Gli autori vorrebbero riconoscere i contributi di Kyle Gilbert, che ha progettato la bobina RF personalizzato e Kevin Barker, che ha progettato la slitta compatibile con la risonanza magnetica. Questo lavoro è stato sostenuto dal Canadian Institutes of Health Research (CIHR), scienze naturali e ingegneria Research Council del Canada (NSERC), e il Canada Foundation for Innovation (CFI).

La seguente procedura può essere applicata a qualsiasi esperimento di imaging in cui vengono utilizzati i gatti anestetizzati. Passi che sono specificamente necessari per gli esperimenti uditivi (passaggi 1,1-1,7, 2.8, 4.1) possono essere modificati per accogliere altri protocolli stimolo sensoriale. Tutte le procedure sperimentali hanno ricevuto l&#39;approvazione dalla uso di animali sottocommissione del Consiglio dell&#39;Università su Animal Care presso la University of Western Ontario e seguite le linee guida indicate dal Consiglio canadese Animal Care (CCAC) 44. L&#39;esperimento descritto richiede circa 150 minuti dalla preparazione degli animali al recupero. La durata dell&#39;esperimento è illustrato in Figura 1. 1. Stimolo Preparazione del materiale La Figura 2 mostra i componenti elettronici ed i collegamenti corrispondenti necessari per generare uno stimolo uditivo nello scanner MRI. I requisiti sono come follows: un computer, una scheda audio esterna, un amplificatore di potenza stereo e un sistema di auricolari compatibile con fMRI. <ol><li> Collegare il computer che verrà utilizzato per presentare lo stimolo uditivo alla scheda audio esterna tramite il cavo (USB) Universal Serial Bus. </li><li> Collegare i cavi di collegamento delle porte di uscita della scheda audio esterna alle porte di ingresso dell&#39;amplificatore di potenza stereo. </li><li> Collegare i cavi di collegamento delle porte di uscita dell&#39;amplificatore di potenza stereo alle porte di ingresso del box del trasformatore del sistema di auricolari compatibile con fMRI. </li><li> Collegare le cuffie binaurali per le porte di uscita del box del trasformatore. </li><li> Utilizzare cavi schermati coassiali con connessioni BNC per collegare il box trasformatore al pannello di penetrazione fuori dalla stanza dello scanner. </li><li> Collegare il gruppo cavo degli auricolari alle corrispondenti porte BNC sul pannello di penetrazione all&#39;interno della stanza scanner. </li><li> Collegare le punte di schiuma auricolari per le cuffie quindi collegare gli auricolari to il gruppo del cavo. Eseguire un test di stimolo uditivo per confermare che il suono viene trasmesso dal computer agli auricolari. Scollegare le cuffie e inserire le punte di schiuma auricolari saldamente nelle orecchie del gatto durante la fase di preparazione degli animali (fase 2.7). </li></ol> 2. Preparazione degli animali <ol><li> Per premedicate il gatto, somministrare una miscela sedativo di atropina solfato (0,02 mg / kg) e acepromazina (0,02 mg / kg) tramite una iniezione sottocutanea (SC). </li><li> Dopo 20 min, somministrare ketamina (4 mg / kg) e dexmedetomidina cloridrato (0,02-0,03 mg / kg) tramite un intramuscolare (IM) iniezione per indurre anestesia. La ketamina è solitamente combinato con un sedativo e miorilassante, in questo caso, cloridrato dexmedetomidina, per ridurre i tremori e rigidità muscolare comunemente osservati quando la ketamina viene usato da solo 45. Questa combinazione anestetico provoca in genere circa 150 min di sedazione ed è spesso utilizzato nella pratica veterinaria per indurreanestesia nei piccoli animali. </li><li> Una volta che il gatto ha perso il suo riflesso di