PV 5のリアルタイムfMRIをセットアップするためのAFNIスクリプトを共有してくれたD.Chen博士とC.Yen博士、およびソフトウェアサポートを提供してくれたAFNIチームに感謝します。この研究は、NIHブレインイニシアチブの資金提供(RF1NS113278-01、R01 MH111438-01)、およびドイツ研究財団(DFG)のマルティノスセンターへのS10機器助成金(S10 RR023009-01)、およびマックスプランク協会からの内部資金提供によってサポートされました。

この研究は、ドイツ動物福祉法(TierSchG)および動物福祉実験動物条例(TierSchVersV)に従って実施されました。ここに記載されている実験プロトコルは、倫理委員会(§15 TierSchG)によってレビューされ、州当局(ドイツ、バーデンヴュルテンベルク州テュービンゲンのRegierungspräsidium)によって承認されました。
1. 小動物研究のためのBOLD-fMRI実験セットアップの準備
<ol><li>コンソールソフトウェアの電源を入れて、イメージングパラメータを制御し、MRIデータを取得します。 注:提案されたリアルタイムfMRIセットアップは、AFNIの画像処理機能と並行して、コンソールソフトウェア(バージョン6)のマクロ機能を利用して実装されています。</li>
	<li>ワークスペースエクスプローラーでMRシーケンス(位置、ローカライザー、リラクゼーションエンハンスメント(RARE)による高速取得、3Dエコープレーナイメージング(EPI)など)を検索し、スキャンリストにドラッグアンド追加します。 注:位置とローカライザーのシーケンスは、脳内の関心領域(ROI)を特定するために使用されます。まれなシーケンスは、解剖学的スキャンに使用されます。3D EPIシーケンスは、動的なBOLD応答を測定するために使用されます。</li>
	<li>定義済みのマクロスクリプト "Setup_rt3DEPI" と "Feed2AFNI_rt3DEPI" をマクロスクリプトパスに配置します (例: "/opt/(PV バージョン)/prog/curdir/(ユーザー名)/ParaVision/macros")。「データ再構築」ユーザーインターフェイスメニューの3D EPI再構築オプション「プレイメージシリーズアクティビティ」と「マクロの実行」を有効にし、事前定義されたマクロスクリプト「Setup_rt3DEPI」をリンクしてから、「スキャン」ボタンをクリックします。 注: マクロ スクリプトは補足 ファイルに含まれています。</li>
	<li>リアルタイムのBOLD-fMRI分析と視覚化のためのAFNIソフトウェアをインストールします。</li>
</ol>2.カテーテル法と換気手術
<ol><li>図1に示すように、人工呼吸器と体温計、血圧、呼吸記録などの生理学的状態監視システムをセットアップします。人工呼吸器で60±1呼吸/分の一定周波数を設定し、フィードバック制御セット付きのMR対応加熱パッドを使用して37°Cの温度を設定します。</li>
	<li>誘導のために5%イソフルランを含むチャンバーで成体の雄Sprague-Dawleyラット(300-600g)を麻酔し、気化器から手術用の2-2.5%イソフルランを送達する。後足をつまんで麻酔の深さを確認し、離脱反応がないことを確認します。</li>
	<li>換気のために14 Gのプラスチックカニューレで動物を挿管します(70%の空気と30%の酸素の混合物で60 ± 1呼吸/分)。潮汐終末二酸化炭素(CO2)を25±5 mmHg29の範囲になるように調整します。 注:挿管は、fMRI実験を通じて適切なCO2 レベルを維持するために重要です。</li>
	<li>動物を手術台の上で仰臥位にし、電気かみそりで太ももを剃ります。そして、手術用ハサミで剃った皮膚を切開します。 注:切開の長さは縦方向に約1〜2 cmです。</li>
	<li>カテーテル挿入のために切開領域の下に大腿動脈と静脈を見つけ、個々の大腿動脈と静脈を周囲の組織から分離します。</li>
	<li>分離した大腿動脈の片側を外科用縫合糸で固定し、反対側をマイクロブルドッグ鉗子で保持します。次に、大腿動脈の結ばれた領域の間に小さな切開を行います。</li>
	<li>小さな切開部から大腿動脈にカテーテルを挿入し、カテーテルと動脈を外科用縫合糸で結びます。生理学的モニタリングシステムで動脈血圧を常に監視し、80〜120 mmHgの範囲になり、動脈血ガスを定期的に測定して、スキャン中に最小90 mmHgのpO 2と30〜45 mmHgのpCO2を維持します。 注:このカテーテル法は、fMRI実験中に動脈血圧を監視するために重要です。</li>
	<li>大腿静脈の両端を絹編組外科用縫合糸で固定します。次に、大腿静脈の結ばれた領域の間に小さな切開を行います。鉗子を使用して縫合を行います。 注:縫合糸のサイズは約1〜2 cmです。</li>
	<li>カテーテルを大腿静脈に挿入します。カテーテルと静脈を外科用縫合糸で結びます。 注:このカテーテル法は、静脈を通してアルファクロラロースを投与し、fMRI実験中に麻酔レベルを調整するために重要です。動物が十分に麻酔されていない場合、それは自発的に呼吸し始めます。この場合、呼吸運動アーチファクトを避けるために、より多くのα-クロラロースを投与する必要があります。</li>
	<li>剃った皮膚の外科的切開部を縫合します。外科的処置が完了したら、大腿静脈に接続されたカテーテルに~80 mg / kgの投与量のアルファクロラロースのボーラスを注入して動物を麻酔し続け、同時にイソフルラン投与を中止します。</li>
</ol>3.動物をMRIスキャナーの中に置きます
<ol><li>2.10ステップが完了したらすぐに麻酔をかけた動物をMRIスキャナーに移し、カスタムメイドのクレードルに固定します。</li>
	<li>動物の体温を監視するために、動物にリアルタイムのフィードバック直腸体温計を挿入します。温度を制御するために動物の胴体の下に加熱パッドを置きます。MRIスキャン中は体温を37.0±0.5°Cに維持してください。</li>
	<li>筋弛緩剤であるパンクロニウム(~2 mg/kg/h)の混合物に~25 mg/kg/h溶液を含むα-クロラロースを継続的に送達し、動物の麻酔を維持し、fMRI画像のモーションアーチファクトを低減します。生理状態に応じて薬剤の量と換気速度を調整して血圧と呼吸を監視します。</li>
	<li>fMRI実験中の乾燥を防ぐために、動物の目に眼科用軟膏を投与します。頭の動きのアーチファクトを避けるために、2つのイヤーバーで動物の頭を安全に固定します。</li>
	<li>トランシーバーの表面コイルをヘッドに固定します。MRI測定の前に、コイルをヘッドのラーム周波数(たとえば、599 Tで14.1 MHz)に調整して一致させます。 注:ここでは、直径22mmのコイルを使用してラットの脳全体をカバーしています。</li>
	<li>指1と4の間の前足の皮膚に一対の針電極を挿入し、サージカルテープで固定します。そして、これらの電極30に刺激入力ケーブルを接続した後、刺激が正しく動作することを確認する。</li>
	<li>動物をMRIボアに挿入し、ほぼアイソセンターに置きます。</li>
</ol>4. 解剖学的MR画像の測定
<ol><li>メインユーザーインターフェイスのキャリブレーションメニューボタンをクリックします。 調整プラットフォームの ユーザーインターフェイスで次の項目をクリックしてMRIシステムのキャリブレーションを実行します(コンソールソフトウェアの [ヘルプ ]メニューを参照)。 基本的な共振周波数を見つけ、RFパルスパワーを校正し、最適なレシーバゲインを設定し、シミングのために動物のB0マップを測定し、 非局在自由誘導減衰(FID)積分に基づいてグローバルリニアシムを実行します。 注: この手順にかかる時間は 2 分未満です。</li>
	<li>「スキャン」ボタンをクリックして位置シーケンスを実行し、MRIボア内の動物の頭の位置を見つけます。ヘッドがアイソセンターにない場合は、ヘッドがアイソセンターに配置されるまでクレードルを前後に動かしながらヘッドの位置を調整します。</li>
	<li>「スキャン」ボタンをクリックしてローカライザーシーケンスを実行し、ヘッド内のROIを特定します。マップシムを選択し、ローカライザー画像で脳全体をカバーするようにシムボリュームのROIを定義してから、「シムアップ」オプションを使用して高次(たとえば、2次または3次)シムを実行し、ROIでの主磁場(B0)の不均一性を低減します。 注:高次シミングは、EPIシーケンスを使用する場合のBOLD-fMRIデータの品質を向上させるための重要なステップです。</li>
