Name: whole-brain 3d activation and functional connectivity mapping in mice using transcranial functional ultrasound imaging
Uploaded: 2021-02-24T15:00:00
Duration: 11 min 57 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Whole-Brain 3D Activation and Functional Connectivity Mapping in Mice using Transcranial Functional Ultrasound Imaging at JoVE.com

Dit werk werd ondersteund door de European Research Council (ERC) Advanced Grant N° 339244-FUSIMAGINE, het National Agency for Research funding 'Pinch' (ANR-18-CE37-005), de Inserm Research Technology Accelerator in Biomedical Ultrasound, de ElfUS technische kern van de IPNP, Inserm U1266, het Europese onderzoeksprogramma FUSIMICE van het Human Brain Project en EMBO Short-Term Fellowship 8439 aan Andrea Kliewer.

<ol>
	<li>Hoyer, C., Gass, N., Weber-Fahr, W., Sartorius, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advantages+and+challenges+of+small+animal+magnetic+resonance+imaging+as+a+translational+tool.">Advantages and challenges of small animal magnetic resonance imaging as a translational tool.</a> Neuropsychobiology. 69 (4), 187-201 (2014).</li><li>Deffieux, T., Demene, C., Pernot, M., Tanter, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+ultrasound+neuroimaging:+a+review+of+the+preclinical+and+clinical+state+of+the+art.">Functional ultrasound neuroimaging: a review of the preclinical and clinical state of the art.</a> Current Opinion in Neurobiology. 50, 128-135 (2018).</li><li>Rabut, C., 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=Pharmaco-fUS:+Quantification+of+pharmacologically-induced+dynamic+changes+in+brain+perfusion+and+connectivity+by+functional+ultrasound+imaging+in+awake+mice.">Pharmaco-fUS: Quantification of pharmacologically-induced dynamic changes in brain perfusion and connectivity by functional ultrasound imaging in awake mice.</a> NeuroImage. 222, 117231 (2020).</li><li>Tiran, E., 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=Transcranial+functional+ultrasound+imaging+in+freely+moving+awake+mice+and+anesthetized+young+rats+without+contrast+agent.">Transcranial functional ultrasound imaging in freely moving awake mice and anesthetized young rats without contrast agent.</a> Ultrasound in Medicine and Biology. 43 (8), 1679-1689 (2017).</li><li>Ferrier, J., Tiran, E., Deffieux, T., Tanter, M., Lenkei, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+imaging+evidence+for+task-induced+deactivation+and+disconnection+of+a+major+default+mode+network+hub+in+the+mouse+brain.">Functional imaging evidence for task-induced deactivation and disconnection of a major default mode network hub in the mouse brain.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 117 (26), 15270-15280 (2020).</li><li>Rabut, C., 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=4D+functional+ultrasound+imaging+of+whole-brain+activity+in+rodents.">4D functional ultrasound imaging of whole-brain activity in rodents.</a> Nature Methods. 16 (10), 994-997 (2019).</li><li>Brunner, C., 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+platform+for+brain-wide+volumetric+functional+ultrasound+imaging+and+of+circuit+dynamics+in+awake+mice.">A platform for brain-wide volumetric functional ultrasound imaging and of circuit dynamics in awake mice.</a> Neuron. 108 (5), 861-875 (2020).</li><li>Gesnik, 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=3D+functional+ultrasound+imaging+of+the+cerebral+visual+system+in+rodents.">3D functional ultrasound imaging of the cerebral visual system in rodents.</a> NeuroImage. 149, 267-274 (2017).</li><li>Mac&#233;, &. #. 2. 0. 1. ;., 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=Whole-brain+functional+ultrasound+imaging+reveals+brain+modules+for+visuomotor+integration.">Whole-brain functional ultrasound imaging reveals brain modules for visuomotor integration.</a> Neuron. 100 (5), 1241-1251 (2018).</li><li>Mac&#233;, E., Montaldo, G., Cohen, I., Baulac, M., Fink, M., Tanter, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+ultrasound+imaging+of+the+brain.">Functional ultrasound imaging of the brain.</a> Nature Methods. 8 (8), 662-664 (2011).</li><li>Tiran, E., 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=Transcranial+functional+ultrasound+imaging+in+freely+moving+awake+mice+and+anesthetized+young+rats+without+contrast+agent.">Transcranial functional ultrasound imaging in freely moving awake mice and anesthetized young rats without contrast agent.</a> Ultrasound in Medicine and Biology. 43 (8), 1679-1689 (2017).</li><li>Claron, 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=Large+scale+functional+ultrasound+imaging+of+the+spinal+cord+reveals+in+depth+spatiotemporal+responses+of+spinal+nociceptive+circuits+in+both+normal+and+inflammatory+state.">Large scale functional ultrasound imaging of the spinal cord reveals in depth spatiotemporal responses of spinal nociceptive circuits in both normal and inflammatory state.</a> Pain. , (2020).</li><li>Aydin, A. 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=Transfer+functions+linking+neural+calcium+to+single+voxel+functional+ultrasound+signal.">Transfer functions linking neural calcium to single voxel functional ultrasound signal.</a> Nature Communications. 11 (1), 2954 (2020).</li><li>Bimbard, C., 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=Multi-scale+mapping+along+the+auditory+hierarchy+using+high-resolution+functional+ultrasound+in+the+awake+ferret.">Multi-scale mapping along the auditory hierarchy using high-resolution functional ultrasound in the awake ferret.</a> eLife. 7, 35028 (2018).</li><li>Boido, D., 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=Mesoscopic+and+microscopic+imaging+of+sensory+responses+in+the+same+animal.">Mesoscopic and microscopic imaging of sensory responses in the same animal.</a> Nature Communications. 10 (1), 1110 (2019).</li><li>Kislin, 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=Flat-floored+air-lifted+platform:+A+new+method+for+combining+behavior+with+microscopy+or+electrophysiology+on+awake+freely+moving+rodents.">Flat-floored air-lifted platform: A new method for combining behavior with microscopy or electrophysiology on awake freely moving rodents.</a> Journal of Visualized Experiments. (88), e51869 (2014).</li><li>Juczewski, K., Koussa, J. A., Kesner, A. J., Lee, J. O., Lovinger, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stress+and+behavioral+correlates+in+the+head-fixed+method:+stress+measurements,+habituation+dynamics,+locomotion,+and+motor-skill+learning+in+mice.">Stress and behavioral correlates in the head-fixed method: stress measurements, habituation dynamics, locomotion, and motor-skill learning in mice.</a> Scientific Reports. 10 (1), 12245 (2020).</li></ol>

