동물의 실시간 fMRI 뇌 매핑

요약

동물의 뇌 기능 매핑은 실시간 기능 자기 공명 영상 (fMRI) 실험 설정의 이점을 누릴 수 있습니다. 동물 MRI 시스템에 구현된 최신 소프트웨어를 사용하여 소형 동물 fMRI에 대한 실시간 모니터링 플랫폼을 구축했습니다.

초록

동적 fMRI 반응은 마취 상태 또는 깨어있는 상태의 동물의 생리적 조건에 따라 크게 다릅니다. 우리는 실험자가 획득 중에 fMRI 반응을 즉시 모니터링하도록 안내하는 실시간 fMRI 플랫폼을 개발했으며, 이는 동물의 뇌에서 원하는 혈역학 반응을 달성하기 위해 동물의 생리학을 수정하는 데 사용할 수 있습니다. 실시간 fMRI 설정은 14.1T 전임상 MRI 시스템을 기반으로 하며, 마취된 쥐의 일차 전발 체성 감각 피질(FP-S1)에서 동적 fMRI 반응의 실시간 매핑을 가능하게 합니다. 실시간 fMRI 플랫폼은 fMRI 신호의 가변성으로 이어지는 교란 소스를 조사하기 위한 후향적 분석 대신 맞춤형 매크로 기능과 MRI 시스템의 일반적인 신경 이미지 분석 소프트웨어를 사용하여 동적 fMRI 반응을 식별하는 보다 효과적인 체계를 제공합니다. 또한 동물의 뇌 기능 연구를 위한 즉각적인 문제 해결 가능성과 실시간 바이오피드백 자극 패러다임을 제공합니다.

서문

기능적 자기 공명 영상(fMRI)은 뇌의 신경 활동과 관련된 혈 역학적 반응 1,2,3,4,5,6,7,8,9^, 예를 들어 혈중 산소 수준 의존적(BOLD), 뇌 혈액량 및 유동 신호를 측정하는 비침습적 방법입니다. 동물 연구에서, 혈역학적 신호는 마취(10), 깨어 있는 동물⁽¹¹)의 스트레스 레벨, 뿐만 아니라 잠재적인 비생리학적 인공물, 예를 들어, 심장 맥동 및 호흡 운동^(12,13,14,15)에 의해 영향을 받을 수 있다. 과제 관련 및 휴지기 상태 기능 역학 및 연결성 맵핑(^16,17,18,19)에 대한 fMRI 신호의 후향적 분석을 제공하기 위해 많은 후처리 방법이 개발되었지만^, 동물 뇌(20)에서 실시간 뇌 기능 맵핑 솔루션 및 순간 판독을 제공하는 기술은 거의 없으며(대부분은 주로 인간 뇌 맵핑(²¹)에 사용됨^). 22,23,24,25,26,27). 특히, 이러한 종류의 실시간 fMRI 맵핑 방법은 동물 연구에서 부족하다. 실시간 뇌 상태 의존적 생리적 단계를 조사하고 동물 뇌 기능 연구를 위한 실시간 바이오피드백 자극 패러다임을 제공하기 위해 fMRI 플랫폼을 설정해야 합니다.

본 연구에서는 MRI 콘솔 소프트웨어의 맞춤형 매크로 기능을 사용한 실시간 fMRI 실험 설정을 설명하여 마취된 쥐의 일차 전발 체성 감각 피질(FP-S1)에서 유발된 BOLD-fMRI 반응의 실시간 모니터링을 시연합니다. 이 실시간 설정을 통해 기존 신경 이미지 분석 소프트웨어인 AFNI(Analysis of Functional NeuroImages)²⁸을 사용하여 기능 맵에서 진행 중인 뇌 활성화와 복셀 방식으로 개별 시간 과정을 시각화할 수 있습니다. 동물 연구를 위한 실시간 fMRI 실험 셋업의 제조는 프로토콜에 기재되어 있다. 동물 설정 외에도 이미지 처리 스크립트와 병행하여 최신 콘솔 소프트웨어를 사용하여 실시간 fMRI 신호의 시각화 및 분석을 설정하는 자세한 절차를 제공합니다. 요약하면, 동물 연구를 위해 제안된 실시간 fMRI 설정은 MRI 콘솔 시스템을 사용하여 동물 뇌의 동적 fMRI 신호를 모니터링하기 위한 강력한 도구입니다.

