PV 5 için gerçek zamanlı fMRI'yi kurmak üzere AFNI komut dosyasını paylaştıkları için Dr. D. Chen ve Dr. C. Yen'e ve yazılım desteği için AFNI ekibine teşekkür ederiz. Bu araştırma, NIH Beyin Girişimi fonu (RF1NS113278-01, R01 MH111438-01) ve Martinos Merkezi, Alman Araştırma Vakfı (DFG) Yu215/3-1, BMBF 01GQ1702 ve Max Planck Derneği'nin iç finansmanına S10 enstrüman hibesi (S10 RR023009-01) tarafından desteklenmiştir.

Bu çalışma, Alman Hayvan Refahı Yasası (TierSchG) ve Hayvan Refahı Laboratuvarı Hayvan Yönetmeliği (TierSchVersV) uyarınca gerçekleştirilmiştir. Burada açıklanan deneysel protokol etik komisyonu (§15 TierSchG) tarafından gözden geçirilmiş ve devlet otoritesi (Regierungspräsidium, Tübingen, Baden-Württemberg, Almanya) tarafından onaylanmıştır.
1. Küçük hayvan çalışması için BOLD-fMRI deney düzeneğinin hazırlanması
<ol><li>Görüntüleme parametrelerini kontrol etmek ve MRI verilerini almak için konsol yazılımını açın. NOT: Önerilen gerçek zamanlı fMRI kurulumu, AFNI'nin görüntü işleme işlevlerine paralel olarak konsol yazılımının makro işlevleri (sürüm 6) kullanılarak uygulanır.</li>
	<li>Çalışma alanı gezginiyle MR dizilerini (örneğin, Konum, Yerelleştirici, Gevşeme Geliştirme ile Hızlı Alma (RARE) ve 3B yankı düzlemsel görüntüleme (EPI) bulun ve ardından bunları tarama listesine sürükleyip ekleyin. NOT: Konum ve Yerelleştirici dizileri, beyindeki bir ilgi bölgesini (ROI) tanımlamak için kullanılır. Anatomi taraması için NADİR dizisi kullanılır. Dinamik BOLD yanıtlarını ölçmek için bir 3D EPI dizisi kullanılır.</li>
	<li>Önceden tanımlanmış makro komut dosyalarını, "Setup_rt3DEPI" ve "Feed2AFNI_rt3DEPI" makro komut dosyası yoluna yerleştirin (örneğin, "/opt/(PV sürümü)/prog/curdir/(kullanıcı adı)/ParaVision/macros"). "Veri Yeniden Yapılandırma" kullanıcı arayüzü menüsünde 3D EPI yeniden yapılandırma seçeneklerini, "Görüntü Serisi Öncesi Etkinlikler" ve "Makroyu Yürüt" seçeneklerini etkinleştirin ve ardından "Tara" düğmesini tıklamadan önce önceden tanımlanmış makro komut dosyası "Setup_rt3DEPI" bağlayın. Not: makro komut dosyaları Ek dosyalarda bulunur.</li>
	<li>Gerçek zamanlı BOLD-fMRI analizi ve görselleştirmesi için AFNI yazılımını yükleyin.</li>
</ol>2. Kateterizasyon ve ventilasyon cerrahisi
<ol><li>Şekil 1'de gösterildiği gibi termometre, kan basıncı ve solunum kaydı gibi bir ventilatör ve fizyolojik durum izleme sistemleri kurun. Geri besleme kontrol setine sahip MR uyumlu bir ısıtma yastığı kullanarak ventilatör ile 1 nefes/dk sabit bir frekans ve 37 °C sıcaklık ± sabit bir frekans ayarlayın.</li>
	<li>Yetişkin bir erkek Sprague-Dawley sıçanını (300-600 g) indüksiyon için% 5 izofluran içeren bir odada anestezi yapın ve bir buharlaştırıcıdan ameliyat için% 2-2.5 izofluran verin. Arka pençeyi sıkıştırarak ve geri çekilme yanıtının olmadığını doğrulayarak anestezi derinliğini kontrol edin.</li>
	<li>Hayvanı havalandırma için 14 G'lık bir plastik kanülle entübe edin (% 70 hava ve% 30 oksijen karışımı ile 60 ± 1 nefes / dak). Gelgit sonu karbondioksitini (CO2) 25 ± 5 mmHg29 aralığında olacak şekilde ayarlayın. NOT: Entübasyon, fMRI deneyleri yoluyla uygun CO2 seviyelerini korumak için kritik öneme sahiptir.</li>
	<li>Hayvanı ameliyat masasında sırtüstü pozisyonda yerleştirin ve elektrikli tıraş bıçağı ile uyluk tıraş edin. Ve sonra, tıraş edilmiş cilt üzerinde cerrahi makasla bir kesi yapın. NOT: Kesinin uzunluğu uzunlamasına yönde 1-2 cm civarındadır.</li>
	<li>Kateterizasyon için kesilmiş bölgenin altında bir femoral arter ve ven bulun ve bireysel femoral arter ve veni çevreleyen dokulardan ayırın.</li>
	<li>Ayrılmış femoral arterin bir tarafını cerrahi bir dikişle sabitleyin ve diğer tarafı mikro bulldog forseps ile tutun. Daha sonra, femoral arterdeki bağlı bölgeler arasında küçük bir kesi yapın.</li>
	<li>Küçük kesiden femoral artere bir kateter yerleştirin ve kateteri ve arteri cerrahi dikişlerle birlikte bağlayın. Fizyolojik izleme sistemi ile arteriyel kan basıncını 80-120 mmHg aralığında olacak şekilde sürekli izleyin ve tarama sırasında en az 90 mmHg pO 2 ve 30-45 mmHg pCO2'yi korumak için arteriyel kan gazını düzenli olarak ölçün. NOT: Bu kateterizasyon, fMRI deneyleri sırasında arteriyel kan basıncını izlemek için kritik öneme sahiptir.</li>
	<li>Femoral venin her iki ucunu ipek örgülü cerrahi dikişlerle sabitleyin. Daha sonra, femoral ven üzerindeki bağlı bölgeler arasında küçük bir kesi yapın. Dikişi yapmak için forseps kullanın. NOT: Dikişin boyutu 1-2 cm civarındadır.</li>
	<li>Femoral ven içine bir kateter yerleştirin. Kateteri ve damarı cerrahi dikişlerle birlikte bağlayın. NOT: Bu kateterizasyon, damar yoluyla alfa-kloraloz uygulanması ve fMRI deneyleri sırasında anestezik seviyelerin ayarlanması için kritik öneme sahiptir. Hayvan iyi uyuşturulmamışsa, kendiliğinden nefes almaya başlayacaktır. Bu durumda, solunum hareketi artefaktlarından kaçınmak için daha fazla alfa-kloraloz uygulanmalıdır.</li>
	<li>Tıraş edilen ciltte cerrahi insizyonu dikin. Cerrahi prosedürler tamamlandıktan sonra, femoral vene bağlı kateterden ~ 80 mg / kg dozajı ile bir bolus alfa-kloralose infüzyonu ile hayvanı anestezi altında tutun ve aynı zamanda izofluran uygulamasını durdurun.</li>
</ol>3. Hayvanı MRI tarayıcısının içine yerleştirme
<ol><li>Anestezi uygulanan hayvanı 2.10 adım atılır atılmaz MRI tarayıcısına aktarın ve ısmarlama bir beşiğe sabitleyin.</li>
	<li>Hayvanın sıcaklığını izlemek için hayvana gerçek zamanlı bir geri beslemeli rektal termometre yerleştirin. Sıcaklığı kontrol etmek için hayvanın gövdesinin altına bir ısıtma yastığı yerleştirin. MRI taramaları sırasında vücut ısısını 37.0 ± 0.5 °C'de tutun.</li>
	<li>Bir kas gevşetici olan pankuronyum (~2 mg / kg / s) karışımında ~ 25 mg / kg / s çözeltisi ile alfa-kloraloz verin, aynı zamanda hayvanı anestezi altında tutun ve fMRI görüntülerinde hareket artefaktlarını azaltın. İlaç miktarını ve ventilasyon oranını fizyolojik duruma göre ayarlayarak kan basıncını ve solunumu izleyin.</li>
	<li>fMRI deneyleri sırasında kuruluğu önlemek için hayvanın gözlerine oftalmik merhem uygulayın. Baş hareketi artefaktlarını önlemek için hayvanın kafasını iki kulak çubuğuyla güvenli bir şekilde sabitleyin.</li>
	<li>Kafasına bir alıcı-verici yüzey bobini sabitleyin. MRI ölçümlerinden önce bobini kafadaki Larmor frekansına (örneğin, 14.1 T'de 599 MHz) ayarlayın ve eşleştirin. NOT: Burada, bir sıçanın tüm beynini örtmek için 22 mm çapında bobin kullanılır.</li>
	<li>Ön pençenin derisine 1 ve 4 basamakları arasına bir çift iğne elektrodu yerleştirin ve bunları cerrahi bantla sabitleyin. Ve sonra, bu elektrotlara bir stimülasyon giriş kablosu bağladıktan sonra stimülasyonun düzgün çalıştığını onaylayın30.</li>
	<li>Hayvanı MRI deliğine yerleştirin ve yaklaşık olarak izo-merkeze yerleştirin.</li>
</ol>4. Anatomik MR görüntülerinin ölçülmesi
