Questo materiale si basa su lavori sostenuta dalla National Science Foundation sotto Grant BCS 1063774.

1. Polar angolo Stimulus Topografia e Psicofisica Per ottenere un angolo polare-map retinotopica nella SC, usiamo un cuneo a 90 ° di punti in movimento come lo stimolo (eccentricità 2-9 ° di angolo visivo, significa dot-velocità 4 ° / sec) (Fig. 1). È noto che l&#39;attività nel SC è migliorate applicando attenzione segreta 5, quindi usiamo un compito attenzione nel nostro paradigma per aumentare segnale disponibile. In studio ogni 2 s, i soggetti sono istruiti a partecipare segretamente al cuneo intero ed eseguire un compito velocità di discriminazione, pur mantenendo la fissazione. Il cuneo è diviso in 2 × 3 settori virtuali con puntini in uno dei settori, scelti a caso per ogni prova, in movimento lento o più veloce di tutti gli altri punti. Dopo ogni prova, il cuneo è ruotato di 30 ° intorno al fissaggio in modo che lo stimolo ruota completamente con un periodo di 24 sec. Ogni ciclo è composto di 9,5 rotazioni dello stimolo (228 sec), e le sessioni sperimentali sono16-18 corse. Per mantenere le prestazioni del soggetto a questo compito per tutta la durata di ogni corsa, la difficoltà del compito viene regolato tramite due intercalati in modo casuale due-up-one-down scale. Dopo ogni due prove consecutive corretti la differenza di velocità è ridotta dell&#39;8%, e per ogni prova non corretto, la differenza è aumentato dell&#39;8%. Prima della scansione, tutti i soggetti in pratica il compito visivo di fuori dello scanner fino a raggiungere un livello stabile di performance; questo richiede 3-4 20 minuti sessioni di prove di durata. Soglie di discriminazione tipiche sono nel campo di 1 ° -1,5 ° / sec. 2. Preparazione Oggetto <ol><li> Teste soggetti sono fissati con i rilievi per ridurre al minimo movimento della testa, prima di essere posizionati all&#39;interno dello scanner foro. A queste alte risoluzioni spaziali, fMRI è particolarmente sensibile agli artefatti da movimento, in modo da stabilizzare la testa è fondamentale. </li><li> I soggetti viene assegnato un MRI-compatible pulsantiera in una mano e istruiti sulla quale pulsante premere per indicare i loro giudizi sulla velocità dot. </li></ol> 3. Localizzazione e prescrizione del SC <ol><li> SC umana è una struttura piccola ma distinta, ~ 9 mm di diametro, che si trova sul tetto del mesencefalo. Quando si utilizza un piccolo numero di fette fMRI, più serie di immagini localizzatore sono necessari per la sua localizzazione precisa. Noi usiamo queste serie lungo i piani sagittali, assiali e coronali. </li><li> Abbiamo poi usare queste immagini localizzatore di prescrivere proprio la SC con 8-10 fette contigue, 1.2 mm di spessore, campo di vista (FOV), 170 mm in obliquo, quasi-assiale piano. </li><li> Successivamente, ad alta risoluzione immagini T 1-pesate strutturali sono ottenuti utilizzando un tridimensionale (3D)-RF viziata GRASS (SPGR) sequenza (15 ° angolo di nutazione, 1.2 mm voxel) una volta prima di raccogliere i dati funzionali e una volta dopo. Queste immagini vengono usate come riferimento per allineare i dati di fMRI ad alta risoluzione strvolume di riferimento uctural ottenuto in una sessione separata, che descriveremo più avanti. </li></ol> 4. Parametri funzionali MRI Tutte le immagini è stata eseguita su un 3T GE Signa HD12 scanner MRI con il GE fornito a 8 canali, bobina testa. Eccitazione era una finestra 6,4 ms-sinc impulso applicato utilizzando la bobina corpo dello scanner. Per ottenere il campionamento 1,2 mm umana SC, si usa una tre-shot traiettoria a spirale di acquisizione 6,7. Tre colpi sono necessari per diverse ragioni. In particolare, l&#39;acquisizione single-shot per il nostro scanner e FOV richiede&gt; 77 msec, troppo lungo per essere pratico. I colpi sono combinati insieme dopo la correzione sottraendo il valore iniziale e l&#39;andamento lineare della fase. TE è incrementato di 2 ms sul primo telaio per stimare una mappa campo dai primi due volumi acquisite, e questa mappa viene utilizzato per la correzione lineare. Immagini ricostruite aveva un SNR di ~ 20. Spettri di potenza temporale in SC voxel tipicamentedimostrato poco della struttura associata rumore fisiologica, l&#39;uso di un 3-shot acquisizione ha avuto un forte effetto di filtraggio sulle comparativamente alta frequenza effetti di impulso cardiaco e respirazione. Altre tecniche di riduzione del rumore sono problematici in questo contesto ad alta risoluzione. Ad esempio, i metodi di correzione a posteriori come RETROICOR 6 non sono applicabili a multi-shot dati e gating cardiaco introduce rumore e artefatti associati a disturbo della T 1 equilibrio. Tempo di eco, T E = 40 msec, è più lungo tipicamente utilizzati in corteccia (30 msec), perché abbiamo misurato