raddrizzamento, applicare pomata oftalmica per gli occhi per prevenire la secchezza durante la procedura. Inserire un catetere nella vena safena mediale per la consegna endovenosa di ketamina. </li><li> Test per il successo induzione dell&#39;anestesia pizzicando un dito sulla zampa anteriore poi osservando se il gatto ritiri la sua zampa. Una volta che il riflesso pedale scompare, sopprimere il riflesso del vomito spruzzando lidocaina sulle pareti della faringe poi intubare il gatto con un tubo endotracheale 4,0-4,5. </li><li> Mantenere l&#39;anestesia per tutta la sessione di imaging con una velocità di infusione costante di ketamina (0,6-0,75 mg / kg / ora) e isoflurano per via inalatoria (0,4-0,5%), consegnato in ossigeno al 100% 1-1,5 L / min. Unire 60 ml di soluzione fisiologica e 0,07 ml di ketamina in una siringa da 60 ml quindi posizionare la siringa nella pompa a siringa. Questa fase può essere eseguita prima premedicating il gatto. </li><li> Posizionare rilievi di riscaldamento di cera pieno di caldo sul pavimento della s compatibili con la risonanza magneticaled (figure 3a e 3c) poi strato isolante dell&#39;involucro di bolla di plastica intorno alle pareti interne della slitta. </li><li> Mettere il gatto in una posizione sternale all&#39;interno del pluriball isolanti in slitta compatibile con MRI (figura 3c). </li><li> Una volta che il gatto è posizionato, regolare la testina per accedere alle orecchie. Arrotolare le auricolari in schiuma nel diametro più piccolo possibile quindi inserire ogni punta orecchio in profondità nel canale uditivo. Una volta inserite, le punte di schiuma auricolari dovrebbero espandersi per riempire lo spazio all&#39;interno del canale uditivo. </li><li> Regolare il gatto finché la testa sia posizionata correttamente all&#39;interno della radiofrequenza (RF) bobina 3 canali (Figura 3b). Stabilizzare la testa con acustica memory foam smorzamento (Figura 3d). Posizionare schiuma attorno alle orecchie per fornire attenuazione supplementare del rumore scanner. </li><li> Avvolgete il gatto nella coperta di isolamento dell&#39;involucro di bolla di plastica quindi fissare e trasportare la slitta al letto scanner. </li><li> Collegare le linee di infusione, tubi di mandata anestetici e apparecchiature di monitoraggio per il gatto. Collegare le cuffie con il cavo auricolare attaccato al pannello di penetrazione. </li><li> Avviare l&#39;infusione ketamina alla portata di base di 0,6 mg / kg / hr quindi aumentare la portata come richiesto in base alla profondità dell&#39;anestesia. Impostare la dose isoflurano iniziale al 0,5% per poi diminuire al 0,4% una volta che le scansioni anatomiche sono stati raccolti. </li><li> Monitorare e registrare la saturazione del gatto di ossigeno nel sangue, di fine espirazione livelli di CO 2, la frequenza cardiaca, la respirazione e la temperatura rettale (se possibile) in tutto l&#39;esperimento utilizzando apparecchiature di monitoraggio compatibile con MRI posizionato ad una distanza appropriata dal foro scanner. Tabella 1 elenca i valori medi e gli intervalli delle misurazioni fisiologiche per la corretta esecuzione di questa procedura. Aumento costante della frequenza cardiaca e la respirazione sono di solito associati con il recupero imminente dall&#39;anestesia. </li><li> Dopo le sessione è completata, rimuovere il gatto dalla slitta. Continuare a fornire il riscaldamento supplementare con cuscinetti termici e asciugamani finché l&#39;animale riprenda pienamente. Una volta che i rendimenti gag reflex, rimuovere il tubo endotracheale. Monitorare il gatto fino a