著者には謝辞はありません。

以下の実験プロトコールは、ペンシルバニア州立大学医科大学のInstitutional Review Boardのガイドラインに従っており、ヒト被験者は研究に参加する前に書面による同意を得た。 注意：デモンストレーションの目的のために、市販のMRIコンパチブルオルファクトメーターを用いた簡単な臭い刺激のパラダイムを提示する。このパラダイムは習慣化効果を低下させるのに有効であることが証明されており、信頼できる嗅覚fMRIデータが得られている15 。このプロトコルで概説されているいくつかのステップは、使用されるオルファクトメーターのタイプに特有のものであってもよい。しかし、同様の機能を備えた家庭用または市販のあらゆるタイプの機器を同様の方法で使用することができます。嗅覚計は、正確なタイミングで付臭剤のシーケンスを提示するだけでなく、呼吸を監視することができなければならない。すべての臭気伝達システム（オルファクトメーター）は、臭気物質（ 例えばガラスやポリテトラフルオロエチレン）に不活性な物質で作られており、臭いの経路は最小のデッドスペースで滑らかで気密です。 1.パラダイムデザイン<ol><li>プログラマブルオルファクトメーターで気流バルブのシーケンスを指定することにより、新しいパラダイムを作成します。 注記：バルブシーケンスは、さまざまな濃度またはタイプの付臭剤を保持する特定のエアチャネルの開閉の順序とタイミングです。このデモンストレーションでは、6チャンネルのバルブをそれぞれ2回開き、合計12回の臭気の配達を行った。 1つのバルブが開かれたときはいつでも、他のすべてのバルブは閉じられ、他のすべてのバルブが既に1回開いた後にのみ、各バルブが再び開かれた。 <ol><li>刺激の持続時間（特定のチャネルの開口部）と、チャネルを閉じる時間を割り当てます。 注：このデモンストレーションでは、臭いの提示時間は6秒でしたが、閉鎖されるチャンネルの持続時間は22秒から38秒まで変化した。 </li><li>バルブの開閉シーケンスの繰り返し回数を設定します。ここで、繰り返し回数は1回である。 </li><li>臭気のない空気を同じ流量で呈示して、各匂いの提示をインターリーブする。例えば、空気流を、相対湿度50％、室温22℃で6L /分の流速で臭気の有無にかかわらず送達する。 注：気流の変化が触感を引き起こす可能性があるため、これは重要です。 </li></ol></li></ol> 2.臭気物質の調製<ol><li>匂いの価数、快適性、強度、親密度、および三叉神経成分を考慮して、匂い刺激パラダイムのための適切な匂い物質を選択する（ 表1参照）。 注： 表1は、一般的に使用されるいくつかの臭気物質をリストしています。このデモンストレーションのために、ラベンダーの臭いが選択されました。これは、低〜中程度の共同体で、三叉神経刺激が最小限であるためです一般的には快適で親しみやすいと認識されています。 </li><li>付臭剤溶液を調製するために適切な溶媒（ 例えば 、水、鉱油、1,2-プロパンジオール、エタノール）を選択する。 注記：ここでは、1,2-プロパンジオールをニオイ溶液の調製のための溶媒として使用した。 </li><li>臭気刺激パラダイムのための適切な臭気物質濃度を選択する。例えば、1,2-プロパンジオール中のラベンダー油を、嗅覚刺激19の 0.10％（体積/体積）濃度で希釈する。 注：これは、正常な被験者のグループによる一連の異なる濃度の心理物理的評価によって行うことができる。 </li><li>臭気物質の容器に適切な臭気物質溶液を入れる。すべての容器に同じ量のスペース、同じ量の溶液、同じ表面積があることを確認します。例えば、香り容器には300mLのガラス瓶6本を使用し、0.10％のラベンダーオイル溶液50mLを入れます。 </li><li>接続する臭いを運ぶための適切な経路に臭い容器を着ける。 </li></ol> 3.オルファクトメーターのセットアップ<ol><li>すべての臭気物質の容器が臭気物質の担体に正しく取り付けられていることを確認してください。締め付けすぎると、シールが破損する可能性があります。適切な気密性は、後のステップで、各付臭剤容器を通る空気の流れをチェックすることによって保証される。 </li><li>臭いキャリアを磁石室に置き、各管を室内外の嗅覚器に接続します。本体はMR互換性がありません。空気の流れに影響するので、チューブ内のねじれを目で確認します。各チャンネルの気流は後のステップでチェックされます。 </li><li>番号を正しいポートに合わせることによって、オルファクトメーターのすべてのチューブをニオイホルダーに確実に接続します。精度のために、カラーコードチューブ、チャネル1のようにピンクなどチャンネル2、青色。 </li><li>フローを接続することによって、すべてのチャネルを通る空気の流れが一貫していることを確認してくださいチューブの出力端に接続します。オルファクトメーターのコントロールパネルの各チャンネルを手動で開き、各チャンネルの流速と一貫性が保たれるまで、全チャンネル流量と各チャンネルとフラッシュラインの流量を調整します。 </li><li>ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）チューブを使用して、フェイスマスクまたはノーズピースを付臭剤キャリアに接続します。チャンネルが切り替わるときに、被験者に送達される空気流量（ 例えば 、6L /分）が一定であることを確認する。 </li><li>興奮刺激パラダイムとfMRI画像取得を同期させるために、オルファクトメーターの「トリガーイン」ポートにMRIシステムからのラジオ周波数トリガーを接続します。光電気信号変換器が必要とされることがある。 </li><li>各チャンネルおよびフラッシュラインの総空気流量および流量を設計された量に調整します。例えば、全空気流量は6L /分であり、各流路およびフラッシュラインの流量は3L /分である。 </li><li>空気呼吸器を接続する空気圧電気信号変換器ボックスを介して嗅覚計の応答ポートに接続する。 </li><li>主観的な応答が必要な場合は、空気圧電気信号変換器ボックスを介して空気圧応答パッドを嗅覚計の応答ポートに接続します。 </li></ol> 4.実験手順<ol><li>被験者にとってMRI手順が安全であることを確認するために事前スクリーニングを行う。 <ol><li>潜在的なインプラント、閉塞性恐怖症、またはfMRI研究に安全に参加する被験者の能力を妨げる可能性がある他の既存の状態を含む、病歴について被験者に質問する。さらに、匂い物質の匂い閾値試験を実施して、実験中に被験者が匂い物質を嗅ぐことができることを確実にする。 </li></ol></li><li>被験者はMRI検査ベッドで仰臥位になる。フェイスマスクまたはノーズピースを被験者に適切に配置して、空気が鼻孔に吹き込むようにします。呼吸センサーをいずれかのt彼は胸や腹部。正常に呼吸するように被験者に指示してください。オルファクトメータディスプレイに表示されている呼吸パターンに従って、呼吸センサを保持しているベルトの締め付けと配置を手動で調整します。 </li><li>オルファクトメーターに呼吸データを記録するデータフォルダを作成します。 &quot;ファイルマネージャー&quot;をクリックし、現在のサブジェクトに割り当てられているサブジェクトIDを入力し、入力を &quot;確認&quot;します。 </li><li> 「パラダイムチェック」オプションを使用して、刺激の送達を伴わずに臭気の送達と吸入の同期をテストし、必要に応じて手動で「弁遅延」時間を調整して、臭気の送達が被験者の吸入段階と同期するようにする。 </li><li>オルファクトメーターのコントロールユニットで「トリガーイン」モードを選択することにより、匂い刺激とfMRI画像取得との同期を設定します。 注意：これにより、臭い刺激のパラダイムが外部トリガーで開始され、;「MRIシステムに由来するポート」でトリガーする。したがって、パラダイムはスキャナからの外部トリガが受信されるまで実行されません。 MRIスキャナーがどのような種類のトリガーパルス（電気または光）を送信するか注意してください。 2つのシステムをリンクするために信号変換器が必要になることがあります。 </li><li>オルファクトメーターのコントロールユニットで &quot;resp trigger start&quot;を選択して、呼吸トリガーをアクティブにします。 注：活性化されると、各パラダイム配列要素の開始は吸入と同期する。これは、呼気フェーズの開始から呼吸サイクルの約半サイクルを臭気送出を遅らせることによって経験的に達成することができる。 </li><li> MRIコンソールでfMRI画像取得を開始します。画像収集が始まるとすぐに臭い刺激のパラダイムが始まる。不規則な呼吸活動がないか、呼吸パターンを監視する。 注意：不規則な呼吸器の活動は、プラトーの形、より長い、より長いサイクル、または不安定な波。ここでは、2000ms反復時間、30msエコー時間、90°フリップ角、220mm×220mm視野、80°Fの視野でfMRI画像取得のために、BOLD信号感受性T 2 *強調エコー - 平面撮像シーケンスを使用した×80収集マトリ​​ックス、厚さ4mmの軸方向スライス30枚、統合平行イメージング技術の加速係数2である。 </li><li>イメージングプロトコルの完了時に、磁石から被写体を移動させ、顔マスク/鼻の部分を取り除く。 </li></ol> 5.オルファクトメータークリーンアップ<ol><li>エアーポンプの電源を切ってください。臭気物質の容器から臭気物質の容器を取り外し、きれいな空の物質と交換する。 </li><li>エアーポンプの電源を入れます。各チャンネルを無臭の空気で5分間フラッシュして、エアライン内の残留臭気物質を除去する。 </li><li>オルファクトメーターをシャットダウンします。 </li><li>ノーズピースまたはフェースマスクをアルコールワイプで消毒します。暖かい水で顔のマスクやノーズピースをすすぎ、その後風乾してください。 </li></ol&gt; データ解析<ol><li>データを処理するために、オープンソースソフトウェア嗅覚ネットワーク刺激編集ツール（開始）（www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset）に呼吸データファイルをロードする15 注：ONSETソフトウェアはXiaoyu Sunによって開発されました。パラダイムと呼吸の跡のタイミングに基づく臭い刺激の開始が自動的に検出される。実際の刺激ベクトルは、臭気送達中の各有効吸入の開始時間として定義される。 <ol><li>臭気と無臭の間の呼吸数と容量（各吸入相と呼気相の下の面積）を測定し、比較する15 。 注：これらの呼吸パラメータには、匂いと無臭の間に有意差はないはずです。 </li><li>中心olfacの活性化のためにONSETからの実際の開始および持続時間ベクトルを用いてfMRIデータを処理するシステム15 。 </li></ol></li></ol>