<ol><li>Ana kullanıcı arayüzündeki kalibrasyon menüsü düğmesini tıklatın. Ayarlama Platformu kullanıcı arayüzünde aşağıdaki öğeleri tıklatarak MRI sisteminin kalibrasyonlarını gerçekleştirin (konsol yazılımındaki Yardım menüsüne bakın): Temel rezonans frekansını bulun, RF darbe gücünü kalibre edin, En uygun alıcı kazancını ayarlayın, Şimleme için hayvandaki B0 haritasını ölçün, Lokalize edilmemiş serbest indüksiyon bozunumu (FID) integraline dayalı küresel doğrusal şimleri çalıştırın. NOT: Bu adım 2 dakikadan az sürer.</li>
	<li>MRI deliğinin içindeki hayvanın baş konumunu bulmak için "Tara" düğmesine tıklayarak bir Konum dizisi çalıştırın. Kafa izo-merkezde yer almıyorsa, kafa izo-merkeze yerleştirilene kadar beşiği ileri geri hareket ettirirken kafa konumunu ayarlayın.</li>
	<li>Kafadaki bir yatırım getirisini tanımlamak için "Tara" düğmesine tıklayarak bir Localizer dizisi çalıştırın. Harita Şim'i seçin ve yerelleştirici görüntüde tüm beyni kapsayacak şekilde dolgu hacminin yatırım getirisini tanımlayın ve ardından yatırım getirisindeki ana manyetik alan (B0) homojensizliklerini azaltmak için "Şim'e kadar" seçeneğini kullanarak yüksek dereceli (örneğin, 2. veya 3. dereceden) bir şimleme çalıştırın. NOT: Yüksek dereceli şimleme, EPI dizileri kullanıldığında BOLD-fMRI verilerinin kalitesini artırmak için kritik bir adımdır.</li>
	<li>Koronal görünümde tüm beyni kapsayan anatomik görüntüler elde etmek için "Tara" düğmesine tıklayarak T2 ağırlıklı bir RARE dizisi çalıştırın (örneğin, aşağıdaki dizi parametreleri kullanılır: tekrarlama süresi (TR) 4000 ms, etkili yankı süresi (TE) 36,1 ms, matris 128 x 128, görüş alanı (FOV) 19,2x19,2 mm2, dilim sayısı 32, dilim kalınlığı 0,3 mm, NADİR faktör 8). NOT: Aşağıdaki gerçek zamanlı fMRI görselleştirme adımında, anatomik görüntüler 3B EPI görüntülerini şablon olarak kaydetmek için kullanılır.</li>
</ol>5. Gerçek Zamanlı fMRI yazılım kurulumu ve fMRI yanıt görselleştirme
<ol><li>Bir terminal penceresi açın ve aşağıdaki komutu kullanarak gerçek zamanlı AFNI eklenti yoluna gidin: cd /home/(kullanıcı adı)/rt_afni NOT: AFNI eklenti komut dosyası, "afni_rt" Ek dosyalarda bulunur.</li>
	<li>Aşağıdaki komutu ve seçenekleri kullanarak AFNI yazılımını gerçek zamanlı eklentiyle çalıştırın. afni -rt -yestplugouts -DAFNI_REALTIME_MP_HOST_PORT=localhost:(bağlantı noktası numarası) -DAFNI_REALTIME_Graph=Gerçek zamanlı -DAFNI_FIM_IDEAL=(Paradigma) NOT: İlk durumda, kod harici programların AFNI ile veri alışverişinde bulunmasına izin verirken, ikinci durumda gerçek zamanlı eklenti kullanıcı tanımlı localhost ve bağlantı noktasına bir TCP soketi açmaya çalışacaktır. Üçüncü ve dördüncü durumlarda, kodlar fMRI verilerinin zaman seyrini gerçek zamanlı olarak çizecek ve gerçek zamanlı fMRI verileri elde edildiğinde sırasıyla fMRI zaman seyrinde kullanıcı tanımlı paradigmanın zaman seyrini çizecektir. Daha fazla bilgi için https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/README.environment.html'i kontrol edin.</li>
	<li>Aşağıdaki seçeneklerle, Şekil 2'de gösterildiği gibi "Dimon" komutunu kullanarak tanımlanan yaklaşan AFNI BRIK dosyalarını izleyin: Dimon -tr (EPİ'nin TR'si) -nt (EPI'nin NRepetitions) -rt -quit -infile_pattern gerçek zamanlı*. BRIK -file_type AFNI NOT: "Dimon", aşağıdaki seçenekleri kullanarak AFNI görüntü dosyalarının gerçek zamanlı alımını izlemek için kullanılan bir komuttur: gerçek zamanlı eklentiyi yürüten "-rt" ve "-infile_pattern (veri adı). BRIK -file_type AFNI", eklentinin belirli BRIK dosyalarını okumasına ve bunları görüntüleme ve biçimlendirme için AFNI'ye göndermesine olanak tanır. Daha fazla bilgi için https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/Dimon.html'i kontrol edin.</li>
	<li>Aşağıdaki seçeneklerle "pvcmd" komutunu kullanın: pvcmd -a JMacroManager JMMExecuteMacro -category $USER -macro Feed2AFNI_rt3DEPI NOT: Bu kod, EPI alımı için "Tara" düğmesine tıklandıktan hemen sonra, arka plan makro komut dosyası "Setup_rt3DEPI" çalıştırmak için "Feed2AFNI_rt3DEPI" makro komut dosyasında bulunur.</li>
	<li>EPI alma parametrelerini almak için aşağıdaki seçeneklerle "exec pvcmd" komutunu kullanın. exec pvcmd -a ParxServer -r ParamGetValue -psid $ParSpaceId -param (EPI'nin PVM parametreleri) -id 10 -args $AcqKey $ParSpaceId $ProcnoPath</li>
	<li>EPI ham verilerini arka plan makro komut dosyasında gerçek zamanlı olarak AFNI dosyalarına dönüştürmek için aşağıdaki seçeneklerle "exec to3d" komutunu kullanın, "Feed2AFNI_rt3DEPI". exec to3d -omri -xFOV $FOV_X -yFOV $FOV_Y -zFOV $FOV_Z -önek $LastVolName $ImgFormat$Path2dseq</li>
	<li>EPI geometrik bilgilerinin anatomi oryantasyonu ile tutarlı olduğundan emin olun. NOT: "to3d" AFNI komutu, Şekil 2'de gösterildiği gibi her bir TR'den sonra her 3B birim verisi depolandığında, fMRI ham verilerini bir AFNI BRIK verisine dönüştürmek için görüş alanı (FOV) ve matris boyutu gibi geometrik bilgilerle otomatik olarak çalışacaktır. Görüntü yönü "to3d" geometrik bilgi parametreleri ile değiştirilebilir. Daha fazla bilgi için https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/to3d.html kontrol edin.</li>
	<li>Bir elektriksel uyaran izolatörünü açın ve uyarılma bloklarını kullanarak bir uyarılmış fMRI çalışması (örneğin, 3Hz, 4s darbe genişliği 300us, 2.5mA) için elektriksel ön pençe stimülasyonu gerçekleştirin. NOT: Burada, blok tasarım paradigması 10 ön stimülasyon taraması, 3 stimülasyon taraması ve 12 inter-stimülasyon taramasından (dönem başına 15 tarama) oluşur.</li>
	<li>BOLD-fMRI etüdü için "Tara" düğmesini tıklatarak T2* ağırlıklı bir 3D EPI dizisi çalıştırın (ör. aşağıdaki parametreler kullanılır: TR/TE 1500/14 ms, matris 64 x 64 x 32, FOV 19,2 x 19,2 x 9,6 mm 3 ve çözünürlük 300 x 300 x 300 μm3). NOT: "Tara" düğmesine tıklandığında, ham verilerin izlenmesi ve işlenmesi, önceden tanımlanmış makro komut dosyaları gerçek zamanlı olarak kullanılarak yapılacaktır. Bir AFNI BRIK veri kümesi dönüştürüldükten sonra, 3D EPI görüntüleri için voksel olarak zaman kursu grafikleri AFNI yazılımında görüntülenir ve her bir TR için otomatik olarak güncellenir.</li>
	<li>EPI görüntülerini anatomik RARE görüntülerinin üzerine bindirmek için, adım 5.6'da olduğu gibi "to3d" komutunu kullanarak RARE görüntülerini bir AFNI BRIK veri kümesine dönüştürün, ardından EPI görüntülerini aşağıdaki seçeneklerle "align_epi_anat.py" AFNI komut dosyasını kullanarak anatomik görüntülere kaydedin: align_epi_anat.py -anat anatomy_template_al+orig -epi epi.$(epi veri numarası)+orig -epi_base 1 -sonek _volreg -rat_align -cost lpa -epi2anat NOT: Daha fazla ayrıntı için https://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/program_help/ align_epi_anat.py.html kontrol edin.</li>