un corrispondente più T 2 * nel tessuto SC (~ 60 msec) a quelli osservati nella materia grigia corticale (~ 45 msec). Larghezza di banda di acquisizione è limitata a 62,5 kHz per ridurre il gradiente di picco di corrente che provoca il riscaldamento indesiderato sul nostro scanner. Abbiamo scelto TR = 1 sec, quindi con tre colpi di un volume viene acquisito ogni 3sec. 5. Modellazione strutturale MRI e 3D In una singola sessione separata per ogni soggetto, si ottiene ad alta risoluzione (0,7 campionamento mm) con un volume di riferimento T 1-pesata sequenza che dà un buon contrasto dei tessuti (3D SPGR, 15 ° angolo di flip, inversione preparato con T = 450 I msec, 2 eccitazioni, ~ durata 28 minuti, 0,7 mm voxel). In questo volume di riferimento, si segmento del tessuto del mesencefalo, tronco cerebrale, e porzioni del talamo (Fig. 2A) utilizzando una combinazione di tecniche automatiche e manuali forniti dalla ITK-SNAP applicazione 2. In particolare, si utilizza uno strumento automatico di segmentazione in cui l&#39;utente semi più punti all&#39;interno di ogni tronco cerebrale, il software poi si espande automaticamente la segmentazione intorno ai punti seme vincolati all&#39;interno di una regione definita da criteri di contrasto e intensità. Questa segmentazione automatica è quindi regolareed, eventualmente, utilizzando manuale &quot;vernice-like&quot;, strumenti voxel. Il fluido cerebro-spinale-tessuto interfaccia della SC viene interpolato dalla segmentazione con superficie tessellation isodensità, e questa superficie iniziale viene raffinata per ridurre gli artefatti di aliasing (Fig. 2, B e D) con una superficie deformabile variazionale algoritmo di 3. Questa superficie fornisce vertici e esteriori vettori normali per essere utilizzati come riferimento per i calcoli laminari (descritta sotto) così come un mezzo per visualizzare i dati funzionali. 6. Image Analysis Per analizzare i dati fMRI, si usa il pacchetto software mrVista (disponibile per il download all&#39;indirizzo <a href="http://white.stanford.edu/mrvista.php" target="_blank">http://white.stanford.edu/mrvista.php),</a> come pure gli strumenti sviluppati sul quadro mrVista nel nostro laboratorio. Nei passaggi successivi usiamo gli strumenti standard di pacchetti mrVista: <ol><li> Inizializzarela sessione in mrVista, scegliendo l&#39;opzione per normalizzare spazialmente l&#39;intensità dei dati mediati per ridurre gli effetti di disomogeneità bobina. La normalizzazione utilizza un metodo omomorfica, cioè, dividendo da un passa-basso versione filtrata delle intensità di volume temporalmente medi di immagine con una correzione per il rumore additivo robusto stimato. Il ciclo di prima metà di immagini (12 sec) viene eliminato per evitare transitori equilibrio MR e gli effetti emodinamici. </li><li> Correggere within-run movimento. Il movimento è stimata dalla serie storica dei volumi. Tuttavia, a causa della relativamente basso rapporto segnale-rumore (SNR) delle immagini, abbiamo prima eseguire un 5-campione vagone lisciatura sulla serie temporale. Ogni volume viene quindi registrato il media degli ultimi 5 campioni. Si noti che smoothing viene utilizzato solo per stimare il movimento, ed i dati effettivi non viene lisciata. </li><li> Formare medie temporali di ogni esecuzione del movimento corretti dati di immagine, e utilizzare queste medie per correggere la tra-run movimento USIng l&#39;ultima corsa come riferimento. </li><li> Eseguire una fetta di correzione di temporizzazione. Usiamo l&#39;acquisizione sequenziale fetta, in modo da errori dovuti a tempi di eseguire la correzione dopo la correzione del movimento sarà piccola (~ 125 msec). </li><li> Il multiplo medio piste registrate all&#39;interno di ogni sessione per migliorare SNR. </li><li> Allineare i dati strutturali della sessione fMRI al volume strutturale di riferimento utilizzando un robusto algoritmo basato su intensità di registrazione 8. Caricare l&#39;allineamento e la segmentazione in mrVista. </li><li> Trasformare i dati di serie temporali funzionali al volume di riferimento segmentato. Nei passi seguenti si utilizzano strumenti messi a punto nel nostro laboratorio per eseguire ulteriori analisi. </li><li> Calcola una mappa distanza calcolando la distanza tra voxel tessuto ciascuno SC ed il suo vertice più vicino sulla superficie SC. Queste distanze vengono utilizzati per misurare la posizione laminare all&#39;interno del volume di riferimento. </li><li> Eseguire un processo di segmentazione laminare per consentire media profondità del tempo serie dati per migliorare the SNR. Piccoli (1,6 mm di diametro) dischi di tessuto sono associati ad ogni vertice del modello superficie lungo l&#39;intera superficie superficiale SC, e ogni disco viene quindi esteso sia verso l&#39;interno