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著者は何も開示することはない。

実験手順は、信頼できる嗅覚活性化データを収集するために慎重に検討し、適切に実施すべきである。プロトコル内の重要なステップには、臭気の伝達を画像取得と同期させるための呼吸トリガのパラダイムの実装、精神物理応答の制御のための臭気物質の適切な濃度の準備、安定した呼吸信号と一定の空気流を伴う嗅覚器の設定、 ONSETを使用して臭気開始ベクトルを遡及的に調整するため?...

人間の嗅覚系は、嗅覚が恒常性の調節および感情においても重要な役割を果たすため、感覚系以上のものであると理解されている。臨床的には、人間の嗅覚系は、アルツハイマー病、パーキンソン病、心的外傷後ストレス障害、およびうつ病1、2、3、4、5のように多くの流行の神経疾患や精神疾患の攻撃に対して脆弱であることが知られています。現在、血液酸素レベル依存性（BOLD）コントラストを有する機能的磁気共鳴イメージング（fMRI）は、人間の脳の機能をマッピングするための最も貴重な技術である。この技術により、中心嗅覚構造（ 例えば 、梨状皮質、眼窩前頭皮質、扁桃体、膵島皮質）の特定の機能に関する重要な知識が得られているIQUE 6、7、8、9、10。 しかしながら、ヒトの中枢嗅覚系および関連疾患の研究へのfMRIの適用は、BOLDシグナルの迅速な慣れと呼吸による可変調節という2つの主要な障害によって妨げられている。日常生活では、一定期間において匂いに曝されると、すぐに香りに慣れます。嗅覚のfMRIを用いて調べたときに、実際には、臭い誘発性のfMRI信号が急速に刺激パラダイムデザイン8、10、11、12、13、14上の課題を提起慣れによって減衰されます。一次嗅覚野の初期の有意なBOLDシグナルは持続するだけである臭いが発症してから数秒間。したがって、嗅覚的fMRIパラダイムは、短期間で長期または頻繁な匂い刺激を避けるべきである。習慣化効果を減少させるために、fMRIパラダイムに交互の臭気を提示する試みがいくつかなされている。しかしながら、このアプローチは、各付臭剤が独立した刺激事象として扱われることができるので、データ解析を複雑にする可能性がある。 被験者の呼吸パターンにばらつきがある場合、別の技術的問題が生じる。固定タイミングのパラダイムの間に、匂いの投与と吸入が常に同期するとは限りません。嗅覚刺激の発症および持続時間は、個々の呼吸によって調節され、fMRIデータの質および分析を混乱させる。いくつかの研究では、呼吸と匂いの発症を同期させるための視覚的または聴覚的手がかりを用いてこの問題を緩和しようと試みたが、被験者のコンプライアンスは特に臨床集団において変動する。 wiに関連する脳活性化特定のアプリケーションでは、これらの手がかりもデータ分析を複雑にする可能性があります。したがって、臭気物質送達と吸入を同期させることは、嗅覚fMRI研究15にとって重要であり得る。 嗅覚fMRIに不可欠な追加の考慮事項、特にデータ分析プロセスでは、匂い選択が重要です。認識された強度に関して適切なニオイ物質の濃度を見つけることは、様々な実験条件または疾患の下での脳における活性化レベルの定量化および比較のために重要である。また、匂いの選択は、匂いの価数や心地よさを考慮しなければならない。これは嗅覚学習16、17で発散時間プロファイルを引き起こすことが知られています。この理由から、このデモンストレーションではラベンダーの香りが部分的に選択されました。特定の研究の目的に応じて、異なる匂い物質がより良い選択肢になる可能性があります。さらに、三叉神経刺激を最小限に抑えて、直接的に嗅覚に関連しない活性化18 。 この報告では、磁気共鳴環境において嗅覚計を用いて呼吸によって引き起こされるパラダイムを設定し実行するためのfMRI技術を実証する。また、データ収集中に発生したタイミングエラーを減らし、データ分析をさらに改善するためのポスト処理ツールも提供しています。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>3T MR scanner</td>
			<td>Siemens</td>
			<td></td>
			<td>Any MR scanner is acceptable.&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Olfactometer</td>