	<li>「スキャン」ボタンをクリックしてT2強調RAREシーケンスを実行し、冠状視野で脳全体をカバーする解剖学的画像を取得します(たとえば、次のシーケンスパラメータが使用されます:繰り返し時間(TR)4000ミリ秒、実効エコー時間(TE)36.1ミリ秒、マトリックス128 x 128、視野(FOV)19.2x19.2 mm2、スライス数32、スライス厚さ0.3 mm、 まれ因子8)。 注:次のリアルタイムfMRI視覚化ステップでは、解剖学的画像を使用して3D EPI画像をテンプレートとして登録します。</li>
</ol>5. リアルタイムfMRIソフトウェアのセットアップとfMRI応答の可視化
<ol><li>ターミナルウィンドウを開き、次のコマンドを使用してリアルタイムAFNIプラグインパスに移動します。 cd /home/(ユーザ名)/rt_afni 注: AFNI プラグインスクリプト "afni_rt" は 補足ファイルに含まれています。</li>
	<li>以下のコマンドとオプションを使用して、リアルタイムプラグインでAFNIソフトウェアを実行します。 アフニ -RT -yestplugouts -DAFNI_REALTIME_MP_HOST_PORT=ローカルホスト:(ポート番号) -DAFNI_REALTIME_Graph=リアルタイム -DAFNI_FIM_IDEAL=(パラダイム) 注:前者の場合、コードは外部プログラムがAFNIとデータを交換することを許可し、後者の場合、リアルタイムプラグインはユーザー定義のローカルホストとポートへのTCPソケットを開こうとします。3番目と4番目のケースでは、コードはfMRIデータの時間経過をリアルタイムでプロットし、リアルタイムfMRIデータが取得されたときにそれぞれfMRI時間経過にユーザー定義パラダイムの時間経過をプロットします。詳しくは https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/README.environment.html をご確認ください。</li>
	<li>以下のオプションを使用して、 図 2 に示すように、コマンド "Dimon" を使用して定義された今後の AFNI BRIK ファイルをモニターします。 Dimon -tr (TR of EPI) -nt (NRerepeats of EPI) -rt -quit -infile_patternリアルタイム*。ブリク -file_type AFNI 注:「Dimon」は、リアルタイムプラグインを実行する「-rt」と「-infile_pattern(データ名)のオプションを使用して、AFNI画像ファイルのリアルタイム取得を監視するコマンドです。BRIK -file_type AFNI」を使用すると、プラグインは特定のBURKファイルを読み取り、表示とフォーマットのためにAFNIに送信できます。詳細については、https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/Dimon.html を確認してください。</li>
	<li>「pvcmd」コマンドを次のオプションで使用します。 pvcmd -a JMacroManager JMMExecuteMacro -category $USER -macro Feed2AFNI_rt3DEPI 注:このコードは、EPI取得のために「スキャン」ボタンをクリックした直後にバックグラウンドマクロスクリプト「Feed2AFNI_rt3DEPI」を実行するためのマクロスクリプト「Setup_rt3DEPI」に存在します。</li>
	<li>「exec pvcmd」コマンドを以下のオプションとともに使用して、EPI取得パラメータを取得します。 exec pvcmd -a ParxServer -r ParamGetValue -psid $ParSpaceId -param (PVM parameters of EPI) -id 10 -args $AcqKey $ParSpaceId $ProcnoPath</li>
	<li>「exec to3d」コマンドを以下のオプションとともに使用すると、バックグラウンドマクロスクリプト「Feed2AFNI_rt3DEPI」でEPI生データをリアルタイムでAFNIファイルに変換します。 exec to3d -omri -xFOV $FOV_X -yFOV $FOV_Y -zFOV $FOV_Z -prefix $LastVolName $ImgFormat$Path2dseq</li>
	<li>EPIの幾何学的情報が解剖学的方向と一致していることを確認してください。 注: 図2に示すように、各3DボリュームデータがTRごとに保存されるたびに、視野(FOV)やマトリックスサイズなどの幾何学的情報を使用して「to3d」AFNIコマンドが自動的に実行され、fMRI生データを1つのAFNI BRIKデータに変換します。画像の向きは、「to3d」の幾何学的情報パラメータで変更できます。詳しくは https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/to3d.html をご確認ください。</li>
	<li>電気刺激アイソレーターをオンにし、刺激ブロックを使用して1回の誘発fMRI研究(例:3Hz、4秒パルス幅300us、2.5mA)の電気前足刺激を実行します。 注:ここで、ブロック設計パラダイムは、10回の刺激前スキャン、3回の刺激スキャン、および12回の刺激間スキャン(エポックあたり15回のスキャン)で構成されています。</li>
	<li>BOLD-fMRIスタディの「スキャン」ボタンをクリックして、T2*強調3D EPIシーケンスを実行します(たとえば、TR/TE 1500/14ミリ秒、マトリックス64 x 64 x 32、FOV 19.2 x 19.2 x 9.6 mm 3、分解能300 x 300 x 300 μm3)。 注:「スキャン」ボタンをクリックするとすぐに、事前定義されたマクロスクリプトを使用して生データの監視と処理がリアルタイムで行われます。1つのAFNI BRIKデータセットが変換されると、3D EPI画像のボクセル単位のタイムコースグラフがAFNIソフトウェアに表示され、TRごとに自動的に更新されます。</li>
	<li>解剖学的レア画像の上にEPI画像をオーバーレイするには、手順5.6のようにコマンド「to3d」を使用してレア画像をAFNI BRIKデータセットに変換し、次のオプションを指定して「align_epi_anat.py」AFNIスクリプトを使用してEPI画像を解剖学的画像に登録します。 align_epi_anat.py -アナト anatomy_template_al+オリジナル -エピ エピ.$(エピデータ番号)+オリジナル -epi_base 1 -サフィックス _volreg -rat_align -コスト LPA -エピ2アナト 注:詳細については、https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/ align_epi_anat.py.htmlを確認してください。</li>
	<li>BOLD応答の関数マップを処理するには、次のオプションを指定して「3dDeconvolve」コマンドを使用して、特定の刺激時系列を持つ3D+時間データセットのデコンボリューションを計算します。 3dデコンボルブ -input (入力ファイル名)+オリジナル -nfirst 0 -polort 3 -num_stimts 1 -stim_times 1 (刺激パラダイムファイル名) 'BLOCK(4,1)' -stim_label 1 フォアポー -tout -fout -rout 注:空間スムージングや時間フィルタリングなどの画像処理ステップは、カスタマイズされたAFNIデータ処理スクリプトに組み込まれています。詳しくは https://afni.nimh.nih.gov/afni/doc/help/3dDeconvolve.html をご確認ください。</li>
	<li>BOLD信号の機能マップを視覚化するには、AFNIソフトウェアでインタラクティブなクラスタリングを使用します。「オーバーレイの定義」オプションを開き、AFNIユーザーインターフェイスメニューから「クラスター」機能を使用します。</li>
	<li>最後のfMRIスキャンの後、動物をMRIスキャナーから取り出し、承認されたプロトコルに従って安楽死させます。 注:リアルタイムfMRIデータの処理には、AFNIの画像処理機能と最新のコンソールソフトウェアのマクロ機能を使用しました。マクロ関数の詳細情報と説明は、コンソールソフトウェアのヘルプメニューから見つけることができます。AFNIソフトウェアはフリーウェアであり、NIMH-AFNIのウェブサイトから直接ダウンロードできます。AFNIとコンソールシステム間のリンクを構築するための関連スクリプトが添付されています。</li>
</ol>