quando il riflesso di raddrizzamento viene ripristinato per poi tornare l&#39;animale alla struttura. Valutare l&#39;animale il giorno dopo la procedura per garantire l&#39;assenza di effetti negativi della sperimentazione. </li></ol> 3. Brain Imaging <ol><li> Raccogliere scansioni anatomiche del cervello del gatto in un orientamento fetta assiale. Utilizzare i seguenti parametri di imaging per il volume di riferimento anatomico: sequenza di imaging FLASH con TR = 750 msec, TE = 8 msec, matrice = 256 x 256, l&#39;acquisizione dimensione voxel = 281 micron x 281 micron x 1,0 mm. La durata della scansione anatomica è di circa 6 min. Figura 4 (pannello di sinistra) fornisce una fetta immagine anatomica campione ottenuto utilizzando i parametri specificati. </li><li> Utilizzare i seguenti parametri di imaging per il funziovolumi nali: eco-planare acquisizione interleaved segmentata (EPI) con TR = 1.000 msec, TE = 15 msec, 3 segmenti / aereo, 21 x 1 millimetri fette; matrice = 96 x 96; campo di vista = 72 millimetri x 72 mm; acquisizione dimensione voxel = 0,75 millimetri x 0,75 mm x 1,0 mm. tempo di acquisizione = 3 sec / volume figura 4 (pannello di destra) fornisce una fetta di immagine funzionale campione ottenuto utilizzando i parametri specificati. </li></ol> 4. Stimolo Presentazione <ol><li> Presentare una banda larga rumore stimolo bianco (0-25 kHz, 100 scoppia msec con 5 tempo di salita / discesa msec, 1 presentazione ogni 200 msec, 90-100 dB SPL) in un disegno blocco in cui lo stimolo uditivo viene riprodotto per 30 secondi e alternato con un 30 sec basale (non-stimolo) condizione (Figura 5). Ripetere questo passaggio finché attività BOLD acusticamente evocato si osserva nella corteccia uditiva. La durata di ogni ciclo funzionale utilizzando un disegno a blocchi è di circa 4,5 min per 90 volumi. </li><li> Presentare lo stimolo in apconfigurazione di progettazione blocco propriato per il numero desiderato di piste funzionali. </li></ol> 5. Analisi dei dati <ol><li> Selezionare opportuno software di analisi fMRI (ad esempio SPM, FSL) per processare i volumi funzionali acquisiti. </li><li> Riallineare ogni volume funzionale al volume acquisito più vicino nel tempo al riferimento anatomico scansione. Salvare i risultanti valori di correzione del movimento per l&#39;impiego nella fase 5.6. Escludere eventuali piste funzionali in cui i movimenti della testa di rotazione superano 1 ° o movimenti della testa traslazionali superano 1 mm. </li><li> COREGISTER ogni volume al riferimento anatomico scansione. </li><li> Liscio ogni volume con una metà del massimo a tutta larghezza 2 mm (FWHM) filtro gaussiano. </li><li> Incorporare una funzione onda quadra (Boxcar), che corrisponde alla ON-OFF disegno a blocchi stimolo come regressore al modello lineare generale (GLM). </li><li> Incorporare i valori di correzione del movimento come regressori di nessun interesse per tenere conto di artefatti di movimento correlati. Applicare un usoglia statistica ncorrected di p = 0.001 per la GLM risultati per visualizzare i gruppi di attivazione BOLD. Determinare la dimensione del cluster più piccolo che incontra un corretto (errore a conduzione saggio: FEM) Soglia di p &lt;0.05 a livello di cluster. Impostare la soglia misura cluster per questo valore per visualizzare cluster statisticamente significative nelle regioni di interesse. </li><li> Definire la variazione del segnale BOLD percentuale (PSC) in ciascun voxel come differenza tra il segnale BOLD media durante i blocchi di stimolazione e il segnale BOLD media durante i blocchi di base. </li></ol>