			<td>Emerging Tech Trans, LLC</td>
			<td></td>
			<td>Any olfactometer with similar capabilities is acceptable.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>6-channel odorant carrier</td>
			<td>Emerging Tech Trans, LLC</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nosepiece/applicator</td>
			<td>Emerging Tech Trans, LLC</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PTFE tubing</td>
			<td>Emerging Tech Trans, LLC</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TTL convertor box</td>
			<td>Emerging Tech Trans, LLC</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Respiratory sensor belt</td>
			<td>Emerging Tech Trans, LLC</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lavender oil</td>
			<td>Givaudan Flavors Corporation</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1,2 propanediol</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>P6209</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ONSET</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SPM8&#160;</td>
			<td>Wellcome Trust Center for Neuroimaging, University College London, London, UK&#160;</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a free-breathing fmri method to study human olfactory function

ヒトの嗅覚の研究は、生物医学的研究から臨床評価までの応用分野を持つ非常に複雑で貴重な分野です。現在、機能的磁気共鳴イメージング（fMRI）を用いたヒト中心嗅覚システムの機能の評価は、いくつかの技術的困難のために依然として課題である。適切な匂い選択、匂い提示と呼吸との相互作用、および匂い物質への潜在的期待または慣れを含む、fMRIを用いた中枢嗅覚システムの機能をマッピングするための効果的な方法を検討する際に考慮すべきいくつかの重要な変数がある。事象に関連した、呼吸によって誘発される嗅覚fMRI技術は、潜在的な干渉を最小限に抑えながら臭い物質を正確に投与して嗅覚系を刺激することができる。我々のデータ後処理法を用いて、原発性嗅覚野におけるfMRI信号の正確なオンセットを効果的に捕捉することができる。テクニック・プレ信頼できる嗅覚fMRIの結果を得るための効率的で実用的な手段を提供する。そのような技術は、アルツハイマー病およびパーキンソン病を含む嗅覚変性に関連する疾患の診断ツールとして臨床領域で最終的に適用することができ、ヒトの嗅覚系の複雑さをさらに理解し始める。

図1は、MR-適合性を考慮して、磁石室の内部および外部の嗅覚fMRIのセットアップを示す。 図2aは標準的な固定タイミングパラダイムを示し、 図2bは「呼吸トリガ」が臭気の送達と吸入の同期を可能にするパラダイムを示す 。 明確な?...