<ol><li>Ogawa, S., Lee, T. M., Kay, A. R., Tank, D. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brain+magnetic+resonance+imaging+with+contrast+dependent+on+blood+oxygenation%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+U.S.A%22%5BJournal%5D)">Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences U.S.A. 87 (24), 9868-9872 (1990).</li>
<li>Belliveau, J. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+mapping+of+the+human+visual+cortex+by+magnetic+resonance+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Functional mapping of the human visual cortex by magnetic resonance imaging.</a> Science. 254 (5032), 716-719 (1991).</li>
<li>Stehling, M. K., Turner, R., Mansfield, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Echo-planar+imaging%3A+magnetic+resonance+imaging+in+a+fraction+of+a+second%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Echo-planar imaging: magnetic resonance imaging in a fraction of a second.</a> Science. 254 (5028), 43-50 (1991).</li>
<li>Bandettini, P. A., Wong, E. C., Hinks, R. S., Tikofsky, R. S., Hyde, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Time+course+EPI+of+human+brain+function+during+task+activation%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Time course EPI of human brain function during task activation.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 25 (2), 390-397 (1992).</li>
<li>Kwong, K. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamic+magnetic+resonance+imaging+of+human+brain+activity+during+primary+sensory+stimulation%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Science+U.+S.+A%22%5BJournal%5D)">Dynamic magnetic resonance imaging of human brain activity during primary sensory stimulation.</a> Proceedings of the National Academy of Science U. S. A. 89 (12), 5675-5679 (1992).</li>
<li>Ogawa, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Intrinsic+signal+changes+accompanying+sensory+stimulation%3A+functional+brain+mapping+with+magnetic+resonance+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Science+U.+S.+A%22%5BJournal%5D)">Intrinsic signal changes accompanying sensory stimulation: functional brain mapping with magnetic resonance imaging.</a> Proceedings of the National Academy of Science U. S. A. 89 (13), 5951-5955 (1992).</li>
<li>Biswal, B., Yetkin, F. Z., Haughton, V. M., Hyde, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+connectivity+in+the+motor+cortex+of+resting+human+brain+using+echo-planar+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Functional connectivity in the motor cortex of resting human brain using echo-planar MRI.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 34 (4), 537-541 (1995).</li>
<li>Logothetis, N. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((What+we+can+do+and+what+we+cannot+do+with+fMRI%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">What we can do and what we cannot do with fMRI.</a> Nature. 453 (7197), 869-878 (2008).</li>
<li>Kim, S. G., Ogawa, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biophysical+and+physiological+origins+of+blood+oxygenation+level-dependent+fMRI+signals%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Cerebral+Blood+Flow+and+Metabolism%22%5BJournal%5D)">Biophysical and physiological origins of blood oxygenation level-dependent fMRI signals.</a> Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 32 (7), 1188-1206 (2012).</li>
<li>Peltier, S. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+connectivity+changes+with+concentration+of+sevoflurane+anesthesia%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroreport%22%5BJournal%5D)">Functional connectivity changes with concentration of sevoflurane anesthesia.</a> Neuroreport. 16 (3), 285-288 (2005).</li>
<li>Dopfel, D., Zhang, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mapping+stress+networks+using+functional+magnetic+resonance+imaging+in+awake+animals%5BTitle%5D)+AND+%22Neurobiology+of+Stress%22%5BJournal%5D)">Mapping stress networks using functional magnetic resonance imaging in awake animals.</a> Neurobiology of Stress. 9, 251-263 (2018).</li>
<li>Hu, X. P., Le, T. H., Parrish, T., Erhard, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Retrospective+Estimation+and+Correction+of+Physiological+Fluctuation+in+Functional+Mri%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Retrospective Estimation and Correction of Physiological Fluctuation in Functional Mri.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 34 (2), 201-212 (1995).</li>
<li>Birn, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+role+of+physiological+noise+in+resting-state+functional+connectivity%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">The role of physiological noise in resting-state functional connectivity.</a> Neuroimage. 62 (2), 864-870 (2012).</li>
<li>Caballero-Gaudes, C., Reynolds, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Methods+for+cleaning+the+BOLD+fMRI+signal%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Methods for cleaning the BOLD fMRI signal.</a> Neuroimage. 154, 128-149 (2017).</li>
<li>Pais-Roldan, P., Biswal, B., Scheffler, K., Yu, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Identifying+Respiration-Related+Aliasing+Artifacts+in+the+Rodent+Resting-State+fMRI%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Identifying Respiration-Related Aliasing Artifacts in the Rodent Resting-State fMRI.</a> Frontiers in Neuroscience. 12, 00788(2018).</li>
<li>Glover, G. H., Li, T. Q., Ress, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Image-based+method+for+retrospective+correction+of+physiological+motion+effects+in+fMRI%3A+RETROICOR%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Image-based method for retrospective correction of physiological motion effects in fMRI: RETROICOR.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 44 (1), 162-167 (2000).</li>
<li>Chang, C., Cunningham, J. P., Glover, G. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Influence+of+heart+rate+on+the+BOLD+signal%3A+The+cardiac+response+function%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Influence of heart rate on the BOLD signal: The cardiac response function.</a> Neuroimage. 44 (3), 857-869 (2009).</li>
<li>Birn, R. M., Diamond, J. B., Smith, M. A., Bandettini, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Separating+respiratory-variation-related+neuronal-activity-related+fluctuations+in+fluctuations+from+fMRI%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Separating respiratory-variation-related neuronal-activity-related fluctuations in fluctuations from fMRI.</a> Neuroimage. 31 (4), 1536-1548 (2006).</li>
<li>Golestani, A. M., Chang, C., Kwinta, J. B., Khatamian, Y. B., Chen, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mapping+the+end-tidal+CO2+response+function+in+the+resting-state+BOLD+fMRI+signal%3A+Spatial+specificity%2C+test-retest+reliability+and+effect+of+fMRI+sampling+rate%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Mapping the end-tidal CO2 response function in the resting-state BOLD fMRI signal: Spatial specificity, test-retest reliability and effect of fMRI sampling rate.</a> Neuroimage. 104, 266-277 (2015).</li>
<li>Lu, H. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Real-time+animal+functional+magnetic+resonance+imaging+and+its+application+to+neurophamacological+studies%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+Imaging%22%5BJournal%5D)">Real-time animal functional magnetic resonance imaging and its application to neurophamacological studies.</a> Magnetic Resonance Imaging. 26 (9), 1266-1272 (2008).</li>
