Os autores gostariam de agradecer as contribuições de Kyle Gilbert, que projetou a bobina RF personalizado e Kevin Barker, que projetou o trenó MRI-compatível. Este trabalho foi financiado pelos Institutos Canadenses de Pesquisa em Saúde (CIHR), Ciências Naturais e Council of Canada (NSERC) Pesquisa de Engenharia, e no Canadá Fundação para a Inovação (TPI).

O seguinte procedimento pode ser aplicado a qualquer experiência de imagem em que são utilizados gatos anestesiados. As medidas que são especificamente necessárias para experiências auditivas (passos 1,1-1,7, 2,8, 4,1) pode ser modificado para acomodar outros protocolos de estímulo sensorial. Todos os procedimentos experimentais recebeu a aprovação do Uso de Animais Subcomissão do Conselho Universitário sobre Cuidados Animais da Universidade de Western Ontario e seguiu as orientações especificadas pelo Canadian Council on Animal Care (CCAC) 44. O experimento descrito necessita de aproximadamente 150 min, desde a preparação de animais para a recuperação. O curso do tempo da experiência está ilustrada na Figura 1. 1. Estímulo Equipamentos Preparação A Figura 2 mostra os componentes electrónicos e ligações correspondentes necessários para a geração de um estímulo auditivo no scanner de IRM. Os requisitos são os forma: um computador, uma placa de som externa, um amplificador de potência stereo e um sistema de fone de ouvido compatível com fMRI. <ol><li> Ligue o computador que será utilizado para apresentar o estímulo auditivo para a placa de som externa através da (USB) Cabo Universal Serial Bus. </li><li> Conecte os cabos que ligam os portos da placa de som externa de saída para as portas de entrada do amplificador de potência estéreo. </li><li> Conecte os cabos que ligam os portos do amplificador de potência estéreo de saída para as portas de entrada da caixa do transformador do sistema de fone de ouvido compatível com fMRI. </li><li> Conecte os fones de ouvido binaural para as portas da caixa de transformador de saída. </li><li> Use cabos blindados coaxiais com conexões BNC para conectar a caixa de transformador para o painel de penetração fora da sala de scanner. </li><li> Conecte o conjunto de cabo do fone de ouvido para os portos correspondentes BNC no painel penetração dentro da sala de scanner. </li><li> Conecte as pontas de espuma de ouvido para os fones de ouvido, em seguida, conectar os fones de ouvido to conjunto de cabos. Executar um teste de estímulo auditivo para confirmar que o som está sendo transmitido do computador para os fones de ouvido. Desconecte os fones de ouvido e inserir as pontas de espuma de ouvido com segurança nos ouvidos do gato durante a fase de preparação de animais (passo 2.7). </li></ol> 2. Preparação animal <ol><li> Para premedicate o gato, administrar uma mistura de sulfato de atropina sedativo (0,02 mg / kg) e acepromazina (0,02 mg / kg) através de uma injecção subcutânea (SC). </li><li> Após 20 min, administrar a cetamina (4 mg / kg) e cloridrato de dexmedetomidina (0,02-0,03 mg / kg) através de uma injecção intramuscular (IM) para induzir a anestesia. A cetamina é geralmente combinada com um sedativo e relaxante muscular, neste caso, o cloridrato de dexmedetomidina, para reduzir os tremores e rigidez muscular frequentemente observados quando a cetamina é utilizado sozinho 45. Esta combinação de anestésico geralmente induz aproximadamente 150 min de sedação e é frequentemente utilizado na prática veterinária para induziranestesia em animais de pequeno porte. </li><li> Uma vez que o gato perdeu o seu reflexo de endireitamento, aplicar pomada oftálmica para os olhos para evitar a secura durante o procedimento. Coloque um cateter na veia safena medial para administração intravenosa de cetamina. </li><li> Teste para indução anestésica sucesso por beliscar um dedo do pé na pata dianteira então observar se o gato retira a sua pata. Uma vez que o reflexo pedal desaparece, suprimir o reflexo de vômito por aspersão de lidocaína nas paredes da faringe depois entubar o gato com um tubo endotraqueal 4,0-4,5. </li><li> Manter anestesia durante toda a sessão de imagens com uma infusão de taxa constante de ketamina (,6-,75 mg / kg / h) e isoflurano inalado (0,4-0,5%) entregue em oxigênio a 100% 1-1,5 L / min. Combinar 60 mL de solução salina e 0,07 ml de cetamina em uma seringa de 60 ml, em seguida, colocar a seringa na bomba de seringa. Este passo pode ser realizado antes premedicating o gato. </li><li> Lugar quente almofadas de aquecimento cheio de cera no chão dos s MRI-compatívelled (Figuras 3a e 3c), em seguida, a camada de isolante plástico bolha de plástico ao redor das paredes interiores do trenó. </li><li> Coloque o gato em uma posição esternal dentro do envoltório de bolha de isolamento no trenó MRI-compatível (Figura 3c). </li><li> Uma vez que o gato está posicionado, ajustar a cabeça de acesso para os ouvidos. Rolar as pontas da orelha da espuma para o menor diâmetro possível, então insira cada ponta da orelha profundamente no canal auditivo. Uma vez inserido, as pontas de ouvido de espuma deve expandir-se para encher o espaço dentro do canal auditivo. </li><li> Ajuste o gato até que sua cabeça está devidamente posicionado