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A Free-breathing fMRI Method to Study Human Olfactory Function

我々は、人間の中心嗅覚系から信頼できる機能的磁気共鳴イメージング（fMRI）データを得るための技術的課題と解決策を提示する。これには、嗅覚fMRIパラダイム設計における特別な考慮事項、MRI適合オルファクトメーターによるfMRIデータ収集、匂い選択、およびデータ後処理のための特別なソフトウェアツールの記述が含まれる。

ヒトの嗅覚機能を研究する自由呼吸fMRI法

The study of human olfaction is a highly complex and valuable field with applications ranging from biomedical research to clinical evaluation. Currently, ...

a-free-breathing-fmri-method-to-study-human-olfactory-function

Research

JoVE Journal

Neuroscience

9.5K ビュー.  Pennsylvania State University College of Medicine. 我々は、人間の中心嗅覚系から信頼できる機能的磁気共鳴イメージング（fMRI）データを得るための技術的課題と解決策を提示する。これには、嗅覚fMRIパラダイム設計における特別な考慮事項、MRI適合オルファクトメーターによるfMRIデータ収集、匂い選択、およびデータ後処理のための特別なソフトウェアツールの記述が含まれる。 

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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.

デフォルトモードのネットワークを検査する経頭蓋磁気刺激とfMRIを組み合わせ

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 ...

神経科学

Lentivirus-mediated Genetic Manipulation and Visualization of Olfactory Sensory Neurons in vivo

Development of a precise olfactory circuit relies on accurate projection of olfactory sensory neuron (OSN) axons to their synaptic 
targets in the olfactory bulb (OB). The molecular mechanisms of OSN axon growth and targeting are not well understood. Manipulating gene expression and subsequent 
visualizing of single OSN axons and their terminal arbor morphology have thus far been challenging. To study gene function at the single cell level within a specified 
time frame, we developed a lentiviral based technique to manipulate gene expression in OSNs in vivo. Lentiviral particles are delivered to OSNs by microinjection 
into the olfactory epithelium (OE). Expression cassettes are then permanently integrated into the genome of transduced OSNs. Green fluorescent protein expression 
identifies infected OSNs and outlines their entire morphology, including the axon terminal arbor. Due to the short turnaround time between microinjection and 
reporter detection, gene function studies can be focused within a very narrow period of development. With this method, we have detected GFP expression within as 
few as three days and as long as three months following injection. We have achieved both over-expression and shRNA mediated knock-down by lentiviral microinjection. 
This method provides detailed morphologies of OSN cell bodies and axons at the single cell level in vivo, and thus allows characterization of candidate gene function 
during olfactory development.

Lentivirus-mediated Genetic Manipulation and Visualization of Olfactory Sensory Neurons in vivo

We present a lentiviral technique for genetic manipulation and visualization of single olfactory sensory neuron axon and its terminal arborization in vivo.

嗅神経細胞のレンチウイルスを介した遺伝子操作と可視化 in vivoで</em

Development of a precise olfactory circuit relies on accurate projection of olfactory sensory neuron (OSN) axons to their synaptic 
targets in the ...

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.

人間の前頭前野皮質からfMRI信号への行動応答の相関：タスク分析を用いた認知プロセスを調べる

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.

fMRIと拡散強調画像を用いた脳の構造と機能の同時分析

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

Mouse Hindbrain Ex Vivo Culture to Study Facial Branchiomotor Neuron Migration

Embryonic neurons are born in the ventricular zone of the brain, but subsequently migrate to new destinations to reach appropriate targets. Deciphering the molecular signals that cooperatively guide neuronal migration in the embryonic brain is therefore important to understand how the complex neural networks form which later support postnatal life. Facial branchiomotor (FBM) neurons in the mouse embryo hindbrain migrate from rhombomere (r) 4 caudally to form the paired facial nuclei in the r6-derived region of the hindbrain. Here we provide a detailed protocol for wholemount ex vivo culture of mouse embryo hindbrains suitable to investigate the signaling pathways that regulate FBM migration. In this method, hindbrains of E11.5 mouse embryos are dissected and cultured in an open book preparation on cell culture inserts for 24 hr. During this time, FBM neurons migrate caudally towards r6 and can be exposed to function-blocking antibodies and small molecules in the culture media or heparin beads loaded with recombinant proteins to examine roles for signaling pathways implicated in guiding neuronal migration.