	<li>BOLD yanıtlarının işlevsel haritalarını işlemek için, aşağıdaki seçeneklerle "3dDeconvolve" komutunu kullanarak belirli bir uyaran zaman serisine sahip 3D+time veri kümesinin dekonvolüsyonunu hesaplayın: 3dDeconvolve -input (giriş dosyası adı)+orig. -nfirst 0 -polort 3 -num_stimts 1 -stim_times 1 (stimülasyon paradigması dosya adı) 'BLOCK(4,1)' -stim_label 1 forepaw -tout -fout -rout NOT: Uzamsal yumuşatma veya zamansal filtreleme gibi görüntü işleme adımları, özelleştirilmiş bir AFNI veri işleme komut dosyasına dahil edilmiştir. Daha fazla bilgi için https://afni.nimh.nih.gov/afni/doc/help/3dDeconvolve.html kontrol edin.</li>
	<li>BOLD sinyallerinin işlevsel haritalarını görselleştirmek için, AFNI yazılımında etkileşimli bir kümeleme kullanın. "Bindirmeyi Tanımla" seçeneğini açın ve AFNI kullanıcı arayüzü menüsünden "Kümeler" işlevini kullanın.</li>
	<li>Son fMRI taramasından sonra, hayvanı MRI tarayıcısından çıkarın ve onaylanmış protokollere göre ötenazi yapın. NOT: Gerçek zamanlı fMRI verilerini işlemek için AFNI'nin görüntü işleme işlevleri ve en son konsol yazılımındaki makro işlevler kullanılmıştır. Makro işlevlerinin ayrıntılı bilgileri ve açıklamaları konsol yazılımındaki yardım menüsünden bulunabilir. AFNI yazılımı, doğrudan NIMH-AFNI web sitesinden indirilebilen ücretsiz bir yazılımdır. AFNI ve konsol sistemi arasındaki bağlantıyı oluşturmak için ilgili komut dosyaları eklenir.</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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brain+magnetic+resonance+imaging+with+contrast+dependent+on+blood+oxygenation.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+mapping+of+the+human+visual+cortex+by+magnetic+resonance+imaging.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Echo-planar+imaging:+magnetic+resonance+imaging+in+a+fraction+of+a+second.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Time+course+EPI+of+human+brain+function+during+task+activation.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamic+magnetic+resonance+imaging+of+human+brain+activity+during+primary+sensory+stimulation.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intrinsic+signal+changes+accompanying+sensory+stimulation:+functional+brain+mapping+with+magnetic+resonance+imaging.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+connectivity+in+the+motor+cortex+of+resting+human+brain+using+echo-planar+MRI.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=What+we+can+do+and+what+we+cannot+do+with+fMRI.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biophysical+and+physiological+origins+of+blood+oxygenation+level-dependent+fMRI+signals.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+connectivity+changes+with+concentration+of+sevoflurane+anesthesia.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mapping+stress+networks+using+functional+magnetic+resonance+imaging+in+awake+animals.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Retrospective+Estimation+and+Correction+of+Physiological+Fluctuation+in+Functional+Mri.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+role+of+physiological+noise+in+resting-state+functional+connectivity.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Methods+for+cleaning+the+BOLD+fMRI+signal.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Identifying+Respiration-Related+Aliasing+Artifacts+in+the+Rodent+Resting-State+fMRI.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Image-based+method+for+retrospective+correction+of+physiological+motion+effects+in+fMRI:+RETROICOR.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+heart+rate+on+the+BOLD+signal:+The+cardiac+response+function.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Separating+respiratory-variation-related+neuronal-activity-related+fluctuations+in+fluctuations+from+fMRI.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=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.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+animal+functional+magnetic+resonance+imaging+and+its+application+to+neurophamacological+studies.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+functional+magnetic+resonance+imaging.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+reconstruction+and+high-speed+processing+in+functional+MR+imaging.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+fMRI+paradigm+control,+physiology,+and+behavior+combined+with+near+real-time+statistical+analysis.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+functional+magnetic+resonance+imaging.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+approach+to+measure+single-event+related+brain+activity+using+real-time+fMRI:+Feasibility+of+sensory,+motor,+and+higher+cognitive+tasks.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reading+and+controlling+human+brain+activation+using+real-time+functional+magnetic+resonance+imaging.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Making+Sense+of+Real-Time+Functional+Magnetic+Resonance+Imaging+(rtfMRI)+and+rtfMRI+Neurofeedback.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=AFNI:+Software+for+analysis+and+visualization+of+functional+magnetic+resonance+neuroimages.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+assessment+of+the+effect+of+chronic+phrenicotomy+on+the+induction+of+the+crossed+phrenic+phenomenon.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultra+high-resolution+fMRI+and+electrophysiology+of+the+rat+primary+somatosensory+cortex.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Relationship+between+neural,+vascular,+and+BOLD+signals+in+isoflurane-anesthetized+rat+somatosensory+cortex.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anesthesia+differentially+modulates+neuronal+and+vascular+contributions+to+the+BOLD+signal.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+isoflurane+anesthesia+on+resting-state+fMRI+signals+and+functional+connectivity+within+primary+somatosensory+cortex+of+monkeys.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+change+of+functional+connectivity+specificity+in+rats+under+various+anesthesia+levels+and+its+neural+origin.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multiphasic+modification+of+intrinsic+functional+connectivity+of+the+rat+brain+during+increasing+levels+of+propofol.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Isoflurane+induces+dose-dependent+alterations+in+the+cortical+connectivity+profiles+and+dynamic+properties+of+the+brain's+functional+architecture.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultra-Slow+Single-Vessel+BOLD+and+CBV-Based+fMRI+Spatiotemporal+Dynamics+and+Their+Correlation+with+Neuronal+Intracellular+Calcium+Signals.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physiological+effects+of+a+habituation+procedure+for+functional+MRI+in+awake+mice+using+a+cryogenic+radiofrequency+probe.">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, Bruker BioSpin MRI GmbH'de bir çalışandır.