<li>Cox, R. W., Jesmanowicz, A., Hyde, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Real-time+functional+magnetic+resonance+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+Medicine%22%5BJournal%5D)">Real-time functional magnetic resonance imaging.</a> Magnetic Resonance Medicine. 33 (2), 230-236 (1995).</li>
<li>Lee, C. C., Jack, C. R., Rossman, P. J., Riederer, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Real-time+reconstruction+and+high-speed+processing+in+functional+MR+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Neuroradiology%22%5BJournal%5D)">Real-time reconstruction and high-speed processing in functional MR imaging.</a> American Journal of Neuroradiology. 19 (7), 1297-1300 (1998).</li>
<li>Voyvodic, J. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Real-time+fMRI+paradigm+control%2C+physiology%2C+and+behavior+combined+with+near+real-time+statistical+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Real-time fMRI paradigm control, physiology, and behavior combined with near real-time statistical analysis.</a> Neuroimage. 10 (2), 91-106 (1999).</li>
<li>Cohen, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Real-time+functional+magnetic+resonance+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Methods%22%5BJournal%5D)">Real-time functional magnetic resonance imaging.</a> Methods. 25 (2), 201-220 (2001).</li>
<li>Posse, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+approach+to+measure+single-event+related+brain+activity+using+real-time+fMRI%3A+Feasibility+of+sensory%2C+motor%2C+and+higher+cognitive+tasks%5BTitle%5D)+AND+%22Human+Brain+Mapping%22%5BJournal%5D)">A new approach to measure single-event related brain activity using real-time fMRI: Feasibility of sensory, motor, and higher cognitive tasks.</a> Human Brain Mapping. 12 (1), 25-41 (2001).</li>
<li>Decharms, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reading+and+controlling+human+brain+activation+using+real-time+functional+magnetic+resonance+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Trends+in+Cognitive+Sciences%22%5BJournal%5D)">Reading and controlling human brain activation using real-time functional magnetic resonance imaging.</a> Trends in Cognitive Sciences. 11 (11), 473-481 (2007).</li>
<li>Bruhl, A. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Making+Sense+of+Real-Time+Functional+Magnetic+Resonance+Imaging+%28rtfMRI%29+and+rtfMRI+Neurofeedback%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Neuropsychopharmacology%22%5BJournal%5D)">Making Sense of Real-Time Functional Magnetic Resonance Imaging (rtfMRI) and rtfMRI Neurofeedback.</a> International Journal of Neuropsychopharmacology. 18 (6), (2015).</li>
<li>Cox, R. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((AFNI%3A+Software+for+analysis+and+visualization+of+functional+magnetic+resonance+neuroimages%5BTitle%5D)+AND+%22Computers+and+Biomedical+Research%22%5BJournal%5D)">AFNI: Software for analysis and visualization of functional magnetic resonance neuroimages.</a> Computers and Biomedical Research. 29 (3), 162-173 (1996).</li>
<li>Liou, W. W., Goshgarian, H. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantitative+assessment+of+the+effect+of+chronic+phrenicotomy+on+the+induction+of+the+crossed+phrenic+phenomenon%5BTitle%5D)+AND+%22Experimental+Neurology%22%5BJournal%5D)">Quantitative assessment of the effect of chronic phrenicotomy on the induction of the crossed phrenic phenomenon.</a> Experimental Neurology. 127 (1), 145-153 (1994).</li>
<li>Shih, Y. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultra+high-resolution+fMRI+and+electrophysiology+of+the+rat+primary+somatosensory+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Ultra high-resolution fMRI and electrophysiology of the rat primary somatosensory cortex.</a> Neuroimage. 73, 113-120 (2013).</li>
<li>Masamoto, K., Kim, T., Fukuda, M., Wang, P., Kim, S. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Relationship+between+neural%2C+vascular%2C+and+BOLD+signals+in+isoflurane-anesthetized+rat+somatosensory+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Cerebral+Cortex%22%5BJournal%5D)">Relationship between neural, vascular, and BOLD signals in isoflurane-anesthetized rat somatosensory cortex.</a> Cerebral Cortex. 17 (4), 942-950 (2007).</li>
<li>van Alst, T. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Anesthesia+differentially+modulates+neuronal+and+vascular+contributions+to+the+BOLD+signal%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Anesthesia differentially modulates neuronal and vascular contributions to the BOLD signal.</a> Neuroimage. 195, 89-103 (2019).</li>
<li>Wu, T. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+isoflurane+anesthesia+on+resting-state+fMRI+signals+and+functional+connectivity+within+primary+somatosensory+cortex+of+monkeys%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+and+Behavior%22%5BJournal%5D)">Effects of isoflurane anesthesia on resting-state fMRI signals and functional connectivity within primary somatosensory cortex of monkeys.</a> Brain and Behavior. 6 (12), 00591(2016).</li>
<li>Liu, X., Zhu, X. H., Zhang, Y., Chen, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+change+of+functional+connectivity+specificity+in+rats+under+various+anesthesia+levels+and+its+neural+origin%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Topography%22%5BJournal%5D)">The change of functional connectivity specificity in rats under various anesthesia levels and its neural origin.</a> Brain Topography. 26 (3), 363-377 (2013).</li>
<li>Liu, X. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiphasic+modification+of+intrinsic+functional+connectivity+of+the+rat+brain+during+increasing+levels+of+propofol%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Multiphasic modification of intrinsic functional connectivity of the rat brain during increasing levels of propofol.</a> Neuroimage. 83, 581-592 (2013).</li>
<li>Hutchison, R. M., Hutchison, M., Manning, K. Y., Menon, R. S., Everling, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Isoflurane+induces+dose-dependent+alterations+in+the+cortical+connectivity+profiles+and+dynamic+properties+of+the+brain%27s+functional+architecture%5BTitle%5D)+AND+%22Human+Brain+Mapping%22%5BJournal%5D)">Isoflurane induces dose-dependent alterations in the cortical connectivity profiles and dynamic properties of the brain's functional architecture.</a> Human Brain Mapping. 35 (12), 5754-5775 (2014).</li>
<li>He, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultra-Slow+Single-Vessel+BOLD+and+CBV-Based+fMRI+Spatiotemporal+Dynamics+and+Their+Correlation+with+Neuronal+Intracellular+Calcium+Signals%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Ultra-Slow Single-Vessel BOLD and CBV-Based fMRI Spatiotemporal Dynamics and Their Correlation with Neuronal Intracellular Calcium Signals.</a> Neuron. 97 (4), 925-939 (2018).</li>
<li>Yoshida, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Physiological+effects+of+a+habituation+procedure+for+functional+MRI+in+awake+mice+using+a+cryogenic+radiofrequency+probe%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience+Methods%22%5BJournal%5D)">Physiological effects of a habituation procedure for functional MRI in awake mice using a cryogenic radiofrequency probe.</a> Journal of Neuroscience Methods. 274, 38-48 (2016).</li>
</ol>