dentro da bobina (Figura 3b) de 3 canais de rádio-freqüência (RF). Estabilize a cabeça com acústica de espuma de memória de amortecimento (Figura 3d). Coloque espuma em torno das orelhas para proporcionar a atenuação adicional do ruído do scanner. </li><li> Enrole o gato no cobertor de isolamento plástico bolha de plástico, em seguida, proteger e transportar o trenó para o scanner. </li><li> Ligue as linhas de infusão, tubos de distribuição de anestésicos e equipamentos de monitoramento para o gato. Conecte os fones de ouvido para o conjunto de cabo do fone de ouvido conectado ao painel de penetração. </li><li> O início da infusão de cetamina à taxa de fluxo de base de 0,6 mg / kg / hr, em seguida, aumentar a taxa de fluxo tal como exigido com base na profundidade de anestesia. Definir a dose inicial isoflurano a 0,5%, em seguida diminuir para 0,4% uma vez que os exames anatômicos foram recolhidos. </li><li> Monitorar e gravar a saturação do gato de oxigênio no sangue, CO exalado 2 andares, freqüência cardíaca, respiração e temperatura retal (se possível) durante todo o experimento usando equipamento de monitoramento MRI-compatível posicionado a uma distância adequada do furo scanner. Tabela 1 apresenta os Os valores médios e os intervalos das medições fisiológicas para a execução bem sucedida deste procedimento. Aumentos constantes na freqüência cardíaca e respiração são normalmente associados com a recuperação iminente da anestesia. </li><li> Após as sessão estiver concluída, remova o gato do trenó. Continuar a fornecer aquecimento suplementar com almofadas de aquecimento e toalhas até que o animal se recupera totalmente. Uma vez que os reflexos da mordaça retornos, remova o tubo endotraqueal. Monitorar o gato até que o reflexo de endireitamento é restaurada em seguida, retornar o animal para a instalação. Avaliar o animal no dia após o procedimento para garantir que não haja efeitos negativos da experiência. </li></ol> 3. Brain Imaging <ol><li> Colete scans anatômicas do cérebro do gato em uma orientação fatia axial. Utilize os seguintes parâmetros de imagem para o volume de referência anatômica: Seqüência de imagens FLASH com TR = 750 ms, TE = 8 ms, matriz = 256 x 256, a aquisição tamanho do voxel = 281 mM mM x 281 x 1,0 mm. A duração do exame anatômico é de aproximadamente 6 min. Figura 4 (painel esquerdo) oferece uma fatia de anatômica amostra obtida usando os parâmetros especificados. </li><li> Utilize os seguintes parâmetros de imagem para o functiovolumes nal: aquisição de eco-planar intercalado segmentada (EPI), com TR = 1.000 ms, TE = 15 ms, 3 segmentos / avião, 21 x 1 mm fatias; matriz = 96 x 96; campo de visão = 72 milímetros x 72 mm; aquisição tamanho do voxel = 0,75 milímetros x 0,75 mm x 1,0 mm;. tempo de aquisição = 3 seg / volume Figura 4 (painel direito) fornece uma fatia de imagem funcional amostra obtida usando os parâmetros especificados. </li></ol> 4. Estímulo Apresentação <ol><li> Apresentar um ruído branco estímulo de banda larga (0-25 kHz, 100 rajadas ms com 5 tempo de subida / descida ms, uma apresentação a cada 200 ms, 90-100 dB SPL), em um delineamento em blocos em que o estímulo auditivo é jogado por 30 segundos e alternado com uma linha de base de 30 segundos (sem estímulo) condição (Figura 5). Repita este passo até que a atividade BOLD acusticamente evocadas é observada no córtex auditivo. A duração de cada corrida funcional utilizando um delineamento em blocos é de aproximadamente 4,5 min por 90 volumes. </li><li> Apresentar o estímulo no apquada configuração de blocos para o número desejado de execuções funcionais. </li></ol> 5. Análise de Dados <ol><li> Selecione o software de análise fMRI apropriado (por exemplo, SPM, FSL) para processar os volumes funcionais adquiridas. </li><li> Realinhar cada volume funcional com o volume adquirido mais próxima no tempo a referência anatômica digitalização. Salve os valores de correção de movimento resultantes para uso no passo 5.6. Excluir quaisquer execuções funcionais em que os movimentos da cabeça de rotação superiores a 1 ° ou movimentos da cabeça de translação exceder 1 mm. </li><li> Coregister cada volume a referência anatômica digitalização. </li><li> Alise cada volume com 2 milímetros metade do máximo de largura total (FWHM) do filtro de Gauss. </li><li> Incorporar uma função de onda quadrada (vagão), que corresponde ao projeto de bloco estímulo ON-OFF como um regressor para o modelo linear geral (GLM). </li><li> Incorporar valores de correção de movimento como regressores de interesse para explicar artefatos relacionados ao movimento. Aplique um ulimiar estatístico ncorrected de p = 0,001 para a GLM resulta para ver aglomerados de ativação BOLD. Determine o tamanho do menor grupo que se reúne uma corrigido (erro sábio-family: FWE) limiar de p &lt;0,05 no nível de cluster. Defina o limite de extensão de cluster para esse valor para ver agrupamentos estatisticamente significativos em regiões de interesse. </li><li> Defina o BOLD mudança de sinal de porcentagem (PSC) em cada voxel como a diferença entre o sinal BOLD média durante os blocos de estimulação e do sinal BOLD média durante os blocos de linha de base. </li></ol>