fMRI sinyalinin gerçek zamanlı izlenmesi, deneycilerin fonksiyonel haritalamayı optimize etmek için hayvanların fizyolojisini ayarlamalarına yardımcı olur. Uyanık hayvanlardaki hareket artefaktları ve anestezik etki, fMRI sinyallerinin değişkenliğine aracılık eden ve sinyalin biyolojik yorumunu kendi başına karıştıran başlıca faktörlerdir 31,32,33,34,35,36,37,38 </su...

Fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntüleme (fMRI), beyindeki nöral aktivite ile ilişkili kan-oksijen seviyesine bağımlı (BOLD), serebral kan hacmi ve akış sinyali gibi hemodinamik yanıtları 1,2,3,4,5,6,7,8,9 ölçmek için invaziv olmayan bir yöntemdir. Hayvan çalışmalarında, hemodinamik sinyaller anestezi10, uyanık hayvanların stres seviyesi11 ve ayrıca potansiyel fizyolojik olmayan eserlerden, örneğin kardiyak nabız ve solunum hareketlerinden12,13,14,15 etkilenebilir. Görevle ilgili ve dinlenme durumu fonksiyonel dinamikleri ve bağlantı haritalaması16,17,18,19 için fMRI sinyalinin geriye dönük bir analizini sağlamak için birçok işlem sonrası yöntem geliştirilmiş olsa da, hayvan beyninde gerçek zamanlı bir beyin fonksiyonu haritalama çözümü ve anlık okumalar sağlamak için birkaç teknik vardır 20 (bunların çoğu esas olarak insan beyni haritalaması için kullanılır 21, 22,23,24,25,26,27). Özellikle, bu tür gerçek zamanlı fMRI haritalama yöntemi hayvan çalışmalarında eksiktir. Gerçek zamanlı beyin durumuna bağlı fizyolojik aşamaların araştırılmasını sağlamak ve hayvan beyni fonksiyonel çalışmaları için gerçek zamanlı biofeedback stimülasyon paradigması sağlamak için bir fMRI platformu kurmak gerekir.
Bu çalışmada, MRI konsol yazılımının özelleştirilmiş makro fonksiyonları ile gerçek zamanlı bir fMRI deney kurulumunu gösteriyoruz ve anestezi uygulanan sıçanların birincil ön pençe somatosensoriyel korteksindeki (FP-S1) uyarılmış BOLD-fMRI yanıtlarının gerçek zamanlı olarak izlenmesini gösteriyoruz. Bu gerçek zamanlı kurulum, fonksiyonel haritalarda devam eden beyin aktivasyonunun görselleştirilmesinin yanı sıra, mevcut nörogörüntü analiz yazılımı olan Fonksiyonel Nörogörüntülerin Analizi (AFNI) 28'i kullanarak voksel açısından bireysel zaman kurslarının görselleştirilmesine olanak tanır. Hayvan çalışması için gerçek zamanlı fMRI deney düzeneğinin hazırlanması protokolde açıklanmıştır. Hayvan kurulumunun yanı sıra, görüntü işleme komut dosyalarına paralel olarak en son konsol yazılımını kullanarak gerçek zamanlı fMRI sinyallerinin görselleştirilmesini ve analizini ayarlamak için ayrıntılı prosedürler sunuyoruz. Özetle, hayvan çalışmaları için önerilen gerçek zamanlı fMRI kurulumu, MRI konsol sistemini kullanarak hayvan beynindeki dinamik fMRI sinyallerini izlemek için güçlü bir araçtır.