Sascha KöhlerはBruker BioSpin MRI GmbHの従業員です。

fMRI信号のリアルタイムモニタリングは、実験者が動物の生理機能を調整して機能マッピングを最適化するのに役立ちます。覚醒している動物における運動アーチファクト、ならびに麻酔効果は、fMRI信号の変動性を媒介する主要な要因であり、信号の生物学的解釈をそれ自体で混乱させる31,32,33,34,35,36,37,38.リアルタイムfMRIプラットフォームは、スキャンパラメータと麻酔投与スキームの最適化を支援するための瞬時の情報を提供します。また、リアルタイムの脳血行動態応答を使用して、マルチモーダル脳機能研究における新しい刺激パラダイムのためのfMRIベースのバイオフィードバック制御信号を提供することができます。
提案されたリアルタイムfMRIセットアップに関する残りの懸念は、ベンダー固有のコンソールソフトウェアへの技術的な依存関係です。このプロトコルでは、リアルタイムfMRI解析スクリプトは、コンソールソフトウェア( 材料表を参照)バージョン6以降を使用して一連のマクロ機能を実装します。以前のコンソールソフトウェア(PVバージョン5以下など)のMRスキャンのワークフローは、アップグレードされたユーザーインターフェイスと新しいパラメーター定義により、最新バージョンとは異なります。Luら(2008)は、コンソールシステムの以前のバージョン(PVバージョン3)を使用して、リアルタイムのfMRIセットアップにより、ラット脳における薬物誘発性血行力学的信号変化のモニタリングを可能にし、中枢神経系に対するコカインの影響を研究することができることを示した20。ただし、これらのセットアップは、最先端の電子機器を備えた新しいコンソールソフトウェアには簡単に適用できません。最新のコンソールソフトウェアでは、「データ再構築」の「プレイメージシリーズアクティビティ」および「マクロの実行」オプションを選択して、スキャンを開始した直後に事前定義されたマクロスクリプトを実行し、fMRI生データを監視することが重要です。
さらなる画像処理のために、カスタマイズされたAFNI機能をリアルタイム画像処理スクリプトに容易に組み込むことができます。特に、覚醒している動物のfMRI38の筋電図(EMG)信号などの運動関連の痕跡を使用したリアルタイム分析を提供し、GCaMPを介したCa2+などのマルチモーダル動的脳信号を組み込んで、全脳血行動態相関を特定することは価値があります37。さらに、このリアルタイムfMRIセットアップは、以前の人間の研究と同様の自己調節脳と行動を調査するために、動物のニューロフィードバック研究に拡張することができます27。

