסיסי, כייל את הספק פולס ה- RF, הגדר את רווח המקלט האופטימלי, מדוד את מפת B0 בחיה לשיימינג, הפעל שימסים ליניאריים גלובליים המבוססים על אינטגרל דעיכת אינדוקציה חופשית (FID) שאינו מקומי. הערה: שלב זה אורך פחות מ-2 דקות.</li>
	<li>הפעל רצף מיקום על ידי לחיצה על כפתור "סרוק" כדי למצוא את מיקום הראש של החיה בתוך בור MRI. אם הראש אינו ממוקם במרכז ה-iso, כוונן את מיקום הראש תוך כדי הזזת העריסה קדימה ואחורה עד שהראש ממוקם במרכז ה-iso.</li>
	<li>הפעל רצף לוקלייזר על ידי לחיצה על כפתור "סרוק" כדי לזהות ROI בראש. בחר Map Shim והגדר את ההחזר על ההשקעה של נפח ה-shim כך שיכסה את כל המוח בתמונת הלוקליזר ולאחר מכן, הפעל שיימינג מסדר גבוה (לדוגמה, סדר2 או 3) באמצעות האפשרות "Shim up to" כדי להפחית את אי-ההומוגניות של השדה המגנטי הראשי (B0) בהחזר ההשקעה. הערה: השיימינג בסדר גבוה הוא צעד קריטי לשיפור האיכות של נתוני BOLD-fMRI כאשר נעשה שימוש ברצפי EPI.</li>
	<li>הפעל רצף נדיר משוקלל T2 על ידי לחיצה על כפתור "סרוק" כדי לקבל תמונות אנטומיות המכסות את כל המוח בתצוגה קורונלית (לדוגמה, נעשה שימוש בפרמטרים הבאים של הרצף: זמן חזרה (TR) 4000 אלפיות השנייה, זמן הד אפקטיבי (TE) 36.1 מטרשניות, מטריצה 128 x 128, שדה ראייה (FOV) 19.2x19.2 מ"מ2, מספר פרוסות 32, עובי פרוסה 0.3 מ"מ, גורם נדיר 8). הערה: בשלב התצוגה החזותית הבאה של fMRI בזמן אמת, התמונות האנטומיות משמשות לרישום תמונות EPI תלת-ממדיות כתבנית.</li>
</ol>5. הגדרת תוכנת fMRI בזמן אמת והדמיית תגובת fMRI
<ol><li>פתח חלון מסוף ועבור לנתיב תוסף AFNI בזמן אמת באמצעות הפקודה הבאה: תקליטור /בית/(שם משתמש)/rt_afni הערה: סקריפט התוסף AFNI, "afni_rt" כלול בקבצים המשלימים.</li>
	<li>הפעל את תוכנת AFNI עם התוסף בזמן אמת באמצעות הפקודה והאפשרויות שלהלן. AFNI -RT -yestplugouts -DAFNI_REALTIME_MP_HOST_PORT=localhost:(מספר יציאה) -DAFNI_REALTIME_Graph=זמן אמת -DAFNI_FIM_IDEAL=(פרדיגמה) הערה: במקרה הראשון, הקוד מאפשר לתוכניות חיצוניות להחליף נתונים עם AFNI ואילו במקרה השני התוסף בזמן אמת ינסה לפתוח שקע TCP ל- localhost וליציאה המוגדרים על-ידי המשתמש. במקרים השלישי והרביעי, הקודים יתוו את מהלך הזמן של נתוני fMRI בזמן אמת ויתוו את מהלך הזמן של הפרדיגמה המוגדרת על ידי המשתמש בקורס זמן fMRI בהתאמה כאשר נתוני fMRI בזמן אמת נרכשים. לפרטים נוספים, בדקו https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/README.environment.html.</li>
	<li>עקוב אחר קבצי AFNI BRIK עתידיים המוגדרים באמצעות הפקודה "דימון" כפי שמוצג באיור 2 עם האפשרויות הבאות: דימון -tr (TR של EPI) -nt (NRepetitions של EPI) -rt -צא -infile_pattern בזמן אמת*. בריק -file_type AFNI הערה: "דימון" היא פקודה לניטור הרכישה בזמן אמת של קבצי תמונה AFNI באמצעות האפשרויות הבאות: "-rt" אשר מבצע את התוסף בזמן אמת ו "-infile_pattern (שם נתונים). BRIK -file_type AFNI" המאפשר לתוסף לקרוא את קבצי BRIK הספציפיים ולשלוח אותם ל- AFNI לתצוגה ועיצוב. לפרטים נוספים, בדקו https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/Dimon.html.</li>
	<li>השתמש בפקודה "pvcmd" עם האפשרויות הבאות: pvcmd -a JMacroManager JMMExecuteMacro -category $USER -macro Feed2AFNI_rt3DEPI הערה: קוד זה קיים בסקריפט המאקרו, "Setup_rt3DEPI", כדי להפעיל את סקריפט המאקרו ברקע, "Feed2AFNI_rt3DEPI", מיד לאחר לחיצה על הלחצן "סרוק" לרכישת EPI.</li>
	<li>השתמש בפקודה "exec pvcmd" עם האפשרויות הבאות כדי לקבל פרמטרים לרכישת EPI. exec pvcmd -a ParxServer -r ParamGetValue -psid $ParSpaceId -param (פרמטרי PVM של EPI) -id 10 -args $AcqKey $ParSpaceId $ProcnoPath</li>
	<li>השתמש בפקודה "exec to3d" עם האפשרויות הבאות כדי להמיר נתונים גולמיים של EPI לקבצי AFNI בזמן אמת בסקריפט המאקרו ברקע, "Feed2AFNI_rt3DEPI". exec to3d -omri -xFOV $FOV_X -yFOV $FOV_Y -zFOV $FOV_Z -קידומת $LastVolName $ImgFormat$Path2dseq</li>
	<li>ודא שהמידע הגיאומטרי של EPI תואם את כיוון האנטומיה. הערה: פקודת AFNI "to3d" תפעל באופן אוטומטי עם המידע הגיאומטרי כגון שדה הראייה (FOV) וגודל המטריצה כדי להמיר את הנתונים הגולמיים של fMRI לנתוני AFNI BRIK אחד בכל פעם שכל נתוני נפח תלת-ממדיים מאוחסנים לאחר כל TR בודד כפי שמוצג באיור 2. ניתן לשנות את כיוון התמונה עם פרמטרי המידע הגיאומטרי של "to3d". לפרטים נוספים, בדקו https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/to3d.html.</li>
	<li>הפעל מבודד גירוי חשמלי ובצע גירוי חשמלי עבור מחקר fMRI מעורר אחד (למשל, 3Hz, 4s רוחב פולס 300us, 2.5mA) באמצעות בלוקי גירוי. הערה: כאן, פרדיגמת עיצוב הבלוקים מורכבת מ-10 סריקות קדם-גירוי, 3 סריקות גירוי ו-12 סריקות בין-גירוי (15 סריקות לכל תקופה).</li>
	<li>הפעל רצף EPI תלת-ממדי משוקלל T2* על-ידי לחיצה על הלחצן "סרוק" עבור מחקר BOLD-fMRI (לדוגמה, נעשה שימוש בפרמטרים הבאים: TR/TE 1500/14 מטריות, מטריצה 64 x 64 x 32, FOV 19.2 x 19.2 x 9.6 מ"מ 3, ורזולוציה 300 x 300 x 300 מיקרומטר3). הערה: מיד בלחיצה על כפתור "סרוק", ניטור ועיבוד נתונים גולמיים ייעשה באמצעות סקריפטי המאקרו המוגדרים מראש בזמן אמת. לאחר המרת ערכת נתונים אחת של AFNI BRIK, גרפים של מסלול זמן מבחינת ווקסל עבור תמונות EPI תלת-ממדיות מוצגים בתוכנת AFNI ומתעדכנים אוטומטית עבור כל TR בודד.</li>
	<li>כדי לכסות את תמונות ה-EPI על גבי תמונות ה-RARE האנטומיות, המירו את תמונות ה-RARE לערכת נתונים של AFNI BRIK באמצעות הפקודה "to3d" כמו בשלב 5.6, ולאחר מכן רשמו את תמונות ה-EPI לתמונות האנטומיות באמצעות סקריפט AFNI "align_epi_anat.py" עם האפשרויות הבאות: align_epi_anat.py -ענת anatomy_template_al+אוריג -אפי אפי.$(מספר נתוני אפי)+אוריג -epi_base 1 -סיומת _volreg -rat_align -עלות LPA -epi2anat הערה: לפרטים נוספים, בדוק https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/ align_epi_anat.py.html.</li>
	<li>כדי לעבד מפות פונקציונליות של תגובות BOLD, חשב את הדה-קונבולוציה של ערכת נתונים תלת-ממדית+זמן עם סדרת זמן גירוי ספציפית באמצעות הפקודה "3dDeconvolve" עם האפשרויות הבאות: 3dDeconvolve -input (שם קובץ קלט)+orig. -nfirst 0 -polort 3 -num_stimts 1 -stim_times 1 (שם הקובץ של פרדיגמת הגירוי) 'BLOCK(4,1)' -stim_label 1 forepaw -tout -fout -rout הערה: שלבי עיבוד תמונה כגון החלקה מרחבית או סינון זמני שולבו בסקריפט עיבוד נתונים מותאם אישית של AFNI. לפרטים נוספים, בדקו https://afni.nimh.nih.gov/afni/doc/help/3dDeconvolve.html.</li>
	<li>כדי להציג באופן חזותי מפות פונקציונליות של אותות BOLD, השתמש באשכולות אינטראקטיביים בתוכנת AFNI. פתח את האפשרות "הגדר כיסוי" והשתמש בפונקציה "אשכולות" מתפריט ממשק המשתמש של AFNI.</li>
	<li>לאחר סריקת ה-fMRI האחרונה, הוציאו את החיה מסורק ה-MRI והרדימו אותה בהתאם לפרוטוקולים המאושרים. הערה: פונקציות עיבוד תמונה של AFNI ופונקציות מאקרו בתוכנת המסוף העדכנית ביותר שימשו לעיבוד נתוני fMRI בזמן אמת. מידע מפורט ותיאורים של פונקציות מאקרו ניתן למצוא מתפריט העזרה בתוכנת המסוף. תוכנת AFNI היא תוכנה חופשית, הניתנת להורדה ישירה דרך אתר NIMH-AFNI. הסקריפטים הקשורים לבניית הקישור בין AFNI למערכת המסוף מצורפים.</li>
</ol>