Gli autori dichiarano conflitti di interesse, finanziario o altro.

Nella progettazione di un esperimento fMRI per un modello anestetizzato della funzione uditiva degli animali, le seguenti questioni dovrebbe essere data attenta considerazione: (i) l&#39;impatto di anestesia sulle risposte corticali, (ii) l&#39;effetto del rumore di fondo dello scanner, e (iii) l&#39;ottimizzazione della fase di raccolta dei dati della procedura sperimentale. Mentre una preparazione anestetizzato offre l&#39;importante vantaggio di produrre un prolungato periodo di sedazione...

Comprensione attuale di elaborazione uditiva nei mammiferi è derivato principalmente da studi elettrofisiologici invasivi nelle scimmie 1-5, furetti 6-10, 11-14 pipistrelli, roditori 15-19, 20-24 e gatti. Tecniche elettrofisiologiche comunemente utilizzano microelettrodi extracellulari per registrare l&#39;attività dei neuroni singoli e multipli all&#39;interno di una piccola area di tessuto neurale che circonda la punta dell&#39;elettrodo. Fondata metodi di imaging funzionale, come l&#39;imaging ottico e la risonanza magnetica funzionale (fMRI), complementi servire come utili a registrazioni extracellulari, fornendo un punto di vista macroscopico di attività ad azionamento simultaneo su più regioni spazialmente distinte del cervello. Segnale intrinseco imaging ottico facilita la visualizzazione di attività evocata nel cervello misurando i cambiamenti di attività connesse nelle proprietà di riflettanza del tessuto superficie, mentre fMRI utilizza il sangue di ossigeno livello-dipendente (BOLD)contrasto per misurare stimolo evocato alterazioni emodinamiche nelle regioni del cervello che sono attive durante una determinata attività. Imaging ottico richiede l&#39;esposizione diretta della superficie corticale di misura le variazioni di superficie riflettanza tessuto che sono legati all&#39;attività di stimolo evocato 25. In confronto, fMRI è invasiva e sfrutta le proprietà paramagnetiche di sangue deoxygenated di misurare sia la superficie corticale 26-28 e basati solco-27,29 attività evocata all&#39;interno di un cranio intatto. Forti correlazioni tra il segnale BOLD e l&#39;attività neuronale in primati non umani corteccia visiva 30 e nella corteccia uditiva umana 31 convalidano fMRI come uno strumento utile per studiare la funzione sensoriale. Dal fMRI è stato ampiamente utilizzato per studiare le caratteristiche del percorso uditivo quali l&#39;organizzazione tonotopic 32-36, lateralizzazione della funzione uditiva 37, pattern di attivazione corticale, l&#39;identificazione di regioni corticali 38, effetti del suonointensità sulle proprietà di risposta uditive 39,40, e le caratteristiche della risposta BOLD andamento temporale 29,41 in umano, scimmia, e modelli di ratto, lo sviluppo di un protocollo adatto imaging funzionale per studiare la funzione uditiva nel gatto fornirebbe un utile complemento letteratura imaging funzionale. Mentre fMRI è stato utilizzato anche per esplorare i vari aspetti funzionali della corteccia visiva nel gatto anestetizzato 26-28,42, pochi studi hanno utilizzato questa tecnica per esaminare l&#39;elaborazione sensoriale gatto corteccia uditiva. Lo scopo del presente protocollo è di stabilire un metodo efficace di utilizzare fMRI quantificare funzione nella corteccia uditiva del gatto anestetizzato. Le procedure sperimentali descritte in questo manoscritto sono stati utilizzati con successo per descrivere le caratteristiche del corso BOLD tempo di risposta nel gatto adulto corteccia uditiva 43.

<table border="1">
 <tbody>
 <tr>
 <td></td>
 <td></td>
 <td></td>
 <td>Material</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Atropine sulphate injection 0.5 mg/mL</td>
 <td>Rafter 8 Products</td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Acepromazine 5 mg/mL</td>
 <td>Vetoquinol Inc.</td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Ketamine hydrochloride 100 mg/mL</td>
 <td>Bimeda-MTC</td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Dexmedetomidine hydrochloride (Dexdomitor 0.5 mg/mL)</td>
 <td>Orion Pharma</td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Isoflurane 99.9%</td>
 <td>Abbott Laboratories</td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Lidocaine (Xylocaine endotracheal 10 mg/metered dose)</td>
 <td>Astra Zeneca</td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Lubricating opthalmic ointment (Refresh Lacri Lube)</td>
 <td>Allergan Inc.</td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Saline 0.95%</td>
 <td></td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>IV Catheter 22g (wings)</td>
 <td></td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>IV Extension Set</td>
 <td>Codan US Corp.</td>
 <td>BC 269</td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>IV Administration Set 10 drips/mL</td>
 <td></td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Endotracheal tube 4.0</td>
 <td></td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Heating pads (Snuggle Safe)</td>
 <td>Lenric C21 Ltd.</td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Syringe 60 mL</td>
 <td></td>
 <td></td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td></td>
 <td></td>
 <td></td>
 <td>Equipment</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>External sound card</td>
 <td>Roland Corporation</td>
 <td>Cakewalk UA-25EX</td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Stereo power amplifier</td>
 <td>Pyle Audio Inc.</td>
 <td>Pyle Pro PCAU11</td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>MRI-compatible insert earphone system</td>
 <td>Sensimetric Corporation</td>
 <td>Model S14</td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Foam ear tips for insert earphones</td>
 <td>E-A-R Auditory Systems</td>
 <td>Earlink 3B</td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>End-tidal CO2 monitor</td>
 <td>Nellcor&nbsp;</td>
 <td>N-85</td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>MRI-compatible pulse oximeter</td>
 <td>Nonin Medical Inc.</td>
 <td>Model 7500</td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Syringe pump</td>
 <td>Harvard Apparatus</td>
 <td>70-2208</td>
 <td></td>
 </tr>
 </tbody>
 </table>