機能的磁気共鳴画像法(fMRI)は、血行動態応答1、2、3、4、5、6、7、8、9、例えば、血中酸素レベル依存性(BOLD)、脳内の神経活動に関連する脳血液量および流量信号を測定する非侵襲的方法である。動物実験では、血行動態信号は、麻酔10、覚醒している動物のストレスレベル11、ならびに潜在的な非生理学的アーティファクト、例えば、心拍動および呼吸運動12、13、14、15によって影響を受ける可能性がある。タスク関連および安静状態機能ダイナミクスおよび接続性マッピング16、17、18、19のためのfMRI信号の遡及的分析を提供するために多くの後処理方法が開発されているが、動物の脳20におけるリアルタイムの脳機能マッピングソリューションおよび瞬間的な読み出しを提供する技術はほとんどない(そのほとんどは、主にヒト脳マッピング21に使用される、 22,23,24,25,26,27)。特に、この種のリアルタイムfMRIマッピング法は、動物実験では欠けています。fMRIプラットフォームを構築して、リアルタイムの脳状態依存的な生理学的病期の調査を可能にし、動物の脳機能研究にリアルタイムのバイオフィードバック刺激パラダイムを提供する必要があります。
本研究では、MRIコンソールソフトウェアのカスタマイズされたマクロ機能を備えたリアルタイムfMRI実験セットアップを示し、麻酔をかけたラットの一次前足体性感覚皮質(FP-S1)における誘発されたBOLD-fMRI応答のリアルタイムモニタリングを示します。このリアルタイムセットアップにより、既存の神経画像解析ソフトウェアである機能神経画像解析(AFNI)28を使用して、機能マップで進行中の脳の活性化と個々の時間コースをボクセル単位で視覚化できます。動物実験のためのリアルタイムfMRI実験セットアップの準備は、プロトコルに記載されています。動物のセットアップに加えて、画像処理スクリプトと並行して、最新のコンソールソフトウェアを使用してリアルタイムfMRI信号の視覚化と分析を設定するための詳細な手順を提供します。要約すると、動物実験用に提案されたリアルタイムfMRIセットアップは、MRIコンソールシステムを使用して動物の脳内の動的fMRI信号を監視するための強力なツールです。

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

real-time fmri brain mapping in animals

動的fMRI応答は、麻酔下または覚醒状態の動物の生理学的条件によって大きく異なります。私たちは、取得中にfMRI応答を瞬時にモニターするように実験者を導くリアルタイムfMRIプラットフォームを開発し、動物の生理機能を変更して動物の脳で目的の血行動態応答を達成することができます。リアルタイムfMRIセットアップは、14.1Tの前臨床MRIシステムに基づいており、麻酔をかけたラットの一次前足体性感覚皮質(FP-S1)における動的fMRI応答のリアルタイムマッピングを可能にします。リアルタイムfMRIプラットフォームは、fMRI信号の変動につながる交絡源を調査するための遡及的分析の代わりに、カスタマイズされたマクロ機能とMRIシステムの一般的な神経画像解析ソフトウェアを使用して動的fMRI応答を識別するためのより効果的なスキームを提供します。また、動物の脳機能研究のための即時のトラブルシューティングの実現可能性とリアルタイムのバイオフィードバック刺激パラダイムを提供します。

図3と図4は、代表的なリアルタイムボクセル単位のBOLD-fMRIタイムコースと、電気前足刺激(3 Hz、4 s、パルス幅300 us、2.5 mA)を使用した関数マップを示しています。fMRI設計パラダイムは、10回の刺激前スキャン、3回の刺激スキャン、および合計8回のエポック(130回のスキャン)の12回の刺激間スキャンで構成されています。合計スキャン時間は3分15秒(195秒)です。図3は、リアルタイム取得フォーマットにおけるブロック設計パラダイム(赤線)に対応する対側FP-S1のボクセル単位の時間経過(黒線)を示しています。図4は、電気前足刺激に対応する活性化されたBOLDマップを示す。活性化された領域が検出され、色付きのクラスター(赤と黄色の色)として表示されます。実験者は、AFNIソフトウェアの「クラスター」機能を使用して、クラスター化されたボリュームをインタラクティブに探索し、オーバーレイされた色分けされた画像として表示できます。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61463/61463fig01.jpg"> 図1:前足刺激のためのリアルタイムfMRI実験セットアップ。 リアルタイムfMRIセットアップの簡略化された回路図と、制御パラメータのフロー(破線)を示します。1台のコンピュータ(左)は、パルスシーケンスの実行、刺激アイソレータ制御、およびAFNIによるデータ解析のためのコンソールとして使用されます。もう一方のコンピュータ(右)は、生理学的情報(血圧、呼吸、胸の動きなど)を監視するために使用されます。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61463/61463fig01large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61463/61463fig02.jpg"> 図2:fMRIスキャン中のデータ処理の図。 リアルタイムfMRIセットアップにおける代表的なマクロとAFNI機能を備えたデータ処理の簡略化されたフローチャートを示します。fMRIスキャンを開始する前に、再構成オプションの中から「プレイメージシリーズアクティビティ」オプションと「マクロ実行」オプションが選択されています。「Setup_rt3DEPI」スクリプトは、「スキャン」ボタンをクリックしたときにこれらのオプションを使用して実行されます。「Dimon」コマンドを使用すると、バックグラウンドマクロスクリプト「Feed2AFNI_rt3DEPI」がfMRI生データをAFNIファイルに変換するときに、リアルタイムのAFNIファイルが監視され、AFNIプラグインに送信されて動的な太字応答が表示されます。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61463/61463fig02large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61463/61463fig03.jpg"> 図3:リアルタイムのボクセル単位のfMRI応答。 一次前足体性感覚(FP-S1)皮質からの活性化された単一ボクセル時間経過グラフ(黒い線)は、ブロック設計刺激パラダイム中に示されています。反復fMRI設計パラダイム(赤い線)は、「afni -rt -DAFNI_FIM_IDEAL=(パラダイム)」によって定義されました。このグラフは、明確で安定したBOLD応答がリアルタイムで電気刺激に従うことを示しています。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61463/61463fig03large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61463/61463fig04.jpg"> 図4:対側FP-S1領域における電気刺激に対するBOLD応答の機能マップ。 FP-S1領域(黄色と赤色)で活性化されたボクセルクラスターが特定され、T2強調解剖学的画像にオーバーレイされた反復刺激パラダイムと有意に同期しました。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61463/61463fig04large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
補足ファイル。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61463/supplementary_files.zip" target="_blank">これらのファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>