<ol>
	<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> Proceedings of the National Academy of Sciences U.S.A. 87 (24), 9868-9872 (1990).</li><li>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=Functional+mapping+of+the+human+visual+cortex+by+magnetic+resonance+imaging.">Functional mapping of the human visual cortex by magnetic resonance imaging.</a> Science. 254 (5032), 716-719 (1991).</li><li>Stehling, M. K., Turner, R., Mansfield, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Echo-planar+imaging:+magnetic+resonance+imaging+in+a+fraction+of+a+second.">Echo-planar imaging: magnetic resonance imaging in a fraction of a second.</a> Science. 254 (5028), 43-50 (1991).</li><li>Bandettini, P. A., Wong, E. C., Hinks, R. S., Tikofsky, R. S., Hyde, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Time+course+EPI+of+human+brain+function+during+task+activation.">Time course EPI of human brain function during task activation.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 25 (2), 390-397 (1992).</li><li>Kwong, K. 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=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> Proceedings of the National Academy of Science U. S. A. 89 (12), 5675-5679 (1992).</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> Proceedings of the National Academy of Science U. S. A. 89 (13), 5951-5955 (1992).</li><li>Biswal, B., Yetkin, F. Z., Haughton, V. M., Hyde, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+connectivity+in+the+motor+cortex+of+resting+human+brain+using+echo-planar+MRI.">Functional connectivity in the motor cortex of resting human brain using echo-planar MRI.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 34 (4), 537-541 (1995).</li><li>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=What+we+can+do+and+what+we+cannot+do+with+fMRI.">What we can do and what we cannot do with fMRI.</a> Nature. 453 (7197), 869-878 (2008).</li><li>Kim, S. G., Ogawa, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biophysical+and+physiological+origins+of+blood+oxygenation+level-dependent+fMRI+signals.">Biophysical and physiological origins of blood oxygenation level-dependent fMRI signals.</a> Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 32 (7), 1188-1206 (2012).</li><li>Peltier, S. 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=Functional+connectivity+changes+with+concentration+of+sevoflurane+anesthesia.">Functional connectivity changes with concentration of sevoflurane anesthesia.</a> Neuroreport. 16 (3), 285-288 (2005).</li><li>Dopfel, D., 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+stress+networks+using+functional+magnetic+resonance+imaging+in+awake+animals.">Mapping stress networks using functional magnetic resonance imaging in awake animals.</a> Neurobiology of Stress. 9, 251-263 (2018).</li><li>Hu, X. P., Le, T. H., Parrish, T., Erhard, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Retrospective+Estimation+and+Correction+of+Physiological+Fluctuation+in+Functional+Mri.">Retrospective Estimation and Correction of Physiological Fluctuation in Functional Mri.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 34 (2), 201-212 (1995).</li><li>Birn, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+role+of+physiological+noise+in+resting-state+functional+connectivity.">The role of physiological noise in resting-state functional connectivity.</a> Neuroimage. 62 (2), 864-870 (2012).</li><li>Caballero-Gaudes, C., Reynolds, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Methods+for+cleaning+the+BOLD+fMRI+signal.">Methods for cleaning the BOLD fMRI signal.</a> Neuroimage. 154, 128-149 (2017).</li><li>Pais-Roldan, P., Biswal, B., Scheffler, K., Yu, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Identifying+Respiration-Related+Aliasing+Artifacts+in+the+Rodent+Resting-State+fMRI.">Identifying Respiration-Related Aliasing Artifacts in the Rodent Resting-State fMRI.</a> Frontiers in Neuroscience. 12, 00788 (2018).</li><li>Glover, G. H., Li, T. Q., Ress, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Image-based+method+for+retrospective+correction+of+physiological+motion+effects+in+fMRI:+RETROICOR.">Image-based method for retrospective correction of physiological motion effects in fMRI: RETROICOR.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 44 (1), 162-167 (2000).</li><li>Chang, C., Cunningham, J. P., Glover, G. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+heart+rate+on+the+BOLD+signal:+The+cardiac+response+function.">Influence of heart rate on the BOLD signal: The cardiac response function.</a> Neuroimage. 44 (3), 857-869 (2009).</li><li>Birn, R. M., Diamond, J. B., Smith, M. A., Bandettini, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Separating+respiratory-variation-related+neuronal-activity-related+fluctuations+in+fluctuations+from+fMRI.">Separating respiratory-variation-related neuronal-activity-related fluctuations in fluctuations from fMRI.</a> Neuroimage. 31 (4), 1536-1548 (2006).</li><li>Golestani, A. M., Chang, C., Kwinta, J. B., Khatamian, Y. B., Chen, J. J. <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+end-tidal+CO2+response+function+in+the+resting-state+BOLD+fMRI+signal:+Spatial+specificity,+test-retest+reliability+and+effect+of+fMRI+sampling+rate.">Mapping the end-tidal CO2 response function in the resting-state BOLD fMRI signal: Spatial specificity, test-retest reliability and effect of fMRI sampling rate.</a> Neuroimage. 104, 266-277 (2015).</li><li>Lu, H. 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=Real-time+animal+functional+magnetic+resonance+imaging+and+its+application+to+neurophamacological+studies.">Real-time animal functional magnetic resonance imaging and its application to neurophamacological studies.</a> Magnetic Resonance Imaging. 26 (9), 1266-1272 (2008).</li><li>Cox, R. W., Jesmanowicz, A., Hyde, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+functional+magnetic+resonance+imaging.">Real-time functional magnetic resonance imaging.