<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>&#945;-chloralose</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>Cat# C0128-25G;RRID</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

real-time fmri brain mapping in animals

Dinamik fMRI yanıtları, anestezi altında veya uyanık durumdaki hayvanların fizyolojik koşullarına göre büyük ölçüde değişir. Deneycilere, hayvan beyinlerinde istenen hemodinamik yanıtları elde etmek için hayvanların fizyolojisini değiştirmek için kullanılabilecek, edinim sırasında fMRI yanıtlarını anında izlemeleri için rehberlik etmek üzere gerçek zamanlı bir fMRI platformu geliştirdik. Gerçek zamanlı fMRI kurulumu, anestezi uygulanan sıçanların primer ön pençe somatosensoriyel korteksindeki (FP-S1) dinamik fMRI yanıtlarının gerçek zamanlı haritalandırılmasını sağlayan 14.1T preklinik MRI sistemine dayanmaktadır. fMRI sinyallerinin değişkenliğine yol açan kafa karıştırıcı kaynakları araştırmak için geriye dönük bir analiz yerine, gerçek zamanlı fMRI platformu, özelleştirilmiş makro fonksiyonları ve MRI sisteminde ortak bir nörogörüntü analiz yazılımı kullanarak dinamik fMRI yanıtlarını tanımlamak için daha etkili bir şema sağlar. Ayrıca, hayvanlarda beyin fonksiyonel çalışmaları için anında sorun giderme fizibilitesi ve gerçek zamanlı bir biofeedback stimülasyon paradigması sağlar.

Şekil 3 ve Şekil 4, temsili gerçek zamanlı voksel bilge BOLD-fMRI zaman rotasını ve elektriksel ön pençe stimülasyonlu fonksiyonel haritaları göstermektedir (3 Hz, 4 s, darbe genişliği 300 us, 2.5 mA). fMRI tasarım paradigması, toplam 8 çağ (130 tarama) ile 10 ön stimülasyon taraması, 3 stimülasyon taraması ve 12 inter-stimülasyon taramasından oluşur. Toplam tarama süresi 3 dakika 15 saniyedir (195 sn). Şekil 3</st...

Watch this Scientific Journal Video about Real-Time fMRI Brain Mapping in Animals at JoVE.com

Real-Time fMRI Brain Mapping in Animals

Hayvan beyni fonksiyonel haritalaması, gerçek zamanlı fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) deney kurulumundan yararlanabilir. Hayvan MRG sisteminde uygulanan en son yazılımı kullanarak, küçük hayvan fMRI için gerçek zamanlı bir izleme platformu kurduk.

Hayvanlarda Gerçek Zamanlı fMRI Beyin Haritalaması

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

Research

JoVE Journal

Neuroscience

3.4K Görüntüleme.  Max Planck Institute for Biological Cybernetics. Hayvan beyni fonksiyonel haritalaması, gerçek zamanlı fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) deney kurulumundan yararlanabilir. Hayvan MRG sisteminde uygulanan en son yazılımı kullanarak, küçük hayvan fMRI için gerçek zamanlı bir izleme platformu kurduk.

Video: Real-Time fMRI Brain Mapping in Animals

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.