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Real-Time fMRI Brain Mapping in Animals

動物の脳機能マッピングは、リアルタイムの機能的磁気共鳴画像法(fMRI)実験セットアップの恩恵を受けることができます。動物MRIシステムに実装された最新のソフトウェアを使用して、小動物fMRIのリアルタイムモニタリングプラットフォームを確立しました。

動物におけるリアルタイムfMRI脳マッピング

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

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Neuroscience

3.5K ビュー.  Max Planck Institute for Biological Cybernetics. 動物の脳機能マッピングは、リアルタイムの機能的磁気共鳴画像法(fMRI)実験セットアップの恩恵を受けることができます。動物MRIシステムに実装された最新のソフトウェアを使用して、小動物fMRIのリアルタイムモニタリングプラットフォームを確立しました。

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

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

Functional Magnetic Resonance Imaging fMRI with Auditory Stimulation in Songbirds

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

鳴禽類における聴覚刺激と機能的磁気共鳴画像法（fMRI）

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

行動学

Simultaneous fMRI and Electrophysiology in the Rodent Brain

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

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

齧歯類の脳における同時fMRIと電気生理学

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

神経科学

Functional Neuroimaging Using Ultrasonic Blood-brain Barrier Disruption and Manganese-enhanced MRI

Although mice are the dominant model system for studying the genetic and molecular underpinnings of neuroscience, functional neuroimaging in mice remains technically challenging. One approach, Activation-Induced Manganese-enhanced MRI (AIM MRI), has been used successfully to map neuronal activity in rodents 1-5. In AIM MRI, Mn2+ acts a calcium analog and accumulates in depolarized neurons 6,7. Because Mn2+ shortens the T1 tissue property, regions of elevated neuronal activity will enhance in MRI. Furthermore, Mn2+ clears slowly from the activated regions; therefore, stimulation can be performed outside the magnet prior to imaging, enabling greater experimental flexibility. However, because Mn2+ does not readily cross the blood-brain barrier (BBB), the need to open the BBB has limited the use of AIM MRI, especially in mice.
One tool for opening the BBB is ultrasound. Though potentially damaging, if ultrasound is administered in combination with gas-filled microbubbles (i.e., ultrasound contrast agents), the acoustic pressure required for BBB opening is considerably lower. This combination of ultrasound and microbubbles can be used to reliably open the BBB without causing tissue damage 8-11.
Here, a method is presented for performing AIM MRI by using microbubbles and ultrasound to open the BBB. After an intravenous injection of perflutren microbubbles, an unfocused pulsed ultrasound beam is applied to the shaved mouse head for 3 minutes. For simplicity, we refer to this technique of BBB Opening with Microbubbles and UltraSound as BOMUS 12. Using BOMUS to open the BBB throughout both cerebral hemispheres, manganese is administered to the whole mouse brain. After experimental stimulation of the lightly sedated mice, AIM MRI is used to map the neuronal response.
To demonstrate this approach, herein BOMUS and AIM MRI are used to map unilateral mechanical stimulation of the vibrissae in lightly sedated mice 13. Because BOMUS can open the BBB throughout both hemispheres, the unstimulated side of the brain is used to control for nonspecific background stimulation. The resultant 3D activation map agrees well with published representations of the vibrissae regions of the barrel field cortex 14. The ultrasonic opening of the BBB is fast, noninvasive, and reversible; and thus this approach is suitable for high-throughput and/or longitudinal studies in awake mice.

A technique is described for broadly opening the blood-brain barrier in the mouse using microbubbles and ultrasound. Using this technique, manganese can be administered to the mouse brain. Because manganese is an MRI contrast agent that accumulates in depolarized neurons, this approach enables imaging of neuronal activity.

超音波血液脳関門の破壊とマンガン増強MRIを用いた脳機能イメージングの試み

Although mice are the dominant model system for studying the genetic and molecular underpinnings of neuroscience, functional neuroimaging in mice remains ...

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

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

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

ハイフィールドのfMRIを使って大人の猫における聴覚皮質の機能イメージング

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

Deep Brain Stimulation with Simultaneous fMRI in Rodents

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

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

げっ歯類での同時のfMRIと脳深部刺激

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

Optogenetic Functional MRI

The investigation of the functional connectivity of precise neural circuits across the entire intact brain can be achieved through optogenetic functional magnetic resonance imaging (ofMRI), which is a novel technique that combines the relatively high spatial resolution of high-field fMRI with the precision of optogenetic stimulation. Fiber optics that enable delivery of specific wavelengths of light deep into the brain in vivo are implanted into regions of interest in order to specifically stimulate targeted cell types that have been genetically induced to express light-sensitive trans-membrane conductance channels, called opsins. fMRI is used to provide a non-invasive method of determining the brain's global dynamic response to optogenetic stimulation of specific neural circuits through measurement of the blood-oxygen-level-dependent (BOLD) signal, which provides an indirect measurement of neuronal activity. This protocol describes the construction of fiber optic implants, the implantation surgeries, the imaging with photostimulation and the data analysis required to successfully perform ofMRI. In summary, the precise stimulation and whole-brain monitoring ability of ofMRI are crucial factors in making ofMRI a powerful tool for the study of the connectomics of the brain in both healthy and diseased states.

This protocol describes the steps and data analysis required to successfully perform optogenetic functional magnetic resonance imaging (ofMRI). ofMRI is a novel technique that combines high-field fMRI readout with optogenetic stimulation, allowing for cell type-specific mapping of functional neural circuits and their dynamics across the whole living brain.