Jeremy Ferrier en Bruno-Félix Osmanski zijn medewerkers van Iconeus. Thomas Deffieux, Zsolt Lenkei, Bruno-Félix Osmanski en Mickael Tanter zijn medeoprichters en aandeelhouders van Iconeus.

Beeldvormingsmethoden voor de hele hersenen zijn cruciale hulpmiddelen om de hersenfysiologie en pathologie beter te begrijpen. De hier beschreven methode maakt de nauwkeurige kwantificering van hemodynamische signalen in het levende brein direct op de bank mogelijk. De ongeëvenaarde gevoeligheid en spatio-temporele resolutie van functionele echografie is bijzonder geschikt voor de fysiologie van de muis. Functionele responsen en rusttoestandnetwerken kunnen binnen korte acquisitietijden in kaart worden gebracht, longitudinaal en zonder dat er gemiddeld proeven of proefpersonen hoeven te worden uitgevoerd om een betrouwbare meting te verkrijgen. De relevante combinatie van ultrasoon lineaire sondes met hoge gevoeligheid en snelle gemotoriseerde opstellingen stelt iemand in staat om transcraniële volumetrische fUS-beeldvorming bij muizen uit te voeren binnen redelijke acquisitietijden. Dit protocol kan worden uitgevoerd op verdoofde of wakkere muizen met behulp van een kooi voor stacaravans.
Whisker-stimulatie, de sensorische stimulus die in dit manuscript als illustratief voorbeeld wordt gebruikt, is een standaard functioneel activeringsparadigma bij knaagdieren en een betrouwbare uitlezing om sensorische verwerking, neurovasculaire koppeling en hun veranderingen5,6,10,11te bestuderen. Hoewel grof handmatig borstelen van de snorharen de voorkeur kan hebben vanwege het gebruiksgemak, mist deze methode ruimtelijke en temporele precisie. Het gebruik van een automatische stimulator, zoals die hier wordt beschreven, geactiveerd met de fUS-beeldvormingsscanner, zorgt voor een betere controle van verschillende parameters, waaronder het tijdstip van aanvang, de amplitudeverplaatsing, de frequentie en de hoek van de Q-tip / kam, wat resulteert in een betere reproduceerbaarheid tussen dieren. Bovendien maakt een nauwkeurigere timing van stimulatie de modellering van de hemodynamische responsfunctie (HRF) mogelijk door de tijd tot aanvang en de tijd tot piekparameters te bepalen12,13. Om een betere precisie te garanderen op het aantal snorharen dat tijdens de stimulatie wordt afgebogen (en dus het gebied van het geactiveerde gebied), kunnen meer geavanceerde stimulatoren aan dit protocol worden aangepast. Veel andere stimuli zoals licht8,geluid14 of geurpresentatie15 kunnen met hetzelfde protocol worden geïmplementeerd.
De compatibiliteit van functionele echografie met wakkere en zich gedragende dieren is een belangrijk voordeel in vergelijking met andere neuroimaging-technieken, waardoor functionele activeringskartering mogelijk is zonder de anesthesiebias. Het gebruik van een luchtgelifte stacaravan is een goed alternatief voor andere bestaande hoofdvaste apparaten zoals lineaire of bolvormige loopbanden. Hoewel de beweging van de homecage stevig op het hoofd is, geeft het de muis de illusie om door de omgeving te navigeren, waardoor een breed scala aan gedragstests kan worden gekoppeld aan fUS-beeldvorming16. De gewenningsprocedure voor hoofdfixatie is echter een belangrijke stap om stress te verminderen, vooral voor experimenten waarbij het als een verstorende factor kan worden beschouwd. De hier beschreven procedure (6 dagen hanteren en gewenning aan hoofdfixatie) geeft robuuste resultaten voor sensorische stimulatie en functionele connectiviteit in rusttoestand. Het kan echter nodig zijn om de gewenningsperiode te verlengen voor meer verfijnde gedragstests17.