e verso l&#39;esterno dal tessuto SC utilizzando le normali alla superficie locali per formare un quartiere singolo laminare 4. </li><li> Per ogni punto della superficie SC, usiamo queste associazioni laminari per mediare la serie temporale in un intervallo di profondità specificato. Dal momento che, i neuroni visivi rispondenti sono principalmente presenti negli strati superficiali della SC, per l&#39;esperimento di stimolazione visiva è stato utilizzato un intervallo di profondità 0-1,8 mm. </li></ol> 7. Mapping analisi topografica Per analizzare la rappresentazione topografica dei dati, l&#39;analisi coerenza viene eseguita sulla profondità-mediata serie tempo montando una sinusoide a frequenza di ripetizione stimolo (ad esempio, Hz 1/24 per lo stimolo 24 sec descritto sopra) per ciascun voxel. Da questa misura, ricaviamo le mappe superficiali di responsabilitàse l&#39;ampiezza, la coerenza, e la fase. Tale analisi viene effettuata nel dominio della frequenza, ed è una tecnica comune per quantificare mappe retinotopica in corteccia visiva 9,10. La fase di adattamento sinusoidale misura la posizione dello stimolo. Fase zero corrisponde all&#39;angolo superiore meridiano verticale (Fig. 3). Lo stimolo poi ruota in senso orario, quindi un π / 2 corrisponde alla fase quando lo stimolo è ruotato al meridiano orizzontale nel campo visivo destra. Dopo radianti ¸ di fase, lo stimolo attraversa nel campo visivo di sinistra, e così via. Abbiamo anche ottenuto confini l&#39;intera estensione superficiale della SC con l&#39;ispezione manuale ad alta risoluzione T1-pesata anatomia volume. Questi confini sono contrassegnati in Fig. 3 con linee tratteggiate rosse. fMRI non misura direttamente l&#39;attività neurale, ma piuttosto un flusso ematico risposta che è strettamente accoppiati, ma lentamentel&#39;attività neurale. Questo aggiunge un ritardo alla risposta emodinamica fase. Il ritardo è stimato adottando tutte le voxels sopra la soglia di coerenza da ogni SC regione d&#39;interesse, i loro mezzi e centratura intorno π nel piano complesso. Tra i nostri dati SC, questi ritardi sono piuttosto piccole, dell&#39;ordine di 2-4 sec. Togliamo questo ritardo ruotando la colormap in senso antiorario di 45 gradi (corrispondente a 3 sec) (Fig. 3). 8. Risultati rappresentativi Fase dati sovrapposti su una superficie 3D della SC (Fig. 3) mostra che la risposta allo stimolo visivo è rappresentato nella controlateralmente, SC cioè, il campo visivo di sinistra è rappresentata sulla destra SC e vice-versa uno. C&#39;è anche una organizzazione retinotopica dell&#39;attività. Il campo superiore destra visivo è rappresentato medialmente sulla sinistra collicolo (blu-magenta), e il campo inferiore è rappresentato lateralmente (rosso-giallo). SimilArly, a sinistra in alto campo visivo è rappresentato medialmente sulla destra collicolo (blu-ciano) e inferiore è rappresentato lateralmente (verde-giallo). Questa topografia è coerente con i risultati degli studi sui primati non-umani di risposte SC: 1) alla stimolazione visiva, utilizzando una singola unità di elettrofisiologia, e 2) la mappatura delle microstimolazione movimenti oculari saccadici indotte 11,12. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/3746/3746fig1.jpg" /> Figura 1. Una prescrizione Slice) visualizzate su sagittale immagine. B) media temporale (da 1-run) di immagini funzionali ottenute da fetta centrale segnato in rosso in A). <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/3746/3746fig2.jpg" /> Figura 2. Polar angolo stimolo topografia. Un cuneo a 90 ° di muoversi e nero puntini bianchi su uno sfondo grigio ruotato lentamente intorno fissazione. Il cuneo è stato suddiviso in una serie di 6 virtùsettori al (linee grigie aggiunto per sottolineare settori) per consentire al soggetto di eseguire un&#39;operazione discriminazione velocità in un settore scelto a caso. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/3746/3746fig3.jpg" /> Figura 3. Segmentazione e modellazione di superfici. A) Il mesencefalo, nel tronco encefalico, e porzioni del talamo sono stati segmentati ad alta risoluzione volumi di anatomia MRI. B) Una superficie è stata creata sul bordo della regione segmentata. C)-fit sinusoidale dati di fase visualizzati su una fetta inplane (coerenza&gt; 0,25). D) A e ruotato vista ingrandita del modello superficie tronco è stato utilizzato per visualizzare i dati di fase sulla SC. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/3746/3746fig4.jpg" /> Figura 4. Polar-angolo mappe. mappe di fase fMRI in due soggetti che codificano visiva angolo polare. Soglie di coerenza per ogni mappa sono disponibili in basso a destra. La ruota dei colori sovrapposti riguarda le fasi dello stimolo in pangolo OLAR alle loro posizioni del campo visivo.