프로토콜

이 연구는 독일 동물 복지법 (TierSchG) 및 동물 복지 실험실 동물 조례 (TierSchVersV)에 따라 수행되었습니다. 여기에 설명 된 실험 프로토콜은 윤리위원회 (§15 TierSchG)에 의해 검토되었으며 주 당국 (Regierungspräsidium, Tübingen, Baden-Württemberg, Germany)에 의해 승인되었습니다.

1. 소형 동물 연구를 위한 BOLD-fMRI 실험 설정 준비

1. 콘솔 소프트웨어를 켜서 이미징 파라미터를 제어하고 MRI 데이터를 수집합니다.
   참고: 제안된 실시간 fMRI 설정은 AFNI의 이미지 처리 기능과 병행하여 콘솔 소프트웨어(버전 6)의 매크로 기능을 사용하여 구현됩니다.
2. 작업 공간 탐색기를 사용하여 MR 시퀀스(예: 위치, 로컬라이저, 이완 향상을 통한 신속한 획득(RARE) 및 3D 에코 평면 이미징(EPI))를 찾은 다음 스캔 목록에 끌어서 추가합니다.
   참고: 위치 및 로컬라이저 시퀀스는 뇌의 관심 영역(ROI)을 식별하는 데 사용됩니다. RARE 시퀀스는 해부학 스캔에 사용됩니다. 3D EPI 시퀀스는 동적 BOLD 응답을 측정하는 데 사용됩니다.
3. 미리 정의된 매크로 스크립트 "Setup_rt3DEPI" 및 "Feed2AFNI_rt3DEPI"를 매크로 스크립트 경로에 배치합니다(예: "/opt/(PV 버전)/prog/curdir/(사용자 이름)/ParaVision/매크로"). "데이터 재구성" 사용자 인터페이스 메뉴에서 3D EPI 재구성 옵션인 "사전 이미지 시리즈 활동" 및 "매크로 실행"을 활성화한 다음 "스캔" 버튼을 클릭하기 전에 미리 정의된 매크로 스크립트 "Setup_rt3DEPI"를 연결합니다.
   참고: 매크로 스크립트는 추가 파일에 포함되어 있습니다.
4. 실시간 BOLD-fMRI 분석 및 시각화를 위해 AFNI 소프트웨어를 설치합니다.