</a> Magnetic Resonance Medicine. 33 (2), 230-236 (1995).</li><li>Lee, C. C., Jack, C. R., Rossman, P. J., Riederer, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+reconstruction+and+high-speed+processing+in+functional+MR+imaging.">Real-time reconstruction and high-speed processing in functional MR imaging.</a> American Journal of Neuroradiology. 19 (7), 1297-1300 (1998).</li><li>Voyvodic, J. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+fMRI+paradigm+control,+physiology,+and+behavior+combined+with+near+real-time+statistical+analysis.">Real-time fMRI paradigm control, physiology, and behavior combined with near real-time statistical analysis.</a> Neuroimage. 10 (2), 91-106 (1999).</li><li>Cohen, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+functional+magnetic+resonance+imaging.">Real-time functional magnetic resonance imaging.</a> Methods. 25 (2), 201-220 (2001).</li><li>Posse, 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=A+new+approach+to+measure+single-event+related+brain+activity+using+real-time+fMRI:+Feasibility+of+sensory,+motor,+and+higher+cognitive+tasks.">A new approach to measure single-event related brain activity using real-time fMRI: Feasibility of sensory, motor, and higher cognitive tasks.</a> Human Brain Mapping. 12 (1), 25-41 (2001).</li><li>Decharms, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reading+and+controlling+human+brain+activation+using+real-time+functional+magnetic+resonance+imaging.">Reading and controlling human brain activation using real-time functional magnetic resonance imaging.</a> Trends in Cognitive Sciences. 11 (11), 473-481 (2007).</li><li>Bruhl, A. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Making+Sense+of+Real-Time+Functional+Magnetic+Resonance+Imaging+(rtfMRI)+and+rtfMRI+Neurofeedback.">Making Sense of Real-Time Functional Magnetic Resonance Imaging (rtfMRI) and rtfMRI Neurofeedback.</a> International Journal of Neuropsychopharmacology. 18 (6), (2015).</li><li>Cox, R. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=AFNI:+Software+for+analysis+and+visualization+of+functional+magnetic+resonance+neuroimages.">AFNI: Software for analysis and visualization of functional magnetic resonance neuroimages.</a> Computers and Biomedical Research. 29 (3), 162-173 (1996).</li><li>Liou, W. W., Goshgarian, H. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+assessment+of+the+effect+of+chronic+phrenicotomy+on+the+induction+of+the+crossed+phrenic+phenomenon.">Quantitative assessment of the effect of chronic phrenicotomy on the induction of the crossed phrenic phenomenon.</a> Experimental Neurology. 127 (1), 145-153 (1994).</li><li>Shih, Y. Y., 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=Ultra+high-resolution+fMRI+and+electrophysiology+of+the+rat+primary+somatosensory+cortex.">Ultra high-resolution fMRI and electrophysiology of the rat primary somatosensory cortex.</a> Neuroimage. 73, 113-120 (2013).</li><li>Masamoto, K., Kim, T., Fukuda, M., Wang, P., 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=Relationship+between+neural,+vascular,+and+BOLD+signals+in+isoflurane-anesthetized+rat+somatosensory+cortex.">Relationship between neural, vascular, and BOLD signals in isoflurane-anesthetized rat somatosensory cortex.</a> Cerebral Cortex. 17 (4), 942-950 (2007).</li><li>van Alst, T. 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=Anesthesia+differentially+modulates+neuronal+and+vascular+contributions+to+the+BOLD+signal.">Anesthesia differentially modulates neuronal and vascular contributions to the BOLD signal.</a> Neuroimage. 195, 89-103 (2019).</li><li>Wu, T. 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=Effects+of+isoflurane+anesthesia+on+resting-state+fMRI+signals+and+functional+connectivity+within+primary+somatosensory+cortex+of+monkeys.">Effects of isoflurane anesthesia on resting-state fMRI signals and functional connectivity within primary somatosensory cortex of monkeys.</a> Brain and Behavior. 6 (12), 00591 (2016).</li><li>Liu, X., Zhu, X. H., Zhang, Y., Chen, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+change+of+functional+connectivity+specificity+in+rats+under+various+anesthesia+levels+and+its+neural+origin.">The change of functional connectivity specificity in rats under various anesthesia levels and its neural origin.</a> Brain Topography. 26 (3), 363-377 (2013).</li><li>Liu, X. P., 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=Multiphasic+modification+of+intrinsic+functional+connectivity+of+the+rat+brain+during+increasing+levels+of+propofol.">Multiphasic modification of intrinsic functional connectivity of the rat brain during increasing levels of propofol.</a> Neuroimage. 83, 581-592 (2013).</li><li>Hutchison, R. M., Hutchison, M., Manning, K. Y., Menon, R. S., Everling, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Isoflurane+induces+dose-dependent+alterations+in+the+cortical+connectivity+profiles+and+dynamic+properties+of+the+brain's+functional+architecture.">Isoflurane induces dose-dependent alterations in the cortical connectivity profiles and dynamic properties of the brain's functional architecture.</a> Human Brain Mapping. 35 (12), 5754-5775 (2014).</li><li>He, Y., 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=Ultra-Slow+Single-Vessel+BOLD+and+CBV-Based+fMRI+Spatiotemporal+Dynamics+and+Their+Correlation+with+Neuronal+Intracellular+Calcium+Signals.">Ultra-Slow Single-Vessel BOLD and CBV-Based fMRI Spatiotemporal Dynamics and Their Correlation with Neuronal Intracellular Calcium Signals.</a> Neuron. 97 (4), 925-939 (2018).</li><li>Yoshida, 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=Physiological+effects+of+a+habituation+procedure+for+functional+MRI+in+awake+mice+using+a+cryogenic+radiofrequency+probe.">Physiological effects of a habituation procedure for functional MRI in awake mice using a cryogenic radiofrequency probe.</a> Journal of Neuroscience Methods. 274, 38-48 (2016).</li></ol>