Mouse Hindbrain Ex Vivo Culture to Study Facial Branchiomotor Neuron Migration

Embryonic neurons are born in the ventricular zone of the neural tube, but migrate to reach appropriate targets. Facial branchiomotor (FBM) neurons are a useful model to study neuronal migration. This protocol describes the wholemount ex vivo culture of mouse embryo hindbrains to investigate mechanisms that regulate FBM migration.

マウス後脳<em&gt;生体外</em&gt;文化顔面Branchiomotorニューロンの移行を研究する

Embryonic neurons are born in the ventricular zone of the brain, but subsequently migrate to new destinations to reach appropriate targets. Deciphering ...

The Olfactory System as a Model to Study Axonal Growth Patterns and Morphology In Vivo

The olfactory system has the unusual capacity to generate new neurons throughout the lifetime of an organism. Olfactory stem cells in the basal portion of the olfactory epithelium continuously give rise to new sensory neurons that extend their axons into the olfactory bulb, where they face the challenge to integrate into existing circuitry. Because of this particular feature, the olfactory system represents a unique opportunity to monitor axonal wiring and guidance, and to investigate synapse formation. Here we describe a procedure for in vivo labeling of sensory neurons and subsequent visualization of axons in the olfactory system of larvae of the amphibian Xenopus laevis. To stain sensory neurons in the olfactory organ we adopt the electroporation technique. In vivo electroporation is an established technique for delivering fluorophore-coupled dextrans or other macromolecules into living cells. Stained sensory neurons and their axonal processes can then be monitored in the living animal either using confocal laser-scanning or multiphoton microscopy. By reducing the number of labeled cells to few or single cells per animal, single axons can be tracked into the olfactory bulb and their morphological changes can be monitored over weeks by conducting series of in vivo time lapse imaging experiments. While the described protocol exemplifies the labeling and monitoring of olfactory sensory neurons, it can also be adopted to other cell types within the olfactory and other systems.

The Olfactory System as a Model to Study Axonal Growth Patterns and Morphology In Vivo

We describe a protocol for in vivo labeling of olfactory sensory neurons by electroporation and subsequent confocal laser-scanning or multiphoton microscopy to visualize neuronal morphology and its development over time.

モデルとしての嗅覚系は、軸索の成長パターンと形態を研究する<em&gt;インビボ</em

The olfactory system has the unusual capacity to generate new neurons throughout the lifetime of an organism. Olfactory stem cells in the basal portion of ...

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.

管理のリアルタイム fMRI ニューロフィード バック トレーニングのプロトコル

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

New Methods to Study Gustatory Coding

The sense of taste allows animals to detect chemicals in the environment, giving rise to behaviors critical for survival. When Gustatory Receptor Neurons (GRNs) detect tastant molecules, they encode information about the identity and concentration of the tastant as patterns of electrical activity that then propagate to follower neurons in the brain. These patterns constitute internal representations of the tastant, which then allow the animal to select actions and form memories. The use of relatively simple animal models has been a powerful tool to study basic principles in sensory coding. Here, we propose three new methods to study gustatory coding using the moth Manduca sexta. First, we present a dissection procedure for exposing the maxillary nerves and the subesophageal zone (SEZ), allowing recording of the activity of GRNs from their axons. Second, we describe the use of extracellular electrodes to record the activity of multiple GRNs by placing tetrode wires directly into the maxillary nerve. Third, we present a new system for delivering and monitoring, with high temporal precision, pulses of different tastants. These methods allow the characterization of neuronal responses in vivo directly from GRNs before, during and after tastants are delivered. We provide examples of voltage traces recorded from multiple GRNs, and present an example of how a spike sorting technique can be applied to the data to identify the responses of individual neurons. Finally, to validate our recording approach, we compare extracellular recordings obtained from GRNs with tetrodes to intracellular recordings obtained with sharp glass electrodes.