Kemirgen Beyin aynı anda fMRI ve Elektrofizyoloji

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

Nörobilim

Recording Human Electrocorticographic (ECoG) Signals for Neuroscientific Research and Real-time Functional Cortical Mapping

Neuroimaging studies of human cognitive, sensory, and motor processes are usually based on noninvasive techniques such as electroencephalography (EEG), magnetoencephalography or functional magnetic-resonance imaging. These techniques have either inherently low temporal or low spatial resolution, and suffer from low signal-to-noise ratio and/or poor high-frequency sensitivity. Thus, they are suboptimal for exploring the short-lived spatio-temporal dynamics of many of the underlying brain processes. In contrast, the invasive technique of electrocorticography (ECoG) provides brain signals that have an exceptionally high signal-to-noise ratio, less susceptibility to artifacts than EEG, and a high spatial and temporal resolution (i.e., &lt;1 cm/&lt;1 millisecond, respectively). ECoG involves measurement of electrical brain signals using electrodes that are implanted subdurally on the surface of the brain. Recent studies have shown that ECoG amplitudes in certain frequency bands carry substantial information about task-related activity, such as motor execution and planning1, auditory processing2 and visual-spatial attention3. Most of this information is captured in the high gamma range (around 70-110 Hz). Thus, gamma activity has been proposed as a robust and general indicator of local cortical function1-5. ECoG can also reveal functional connectivity and resolve finer task-related spatial-temporal dynamics, thereby advancing our understanding of large-scale cortical processes. It has especially proven useful for advancing brain-computer interfacing (BCI) technology for decoding a user's intentions to enhance or improve communication6 and control7. Nevertheless, human ECoG data are often hard to obtain because of the risks and limitations of the invasive procedures involved, and the need to record within the constraints of clinical settings. Still, clinical monitoring to localize epileptic foci offers a unique and valuable opportunity to collect human ECoG data. We describe our methods for collecting recording ECoG, and demonstrate how to use these signals for important real-time applications such as clinical mapping and brain-computer interfacing. Our example uses the BCI2000 software platform8,9 and the SIGFRIED10 method, an application for real-time mapping of brain functions. This procedure yields information that clinicians can subsequently use to guide the complex and laborious process of functional mapping by electrical stimulation.
Prerequisites and Planning:
Patients with drug-resistant partial epilepsy may be candidates for resective surgery of an epileptic focus to minimize the frequency of seizures. Prior to resection, the patients undergo monitoring using subdural electrodes for two purposes: first, to localize the epileptic focus, and second, to identify nearby critical brain areas (i.e., eloquent cortex) where resection could result in long-term functional deficits. To implant electrodes, a craniotomy is performed to open the skull. Then, electrode grids and/or strips are placed on the cortex, usually beneath the dura. A typical grid has a set of 8 x 8 platinum-iridium electrodes of 4 mm diameter (2.3 mm exposed surface) embedded in silicon with an inter-electrode distance of 1cm. A strip typically contains 4 or 6 such electrodes in a single line. The locations for these grids/strips are planned by a team of neurologists and neurosurgeons, and are based on previous EEG monitoring, on a structural MRI of the patient's brain, and on relevant factors of the patient's history. Continuous recording over a period of 5-12 days serves to localize epileptic foci, and electrical stimulation via the implanted electrodes allows clinicians to map eloquent cortex. At the end of the monitoring period, explantation of the electrodes and therapeutic resection are performed together in one procedure.
In addition to its primary clinical purpose, invasive monitoring also provides a unique opportunity to acquire human ECoG data for neuroscientific research. The decision to include a prospective patient in the research is based on the planned location of their electrodes, on the patient's performance scores on neuropsychological assessments, and on their informed consent, which is predicated on their understanding that participation in research is optional and is not related to their treatment. As with all research involving human subjects, the research protocol must be approved by the hospital's institutional review board. The decision to perform individual experimental tasks is made day-by-day, and is contingent on the patient's endurance and willingness to participate. Some or all of the experiments may be prevented by problems with the clinical state of the patient, such as post-operative facial swelling, temporary aphasia, frequent seizures, post-ictal fatigue and confusion, and more general pain or discomfort.
At the Epilepsy Monitoring Unit at Albany Medical Center in Albany, New York, clinical monitoring is implemented around the clock using a 192-channel Nihon-Kohden Neurofax monitoring system. Research recordings are made in collaboration with the Wadsworth Center of the New York State Department of Health in Albany. Signals from the ECoG electrodes are fed simultaneously to the research and the clinical systems via splitter connectors. To ensure that the clinical and research systems do not interfere with each other, the two systems typically use separate grounds. In fact, an epidural strip of electrodes is sometimes implanted to provide a ground for the clinical system. Whether research or clinical recording system, the grounding electrode is chosen to be distant from the predicted epileptic focus and from cortical areas of interest for the research. Our research system consists of eight synchronized 16-channel g.USBamp amplifier/digitizer units (g.tec, Graz, Austria). These were chosen because they are safety-rated and FDA-approved for invasive recordings, they have a very low noise-floor in the high-frequency range in which the signals of interest are found, and they come with an SDK that allows them to be integrated with custom-written research software. In order to capture the high-gamma signal accurately, we acquire signals at 1200Hz sampling rate-considerably higher than that of the typical EEG experiment or that of many clinical monitoring systems. A built-in low-pass filter automatically prevents aliasing of signals higher than the digitizer can capture. The patient's eye gaze is tracked using a monitor with a built-in Tobii T-60 eye-tracking system (Tobii Tech., Stockholm, Sweden). Additional accessories such as joystick, bluetooth Wiimote (Nintendo Co.), data-glove (5th Dimension Technologies), keyboard, microphone, headphones, or video camera are connected depending on the requirements of the particular experiment.
Data collection, stimulus presentation, synchronization with the different input/output accessories, and real-time analysis and visualization are accomplished using our BCI2000 software8,9. BCI2000 is a freely available general-purpose software system for real-time biosignal data acquisition, processing and feedback. It includes an array of pre-built modules that can be flexibly configured for many different purposes, and that can be extended by researchers' own code in C++, MATLAB or Python. BCI2000 consists of four modules that communicate with each other via a network-capable protocol: a Source module that handles the acquisition of brain signals from one of 19 different hardware systems from different manufacturers; a Signal Processing module that extracts relevant ECoG features and translates them into output signals; an Application module that delivers stimuli and feedback to the subject; and the Operator module that provides a graphical interface to the investigator.
A number of different experiments may be conducted with any given patient. The priority of experiments will be determined by the location of the particular patient's electrodes. However, we usually begin our experimentation using the SIGFRIED (SIGnal modeling For Realtime Identification and Event Detection) mapping method, which detects and displays significant task-related activity in real time. The resulting functional map allows us to further tailor subsequent experimental protocols and may also prove as a useful starting point for traditional mapping by electrocortical stimulation (ECS).
Although ECS mapping remains the gold standard for predicting the clinical outcome of resection, the process of ECS mapping is time consuming and also has other problems, such as after-discharges or seizures. Thus, a passive functional mapping technique may prove valuable in providing an initial estimate of the locus of eloquent cortex, which may then be confirmed and refined by ECS. The results from our passive SIGFRIED mapping technique have been shown to exhibit substantial concurrence with the results derived using ECS mapping10.
The protocol described in this paper establishes a general methodology for gathering human ECoG data, before proceeding to illustrate how experiments can be initiated using the BCI2000 software platform. Finally, as a specific example, we describe how to perform passive functional mapping using the BCI2000-based SIGFRIED system.