光遺伝学機能MRI

The investigation of the functional connectivity of precise neural circuits across the entire intact brain can be achieved through optogenetic functional ...

Precise Brain Mapping to Perform Repetitive In Vivo Imaging of Neuro-Immune Dynamics in Mice

The central nervous system (CNS) is regulated by a complex interplay of neuronal, glial, stromal, and vascular cells that facilitate its proper function. Although studying these cells in isolation in vitro or together ex vivo provides useful physiological information; salient features of neural cell physiology will be missed in such contexts. Therefore, there is a need for studying neural cells in their native in vivo environment. The protocol detailed here describes repetitive in vivo two-photon imaging of neural cells in the rodent cortex as a tool to visualize and study specific cells over extended periods of time from hours to months. We describe in detail the use of the grossly stable brain vasculature as a coarse map or fluorescently labeled dendrites as a fine map of select brain regions of interest. Using these maps as a visual key, we show how neural cells can be precisely relocated for subsequent repetitive in vivo imaging. Using examples of in vivo imaging of fluorescently-labeled microglia, neurons, and NG2+ cells, this protocol demonstrates the ability of this technique to allow repetitive visualization of cellular dynamics in the same brain location over extended time periods, that can further aid in understanding the structural and functional responses of these cells in normal physiology or following pathological insults. Where necessary, this approach can be coupled to functional imaging of neural cells, e.g., with calcium imaging. This approach is especially a powerful technique to visualize the physical interaction between different cell types of the CNS in vivo when genetic mouse models or specific dyes with distinct fluorescent tags to label the cells of interest are available.

This protocol describes a chronic cranial window implantation technique that can be used for longitudinal imaging of neuro-glio-vascular structures, interactions, and function in both healthy and diseased conditions. It serves as a complementary alternative to the transcranial imaging approach that, while often preferred, possesses some critical limitations.

マウスにおける神経免疫ダイナミクスの反復インビボイメージングを行う正確な脳マッピング

The central nervous system (CNS) is regulated by a complex interplay of neuronal, glial, stromal, and vascular cells that facilitate its proper function. ...

免疫・感染学

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.

経頭蓋機能超音波画像を用いたマウスにおける脳全体3D活性化と機能結合性マッピング

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

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.

ラットにおける安静状態機能磁気共鳴画像データの取得

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

In vivo Positron Emission Tomography to Reveal Activity Patterns Induced by Deep Brain Stimulation in Rats

Deep brain stimulation (DBS) is an invasive neurosurgical technique based on the application of electrical pulses to brain structures involved in the patient&#39;s pathophysiology. Despite the long history of DBS, its mechanism of action and appropriate protocols remain unclear, highlighting the need for research aiming to solve these enigmas. In this sense, evaluating the in vivo effects of DBS using functional imaging techniques represents a powerful strategy to determine the impact of stimulation on brain dynamics. Here, an experimental protocol for preclinical models (Wistar rats), combined with a longitudinal study [18F]-fluorodeoxyclucose positron emission tomography (FDG-PET), to assess the acute consequences of DBS on brain metabolism is described. First, animals underwent stereotactic surgery for bilateral implantation of electrodes into the prefrontal cortex. A post-surgical computerized tomography (CT) scan of each animal was acquired to verify electrode placement. After one week of recovery, a first static FDG-PET of each operated animal without stimulation (D1) was acquired, and two days later (D2), a second FDG-PET was acquired while animals were stimulated. For that, the electrodes were connected to an isolated stimulator after administering FDG to the animals. Thus, animals were stimulated during the FDG uptake period (45 min), recording the acute effects of DBS on brain metabolism. Given the exploratory nature of this study, FDG-PET images were analyzed by a voxel-wise approach based on a paired T-test between D1 and D2 studies. Overall, the combination of DBS and imaging studies allows describing the neuromodulation consequences on neural networks, ultimately helping to unravel the conundrums surrounding DBS.

In vivo Positron Emission Tomography to Reveal Activity Patterns Induced by Deep Brain Stimulation in Rats

We describe a preclinical experimental method to evaluate metabolic neuromodulation induced by acute deep brain stimulation with in vivo FDG-PET. This manuscript includes all experimental steps, from stereotaxic surgery to the application of the stimulation treatment and the acquisition, processing, and analysis of PET images.

生体内 ラットの脳深部刺激による活動パターンを明らかにする陽電子放出断層撮影法

Deep brain stimulation (DBS) is an invasive neurosurgical technique based on the application of electrical pulses to brain structures involved in the ...

動物におけるリアルタイムfMRI脳マッピング

要約

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鳴禽類における聴覚刺激と機能的磁気共鳴画像法（fMRI）

齧歯類の脳における同時fMRIと電気生理学

超音波血液脳関門の破壊とマンガン増強MRIを用いた脳機能イメージングの試み

ハイフィールドのfMRIを使って大人の猫における聴覚皮質の機能イメージング

げっ歯類での同時のfMRIと脳深部刺激

光遺伝学機能MRI

マウスにおける神経免疫ダイナミクスの反復インビボイメージングを行う正確な脳マッピング

経頭蓋機能超音波画像を用いたマウスにおける脳全体3D活性化と機能結合性マッピング

ラットにおける安静状態機能磁気共鳴画像データの取得

生体内ラットの脳深部刺激による活動パターンを明らかにする陽電子放出断層撮影法

動物におけるリアルタイムfMRI脳マッピング

要約

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鳴禽類における聴覚刺激と機能的磁気共鳴画像法（fMRI）

齧歯類の脳における同時fMRIと電気生理学

超音波血液脳関門の破壊とマンガン増強MRIを用いた脳機能イメージングの試み

ハイフィールドのfMRIを使って大人の猫における聴覚皮質の機能イメージング

げっ歯類での同時のfMRIと脳深部刺激

光遺伝学機能MRI

マウスにおける神経免疫ダイナミクスの反復インビボイメージングを行う正確な脳マッピング

経頭蓋機能超音波画像を用いたマウスにおける脳全体3D活性化と機能結合性マッピング

ラットにおける安静状態機能磁気共鳴画像データの取得

生体内 ラットの脳深部刺激による活動パターンを明らかにする陽電子放出断層撮影法

生体内ラットの脳深部刺激による活動パターンを明らかにする陽電子放出断層撮影法