functional imaging of auditory cortex in adult cats using high-field fmri

Le attuali conoscenze di elaborazione sensoriale nel sistema uditivo dei mammiferi è derivato principalmente da studi elettrofisiologici in una varietà di modelli animali, tra cui scimmie, furetti, pipistrelli, roditori e gatti. Al fine di elaborare adeguate paralleli tra modelli umani e animali della funzione uditiva, è importante stabilire un ponte tra gli studi di imaging funzionale umani e studi elettrofisiologici animali. Risonanza magnetica funzionale (fMRI) è un consolidato metodo minimamente invasivo per misurare vasti reticoli di attività emodinamica nelle diverse regioni della corteccia cerebrale. Questa tecnica è ampiamente utilizzata per sondare la funzione sensoriale nel cervello umano, è uno strumento utile nel collegamento studi di elaborazione uditiva in entrambi gli esseri umani e gli animali ed è stato utilizzato con successo per studiare la funzione uditiva nelle scimmie e roditori. Il protocollo che segue descrive una procedura sperimentale per studiare la funzione uditiva in anestetizzati adultigatti dalla misura di stimolo evocato cambiamenti emodinamici nella corteccia uditiva utilizzando fMRI. Questo metodo agevola il confronto tra le risposte emodinamiche attraverso diversi modelli di funzione uditiva dando luogo ad una migliore comprensione delle caratteristiche specie-indipendente della corteccia uditiva dei mammiferi.

Dati funzionali rappresentativi sono stati acquisiti in uno scanner foro orizzontale 7T e analizzati utilizzando la casella degli strumenti Statistical Parametric Mapping in MATLAB. Robusti risposte emodinamiche corticali alla stimolazione uditiva sono stati costantemente osservati nei gatti utilizzando il protocollo sperimentale descritto 43. Figura 6 illustra l&#39;attivazione BOLD in 2 animali in risposta ad un 30 sec stimolo rumore a banda larga presentato in un disegno a blocchi. Mappe T...

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

Sono stati tradizionalmente condotti studi funzionali del sistema uditivo dei mammiferi utilizzando tecniche spazialmente concentrati come registrazioni elettrofisiologiche. Il seguente protocollo descrive un metodo di visualizzare modelli su larga scala di attività emodinamica evocata nel gatto corteccia uditiva utilizzando la risonanza magnetica funzionale.

Imaging funzionale di Auditory Cortex in gatti adulti utilizzando ad alto campo fMRI

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

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Research

JoVE Journal

Neuroscience

11.4K Views.  University of Western Ontario.  Sono stati tradizionalmente condotti studi funzionali del sistema uditivo dei mammiferi utilizzando tecniche spazialmente concentrati come registrazioni elettrofisiologiche. Il seguente protocollo descrive un metodo di visualizzare modelli su larga scala di attività emodinamica evocata nel gatto corteccia uditiva utilizzando la risonanza magnetica funzionale. 

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Chronic Imaging of Mouse Visual Cortex Using a Thinned-skull Preparation

In vivo imaging using two-photon laser scanning microscopy (2PLSM) allows the study of living cells and neuronal processes in the intact brain. The technique presented here allows the imaging of the same area of the brain at several time points (chronic imaging) with microscopic resolution allowing the tracking of dendritic spines which are the small structures that represent the majority of postsynaptic excitatory sites in the CNS. The ability to clearly resolve fine cortical structures over several time points has many advantages, specifically in the study of brain plasticity in which morphological changes at synapses and circuit remodeling may help explain underlying mechanisms. In this video and supplementary material, we show a protocol for chronic in vivo imaging of the intact brain using a thinned-skull preparation. The thinned-skull preparation is a minimally invasive approach, which avoids potential damage to the dura and/or cortex, thus reducing the onset of an inflammatory response. When this protocol is performed correctly, it is possible to clearly monitor changes in dendritic spine characteristics in the intact brain over a prolonged period of time.

In this video and supplemental material, we show a protocol for chronic in vivo imaging of the intact brain using a thinned-skull preparation.

Imaging cronica di mouse corteccia visiva Utilizzando un Assottigliato-teschio di preparazione

In vivo imaging using two-photon laser scanning microscopy (2PLSM) allows the study of living cells and neuronal processes in the intact brain. The ...

Ricerca

Neuroscienze

Correlating Behavioral Responses to fMRI Signals from Human Prefrontal Cortex: Examining Cognitive Processes Using Task Analysis