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	<li>Katyal, S., Zughni, S., Greene, C., 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=Topography+of+covert+visual+attention+in+human+superior+colliculus.">Topography of covert visual attention in human superior colliculus.</a> Journal of Neurophysiology. 104, 3074-3083 (2010).</li><li>Yushkevich, 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=User-guided+3D+active+contour+segmentation+of+anatomical+structures:+significantly+improved+efficiency+and+reliability.">User-guided 3D active contour segmentation of anatomical structures: significantly improved efficiency and reliability.</a> NeuroImage. 31, 1116-1128 (2006).</li><li>Xu, G., Pan, Q., Bajaj, C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Discrete+Surface+Modeling+Using+Partial+Differential+Equations.">Discrete Surface Modeling Using Partial Differential Equations.</a> Computer Aided Geometric Design. 23, 125-145 (2006).</li><li>Ress, D., Glover, G. H., Liu, J., Wandell, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laminar+profiles+of+functional+activity+in+the+human+brain.">Laminar profiles of functional activity in the human brain.</a> NeuroImage. 34, 74-84 (2007).</li><li>Schneider, K. A., Kastner, S. <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+sustained+spatial+attention+in+the+human+lateral+geniculate+nucleus+and+superior+colliculus.">Effects of sustained spatial attention in the human lateral geniculate nucleus and superior colliculus.</a> J. Neurosci. 29, 1784-1795 (2009).</li><li>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=Simple+analytic+spiral+K-space+algorithm.">Simple analytic spiral K-space algorithm.</a> Magn. Reson. Med. 42, 412-415 (1999).</li><li>Glover, G. H., Lai, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-navigated+spiral+fMRI:+interleaved+versus+single-shot.">Self-navigated spiral fMRI: interleaved versus single-shot.</a> Magn. Reson. Med. 39, 361-368 (1998).</li><li>Nestares, O., Heeger, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Robust+multiresolution+alignment+of+MRI+brain+volumes.">Robust multiresolution alignment of MRI brain volumes.</a> Magn. Reson. Med. 43, 705-715 (2000).</li><li>Engel, S. A., Glover, G. H., Wandell, B. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Retinotopic+organization+in+human+visual+cortex+and+the+spatial+precision+of+functional+MRI.">Retinotopic organization in human visual cortex and the spatial precision of functional MRI.</a> Cereb. Cortex. 7, 181-192 (1997).</li><li>Schneider, K. A., Kastner, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visual+responses+of+the+human+superior+colliculus:+a+high-resolution+functional+magnetic+resonance+imaging+study.">Visual responses of the human superior colliculus: a high-resolution functional magnetic resonance imaging study.</a> Journal of Neurophysiology. 94, 2491-2503 (2005).</li><li>Cynader, M., Berman, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Receptive-field+organization+of+monkey+superior+colliculus.">Receptive-field organization of monkey superior colliculus.</a> Journal of Neurophysiology. 35, 187-201 (1972).</li><li>Robinson, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Eye+movements+evoked+by+collicular+stimulation+in+the+alert+monkey.">Eye movements evoked by collicular stimulation in the alert monkey.</a> Vision Research. 12, 1795-1808 (1972).</li><li>Schreiner, C. E., Langner, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laminar+fine+structure+of+frequency+organization+in+auditory+midbrain.">Laminar fine structure of frequency organization in auditory midbrain.</a> Nature. 388, 383-385 (1997).</li><li>Baumann, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Orthogonal+representation+of+sound+dimensions+in+the+primate+midbrain.">Orthogonal representation of sound dimensions in the primate midbrain.</a> Nature Neuroscience. 14, 423-425 (2011).</li><li>Malmierca, 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=A+discontinuous+tonotopic+organization+in+the+inferior+colliculus+of+the+rat.">A discontinuous tonotopic organization in the inferior colliculus of the rat.</a> J. Neurosci. 28, 4767 (2008).</li><li>Bender, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Retinotopic+organization+of+macaque+pulvinar.">Retinotopic organization of macaque pulvinar.</a> Journal of Neurophysiology. 46, 672 (1981).</li><li>Grieve, K. L., Acuña, C., Cudeiro, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+primate+pulvinar+nuclei:+vision+and+action.">The primate pulvinar nuclei: vision and action.</a> Trends in Neurosciences. 23, 35-39 (2000).</li><li>Rodriguez-Oroz, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+subthalamic+nucleus+in+Parkinson's+disease:+somatotopic+organization+and+physiological+characteristics.">The subthalamic nucleus in Parkinson's disease: somatotopic organization and physiological characteristics.</a> Brain. 124, 1777 (2001).</li><li>Romanelli, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microelectrode+recording+revealing+a+somatotopic+body+map+in+the+subthalamic+nucleus+in+humans+with+Parkinson+disease.">Microelectrode recording revealing a somatotopic body map in the subthalamic nucleus in humans with Parkinson disease.</a> Journal of Neurosurgery. 100, 611-618 (2004).</li><li>DeLong, M. R., Crutcher, M. D., Georgopoulos, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Primate+globus+pallidus+and+subthalamic+nucleus:+functional+organization.">Primate globus pallidus and subthalamic nucleus: functional organization.</a> Journal of Neurophysiology. 53, 530 (1985).</li><li>Houeto, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Acute+deep-brain+stimulation+of+the+internal+and+external+globus+pallidus+in+primary+Dystonia+functional+mapping+of+the+pallidum.">Acute deep-brain stimulation of the internal and external globus pallidus in primary Dystonia functional mapping of the pallidum.</a> Archives of Neurology. 64, 1281-1286 (2007).</li></ol>