Recording Human Electrocorticographic ECoG Signals for Neuroscientific Research and Real-time Functional Cortical Mapping

We present a method for collecting electrocorticographic signals for research purposes from humans who are undergoing invasive epilepsy monitoring. We show how to use the BCI2000 software platform for data collection, signal processing and stimulus presentation. Specifically, we demonstrate SIGFRIED, a BCI2000-based tool for real-time functional brain mapping.

Nörobilimsel Araştırma ve Gerçek-zamanlı Fonksiyonel Kortikal Haritalama İnsan elektrokortikografik (ECoG) Sinyaller Kayıt

Neuroimaging studies of human cognitive, sensory, and motor processes are usually based on noninvasive techniques such as electroencephalography (EEG), ...

Design and Assembly of an Ultra-light Motorized Microdrive for Chronic Neural Recordings in Small Animals

The ability to chronically record from populations of neurons in freely behaving animals has proven an invaluable tool for dissecting the function of neural circuits underlying a variety of natural behaviors, including navigation1 , decision making 2,3, and the generation of complex motor sequences4,5,6. Advances in precision machining has allowed for the fabrication of light-weight devices suitable for chronic recordings in small animals, such as mice and songbirds. The ability to adjust the electrode position with small remotely controlled motors has further increased the recording yield in various behavioral contexts by reducing animal handling.6,7
 Here we describe a protocol to build an ultra-light motorized microdrive for long-term chronic recordings in small animals. Our design evolved from an earlier published version7, and has been adapted for ease-of use and cost-effectiveness to be more practical and accessible to a wide array of researchers. This proven design 8,9,10,11 allows for fine, remote positioning of electrodes over a range of ~ 5 mm and weighs less than 750 mg when fully assembled. We present the complete protocol for how to build and assemble these drives, including 3D CAD drawings for all custom microdrive components.

The design, fabrication and assembly of an ultra-light motorized microdrive is described. The device provides a cost-effective and easy-to-use solution for chronic recordings of single units in small behaving animals.

Küçük Hayvanlar Kronik Sinir Kayıtlar için Ultra-hafif Motorlu Microdrive Tasarımı ve Montajı

The ability to chronically record from populations of neurons in freely behaving animals has proven an invaluable tool for dissecting the function of ...

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.

Yüksek alan fMRI kullanılarak Yetişkin kedilerde işitme korteksi Fonksiyonel Görüntüleme

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.

Kemirgenler Eşzamanlı fMRI ile derin beyin stimülasyonu

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

An Ex Vivo Laser-induced Spinal Cord Injury Model to Assess Mechanisms of Axonal Degeneration in Real-time

Injured CNS axons fail to regenerate and often retract away from the injury site. Axons spared from the initial injury may later undergo secondary axonal degeneration. Lack of growth cone formation, regeneration, and loss of additional myelinated axonal projections within the spinal cord greatly limits neurological recovery following injury. To assess how central myelinated axons of the spinal cord respond to injury, we developed an ex vivo living spinal cord model utilizing transgenic mice that express yellow fluorescent protein in axons and a focal and highly reproducible laser-induced spinal cord injury to document the fate of axons and myelin (lipophilic fluorescent dye Nile Red) over time using two-photon excitation time-lapse microscopy. Dynamic processes such as acute axonal injury, axonal retraction, and myelin degeneration are best studied in real-time. However, the non-focal nature of contusion-based injuries and movement artifacts encountered during in vivo spinal cord imaging make differentiating primary and secondary axonal injury responses using high resolution microscopy challenging. The ex vivo spinal cord model described here mimics several aspects of clinically relevant contusion/compression-induced axonal pathologies including axonal swelling, spheroid formation, axonal transection, and peri-axonal swelling providing a useful model to study these dynamic processes in real-time. Major advantages of this model are excellent spatiotemporal resolution that allows differentiation between the primary insult that directly injures axons and secondary injury mechanisms; controlled infusion of reagents directly to the perfusate bathing the cord; precise alterations of the environmental milieu (e.g., calcium, sodium ions, known contributors to axonal injury, but near impossible to manipulate in vivo); and murine models also offer an advantage as they provide an opportunity to visualize and manipulate genetically identified cell populations and subcellular structures. Here, we describe how to isolate and image the living spinal cord from mice to capture dynamics of acute axonal injury.

An Ex Vivo Laser-induced Spinal Cord Injury Model to Assess Mechanisms of Axonal Degeneration in Real-time

We present a protocol utilizing two-photon excitation time-lapse microscopy to simultaneously visualize the dynamics of axon and myelin injuries in real time. This proposed protocol permits studies of both intrinsic and extrinsic factors which can influence central myelinated axon fate after injury and contribute to permanent clinical disability.

Bir<em&gt; Ex vivo</em&gt; Lazer kaynaklı Omurilik Felçlileri Modeli Gerçek zamanlı aksonal Dejenerasyon mekanizmaları değerlendirmek için

Injured CNS axons fail to regenerate and often retract away from the injury site. Axons spared from the initial injury may later undergo secondary axonal ...