סשה קוהלר היא עובדת בחברת Bruker BioSpin MRI GmbH.

ניטור בזמן אמת של אות ה-fMRI מסייע לנסיינים להתאים את הפיזיולוגיה של בעלי חיים כדי לייעל את המיפוי התפקודי. ממצאי תנועה בבעלי חיים ערים, כמו גם אפקט ההרדמה, הם גורמים עיקריים המתווכים את השונות של אותות fMRI, מבלבלים את הפרשנות הביולוגית של האות בפני עצמה 31,32,33,34,35,36,37,38<sup class="xr...

דימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI) היא שיטה לא פולשנית למדידת התגובות ההמודינמיות 1,2,3,4,5,6,7,8,9, למשל, תלויות ברמת החמצן בדם (BOLD), נפח הדם במוח ואות זרימה, הקשורים לפעילות עצבית במוח. במחקרים בבעלי חיים, אותות המודינמיים יכולים להיות מושפעים מהרדמה10, מרמת הלחץ של בעלי חיים ערים 11, כמו גם מהממצאים הפוטנציאליים שאינם פיזיולוגיים, למשל, פעימות לב ותנועות נשימה 12,13,14,15. למרות ששיטות רבות לאחר עיבוד פותחו כדי לספק ניתוח רטרוספקטיבי של אות ה- fMRI עבור הדינמיקה התפקודית הקשורה למשימה ומצב מנוחה ומיפוי קישוריות16,17,18,19, ישנן מעט טכניקות לספק פתרון מיפוי תפקודי מוח בזמן אמת וקריאות מיידיות במוח החיה 20 (שרובן משמשות בעיקר למיפוי המוח האנושי 21, 22,23,24,25,26,27). בפרט, סוג זה של שיטת מיפוי fMRI בזמן אמת חסר במחקרים בבעלי חיים. יש צורך להקים פלטפורמת fMRI שתאפשר חקירה של שלבים פיזיולוגיים תלויי מצב מוחי בזמן אמת ותספק פרדיגמת גירוי ביופידבק בזמן אמת למחקרים תפקודי מוח בבעלי חיים.
בעבודה הנוכחית, אנו מדגימים מערך ניסויי fMRI בזמן אמת עם פונקציות המאקרו המותאמות אישית של תוכנת מסוף ה-MRI, ומדגימים ניטור בזמן אמת של תגובות BOLD-fMRI המעוררות בקליפת המוח הסומטוסנסורית הראשונית (FP-S1) של החולדות המורדמות. מערך זה בזמן אמת מאפשר הדמיה של הפעלת המוח המתמשכת במפות פונקציונליות, כמו גם קורסי זמן פרטניים באופן ווקסל, תוך שימוש בתוכנה הקיימת לניתוח תמונות נוירואימג', Analysis of Functional NeuroImages (AFNI)28. הכנת מערך ניסויי fMRI בזמן אמת למחקר בבעלי חיים מתוארת בפרוטוקול. מלבד הגדרת בעלי החיים, אנו מספקים נהלים מפורטים להגדרת ההדמיה והניתוח של אותות fMRI בזמן אמת באמצעות תוכנת המסוף העדכנית ביותר במקביל לסקריפטי עיבוד התמונה. לסיכום, מערך ה-fMRI המוצע בזמן אמת למחקרים בבעלי חיים הוא כלי רב עוצמה לניטור אותות ה-fMRI הדינמיים במוח בעלי החיים באמצעות מערכת מסוף ה-MRI.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>14.1T Bruker MRI system</td>
			<td>Bruker BioSpin MRI GmbH</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>A365 Stimulus Isolator</td>
			<td>World Precision Instruments</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AcqKnowledge Software</td>
			<td>Biopac</td>
			<td>RRID:SCR_014279, http://www.biopac.com/product/acqknowledge-software/</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AFNI</td>
			<td>Cox, 1996</td>
			<td>RRID:SCR_005927, http://afni.nimh.nih.gov</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CO2SMO (ETCO2/SpO2 Monitor), Model 7100</td>
			<td>Novametrix Medical Systems Inc</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isoflurane</td>
			<td>CP-Pharma</td>
			<td>Cat# 1214</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Master-9</td>
			<td>A.M.P.I</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nanoliter Injector</td>
			<td>World Precision Instruments</td>
			<td>Cat# NANOFIL</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pancuronium Bromide</td>
			<td>Inresa Arzneimittel</td>
			<td>Cat# 34409.00.00</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ParaVision 6</td>
			<td>Bruker BioSpin MRI GmbH</td>
			<td>RRID:SCR_001964</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phosphate Buffered Saline (PBS)</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>Cat# 10010-023</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rat: Sprague Dawley rat</td>
			<td>Charles River Laboratories</td>
			<td>Crl:CD(SD)</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SAR-830/AP Ventilator</td>
			<td>CWE</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>&#945;-chloralose</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>Cat# C0128-25G;RRID</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