The aim of this methods paper is to describe how to implement a neuroimaging technique to examine complementary brain processes engaged by two similar tasks. Participants' behavior during task performance in an fMRI scanner can then be correlated to the brain activity using the blood-oxygen-level-dependent signal. We measure behavior to be able to sort correct trials, where the subject performed the task correctly and then be able to examine the brain signals related to correct performance. Conversely, if subjects do not perform the task correctly, and these trials are included in the same analysis with the correct trials we would introduce trials that were not only for correct performance. Thus, in many cases these errors can be used themselves to then correlate brain activity to them. We describe two complementary tasks that are used in our lab to examine the brain during suppression of an automatic responses: the stroop1 and anti-saccade tasks. The emotional stroop paradigm instructs participants to either report the superimposed emotional 'word' across the affective faces or the facial 'expressions' of the face stimuli1,2. When the word and the facial expression refer to different emotions, a conflict between what must be said and what is automatically read occurs. The participant has to resolve the conflict between two simultaneously competing processes of word reading and facial expression. Our urge to read out a word leads to strong 'stimulus-response (SR)' associations; hence inhibiting these strong SR's is difficult and participants are prone to making errors. Overcoming this conflict and directing attention away from the face or the word requires the subject to inhibit bottom up processes which typically directs attention to the more salient stimulus. Similarly, in the anti-saccade task3,4,5,6, where an instruction cue is used to direct only attention to a peripheral stimulus location but then the eye movement is made to the mirror opposite position. Yet again we measure behavior by recording the eye movements of participants which allows for the sorting of the behavioral responses into correct and error trials7 which then can be correlated to brain activity. Neuroimaging now allows researchers to measure different behaviors of correct and error trials that are indicative of different cognitive processes and pinpoint the different neural networks involved.

The goal of our research is to correlate behavior to brain activity. Accurate behavioral measures and imaging techniques allow us to elucidate brain-behavior relationships.

Correlare risposte comportamentali alla segnali fMRI di Human corteccia prefrontale: Esame Processi Cognitivi Utilizzando Task Analysis

The aim of this methods paper is to describe how to implement a neuroimaging technique to examine complementary brain processes engaged by two similar ...

Co-analysis of Brain Structure and Function using fMRI and Diffusion-weighted Imaging

The study of complex computational systems is facilitated by network maps, such as circuit diagrams. Such mapping is particularly informative when studying the brain, as the functional role that a brain area fulfills may be largely defined by its connections to other brain areas. In this report, we describe a novel, non-invasive approach for relating brain structure and function using magnetic resonance imaging (MRI). This approach, a combination of structural imaging of long-range fiber connections and functional imaging data, is illustrated in two distinct cognitive domains, visual attention and face perception. Structural imaging is performed with diffusion-weighted imaging (DWI) and fiber tractography, which track the diffusion of water molecules along white-matter fiber tracts in the brain (Figure 1). By visualizing these fiber tracts, we are able to investigate the long-range connective architecture of the brain. The results compare favorably with one of the most widely-used techniques in DWI, diffusion tensor imaging (DTI). DTI is unable to resolve complex configurations of fiber tracts, limiting its utility for constructing detailed, anatomically-informed models of brain function. In contrast, our analyses reproduce known neuroanatomy with precision and accuracy. This advantage is partly due to data acquisition procedures: while many DTI protocols measure diffusion in a small number of directions (e.g., 6 or 12), we employ a diffusion spectrum imaging (DSI)1, 2 protocol which assesses diffusion in 257 directions and at a range of magnetic gradient strengths. Moreover, DSI data allow us to use more sophisticated methods for reconstructing acquired data. In two experiments (visual attention and face perception), tractography reveals that co-active areas of the human brain are anatomically connected, supporting extant hypotheses that they form functional networks. DWI allows us to create a "circuit diagram" and reproduce it on an individual-subject basis, for the purpose of monitoring task-relevant brain activity in networks of interest.

We describe a novel approach for simultaneous analysis of brain function and structure using magnetic resonance imaging (MRI). We assess brain structure with high-resolution diffusion-weighted imaging and white-matter fiber tractography. Unlike standard structural MRI, these techniques allow us to directly relate anatomical connectivity to functional properties of brain networks.

Co-analisi della struttura e delle funzioni cerebrali con fMRI e Diffusion-weighted imaging

The study of complex computational systems is facilitated by network maps, such as circuit diagrams. Such mapping is particularly informative when ...

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.

La stimolazione cerebrale profonda con simultanea fMRI in Roditori

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

Live Imaging of Mitosis in the Developing Mouse Embryonic Cortex

Although of short duration, mitosis is a complex and dynamic multi-step process fundamental for development of organs including the brain. In the developing cerebral cortex, abnormal mitosis of neural progenitors can cause defects in brain size and function. Hence, there is a critical need for tools to understand the mechanisms of neural progenitor mitosis. Cortical development in rodents is an outstanding model for studying this process. Neural progenitor mitosis is commonly examined in fixed brain sections. This protocol will describe in detail an approach for live imaging of mitosis in ex vivo embryonic brain slices. We will describe the critical steps for this procedure, which include: brain extraction, brain embedding, vibratome sectioning of brain slices, staining and culturing of slices, and time-lapse imaging. We will then demonstrate and describe in detail how to perform post-acquisition analysis of mitosis. We include representative results from this assay using the vital dye Syto11, transgenic mice (histone H2B-EGFP and centrin-EGFP), and in utero electroporation (mCherry-&#945;-tubulin). We will discuss how this procedure can be best optimized and how it can be modified for study of genetic regulation of mitosis. Live imaging of mitosis in brain slices is a flexible approach to assess the impact of age, anatomy, and genetic perturbation in a controlled environment, and to generate a large amount of data with high temporal and spatial resolution. Hence this protocol will complement existing tools for analysis of neural progenitor mitosis.