A Protocol for the Administration of Real-Time fMRI Neurofeedback Training

Neurologic disorders are characterized by abnormal cellular-, molecular-, and circuit-level functions in the brain. New methods to induce and control neuroplastic processes and correct abnormal function, or even shift functions from damaged tissue to physiologically healthy brain regions, hold the potential to dramatically improve overall health. Of the current neuroplastic interventions in development, neurofeedback training (NFT) from functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) has the advantages of being completely non-invasive, non-pharmacologic, and spatially localized to target brain regions, as well as having no known side effects. Furthermore, NFT techniques, initially developed using fMRI, can often be translated to exercises that can be performed outside of the scanner without the aid of medical professionals or sophisticated medical equipment. In fMRI NFT, the fMRI signal is measured from specific regions of the brain, processed, and presented to the participant in real-time. Through training, self-directed mental processing techniques, that regulate this signal and its underlying neurophysiologic correlates, are developed. FMRI NFT has been used to train volitional control over a wide range of brain regions with implications for several different cognitive, behavioral, and motor systems. Additionally, fMRI NFT has shown promise in a broad range of applications such as the treatment of neurologic disorders and the augmentation of baseline human performance. In this article, we present an fMRI NFT protocol developed at our institution for modulation of both healthy and abnormal brain function, as well as examples of using the method to target both cognitive and auditory regions of the brain.

The ability to induce and/or control neural plasticity may be critical in future treatments for neurologic disorders and the recovery from brain injury. In this paper, we present a protocol on the use of neurofeedback training with functional magnetic resonance imaging to modulate human brain function.

Gerçek zamanlı yönetim fMRI psikoterapi eğitimi için bir iletişim kuralı

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

Real-time Iontophoresis with Tetramethylammonium to Quantify Volume Fraction and Tortuosity of Brain Extracellular Space

This review describes the basic concepts and protocol to perform the real-time iontophoresis (RTI) method, the gold-standard to explore and quantify the extracellular space (ECS) of the living brain. The ECS surrounds all brain cells and contains both interstitial fluid and extracellular matrix. The transport of many substances required for brain activity, including neurotransmitters, hormones, and nutrients, occurs by diffusion through the ECS. Changes in the volume and geometry of this space occur during normal brain processes, like sleep, and pathological conditions, like ischemia. However, the structure and regulation of brain ECS, particularly in diseased states, remains largely unexplored. The RTI method measures two physical parameters of living brain: volume fraction and tortuosity. Volume fraction is the proportion of tissue volume occupied by ECS. Tortuosity is a measure of the relative hindrance a substance encounters when diffusing through a brain region as compared to a medium with no obstructions. In RTI, an inert molecule is pulsed from a source microelectrode into the brain ECS. As molecules diffuse away from this source, the changing concentration of the ion is measured over time using an ion-selective microelectrode positioned roughly 100 &#181;m away. From the resulting diffusion curve, both volume fraction and tortuosity can be calculated. This technique has been used in brain slices from multiple species (including humans) and in vivo to study acute and chronic changes to ECS. Unlike other methods, RTI can be used to examine both reversible and irreversible changes to the brain ECS in real time.

This protocol describes real-time iontophoresis, a method that measures physical parameters of the extracellular space (ECS) of living brains. The diffusion of an inert molecule released into the ECS is used to calculate the ECS volume fraction and tortuosity. It is ideal for studying acute reversible changes to brain ECS.

Beyin Ekstraselüler Alanının Hacim Fraksiyonu ve Kıvrımını Nicelleştirmek için Tetrametilamonyum ile Gerçek Zamanlı İyontoforez

This review describes the basic concepts and protocol to perform the real-time iontophoresis (RTI) method, the gold-standard to explore and quantify the ...

Live-cell Measurement of Odorant Receptor Activation Using a Real-time cAMP Assay

The enormous sizes of the mammalian odorant receptor (OR) families present difficulties to find their cognate ligands among numerous volatile chemicals. To efficiently and accurately deorphanize ORs, we combine the use of a heterologous cell line to express mammalian ORs and a genetically modified biosensor plasmid to measure cAMP production downstream of OR activation in real time. This assay can be used to screen odorants against ORs and vice versa. Positive odorant-receptor interactions from the screens can be subsequently confirmed by testing against various odor concentrations, generating concentration-response curves. Here we used this method to perform a high-throughput screening of an odorous compound against a human OR library expressed in Hana3A cells and confirmed that the positively-responding receptor is the cognate receptor for the compound of interest. We found this high-throughput detection method to be efficient and reliable in assessing OR activation and our data provide an example of its potential use in OR functional studies.

Characterizing the function of odorant receptors serves an indispensable part in the deorphanization process. We describe a method to measure the activation of odorant receptors in real time using a cAMP assay.

Canlı hücre ölçüm propil reseptörü harekete geçirmek kullanımı gerçek zamanlı bir kamp tahlil

The enormous sizes of the mammalian odorant receptor (OR) families present difficulties to find their cognate ligands among numerous volatile chemicals. ...

Real-time In Vitro Monitoring of Odorant Receptor Activation by an Odorant in the Vapor Phase

Olfactory perception begins with the interaction of odorants with odorant receptors (OR) expressed by olfactory sensory neurons (OSN). Odor recognition follows a combinatorial coding scheme, where one OR can be activated by a set of odorants and one odorant can activate a combination of ORs. Through such combinatorial coding, organisms can detect and discriminate between a myriad of volatile odor molecules. Thus, an odor at a given concentration can be described by an activation pattern of ORs, which is specific to each odor. In that sense, cracking the mechanisms that the brain uses to perceive odor requires the understanding odorant-OR interactions. This is why the olfaction community is committed to &#34;de-orphanize&#34;&#160;these receptors. Conventional in vitro systems used to identify odorant-OR interactions have utilized incubating cell media with odorant, which is distinct from the natural detection of odors via vapor odorants dissolution into nasal mucosa before interacting with ORs. Here, we describe a new method that allows for real-time monitoring of OR activation via vapor-phase odorants. Our method relies on measuring cAMP release by luminescence using the Glosensor assay. It bridges current gaps between in vivo and in vitro approaches and provides a basis for a biomimetic volatile chemical sensor.

Physiologically, odorant receptors are activated by odorant molecules inhaled in the vapor phase. However, most in vitro systems utilize liquid phase odorant stimulation. Here, we present a method that allows real-time in vitro monitoring of odorant receptor activation upon odorant stimulation in vapor phase.

Gerçek zamanlı olarak buharı aşamasında propil reseptör etkinleştirme bir propil tarafından in Vitro izlenmesi

Olfactory perception begins with the interaction of odorants with odorant receptors (OR) expressed by olfactory sensory neurons (OSN). Odor recognition ...