Os autores declaram não haver conflitos de interesse, financeira ou outra.

Na concepção de um experimento fMRI para um modelo animal anestesiado da função auditiva, as seguintes questões deve ser dada cuidadosa consideração: (i) o impacto da anestesia nas respostas corticais, (ii) o efeito do ruído do scanner plano, e (iii) a optimização da fase de recolha de dados do procedimento experimental. Enquanto uma preparação anestesiado oferece a importante vantagem de produzir um prolongado período de sedação e minimizando o movimento da cabeça potencial ...

Compreensão atual do processamento auditivo em mamíferos é derivado principalmente de estudos eletrofisiológicos invasivos em macacos 1-5, 6-10 furões, morcegos, roedores 11-14 15-19, 20-24 e gatos. Técnicas eletrofisiológicas comumente utilizam microeletrodos extracelulares para registrar a atividade de neurônios individuais e múltiplas dentro de uma pequena área de tecido neural em torno da ponta do eletrodo. Fundada métodos de imagem funcionais, tais como imagens ópticas e de ressonância magnética funcional (fMRI), servem como complementos úteis para gravações extracelular, fornecendo uma perspectiva macroscópica orientados para actividades simultâneas em vários regiões, espacialmente distintas do cérebro. Sinal intrínseco imagem óptica facilita a visualização da atividade evocada no cérebro medindo mudanças relacionadas com a actividade nas propriedades de reflectância do tecido superfície, enquanto fMRI utiliza o sangue oxigênio-nível-dependente (BOLD)contraste para medir alterações hemodinâmicas evocado de estímulo em regiões do cérebro que são ativas durante uma determinada tarefa. Imageamento óptico exige a exposição direta da superfície cortical a medidas de mudanças na reflectância do tecido superfície que estão relacionados com a atividade evocada-estímulo 25. Em comparação, a fMRI é não-invasivo e explora as propriedades paramagnéticas de sangue oxigenado para medir tanto a superfície cortical 26-28 e baseada no sulco 27,29 atividade evocada dentro de um crânio intacto. Fortes correlações entre o sinal BOLD ea atividade neuronal no córtex visual não-humano primata 30 e no córtex auditivo humano 31 validar fMRI como uma ferramenta útil para estudar a função sensorial. Desde fMRI tem sido amplamente utilizado para estudar características da via auditiva como organização tonotópico 32-36, lateralização da função auditiva 37, padrões de ativação cortical, identificação de regiões corticais 38, efeitos de somintensidade em propriedades de resposta auditiva 39,40, e as características da resposta BOLD tempo claro 29,41 em modelos de ratos humano, macaco, e, o desenvolvimento de um protocolo de imagem funcional adequado para estudar a função auditiva em que o gato iria fornecer um complemento útil para a literatura imagiologia funcional. Enquanto fMRI também tem sido usado para explorar os vários aspectos funcionais do córtex visual no gato anestesiado 26-28,42, poucos estudos têm utilizado esta técnica para analisar o processamento sensorial no córtex auditivo gato. O objetivo do presente Protocolo é estabelecer um método eficaz de usar fMRI para quantificar a função no córtex auditivo do gato anestesiado. Os procedimentos experimentais descritos neste manuscrito foram usados ​​com sucesso para descrever as características do curso de tempo de resposta BOLD no gato adulto córtex auditivo 43.