We present three new methods to study gustatory coding. Using a simple animal, the moth Manduca sexta (Manduca), we describe a dissection protocol, the use of extracellular tetrodes to record the activity of multiple gustatory receptor neurons, and a system for delivering and monitoring precisely timed pulses of tastants.

味覚コーディングを研究する新しい方法

The sense of taste allows animals to detect chemicals in the environment, giving rise to behaviors critical for survival. When Gustatory Receptor Neurons ...

Tracking Drosophila Larval Behavior in Response to Optogenetic Stimulation of Olfactory Neurons

The ability of insects to navigate toward odor sources is based on the activities of their first-order olfactory receptor neurons (ORNs). While a considerable amount of information has been generated regarding ORN responses to odorants, the role of specific ORNs in driving behavioral responses remains poorly understood. Complications in behavior analyses arise due to different volatilities of odorants that activate individual ORNs, multiple ORNs activated by single odorants, and the difficulty in replicating naturally observed temporal variations in olfactory stimuli using conventional odor-delivery methods in the laboratory. Here, we describe a protocol that analyzes Drosophila larval behavior in response to simultaneous optogenetic stimulation of its ORNs. The optogenetic technology used here allows for specificity of ORN activation and precise control of temporal patterns of ORN activation. Corresponding larval movement is tracked, digitally recorded, and analyzed using custom written software. By replacing odor stimuli with light stimuli, this method allows for a more precise control of individual ORN activation in order to study its impact on larval behavior. Our method could be further extended to study the impact of second-order projection neurons (PNs) as well as local neurons (LNs) on larval behavior. This method will thus enable a comprehensive dissection of olfactory circuit function and complement studies on how olfactory neuron activities translate in to behavior responses.

Tracking Drosophila Larval Behavior in Response to Optogenetic Stimulation of Olfactory Neurons

This protocol analyzes navigational behavior of Drosophila larva in response to simultaneous optogenetic stimulation of its olfactory neurons. Light of 630 nm wavelength is used to activate individual olfactory neurons expressing a red-shifted channel rhodopsin. Larval movement is simultaneously tracked, digitally recorded, and analyzed using custom-written software.

嗅覚ニューロンの光刺激に対する応答のショウジョウバエ幼虫の行動を追跡

The ability of insects to navigate toward odor sources is based on the activities of their first-order olfactory receptor neurons (ORNs). While a ...

3D Kinematic Analysis for the Functional Evaluation in the Rat Model of Sciatic Nerve Crush Injury

Compared to the Sciatic Functional Index (SFI), kinematic analysis is a more reliable and sensitive method for performing functional evaluations of sciatic nerve injury rodent models. In this protocol, we describe a novel kinematic analysis method that uses a three-dimensional (3D) motion capture apparatus for functional evaluations using a rat sciatic nerve crush injury model. First, the rat is familiarized with treadmill walking. Markers are then attached to the designated bone landmarks and the rat is made to walk on the treadmill at the desired speed. Meanwhile, the posterior limb movements of the rat are recorded using four cameras. Depending on the software used, marker tracings are created using both automatic and manual modes and the desired data are produced after subtle adjustments. This method of kinematic analysis, which uses a 3D motion capture apparatus, offers numerous advantages, including superior precision and accuracy. Many more parameters can be investigated during the comprehensive functional evaluations. This method has several shortcomings that require consideration: The system is expensive, can be complicated to operate, and may produce data deviations due to skin shifting. Nevertheless, kinematic analysis using a 3D motion capture apparatus is useful for performing functional anterior and posterior limb evaluations. In the future, this method may become increasingly useful for generating accurate assessments of various traumas and diseases.

We introduce a kinematic analysis method that uses a three-dimensional motion capture apparatus containing four cameras and data processing software for performing functional evaluations during fundamental research involving rodent models.

坐骨神経クラッシュ損傷のラットモデルにおける機能的評価のための3D運動学的解析

Compared to the Sciatic Functional Index (SFI), kinematic analysis is a more reliable and sensitive method for performing functional evaluations of ...