2. 카테터 삽입 및 환기 수술

1. 그림 1과 같이 인공 호흡기와 온도계, 혈압 및 호흡 기록과 같은 생리적 상태 모니터링 시스템을 설정하십시오. 인공 호흡기로 60 ± 1 호흡 / 분의 일정한 주파수를 설정하고 피드백 제어 세트가있는 MR 호환 가열 패드를 사용하여 온도를 37 ° C로 설정하십시오.
2. 유도를 위해 5 % 이소 플루 란이있는 챔버에서 성인 수컷 Sprague-Dawley 쥐 (300-600g)를 마취시키고 기화기에서 수술을 위해 2-2.5 % 이소 플루 란을 전달합니다. 뒷발을 꼬집고 금단 반응이 없는지 확인하여 마취 깊이를 확인하십시오.
3. 환기를 위해 14G 플라스틱 캐뉼러로 동물에게 삽관하십시오 (70 % 공기와 30 % 산소의 혼합물로 60 ± 1 회 호흡 / 분). 호기말 이산화탄소 (_CO2)를 25 ± 5 mmHg²⁹의 범위로 조정하십시오.
   알림: 삽관은 fMRI 실험을 통해 적절한 CO₂ 수준을 유지하는 데 중요합니다.
4. 동물을 수술대에 앙와위 자세로 놓고 전기 면도기로 허벅지를 면도하십시오. 그런 다음 수술 용 가위로 면도 한 피부를 절개하십시오.
   참고: 절개 부위의 길이는 길이 방향으로 약 1-2cm입니다.
5. 카테터 삽입을 위해 절개 된 부위 아래에서 대퇴 동맥과 정맥을 찾고 개별 대퇴 동맥과 정맥을 주변 조직과 분리하십시오.
6. 분리 된 대퇴 동맥의 한쪽을 외과 봉합사로 고정하고 다른 쪽은 마이크로 불독 집게로 잡습니다. 그런 다음 대퇴 동맥의 묶인 부위 사이에 작은 절개를하십시오.
7. 작은 절개를 통해 대퇴 동맥에 카테터를 삽입하고 카테터와 동맥을 수술 봉합사와 함께 묶습니다. 생리적 모니터링 시스템으로 동맥 혈압을 80-120 mmHg 범위로 지속적으로 모니터링하고 동맥혈 가스를 정기적으로 측정하여 스캔하는 동안 최소 90 mmHg의 pO 2 및 30-45 mmHg의 pCO₂를 유지합니다.
   알림: 이 카테터 삽입은 fMRI 실험 중 동맥 혈압을 모니터링하는 데 중요합니다.
8. 대퇴 정맥의 양쪽 끝을 실크 꼰 수술 봉합사로 고정하십시오. 그런 다음 대퇴 정맥의 묶인 부위 사이에 작은 절개를하십시오. 봉합을 사용하여 봉합을 수행하십시오.
   참고: 봉합사의 크기는 약 1-2cm입니다.
9. 카테터를 대퇴 정맥에 삽입하십시오. 카테터와 정맥을 외과 봉합사와 함께 묶으십시오.
   참고: 이 카테터 삽입은 정맥을 통해 알파-클로랄로스를 투여하고 fMRI 실험 중에 마취 수준을 조정하는 데 중요합니다. 동물이 잘 마취되지 않으면 자발적으로 호흡하기 시작합니다. 이 경우 호흡 운동 인공물을 피하기 위해 더 많은 알파-클로랄로스를 투여해야 합니다.
10. 면도 한 피부에 수술 절개를 봉합하십시오. 수술 절차가 완료되면 대퇴 정맥에 연결된 카테터를 통해 ~ 80mg / kg의 용량으로 알파-클로랄로스 볼루스를 주입하여 동물을 마취시키고 동시에 이소 플루 란 투여를 중단하십시오.

3. MRI 스캐너 안에 동물 배치

1. 2.10 단계가 완료되는 즉시 마취된 동물을 MRI 스캐너로 옮기고 맞춤형 크래들에 고정합니다.
2. 동물에 실시간 피드백 직장 온도계를 삽입하여 동물의 체온을 모니터링합니다. 온도를 조절하기 위해 동물의 몸통 아래에 가열 패드를 놓습니다. MRI 스캔 중에 체온을 37.0 ± 0.5 ° C로 유지하십시오.
3. 근육 이완제인 판쿠로늄(~2mg/kg/h)의 혼합물에 ~25mg/kg/h 용액으로 알파-클로랄로스를 지속적으로 전달하면서 동물을 마취된 상태로 유지하고 fMRI 이미지에서 모션 아티팩트를 줄입니다. 생리적 상태에 따라 약물의 양과 환기 속도를 조정하여 혈압과 호흡을 모니터링합니다.
4. fMRI 실험 중 건조를 방지하기 위해 동물의 눈에 안과 용 연고를 투여하십시오. 머리 움직임 아티팩트를 피하기 위해 두 개의 이어 바로 동물의 머리를 안전하게 고정하십시오.
5. 트랜시버 표면 코일을 헤드에 고정합니다. MRI 측정 전에 코일을 헤드의 Larmor 주파수(예: 599T에서 14.1MHz)에 맞추고 일치시킵니다.
   알림: 여기에서 직경 22mm의 코일은 쥐의 전체 뇌를 덮는 데 사용됩니다.
6. 한 쌍의 바늘 전극을 숫자 1과 4 사이의 앞발 피부에 삽입하고 수술 용 테이프로 고정하십시오. 그런 다음 자극 입력 케이블을 이들 전극⁽³⁰)에 연결한 후 자극이 제대로 작동하는지 확인합니다.
7. 동물을 MRI 보어에 삽입하고 대략 등심에 놓습니다.