Non ci sono conflitti di interesse dichiarati.

Le nostre tecniche di acquisizione e di analisi dei dati consentono di misurare l&#39;attività neurale in strutture sub-corticali del cervello umano ad alta risoluzione (1,2 mm voxel). Il 3-shot di acquisizione a spirale riduce il rumore fisiologico che è particolarmente dannoso per le misure fMRI in tutto il mesencefalo. Inoltre, la segmentazione laminare del tessuto ci permette di eseguire la profondità media dei dati che contribuiscono a migliorare il SNR. Abbiamo usato questi metodi per mostrare precise mappe top...

high-resolution functional magnetic resonance imaging methods for human midbrain

Risonanza magnetica funzionale (fMRI) è uno strumento ampiamente utilizzato per la misurazione non invasiva correlati di attività cerebrale umana. Tuttavia, il suo impiego è stato quasi focalizzata sulla misurazione dell&#39;attività sulla superficie della corteccia cerebrale, piuttosto che in regioni subcorticali come mesencefalo e tronco cerebrale. FMRI Subcortical devono superare due sfide: la risoluzione spaziale e il rumore fisiologico. Qui si descrive un insieme ottimale di tecniche sviluppate per eseguire alta risoluzione fMRI in umana SC, una struttura sulla superficie dorsale del mesencefalo, i metodi possono anche essere usati per tronco altra immagine e strutture sottocorticali. Ad alta risoluzione (1,2 mm voxel) fMRI della SC richiede un approccio non convenzionale. Il campionamento spaziale desiderata si ottiene utilizzando un multi-shot (interleaved) l&#39;acquisizione a spirale 1. Poiché, T 2 * di tessuto SC è più lunga in corteccia, un tempo di eco corrispondentemente più lungo (T E ~ 40 msec) viene utilizzato per maxizare il contrasto funzionale. Per coprire la piena portata della SC, 8-10 fette si ottengono. Per ogni sessione un&#39;anatomia strutturale con la prescrizione fetta stessa fMRI si ottiene anche, che viene utilizzato per allineare i dati funzionali ad alta risoluzione volume di riferimento. In una sessione separata, per ogni soggetto, creiamo una ad alta risoluzione (0,7 campionamento mm) con un volume di riferimento T 1-pesata sequenza che dà un buon contrasto dei tessuti. Nel volume di riferimento, la regione del mesencefalo è segmentato utilizzando il ITK-SNAP applicazione software 2. Questa segmentazione viene utilizzato per creare una rappresentazione 3D superficie del mesencefalo che sia agevole e preciso 3. I vertici di superficie e normali vengono utilizzati per creare una mappa di profondità dalla superficie mesencefalo all&#39;interno del tessuto 4. Dati funzionali si trasforma nel sistema di coordinate del volume riferimento segmentato. Associazioni di profondità dei voxelconsentire la media dei dati di serie temporali fMRI all&#39;interno di intervalli di profondità specificati per migliorare la qualità del segnale. Rendering dei dati sulla superficie 3D per la visualizzazione. Nel nostro laboratorio usiamo questa tecnica per misurare le mappe topografiche di stimolazione visiva e occulta e palese attenzione visiva all&#39;interno della SC 1. Come esempio, si dimostrano la rappresentazione topografica di angolo polare alla stimolazione visiva in SC.

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A Rapid Approach to High-Resolution Fluorescence Imaging in Semi-Thick Brain Slices

A fundamental goal to both basic and clinical neuroscience is to better understand the identities, molecular makeup, and patterns of connectivity that are characteristic to neurons in both normal and diseased brain. Towards this, a great deal of effort has been placed on building high-resolution neuroanatomical maps1-3. With the expansion of molecular genetics and advances in light microscopy has come the ability to query not only neuronal morphologies, but also the molecular and cellular makeup of individual neurons and their associated networks4. Major advances in the ability to mark and manipulate neurons through transgenic and gene targeting technologies in the rodent now allow investigators to 'program' neuronal subsets at will5-6. Arguably, one of the most influential contributions to contemporary neuroscience has been the discovery and cloning of genes encoding fluorescent proteins (FPs) in marine invertebrates7-8, alongside their subsequent engineering to yield an ever-expanding toolbox of vital reporters9. Exploiting cell type-specific promoter activity to drive targeted FP expression in discrete neuronal populations now affords neuroanatomical investigation with genetic precision.
Engineering FP expression in neurons has vastly improved our understanding of brain structure and function. However, imaging individual neurons and their associated networks in deep brain tissues, or in three dimensions, has remained a challenge. Due to high lipid content, nervous tissue is rather opaque and exhibits auto fluorescence. These inherent biophysical properties make it difficult to visualize and image fluorescently labelled neurons at high resolution using standard epifluorescent or confocal microscopy beyond depths of tens of microns. To circumvent this challenge investigators often employ serial thin-section imaging and reconstruction methods10, or 2-photon laser scanning microscopy11. Current drawbacks to these approaches are the associated labor-intensive tissue preparation, or cost-prohibitive instrumentation respectively.
Here, we present a relatively rapid and simple method to visualize fluorescently labelled cells in fixed semi-thick mouse brain slices by optical clearing and imaging. In the attached protocol we describe the methods of: 1) fixing brain tissue in situ via intracardial perfusion, 2) dissection and removal of whole brain, 3) stationary brain embedding in agarose, 4) precision semi-thick slice preparation using new vibratome instrumentation, 5) clearing brain tissue through a glycerol gradient, and 6) mounting on glass slides for light microscopy and z-stack reconstruction (Figure 1).
For preparing brain slices we implemented a relatively new piece of instrumentation called the 'Compresstome' VF-200 (http://www.precisionary.com/products_vf200.html). This instrument is a semi-automated microtome equipped with a motorized advance and blade vibration system with features similar in function to other vibratomes. Unlike other vibratomes, the tissue to be sliced is mounted in an agarose plug within a stainless steel cylinder. The tissue is extruded at desired thicknesses from the cylinder, and cut by the forward advancing vibrating blade. The agarose plug/cylinder system allows for reproducible tissue mounting, alignment, and precision cutting. In our hands, the 'Compresstome' yields high quality tissue slices for electrophysiology, immunohistochemistry, and direct fixed-tissue mounting and imaging. Combined with optical clearing, here we demonstrate the preparation of semi-thick fixed brain slices for high-resolution fluorescent imaging.