real-time fmri brain mapping in animals

תגובות fMRI דינמיות משתנות במידה רבה בהתאם לתנאים הפיזיולוגיים של בעלי חיים תחת הרדמה או במצב ער. פיתחנו פלטפורמת fMRI בזמן אמת כדי להנחות נסיינים לנטר תגובות fMRI באופן מיידי במהלך הרכישה, אשר ניתן להשתמש בהן כדי לשנות את הפיזיולוגיה של בעלי חיים כדי להשיג את התגובות ההמודינמיות הרצויות במוחות של בעלי חיים. מערך ה-fMRI בזמן אמת מבוסס על מערכת MRI פרה-קלינית 14.1T, המאפשרת מיפוי בזמן אמת של תגובות fMRI דינמיות בקליפת המוח הסומטוסנסורית הראשונית (FP-S1) של חולדות מורדמות. במקום ניתוח רטרוספקטיבי כדי לחקור מקורות מבלבלים המובילים לשונות של אותות fMRI, פלטפורמת fMRI בזמן אמת מספקת סכימה יעילה יותר לזיהוי תגובות fMRI דינמיות באמצעות פונקציות מאקרו מותאמות אישית ותוכנת ניתוח neuroimage נפוצה במערכת MRI. כמו כן, הוא מספק היתכנות מיידית לפתרון בעיות ופרדיגמת גירוי ביופידבק בזמן אמת למחקרים תפקודי מוח בבעלי חיים.

איור 3 ואיור 4 מראים מסלול זמן BOLD-fMRI מייצג בזמן אמת ומפות פונקציונליות עם גירוי חשמלי (3 הרץ, 4 שניות, רוחב פולס 300 לנו, 2.5 mA). פרדיגמת התכנון fMRI כוללת 10 סריקות קדם-גירוי, 3 סריקות גירוי ו-12 סריקות בין-גירוי עם סך של 8 תקופות (130 סריקות). זמן הסריקה הכולל הוא 3 דקות ו-15 ש...

Watch this Scientific Journal Video about Real-Time fMRI Brain Mapping in Animals at JoVE.com

Real-Time fMRI Brain Mapping in Animals

מיפוי תפקודי של מוח בעלי חיים יכול להפיק תועלת ממערך הניסויים של דימות תהודה מגנטית תפקודי בזמן אמת (fMRI). באמצעות התוכנה העדכנית ביותר המיושמת במערכת MRI של בעלי חיים, הקמנו פלטפורמת ניטור בזמן אמת עבור fMRI של בעלי חיים קטנים.

מיפוי מוח fMRI בזמן אמת בבעלי חיים

Dynamic fMRI responses vary largely according to the physiological conditions of animals either under anesthesia or in awake states. We developed a ...

Research

JoVE Journal

Neuroscience

3.4K Views.  Max Planck Institute for Biological Cybernetics. מיפוי תפקודי של מוח בעלי חיים יכול להפיק תועלת ממערך הניסויים של דימות תהודה מגנטית תפקודי בזמן אמת (fMRI). באמצעות התוכנה העדכנית ביותר המיושמת במערכת MRI של בעלי חיים, הקמנו פלטפורמת ניטור בזמן אמת עבור fMRI של בעלי חיים קטנים.

Video: Real-Time fMRI Brain Mapping in Animals

Simultaneous fMRI and Electrophysiology in the Rodent Brain

To examine the neural basis of the blood oxygenation level dependent (BOLD) magnetic resonance imaging (MRI) signal, we have developed a rodent model in which functional MRI data and in vivo intracortical recording can be performed simultaneously. The combination of MRI and electrical recording is technically challenging because the electrodes used for recording distort the MRI images and the MRI acquisition induces noise in the electrical recording. To minimize the mutual interference of the two modalities, glass microelectrodes were used rather than metal and a noise removal algorithm was implemented for the electrophysiology data. In our studies, two microelectrodes were separately implanted in bilateral primary somatosensory cortices (SI) of the rat and fixed in place. One coronal slice covering the electrode tips was selected for functional MRI. Electrode shafts and fixation positions were not included in the image slice to avoid imaging artifacts. The removed scalp was replaced with toothpaste to reduce susceptibility mismatch and prevent Gibbs ringing artifacts in the images. The artifact structure induced in the electrical recordings by the rapidly-switching magnetic fields during image acquisition was characterized by averaging all cycles of scans for each run. The noise structure during imaging was then subtracted from original recordings. The denoised time courses were then used for further analysis in combination with the fMRI data. As an example, the simultaneous acquisition was used to determine the relationship between spontaneous fMRI BOLD signals and band-limited intracortical electrical activity. Simultaneous fMRI and electrophysiological recording in the rodent will provide a platform for many exciting applications in neuroscience in addition to elucidating the relationship between the fMRI BOLD signal and neuronal activity.

We have developed a method for simultaneous functional magnetic resonance imaging and electrophysiological recording in the rodent brain, providing a platform for the investigation of the relationship between neural activity and the blood oxygenation level dependent (BOLD) MRI signal.

FMRI Electrophysiology סימולטני במוח מכרסמים

To examine the neural basis of the blood oxygenation level dependent (BOLD) magnetic resonance imaging (MRI) signal, we have developed a rodent model in ...