4. 해부학적 MR 이미지 측정

1. 기본 사용자 인터페이스에서 보정 메뉴 버튼을 클릭합니다. 조정 플랫폼 사용자 인터페이스에서 다음 항목을 클릭하여 MRI 시스템의 보정을 수행합니다(콘솔 소프트웨어의 도움말 메뉴 참조): 기본 공진 주파수 찾기, RF 펄스 전력 보정, 최적의 수신기 게인 설정, 심볼링을 위한 동물의 B0 맵 측정, 비국소화 자유 유도 감쇠(FID) 적분을 기반으로 글로벌 선형 심 실행.
   참고: 이 단계는 2분 미만이 소요됩니다.
2. "스캔" 버튼을 클릭하여 위치 시퀀스를 실행하여 MRI 구멍 안에 있는 동물의 머리 위치를 찾습니다. 헤드가 등중심에 있지 않으면 헤드가 등중심에 위치할 때까지 크래들을 앞뒤로 움직이면서 헤드 위치를 조정합니다.
3. "스캔" 버튼을 클릭하여 로컬라이저 시퀀스를 실행하여 헤드에서 ROI를 식별합니다. Map Shim을 선택하고 로컬라이저 이미지에서 전체 브레인을 포함하도록 심 볼륨의 ROI를 정의한 다음 "Shim upto" 옵션을 사용하여 고차(예: 2차 또는 3^차) 심밍을 실행하여 ROI에서 주 자기장(B0) 비균질성을 줄입니다.
   참고: 고차 시밍은 EPI 시퀀스를 사용할 때 BOLD-fMRI 데이터의 품질을 개선하기 위한 중요한 단계입니다.
4. "스캔" 버튼을 클릭하여 T2 가중 RARE 시퀀스를 실행하여 코로나 보기에서 뇌 전체를 덮는 해부학적 이미지를 획득합니다(예: 반복 시간(TR) 4000ms, 유효 에코 시간(TE) 36.1ms, 매트릭스 128 x 128, 시야각(FOV) 19.2x19.2mm2, 슬라이스 수³², 슬라이스 두께 0.3mm, 희귀 인자 8).
   참고: 다음 실시간 fMRI 시각화 단계에서 해부학적 이미지는 3D EPI 이미지를 템플릿으로 등록하는 데 사용됩니다.