Here we describe a rapid and simple method to image fluorescently labeled cells in semi-thick brain slices. By fixing, slicing, and optically clearing brain tissue we describe how standard epifluorescent or confocal imaging can be used to visualize individual cells and neuronal networks within intact nervous tissue.

Un metodo rapido per High-Resolution Imaging di fluorescenza in semi-spessa fettine di cervello

A fundamental goal to both basic and clinical neuroscience is to better understand the identities, molecular makeup, and patterns of connectivity that are ...

The Use of Magnetic Resonance Spectroscopy as a Tool for the Measurement of Bi-hemispheric Transcranial Electric Stimulation Effects on Primary Motor Cortex Metabolism

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a neuromodulation technique that has been increasingly used over the past decade in the treatment of neurological and psychiatric disorders such as stroke and depression. Yet, the mechanisms underlying its ability to modulate brain excitability to improve clinical symptoms remains poorly understood 33. To help improve this understanding, proton magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS) can be used as it allows the in vivo quantification of brain metabolites such as &#947;-aminobutyric acid (GABA) and glutamate in a region-specific manner 41. In fact, a recent study demonstrated that 1H-MRS is indeed a powerful means to better understand the effects of tDCS on neurotransmitter concentration 34. This article aims to describe the complete protocol for combining tDCS (NeuroConn MR compatible stimulator) with 1H-MRS at 3 T using a MEGA-PRESS sequence. We will describe the impact of a protocol that has shown great promise for the treatment of motor dysfunctions after stroke, which consists of bilateral stimulation of primary motor cortices 27,30,31. Methodological factors to consider and possible modifications to the protocol are also discussed.

This article aims to describe a basic protocol for combining transcranial direct current stimulation (tDCS) with proton magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS) measurements to investigate the effects of bilateral stimulation on primary motor cortex metabolism.

L&#39;uso di Spettroscopia di Risonanza Magnetica come uno strumento per la misura della Bi-emisferici transcraniali elettrici effetti di stimolazione sul motore principale Cortex Metabolismo

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a neuromodulation technique that has been increasingly used over the past decade in the treatment of ...

Metabolomic Analysis of Rat Brain by High Resolution Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy of Tissue Extracts

Studies of gene expression on the RNA and protein levels have long been used to explore biological processes underlying disease. More recently, genomics and proteomics have been complemented by comprehensive quantitative analysis of the metabolite pool present in biological systems. This strategy, termed metabolomics, strives to provide a global characterization of the small-molecule complement involved in metabolism. While the genome and the proteome define the tasks cells can perform, the metabolome is part of the actual phenotype. Among the methods currently used in metabolomics, spectroscopic techniques are of special interest because they allow one to simultaneously analyze a large number of metabolites without prior selection for specific biochemical pathways, thus enabling a broad unbiased approach. Here, an optimized experimental protocol for metabolomic analysis by high-resolution NMR spectroscopy is presented, which is the method of choice for efficient quantification of tissue metabolites. Important strengths of this method are (i) the use of crude extracts, without the need to purify the sample and/or separate metabolites; (ii) the intrinsically quantitative nature of NMR, permitting quantitation of all metabolites represented by an NMR spectrum with one reference compound only; and (iii) the nondestructive nature of NMR enabling repeated use of the same sample for multiple measurements. The dynamic range of metabolite concentrations that can be covered is considerable due to the linear response of NMR signals, although metabolites occurring at extremely low concentrations may be difficult to detect. For the least abundant compounds, the highly sensitive mass spectrometry method may be advantageous although this technique requires more intricate sample preparation and quantification procedures than NMR spectroscopy. We present here an NMR protocol adjusted to rat brain analysis; however, the same protocol can be applied to other tissues with minor modifications.

The neurochemistry of mammalian brain is changed in many neurological and systemic diseases. Characteristic profiles of cerebral metabolites can be efficiently obtained based on crude extracts of brain tissue. To this end, high-resolution NMR spectroscopy is employed, enabling detailed quantitative analysis of metabolite concentrations (metabolomics).

Analisi Metabolomica di cervello di ratto da Alta Risoluzione Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare di estratti di tessuto

Studies of gene expression on the RNA and protein levels have long been used to explore biological processes underlying disease. More recently, genomics ...