Combining Transcranial Magnetic Stimulation and fMRI to Examine the Default Mode Network

The default mode network is a group of brain regions that are active when an individual is not focused on the outside world and the brain is at "wakeful rest."1,2,3 It is thought the default mode network corresponds to self-referential or "internal mentation".2,3
It has been hypothesized that, in humans, activity within the default mode network is correlated with certain pathologies (for instance, hyper-activation has been linked to schizophrenia 4,5,6 and autism spectrum disorders 7 whilst hypo-activation of the network has been linked to Alzheimer's and other neurodegenerative diseases 8). As such, noninvasive modulation of this network may represent a potential therapeutic intervention for a number of neurological and psychiatric pathologies linked to abnormal network activation. One possible tool to effect this modulation is Transcranial Magnetic Stimulation: a non-invasive neurostimulatory and neuromodulatory technique that can transiently or lastingly modulate cortical excitability (either increasing or decreasing it) via the application of localized magnetic field pulses.9
In order to explore the default mode network's propensity towards and tolerance of modulation, we will be combining TMS (to the left inferior parietal lobe) with functional magnetic resonance imaging (fMRI). Through this article, we will examine the protocol and considerations necessary to successfully combine these two neuroscientific tools.

In this article, we examine the methodology and considerations relevant to the combination of TMS and fMRI to examine the effects of brain stimulation on the default network.

שילוב של גירוי מגנטי fMRI Transcranial ולבחון את רשת מצב ברירת מחדל

The default mode network is a group of brain regions that are active when an individual is not focused on the outside world and the brain is at "wakeful ...

Recording Human Electrocorticographic (ECoG) Signals for Neuroscientific Research and Real-time Functional Cortical Mapping

Neuroimaging studies of human cognitive, sensory, and motor processes are usually based on noninvasive techniques such as electroencephalography (EEG), magnetoencephalography or functional magnetic-resonance imaging. These techniques have either inherently low temporal or low spatial resolution, and suffer from low signal-to-noise ratio and/or poor high-frequency sensitivity. Thus, they are suboptimal for exploring the short-lived spatio-temporal dynamics of many of the underlying brain processes. In contrast, the invasive technique of electrocorticography (ECoG) provides brain signals that have an exceptionally high signal-to-noise ratio, less susceptibility to artifacts than EEG, and a high spatial and temporal resolution (i.e., &lt;1 cm/&lt;1 millisecond, respectively). ECoG involves measurement of electrical brain signals using electrodes that are implanted subdurally on the surface of the brain. Recent studies have shown that ECoG amplitudes in certain frequency bands carry substantial information about task-related activity, such as motor execution and planning1, auditory processing2 and visual-spatial attention3. Most of this information is captured in the high gamma range (around 70-110 Hz). Thus, gamma activity has been proposed as a robust and general indicator of local cortical function1-5. ECoG can also reveal functional connectivity and resolve finer task-related spatial-temporal dynamics, thereby advancing our understanding of large-scale cortical processes. It has especially proven useful for advancing brain-computer interfacing (BCI) technology for decoding a user's intentions to enhance or improve communication6 and control7. Nevertheless, human ECoG data are often hard to obtain because of the risks and limitations of the invasive procedures involved, and the need to record within the constraints of clinical settings. Still, clinical monitoring to localize epileptic foci offers a unique and valuable opportunity to collect human ECoG data. We describe our methods for collecting recording ECoG, and demonstrate how to use these signals for important real-time applications such as clinical mapping and brain-computer interfacing. Our example uses the BCI2000 software platform8,9 and the SIGFRIED10 method, an application for real-time mapping of brain functions. This procedure yields information that clinicians can subsequently use to guide the complex and laborious process of functional mapping by electrical stimulation.
Prerequisites and Planning:
Patients with drug-resistant partial epilepsy may be candidates for resective surgery of an epileptic focus to minimize the frequency of seizures. Prior to resection, the patients undergo monitoring using subdural electrodes for two purposes: first, to localize the epileptic focus, and second, to identify nearby critical brain areas (i.e., eloquent cortex) where resection could result in long-term functional deficits. To implant electrodes, a craniotomy is performed to open the skull. Then, electrode grids and/or strips are placed on the cortex, usually beneath the dura. A typical grid has a set of 8 x 8 platinum-iridium electrodes of 4 mm diameter (2.3 mm exposed surface) embedded in silicon with an inter-electrode distance of 1cm. A strip typically contains 4 or 6 such electrodes in a single line. The locations for these grids/strips are planned by a team of neurologists and neurosurgeons, and are based on previous EEG monitoring, on a structural MRI of the patient's brain, and on relevant factors of the patient's history. Continuous recording over a period of 5-12 days serves to localize epileptic foci, and electrical stimulation via the implanted electrodes allows clinicians to map eloquent cortex. At the end of the monitoring period, explantation of the electrodes and therapeutic resection are performed together in one procedure.
In addition to its primary clinical purpose, invasive monitoring also provides a unique opportunity to acquire human ECoG data for neuroscientific research. The decision to include a prospective patient in the research is based on the planned location of their electrodes, on the patient's performance scores on neuropsychological assessments, and on their informed consent, which is predicated on their understanding that participation in research is optional and is not related to their treatment. As with all research involving human subjects, the research protocol must be approved by the hospital's institutional review board. The decision to perform individual experimental tasks is made day-by-day, and is contingent on the patient's endurance and willingness to participate. Some or all of the experiments may be prevented by problems with the clinical state of the patient, such as post-operative facial swelling, temporary aphasia, frequent seizures, post-ictal fatigue and confusion, and more general pain or discomfort.
At the Epilepsy Monitoring Unit at Albany Medical Center in Albany, New York, clinical monitoring is implemented around the clock using a 192-channel Nihon-Kohden Neurofax monitoring system. Research recordings are made in collaboration with the Wadsworth Center of the New York State Department of Health in Albany. Signals from the ECoG electrodes are fed simultaneously to the research and the clinical systems via splitter connectors. To ensure that the clinical and research systems do not interfere with each other, the two systems typically use separate grounds. In fact, an epidural strip of electrodes is sometimes implanted to provide a ground for the clinical system. Whether research or clinical recording system, the grounding electrode is chosen to be distant from the predicted epileptic focus and from cortical areas of interest for the research. Our research system consists of eight synchronized 16-channel g.USBamp amplifier/digitizer units (g.tec, Graz, Austria). These were chosen because they are safety-rated and FDA-approved for invasive recordings, they have a very low noise-floor in the high-frequency range in which the signals of interest are found, and they come with an SDK that allows them to be integrated with custom-written research software. In order to capture the high-gamma signal accurately, we acquire signals at 1200Hz sampling rate-considerably higher than that of the typical EEG experiment or that of many clinical monitoring systems. A built-in low-pass filter automatically prevents aliasing of signals higher than the digitizer can capture. The patient's eye gaze is tracked using a monitor with a built-in Tobii T-60 eye-tracking system (Tobii Tech., Stockholm, Sweden). Additional accessories such as joystick, bluetooth Wiimote (Nintendo Co.), data-glove (5th Dimension Technologies), keyboard, microphone, headphones, or video camera are connected depending on the requirements of the particular experiment.
Data collection, stimulus presentation, synchronization with the different input/output accessories, and real-time analysis and visualization are accomplished using our BCI2000 software8,9. BCI2000 is a freely available general-purpose software system for real-time biosignal data acquisition, processing and feedback. It includes an array of pre-built modules that can be flexibly configured for many different purposes, and that can be extended by researchers' own code in C++, MATLAB or Python. BCI2000 consists of four modules that communicate with each other via a network-capable protocol: a Source module that handles the acquisition of brain signals from one of 19 different hardware systems from different manufacturers; a Signal Processing module that extracts relevant ECoG features and translates them into output signals; an Application module that delivers stimuli and feedback to the subject; and the Operator module that provides a graphical interface to the investigator.
A number of different experiments may be conducted with any given patient. The priority of experiments will be determined by the location of the particular patient's electrodes. However, we usually begin our experimentation using the SIGFRIED (SIGnal modeling For Realtime Identification and Event Detection) mapping method, which detects and displays significant task-related activity in real time. The resulting functional map allows us to further tailor subsequent experimental protocols and may also prove as a useful starting point for traditional mapping by electrocortical stimulation (ECS).
Although ECS mapping remains the gold standard for predicting the clinical outcome of resection, the process of ECS mapping is time consuming and also has other problems, such as after-discharges or seizures. Thus, a passive functional mapping technique may prove valuable in providing an initial estimate of the locus of eloquent cortex, which may then be confirmed and refined by ECS. The results from our passive SIGFRIED mapping technique have been shown to exhibit substantial concurrence with the results derived using ECS mapping10.
The protocol described in this paper establishes a general methodology for gathering human ECoG data, before proceeding to illustrate how experiments can be initiated using the BCI2000 software platform. Finally, as a specific example, we describe how to perform passive functional mapping using the BCI2000-based SIGFRIED system.