5. 실시간 fMRI 소프트웨어 설정 및 fMRI 반응 시각화

1. 터미널 창을 열고 다음 명령을 사용하여 실시간 AFNI 플러그인 경로로 이동합니다.
   CD / 홈 / (사용자 이름) / rt_afni
   참고: AFNI 플러그인 스크립트 "afni_rt"는 보조 파일에 포함되어 있습니다.
2. 아래 명령과 옵션을 사용하여 실시간 플러그인으로 AFNI 소프트웨어를 실행하십시오.
   아프니 -RT
   -예스트플러그아웃
   -DAFNI_REALTIME_MP_HOST_PORT=로컬 호스트:(포트 번호)
   -DAFNI_REALTIME_Graph=실시간
   -DAFNI_FIM_IDEAL=(패러다임)
   참고 : 첫 번째 경우에는 코드를 통해 외부 프로그램이 AFNI와 데이터를 교환 할 수 있지만 두 번째 경우에는 실시간 플러그인이 사용자 정의 로컬 호스트 및 포트에 대한 TCP 소켓을 열려고 시도합니다. 세 번째 및 네 번째 경우에서, 코드는 실시간으로 fMRI 데이터의 시간 과정을 플로팅하고, 실시간 fMRI 데이터가 획득될 때 각각 fMRI 시간 과정에서 사용자 정의 패러다임의 시간 과정을 플로팅할 것이다. 자세한 내용은 https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/README.environment.html 확인하십시오.
3. 다음 옵션과 함께 그림 2 와 같이 "Dimon" 명령을 사용하여 정의된 예정된 AFNI BRIK 파일을 모니터링합니다.
   Dimon -tr (TR of EPI) -nt (NEPI의 반복)
   -rt -종료
   -infile_pattern 실시간*. 브릭
   -file_type 아프니
   참고 : "Dimon"은 실시간 플러그인을 실행하는 "-rt"및 "-infile_pattern (데이터 이름) 옵션을 사용하여 AFNI 이미지 파일의 실시간 수집을 모니터링하는 명령입니다. BRIK -file_type AFNI"를 사용하면 플러그인이 특정 BRIK 파일을 읽고 표시 및 포맷을 위해 AFNI로 보낼 수 있습니다. 자세한 내용은 https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/Dimon.html 확인하십시오.
4. 다음 옵션과 함께 "pvcmd"명령을 사용하십시오.
   pvcmd -a JMacroManager JMMExecuteMacro -category $USER -macro Feed2AFNI_rt3DEPI
   참고: 이 코드는 EPI 획득을 위해 "스캔" 버튼을 클릭한 직후 백그라운드 매크로 스크립트 "Feed2AFNI_rt3DEPI"를 실행하기 위해 매크로 스크립트 "Setup_rt3DEPI"에 있습니다.
5. "exec pvcmd" 명령을 다음 옵션과 함께 사용하여 EPI 획득 파라미터를 가져옵니다.
   exec pvcmd -a ParxServer -r ParamGetValue -psid $ParSpaceId -param (EPI의 PVM 파라미터) -id 10 -args $AcqKey $ParSpaceId $ProcnoPath
6. "exec to3d" 명령을 다음 옵션과 함께 사용하여 EPI 원시 데이터를 백그라운드 매크로 스크립트 "Feed2AFNI_rt3DEPI"에서 실시간으로 AFNI 파일로 변환합니다.
   exec to3d -omri -xFOV $FOV_X -yFOV $FOV_Y -zFOV $FOV_Z -prefix $LastVolName $ImgFormat$Path2dseq
7. EPI 기하학적 정보가 해부학 방향과 일치하는지 확인하십시오.
   참고: "to3d" AFNI 명령은 그림 2와 같이 각 3D 볼륨 데이터가 모든 단일 TR 후에 저장될 때마다 fMRI 원시 데이터를 하나의 AFNI BRIK 데이터로 변환하기 위해 시야(FOV) 및 매트릭스 크기와 같은 기하학적 정보와 함께 자동으로 실행됩니다. 이미지 방향은 "to3d"의 기하학적 정보 매개 변수로 변경할 수 있습니다. 자세한 내용은 https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/to3d.html 확인하십시오.
8. 전기 자극 아이솔레이터를 켜고 자극 블록을 사용하여 유발된 fMRI 연구(예: 3Hz, 4s 펄스 폭 300us, 2.5mA)에 대해 전기 앞발 자극을 수행합니다.