High-resolution In Vivo Manual Segmentation Protocol for Human Hippocampal Subfields Using 3T Magnetic Resonance Imaging

The human hippocampus has been broadly studied in the context of memory and normal brain function and its role in different neuropsychiatric disorders has been heavily studied. While many imaging studies treat the hippocampus as a single unitary neuroanatomical structure, it is, in fact, composed of several subfields that have a complex three-dimensional geometry. As such, it is known that these subfields perform specialized functions and are differentially affected through the course of different disease states. Magnetic resonance (MR) imaging can be used as a powerful tool to interrogate the morphology of the hippocampus and its subfields. Many groups use advanced imaging software and hardware (&#62;3T) to image the subfields; however this type of technology may not be readily available in most research and clinical imaging centers. To address this need, this manuscript provides a detailed step-by-step protocol for segmenting the full anterior-posterior length of the hippocampus and its subfields: cornu ammonis (CA) 1, CA2/CA3, CA4/dentate gyrus (DG), strata radiatum/lacunosum/moleculare (SR/SL/SM), and subiculum. This protocol has been applied to five subjects (3F, 2M; age 29-57, avg. 37). Protocol reliability is assessed by resegmenting either the right or left hippocampus of each subject and computing the overlap using the Dice&#39;s kappa metric. Mean Dice&#39;s kappa (range) across the five subjects are: whole hippocampus, 0.91 (0.90-0.92); CA1, 0.78 (0.77-0.79); CA2/CA3, 0.64 (0.56-0.73); CA4/dentate gyrus, 0.83 (0.81-0.85); strata radiatum/lacunosum/moleculare, 0.71 (0.68-0.73); and subiculum 0.75 (0.72-0.78). The segmentation protocol presented here provides other laboratories with a reliable method to study the hippocampus and hippocampal subfields in vivo using commonly available MR tools.

High-resolution In Vivo Manual Segmentation Protocol for Human Hippocampal Subfields Using 3T Magnetic Resonance Imaging

The goal of this manuscript is to study the hippocampus and hippocampal subfields using MRI. The manuscript describes a protocol for segmenting the hippocampus and five hippocampal substructures: cornu ammonis (CA) 1, CA2/CA3, CA4/dentate gyrus, strata radiatum/lacunosum/moleculare, and subiculum.

Alta risoluzione<em&gt; In Vivo</em&gt; Manuale Protocollo Segmentazione for Human ippocampale Sottocampi Utilizzando 3T Risonanza Magnetica

The human hippocampus has been broadly studied in the context of memory and normal brain function and its role in different neuropsychiatric disorders has ...

High-resolution Structural Magnetic Resonance Imaging of the Human Subcortex In Vivo and Postmortem

The focus of this study was to test the resolution limits of structural MRI of a postmortem brain compared to living human brains. The resolution of structural MRI in vivo is ultimately limited by physiological noise, including pulsation, respiration and head movement. Although imaging hardware continues to improve, it is still difficult to resolve structures on the millimeter scale. For example, the primary visual sensory pathways synapse at the lateral geniculate nucleus (LGN), a visual relay and control nucleus in the thalamus that normally is organized into six interleaved monocular layers. Neuroimaging studies have not been able to reliably distinguish these layers due their small size that are less than 1 mm thick.
The resolving limit of structural MRI, in a postmortem brain was tested using multiple images averaged over a long duration (~24 h). The purpose was to test whether it was possible to resolve the individual layers of the LGN in the absence of physiological noise. A proton density (PD)1 weighted pulse sequence was used with varying resolution and other parameters to determine the minimum number of images necessary to be registered and averaged to reliably distinguish the LGN and other subcortical regions. The results were also compared to images acquired in living human brains. In vivo subjects were scanned in order to determine the additional effects of physiological noise on the minimum number of PD scans needed to differentiate subcortical structures, useful in clinical applications.

High-resolution Structural Magnetic Resonance Imaging of the Human Subcortex In Vivo and Postmortem

Here we present a protocol to determine the minimum number images that needed to be registered and averaged to resolve subcortical structures and test whether the individual layers of the LGN could be resolved in the absence of physiological noise.

Ad alta risoluzione strutturale Risonanza Magnetica del subcortex Umana<I&gt; In Vivo</I&gt; E Postmortem

The focus of this study was to test the resolution limits of structural MRI of a postmortem brain compared to living human brains. The resolution of ...

Acquisition of Resting-State Functional Magnetic Resonance Imaging Data in the Rat

Resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) has become an increasingly popular method to study brain function in a resting, non-task state. This protocol describes a preclinical survival method for obtaining rs-fMRI data. Combining low dose isoflurane with continuous infusion of the &#945;2 adrenergic receptor agonist dexmedetomidine provides a robust option for stable, high-quality data acquisition while preserving brain network function. Furthermore, this procedure allows for spontaneous breathing and near-normal physiology in the rat. Additional imaging sequences can be combined with resting-state acquisition creating experimental protocols with anesthetic stability of up to 5 h using this method. This protocol describes the setup of equipment, monitoring of rat physiology during four distinct phases of anesthesia, acquisition of resting-state scans, quality assessment of data, recovery of the animal, and a brief discussion of post-processing data analysis. This protocol can be used across a wide variety of preclinical rodent models to help reveal the resulting brain network changes that occur at rest.

This protocol describes a method for obtaining stable resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) data from a rat using low dose isoflurane in combination with low dose dexmedetomidine.

Acquisizione dei dati di risonanza magnetica funzionale a riposo nel ratto

Resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) has become an increasingly popular method to study brain function in a resting, non-task ...