Neural progenitor mitosis is a critical parameter of neurogenesis. Much of our understanding of neural progenitor mitosis is based on analysis of fixed tissue. Live imaging in embryonic brain slices is a versatile technique to assess mitosis with high temporal and spatial resolution in a controlled environment.

Immagini dal vivo della mitosi in via di sviluppo embrionali di topo Cortex

Although of short duration, mitosis is a complex and dynamic multi-step process fundamental for development of organs including the brain. In the ...

Two-Photon in vivo Imaging of Dendritic Spines in the Mouse Cortex Using a Thinned-skull Preparation

In the mammalian cortex, neurons form extremely complicated networks and exchange information at synapses. Changes in synaptic strength, as well as addition/removal of synapses, occur in an experience-dependent manner, providing the structural foundation of neuronal plasticity. As postsynaptic components of the most excitatory synapses in the cortex, dendritic spines are considered to be a good proxy of synapses. Taking advantages of mouse genetics and fluorescent labeling techniques, individual neurons and their synaptic structures can be labeled in the intact brain. Here we introduce a transcranial imaging protocol using two-photon laser scanning microscopy to follow fluorescently labeled postsynaptic dendritic spines over time in vivo. This protocol utilizes a thinned-skull preparation, which keeps the skull intact and avoids inflammatory effects caused by exposure of the meninges and the cortex. Therefore, images can be acquired immediately after surgery is performed. The experimental procedure can be performed repetitively over various time intervals ranging from hours to years. The application of this preparation can also be expanded to investigate different cortical regions and layers, as well as other cell types, under physiological and pathological conditions.

Two-Photon in vivo Imaging of Dendritic Spines in the Mouse Cortex Using a Thinned-skull Preparation

Time-lapse imaging in the living animal provides valuable information on structural reorganization in the intact brain. Here, we introduce a thinned-skull preparation that allows transcranial imaging of fluorescently labeled synaptic structures in the living mouse cortex by two-photon microscopy.

Two-Photon<em&gt; In vivo</em&gt; Imaging di spine dendritiche nella corteccia mouse Uso un teschio Diluito-Preparazione

In the mammalian cortex, neurons form extremely complicated networks and exchange information at synapses. Changes in synaptic strength, as well as ...

Live Imaging of Primary Cerebral Cortex Cells Using a 2D Culture System

During cerebral cortex development, progenitor cells undergo several rounds of symmetric and asymmetric cell divisions to generate new progenitors or postmitotic neurons. Later, some progenitors switch to a gliogenic fate, adding to the astrocyte and oligodendrocyte populations. Using time-lapse video-microscopy of primary cerebral cortex cell cultures, it is possible to study the cellular and molecular mechanisms controlling the mode of cell division and cell cycle parameters of progenitor cells. Similarly, the fate of postmitotic cells can be examined using cell-specific fluorescent reporter proteins or post-imaging immunocytochemistry. More importantly, all these features can be analyzed at the single-cell level, allowing the identification of progenitors committed to the generation of specific cell types. Manipulation of gene expression can also be performed using viral-mediated transfection, allowing the study of cell-autonomous and non-cell-autonomous phenomena. Finally, the use of fusion fluorescent proteins allows the study of symmetric and asymmetric distribution of selected proteins during division and the correlation with daughter cells fate. Here, we describe the time-lapse video-microscopy method to image primary cerebral cortex murine cells for up to several days and analyze the mode of cell division, cell cycle length and fate of newly generated cells. We also describe a simple method to transfect progenitor cells, which can be applied to manipulate genes of interest or simply label cells with reporter proteins.

Live imaging is a powerful tool to study cellular behaviors in real time. Here, we describe a protocol for time-lapse video-microscopy of primary cerebral cortex cells that allows a detailed examination of the phases enacted during the lineage progression from primary neural stem cells to differentiated neurons and glia.