Recording Human Electrocorticographic ECoG Signals for Neuroscientific Research and Real-time Functional Cortical Mapping

We present a method for collecting electrocorticographic signals for research purposes from humans who are undergoing invasive epilepsy monitoring. We show how to use the BCI2000 software platform for data collection, signal processing and stimulus presentation. Specifically, we demonstrate SIGFRIED, a BCI2000-based tool for real-time functional brain mapping.

הקלטת אדם Electrocorticographic (ECOG) אותות לחקר Neuroscientific בזמן אמת מיפוי קורטיקלי פונקציונלית

Neuroimaging studies of human cognitive, sensory, and motor processes are usually based on noninvasive techniques such as electroencephalography (EEG), ...

Design and Assembly of an Ultra-light Motorized Microdrive for Chronic Neural Recordings in Small Animals

The ability to chronically record from populations of neurons in freely behaving animals has proven an invaluable tool for dissecting the function of neural circuits underlying a variety of natural behaviors, including navigation1 , decision making 2,3, and the generation of complex motor sequences4,5,6. Advances in precision machining has allowed for the fabrication of light-weight devices suitable for chronic recordings in small animals, such as mice and songbirds. The ability to adjust the electrode position with small remotely controlled motors has further increased the recording yield in various behavioral contexts by reducing animal handling.6,7
 Here we describe a protocol to build an ultra-light motorized microdrive for long-term chronic recordings in small animals. Our design evolved from an earlier published version7, and has been adapted for ease-of use and cost-effectiveness to be more practical and accessible to a wide array of researchers. This proven design 8,9,10,11 allows for fine, remote positioning of electrodes over a range of ~ 5 mm and weighs less than 750 mg when fully assembled. We present the complete protocol for how to build and assemble these drives, including 3D CAD drawings for all custom microdrive components.

The design, fabrication and assembly of an ultra-light motorized microdrive is described. The device provides a cost-effective and easy-to-use solution for chronic recordings of single units in small behaving animals.

תכנון והרכבה של Microdrive קל במיוחד ממונע להקלטות עצביות כרוניות בבעלי חיים קטנים

The ability to chronically record from populations of neurons in freely behaving animals has proven an invaluable tool for dissecting the function of ...

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

Current knowledge of sensory processing in the mammalian auditory system is mainly derived from electrophysiological studies in a variety of animal models, including monkeys, ferrets, bats, rodents, and cats. In order to draw suitable parallels between human and animal models of auditory function, it is important to establish a bridge between human functional imaging studies and animal electrophysiological studies. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) is an established, minimally invasive method of measuring broad patterns of hemodynamic activity across different regions of the cerebral cortex. This technique is widely used to probe sensory function in the human brain, is a useful tool in linking studies of auditory processing in both humans and animals and has been successfully used to investigate auditory function in monkeys and rodents. The following protocol describes an experimental procedure for investigating auditory function in anesthetized adult cats by measuring stimulus-evoked hemodynamic changes in auditory cortex using fMRI. This method facilitates comparison of the hemodynamic responses across different models of auditory function thus leading to a better understanding of species-independent features of the mammalian auditory cortex.

Functional studies of the auditory system in mammals have traditionally been conducted using spatially-focused techniques such as electrophysiological recordings. The following protocol describes a method of visualizing large-scale patterns of evoked hemodynamic activity in the cat auditory cortex using functional magnetic resonance imaging.

הדמיה תפקודית של השמיעתי Cortex בחתולים בוגרים באמצעות גבוהה שדה fMRI

Current knowledge of sensory processing in the mammalian auditory system is mainly derived from electrophysiological studies in a variety of animal ...

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 ...

An Ex Vivo Laser-induced Spinal Cord Injury Model to Assess Mechanisms of Axonal Degeneration in Real-time

Injured CNS axons fail to regenerate and often retract away from the injury site. Axons spared from the initial injury may later undergo secondary axonal degeneration. Lack of growth cone formation, regeneration, and loss of additional myelinated axonal projections within the spinal cord greatly limits neurological recovery following injury. To assess how central myelinated axons of the spinal cord respond to injury, we developed an ex vivo living spinal cord model utilizing transgenic mice that express yellow fluorescent protein in axons and a focal and highly reproducible laser-induced spinal cord injury to document the fate of axons and myelin (lipophilic fluorescent dye Nile Red) over time using two-photon excitation time-lapse microscopy. Dynamic processes such as acute axonal injury, axonal retraction, and myelin degeneration are best studied in real-time. However, the non-focal nature of contusion-based injuries and movement artifacts encountered during in vivo spinal cord imaging make differentiating primary and secondary axonal injury responses using high resolution microscopy challenging. The ex vivo spinal cord model described here mimics several aspects of clinically relevant contusion/compression-induced axonal pathologies including axonal swelling, spheroid formation, axonal transection, and peri-axonal swelling providing a useful model to study these dynamic processes in real-time. Major advantages of this model are excellent spatiotemporal resolution that allows differentiation between the primary insult that directly injures axons and secondary injury mechanisms; controlled infusion of reagents directly to the perfusate bathing the cord; precise alterations of the environmental milieu (e.g., calcium, sodium ions, known contributors to axonal injury, but near impossible to manipulate in vivo); and murine models also offer an advantage as they provide an opportunity to visualize and manipulate genetically identified cell populations and subcellular structures. Here, we describe how to isolate and image the living spinal cord from mice to capture dynamics of acute axonal injury.