Endovascular Perforation Model for Subarachnoid Hemorrhage Combined with Magnetic Resonance Imaging (MRI)

The endovascular filament perforation model to mimic subarachnoid hemorrhage (SAH) is a commonly used model - however, the technique can cause a high mortality rate as well as an uncontrollable volume of SAH and other intracranial complications such as stroke or intracranial hemorrhage. In this protocol, a standardized SAH mouse model is presented, induced by endovascular filament perforation, combined with magnetic resonance imaging (MRI) 24 h after operation to ensure the correct bleeding site and exclude other relevant intracranial pathologies. Briefly, C57BL/6J mice are anesthetized with an intraperitoneal ketamine/xylazine (70 mg/16 mg/kg body weight) injection and placed in a supine position. After midline neck incision, the common carotid artery (CCA) and carotid bifurcation are exposed, and a 5-0 non-absorbable monofilament polypropylene suture is inserted in a retrograde fashion into the external carotid artery (ECA) and advanced into the common carotid artery. Then, the filament is invaginated into the internal carotid artery (ICA) and pushed forward to perforate the anterior cerebral artery (ACA). After recovery from surgery, mice undergo a 7.0 T MRI 24 h later. The volume of bleeding can be quantified and graded via postoperative MRI, enabling a robust experimental SAH group with the option to perform further subgroup analyses based on blood quantity.

Endovascular Perforation Model for Subarachnoid Hemorrhage Combined with Magnetic Resonance Imaging MRI

Here we present a standardized SAH mouse model, induced by endovascular filament perforation, combined with magnetic resonance imaging (MRI) 24 h after operation to ensure the correct bleeding site and exclude other relevant intracranial pathologies.

Modello di perforazione endovascolare per emorragia subaracnoidea combinata con risonanza magnetica (MRI)

The endovascular filament perforation model to mimic subarachnoid hemorrhage (SAH) is a commonly used model - however, the technique can cause a high ...

A Standardized Pipeline for Examining Human Cerebellar Grey Matter Morphometry using Structural Magnetic Resonance Imaging

Multiple lines of research provide compelling evidence for a role of the cerebellum in a wide array of cognitive and affective functions, going far beyond its historical association with motor control. Structural and functional neuroimaging studies have further refined understanding of the functional neuroanatomy of the cerebellum beyond its anatomical divisions, highlighting the need for the examination of individual cerebellar subunits in healthy variability and neurological diseases. This paper presents a standardized pipeline for examining cerebellum grey matter morphometry that combines high-resolution, state-of-the-art approaches for optimized and automated cerebellum parcellation (Automatic Cerebellum Anatomical Parcellation using U-Net Locally Constrained Optimization; ACAPULCO) and voxel-based registration of the cerebellum (Spatially Unbiased Infra-tentorial Template; SUIT) for volumetric quantification. 
The pipeline has broad applicability to a range of neurological diseases and is fully automated, with manual intervention only required for quality control of the outputs. The pipeline is freely available, with substantial accompanying documentation, and can be run on Mac, Windows, and Linux operating systems. The pipeline is applied in a cohort of individuals with Friedreich ataxia (FRDA), and representative results, as well as recommendations on group-level inferential statistical analyses, are provided. This pipeline could facilitate reliability and reproducibility across the field, ultimately providing a powerful methodological approach for characterizing and tracking cerebellar structural changes in neurological diseases.

A standardized pipeline is presented for examining cerebellum grey matter morphometry. The pipeline combines high-resolution, state-of-the-art approaches for optimized and automated cerebellum parcellation and voxel-based registration of the cerebellum for volumetric quantification.

Una pipeline standardizzata per l'esame della morfometria della materia grigia cerebellare umana utilizzando la risonanza magnetica strutturale

Multiple lines of research provide compelling evidence for a role of the cerebellum in a wide array of cognitive and affective functions, going far beyond ...

Magnetic Resonance-Guided Stereotaxy for Infusions to the Pig Brain

The overall goal of this procedure is to perform stereotaxy in the pig brain with real-time magnetic resonance (MR) visualization guidance to provide precise infusions. The subject was positioned prone in the MR bore for optimal access to the top of the skull with the torso raised, the neck flexed, and the head inclined downward. Two anchor pins anchored on the bilateral zygoma held the head steady using the head holder. A magnetic resonance imaging (MRI) flex-coil was placed rostrally across the head holder so that the skull was accessible for the intervention procedure. A planning grid placed on the scalp was used to determine the appropriate entry point of the cannula. The stereotactic frame was secured and aligned iteratively through software projection until the projected radial error was less than 0.5 mm. A hand drill was used to create a burr hole for insertion of the cannula. A gadolinium-enhanced co-infusion was used to visualize the infusion of a cell suspension. Repeated T1-weighted MRI scans were registered in real time during the agent delivery process to visualize the volume of gadolinium distribution. MRI-guided stereotaxy allows for precise and controlled infusion into the pig brain, with concurrent monitoring of cannula insertion accuracy and determination of the agent volume of distribution.

The protocol presented here demonstrates stereotaxy to the pig brain using convection-enhanced infusions, with real-time magnetic resonance imaging (MRI) visualization guidance and real-time infusion distribution visualization.

Stereotassia guidata da risonanza magnetica per infusioni al cervello di maiale

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

Methods Article

Ad alta risoluzione magnetica funzionale per immagini Metodi risonanza per mesencefalo umano