Immagini di corteccia cerebrale primario celle utilizzando un sistema 2D cultura dal vivo

During cerebral cortex development, progenitor cells undergo several rounds of symmetric and asymmetric cell divisions to generate new progenitors or ...

Imaging Neural Activity in the Primary Somatosensory Cortex Using Thy1-GCaMP6s Transgenic Mice

The mammalian brain exhibits marked symmetry across the sagittal plane. However, detailed description of neural dynamics in symmetric brain regions in adult mammalian animals remains elusive. In this study, we describe an experimental procedure for measuring calcium dynamics through dual optical windows above bilateral primary somatosensory corticies (S1) in Thy1-GCaMP6s transgenic mice using 2-photon (2P) microscopy. This method enables recordings and quantifications of neural activity in bilateral mouse brain regions one at a time in the same experiment for a prolonged period in vivo. Key aspects of this method, which can be completed within an hour, include minimally invasive surgery procedures for creating dual optical windows, and the use of 2P imaging. Although we only demonstrate the technique in the S1 area, the method can be applied to other regions of the living brain facilitating the elucidation of structural and functional complexities of brain neural networks.

Imaging Neural Activity in the Primary Somatosensory Cortex Using Thy1-GCaMP6s Transgenic Mice

We describe an experimental procedure for measuring neuronal activity through dual optical windows above bilateral primary somatosensory corticies (S1) in Thy1-GCaMP6s transgenic mice using 2-photon (2P) microscopy in vivo.

Imaging di attività neurale nella corteccia somatosensoriale primaria utilizzando Thy1-topi transgenici GCaMP6s

The mammalian brain exhibits marked symmetry across the sagittal plane. However, detailed description of neural dynamics in symmetric brain regions in ...

Real-Time fMRI Brain Mapping in Animals

Dynamic fMRI responses vary largely according to the physiological conditions of animals either under anesthesia or in awake states. We developed a real-time fMRI platform to guide experimenters to monitor fMRI responses instantaneously during acquisition, which can be used to modify the physiology of animals to achieve desired hemodynamic responses in animal brains. The real-time fMRI set-up is based on a 14.1T preclinical MRI system, enabling the real-time mapping of dynamic fMRI responses in the primary forepaw somatosensory cortex (FP-S1) of anesthetized rats. Instead of a retrospective analysis to investigate confounding sources leading to the variability of fMRI signals, the real-time fMRI platform provides a more effective scheme to identify dynamic fMRI responses using customized macro-functions and a common neuroimage analysis software in the MRI system. Also, it provides immediate troubleshooting feasibility and a real-time biofeedback stimulation paradigm for brain functional studies in animals.

Animal brain functional mapping can benefit from the real-time functional magnetic resonance imaging (fMRI) experimental set-up. Using the latest software implemented in the animal MRI system, we established a real-time monitoring platform for small animal fMRI.

Mappatura cerebrale fMRI in tempo reale negli animali

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

Whole-Brain 3D Activation and Functional Connectivity Mapping in Mice using Transcranial Functional Ultrasound Imaging

Functional ultrasound (fUS) imaging is a novel brain imaging modality that relies on the high-sensitivity measure of the cerebral blood volume achieved by ultrafast doppler angiography. As brain perfusion is strongly linked to local neuronal activity, this technique allows the whole-brain 3D mapping of task-induced regional activation as well as resting-state functional connectivity, non-invasively, with unmatched spatio-temporal resolution and operational simplicity. In comparison with fMRI (functional magnetic resonance imaging), a main advantage of fUS imaging consists in enabling a complete compatibility with awake and behaving animal experiments. Moreover, fMRI brain mapping in mice, the most used preclinical model in Neuroscience, remains technically challenging due to the small size of the brain and the difficulty to maintain stable physiological conditions. Here we present a simple, reliable and robust protocol for whole-brain fUS imaging in anesthetized and awake mice using an off-the-shelf commercial fUS system with a motorized linear transducer, yielding significant cortical activation following sensory stimulation as well as reproducible 3D functional connectivity pattern for network identification.

This protocol describes the quantification of volumetric cerebral hemodynamic variations in the mouse brain using functional ultrasound (fUS). Procedures for 3D functional activation map following sensory stimulation as well as resting-state functional connectivity are provided as illustrative examples, in anesthetized and awake mice.

Attivazione 3D dell'intero cervello e mappatura della connettività funzionale nei topi utilizzando l'imaging ecografico funzionale transcraniale

Functional ultrasound (fUS) imaging is a novel brain imaging modality that relies on the high-sensitivity measure of the cerebral blood volume achieved by ...