   참고: 여기서 블록 설계 패러다임은 10개의 사전 자극 스캔, 3개의 자극 스캔 및 12개의 자극 간 스캔(에포크당 15개의 스캔)으로 구성됩니다.
9. BOLD-fMRI 연구를 위해 "스캔" 버튼을 클릭하여 T2* 가중 3D EPI 시퀀스를 실행합니다(예: TR/TE 1500/14ms, 매트릭스 64 x 64 x 32, FOV 19.2 x 19.2 x 9.6mm3, 분해능 300 x 300 x 300μm³).
   참고: "스캔" 버튼을 클릭하자마자 사전 정의된 매크로 스크립트를 사용하여 원시 데이터를 실시간으로 모니터링하고 처리합니다. 하나의 AFNI BRIK 데이터 세트가 변환되면 3D EPI 이미지에 대한 복셀 단위 시간 코스 그래프가 AFNI 소프트웨어에 표시되고 모든 단일 TR에 대해 자동으로 업데이트됩니다.
10. 해부학적 RARE 이미지 위에 EPI 이미지를 오버레이하려면 5.6단계와 같이 "to3d" 명령을 사용하여 RARE 이미지를 AFNI BRIK 데이터 세트로 변환한 다음 다음 옵션과 함께 "align_epi_anat.py" AFNI 스크립트를 사용하여 EPI 이미지를 해부학적 이미지에 등록합니다.
    align_epi_anat.py -anat anatomy_template_al+orig -epi epi.$(epi data number)+orig -epi_base 1 -접미사 _volreg -rat_align -비용 LPA -epi2anat
    참고: 자세한 내용은 https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/ align_epi_anat.py.html 확인하십시오.
11. BOLD 응답의 기능 맵을 처리하려면 다음 옵션과 함께 "3dDeconvolve" 명령을 사용하여 특정 자극 시계열이 있는 3D+시간 데이터셋의 디콘볼루션을 계산합니다.
    3dDeconvolve -입력 (입력 파일 이름)+orig. -n처음 0 -polort 3 -num_stimts 1 -stim_times 1 (자극 패러다임 파일 이름) '블록(4,1)' -stim_label 앞발 1개 -선전 -파우트 -패루트
    참고: 공간 스무딩 또는 시간 필터링과 같은 이미지 처리 단계가 사용자 지정된 AFNI 데이터 처리 스크립트에 통합되었습니다. 자세한 내용은 https://afni.nimh.nih.gov/afni/doc/help/3dDeconvolve.html 확인하십시오.
12. BOLD 신호의 기능 맵을 시각화하려면 AFNI 소프트웨어에서 대화형 클러스터링을 사용하십시오. "오버레이 정의" 옵션을 열고 AFNI 사용자 인터페이스 메뉴에서 "클러스터" 기능을 사용합니다.
13. 마지막 fMRI 스캔 후 MRI 스캐너에서 동물을 꺼내 승인 된 프로토콜에 따라 안락사시킵니다.
    참고: AFNI의 이미지 처리 기능과 최신 콘솔 소프트웨어의 매크로 기능을 사용하여 실시간 fMRI 데이터를 처리했습니다. 매크로 기능에 대한 자세한 정보와 설명은 콘솔 소프트웨어의 도움말 메뉴에서 찾을 수 있습니다. AFNI 소프트웨어는 NIMH-AFNI 웹 사이트를 통해 직접 다운로드 할 수있는 프리웨어입니다. AFNI와 콘솔 시스템 간의 연결을 구축하기 위한 관련 스크립트가 첨부되어 있습니다.

결과

그림 3 및 그림 4는 대표적인 실시간 복셀별 BOLD-fMRI 시간 과정 및 전기 앞발 자극(3Hz, 4초, 펄스 폭 300us, 2.5mA)을 사용한 기능 맵을 보여줍니다. fMRI 설계 패러다임은 10개의 사전 자극 스캔, 3개의 자극 스캔 및 총 8개의 에포크(130개 스캔)가 있는 12개의 자극 간 스캔으로 구성됩니다. 총 스캔 시간은 3분 15초(195초)입니다. 도 3은 블록-?...

토론

fMRI 신호의 실시간 모니터링은 실험자가 동물의 생리학을 조정하여 기능적 매핑을 최적화하는 데 도움이 됩니다. 깨어있는 동물의 운동 인공물과 마취 효과는 fMRI 신호의 가변성을 매개하는 주요 요인이며, 그 자체로 신호의 생물학적 해석을 혼란스럽게합니다 31,32,33,34,35,36,37,38^...

자료

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