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

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

O conhecimento atual de processamento sensorial no sistema auditivo de mamíferos é derivado principalmente de estudos eletrofisiológicos em uma variedade de modelos animais, incluindo macacos, furões, morcegos, roedores e gatos. A fim de traçar paralelos adequadas entre modelos humanos e animais de função auditiva, é importante estabelecer uma ponte entre os estudos de imagem funcional humanos e estudos eletrofisiológicos animais. A ressonância magnética funcional (fMRI) é um método minimamente invasivo estabelecido de medir padrões gerais de atividade hemodinâmica em diferentes regiões do córtex cerebral. Esta técnica é muito utilizada para sondar a função sensorial no cérebro humano, é uma ferramenta útil na ligação entre os estudos do processamento auditivo em ambos os seres humanos e animais e tem sido usado com sucesso para investigar a função auditiva em macacos e roedores. O protocolo a seguir descreve um procedimento experimental de investigação da função auditiva em adultos anestesiadosgatos, medindo alterações hemodinâmicas evocado de estímulo no córtex auditivo usando fMRI. Este método permite a comparação das respostas hemodinâmicas em diferentes modelos de função auditiva conduzindo assim a uma melhor compreensão das características independentes de espécies de mamíferos, o córtex auditivo.

Dados funcionais representativos foram adquiridas em um scanner furo horizontal 7T e analisados ​​utilizando a caixa de ferramentas Statistical Parametric Mapping em MATLAB. Respostas hemodinâmicas corticais robusta para a estimulação auditiva têm sido consistentemente observada em gatos usando o protocolo experimental descrito 43. Figura 6 ilustra a ativação BOLD em 2 animais em resposta a um estímulo 30 seg ruído de banda larga apresentados em blocos. Mapas estatística t do ru?...

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

Estudos funcionais do sistema auditivo em mamíferos têm sido tradicionalmente realizada usando técnicas espacialmente focadas, como registros eletrofisiológicos. O protocolo a seguir descreve um método de visualização de padrões de grande escala da atividade hemodinâmica evocada no córtex auditivo gato usando ressonância magnética funcional.

Imagem Funcional do Cortex Auditivo em gatos adultos usando de alta campo fMRI

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

functional-imaging-auditory-cortex-adult-cats-using-high-field

Research

JoVE Journal

Neuroscience

11.4K visualizações.  University of Western Ontario.  Estudos funcionais do sistema auditivo em mamíferos têm sido tradicionalmente realizada usando técnicas espacialmente focadas, como registros eletrofisiológicos. O protocolo a seguir descreve um método de visualização de padrões de grande escala da atividade hemodinâmica evocada no córtex auditivo gato usando ressonância magnética funcional. 

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

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

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

Imagem crônica de rato Visual Cortex usando uma preparação diluída crânio-

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

Neurociência

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.

Correlacionando as respostas comportamentais aos sinais de fMRI córtex pré-frontal humano: Examinando Processos Cognitivos Usando Análise de Tarefa

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

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

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

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

Co-análise de estrutura e função cerebral usando ressonância magnética funcional e imagem ponderada em difusão

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

Deep Brain Stimulation with Simultaneous fMRI in Rodents

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

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

Estimulação Cerebral Profunda com fMRI simultâneo em Roedores

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

Live Imaging of Mitosis in the Developing Mouse Embryonic Cortex

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

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

Imagens ao vivo da mitose no desenvolvimento Cortex embrionárias de camundongos

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

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

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

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

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

Two-Photon<em&gt; In vivo</em&gt; Imagem de espinhas dendríticas no Rato Cortex Usando um desbaste-crânio Preparação

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

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

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

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

Viver a imagem das células do córtex Cerebral primário usando um sistema de cultura 2D

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

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

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

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

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

Imagem de atividade Neural no córtex somatossensorial primário usando Thy1-GCaMP6s de ratos transgênicos

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

Real-Time fMRI Brain Mapping in Animals

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

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

Mapeamento cerebral por fMRI em tempo real em animais

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

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

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

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

Ativação 3D do cérebro inteiro e mapeamento de conectividade funcional em camundongos usando imagens de ultrassom funcional transcranário

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