An Ex Vivo Laser-induced Spinal Cord Injury Model to Assess Mechanisms of Axonal Degeneration in Real-time

We present a protocol utilizing two-photon excitation time-lapse microscopy to simultaneously visualize the dynamics of axon and myelin injuries in real time. This proposed protocol permits studies of both intrinsic and extrinsic factors which can influence central myelinated axon fate after injury and contribute to permanent clinical disability.

<em&gt; Ex Vivo</em&gt; חוט השדרה מושרה לייזר הפגיעה דגם להערכת מנגנוני axonal הניוון בזמן אמת

Injured CNS axons fail to regenerate and often retract away from the injury site. Axons spared from the initial injury may later undergo secondary axonal ...

A Protocol for the Administration of Real-Time fMRI Neurofeedback Training

Neurologic disorders are characterized by abnormal cellular-, molecular-, and circuit-level functions in the brain. New methods to induce and control neuroplastic processes and correct abnormal function, or even shift functions from damaged tissue to physiologically healthy brain regions, hold the potential to dramatically improve overall health. Of the current neuroplastic interventions in development, neurofeedback training (NFT) from functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) has the advantages of being completely non-invasive, non-pharmacologic, and spatially localized to target brain regions, as well as having no known side effects. Furthermore, NFT techniques, initially developed using fMRI, can often be translated to exercises that can be performed outside of the scanner without the aid of medical professionals or sophisticated medical equipment. In fMRI NFT, the fMRI signal is measured from specific regions of the brain, processed, and presented to the participant in real-time. Through training, self-directed mental processing techniques, that regulate this signal and its underlying neurophysiologic correlates, are developed. FMRI NFT has been used to train volitional control over a wide range of brain regions with implications for several different cognitive, behavioral, and motor systems. Additionally, fMRI NFT has shown promise in a broad range of applications such as the treatment of neurologic disorders and the augmentation of baseline human performance. In this article, we present an fMRI NFT protocol developed at our institution for modulation of both healthy and abnormal brain function, as well as examples of using the method to target both cognitive and auditory regions of the brain.

The ability to induce and/or control neural plasticity may be critical in future treatments for neurologic disorders and the recovery from brain injury. In this paper, we present a protocol on the use of neurofeedback training with functional magnetic resonance imaging to modulate human brain function.

פרוטוקול עבור fMRI ניהול בזמן אמת Neurofeedback אימונים

Neurologic disorders are characterized by abnormal cellular-, molecular-, and circuit-level functions in the brain. New methods to induce and control ...

Real-time Iontophoresis with Tetramethylammonium to Quantify Volume Fraction and Tortuosity of Brain Extracellular Space

This review describes the basic concepts and protocol to perform the real-time iontophoresis (RTI) method, the gold-standard to explore and quantify the extracellular space (ECS) of the living brain. The ECS surrounds all brain cells and contains both interstitial fluid and extracellular matrix. The transport of many substances required for brain activity, including neurotransmitters, hormones, and nutrients, occurs by diffusion through the ECS. Changes in the volume and geometry of this space occur during normal brain processes, like sleep, and pathological conditions, like ischemia. However, the structure and regulation of brain ECS, particularly in diseased states, remains largely unexplored. The RTI method measures two physical parameters of living brain: volume fraction and tortuosity. Volume fraction is the proportion of tissue volume occupied by ECS. Tortuosity is a measure of the relative hindrance a substance encounters when diffusing through a brain region as compared to a medium with no obstructions. In RTI, an inert molecule is pulsed from a source microelectrode into the brain ECS. As molecules diffuse away from this source, the changing concentration of the ion is measured over time using an ion-selective microelectrode positioned roughly 100 &#181;m away. From the resulting diffusion curve, both volume fraction and tortuosity can be calculated. This technique has been used in brain slices from multiple species (including humans) and in vivo to study acute and chronic changes to ECS. Unlike other methods, RTI can be used to examine both reversible and irreversible changes to the brain ECS in real time.

This protocol describes real-time iontophoresis, a method that measures physical parameters of the extracellular space (ECS) of living brains. The diffusion of an inert molecule released into the ECS is used to calculate the ECS volume fraction and tortuosity. It is ideal for studying acute reversible changes to brain ECS.

בזמן אמת Iontophoresis עם Tetramethylammonium כדי לכמת את נפח השבר ואת הצרות של המוח תאיים שטח

This review describes the basic concepts and protocol to perform the real-time iontophoresis (RTI) method, the gold-standard to explore and quantify the ...

Live-cell Measurement of Odorant Receptor Activation Using a Real-time cAMP Assay

The enormous sizes of the mammalian odorant receptor (OR) families present difficulties to find their cognate ligands among numerous volatile chemicals. To efficiently and accurately deorphanize ORs, we combine the use of a heterologous cell line to express mammalian ORs and a genetically modified biosensor plasmid to measure cAMP production downstream of OR activation in real time. This assay can be used to screen odorants against ORs and vice versa. Positive odorant-receptor interactions from the screens can be subsequently confirmed by testing against various odor concentrations, generating concentration-response curves. Here we used this method to perform a high-throughput screening of an odorous compound against a human OR library expressed in Hana3A cells and confirmed that the positively-responding receptor is the cognate receptor for the compound of interest. We found this high-throughput detection method to be efficient and reliable in assessing OR activation and our data provide an example of its potential use in OR functional studies.

Characterizing the function of odorant receptors serves an indispensable part in the deorphanization process. We describe a method to measure the activation of odorant receptors in real time using a cAMP assay.

לחיות תאים מדידה של Odorant קולטן הפעלה באמצעות Assay המחנה בזמן אמת

The enormous sizes of the mammalian odorant receptor (OR) families present difficulties to find their cognate ligands among numerous volatile chemicals. ...