In de afgelopen twee decennia is neuroimaging een belangrijk hulpmiddel geworden voor het bestuderen van hersenfunctie en -organisatie, waardoor onderzoekers belangrijke ontdekkingen kunnen doen op het gebied van neurowetenschappen. Tegenwoordig is functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI) de gouden standaard klinische neuroimaging-techniek geworden om taak- of geneesmiddel-opgeroepen hersenactivatie te beoordelen en functionele connectiviteit in rust in kaart te brengen. Hoewel menselijke fMRI een hoge betrouwbaarheid en gevoeligheid heeft, blijft muis fMRI om verschillende redenen technisch uitdagend1. Ten eerste heeft fMRI een slechte ruimtelijke en temporele resolutie. De kleine omvang van het muizenbrein vereist het gebruik van sterke magnetische velden met behulp van dure scanners om een redelijke ruimtelijke resolutie te bereiken. Ten tweede is het handhaven van stabiele fysiologische parameters binnen het smalle bereik waardoor efficiënte neuro-vasculaire koppeling mogelijk is, erg moeilijk bij verdoofde muizen. Ten slotte heeft het bloedzuurstofniveauafhankelijke (BOLD) signaal waarop fMRI-studies vertrouwen een relatief slechte gevoeligheid, wat leidt tot een lage signaal-ruisverhouding wanneer toegepast op muizen en vaak herhaalde stimuluspresentatie gedurende lange acquisitie vereist om kleine variaties te detecteren. Omdat de muis het meest gebruikte diermodel is in biomedisch preklinisch onderzoek, zijn deze beperkingen deels verantwoordelijk voor de translationele kloof in de neuropsychiatrie, waardoor nieuwe veelbelovende therapeutische doelen op de bank kunnen worden omgezet in effectieve behandelingen aan het bed.
Functionele echografie (fUS) is een recent ontwikkelde neuroimaging techniek op basis van ultrasnelle doppler2. Door direct het cerebrale bloedvolume te bemonsteren, maakt deze techniek het mogelijk om hersenactiviteit in realtime te onderzoeken via de neurovasculaire koppeling. In vergelijking met andere neuroimaging-technieken levert fUS een ruimtelijke resolutie op van 100 μm en een temporele resolutie in de tientallen milliseconden. Deze techniek maakt beeldvorming van de hele hersenen mogelijk van volledige coronale delen van het muizenbrein, volledig niet-invasief. Bovendien is het volledig compatibel met bewuste en zich gedragende dieren3,4,5. Een van de belangrijkste huidige beperkingen van fUS is de 2D-functie, waardoor tegelijkertijd een enkel coronaal vlak kan worden opgenomen. Hoewel volumetrische 3D fUS met behulp van 2D matrix array transducers al met succes is aangetoond bij ratten6 en bevestigd bij muizen7,vereist het huidige gebrek aan gevoeligheid een volledige craniotomie en een gemiddeld aantal onderzoeken om een lichte verandering van activiteit te detecteren. Als alternatief kunnen lineaire transducers over meerdere posities worden getrapt en functionele beeldvorming vlak voor vliegtuig uitvoeren om de hele hersenen te bedekken. Deze techniek vereist echter tal van experimentele paradigmaherhalingen en als zodanig lange acquisitietijden (3-4 uur voor het muizenbrein)8,9.
In het huidige werk beschrijven we een robuust experimenteel platform, waaronder een commercieel beschikbare functionele ultrasone scanner en een snelle vlak-schakelende lineaire transducer met procedures om 3D fUS-gegevens te verkrijgen in verdoofde en wakkere muizen, waardoor volumetrische en transcraniële functionele mapping van de muizenhersenen mogelijk is, niet-invasief, zonder contrastmiddel en binnen korte acquisitietijden. We illustreren deze functie door somatosensorische cortexactivatie na snorrestimulatie en functionele connectiviteit in rusttoestand in kaart te brengen. Naast diervoorbereiding en gegevensverzameling beschrijven we ook de procedure voor visualisatie, atlasregistratie en analyse van real-time fUS-signalen.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>BD Plastipak 1 mL syringes</td>
			<td>Dutscher, France</td>
			<td>303172</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BD Microlance 26 Gauge needles</td>
			<td>Dutscher, France</td>
			<td>303800</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Animal Temperature Controller (heating Plate coupled with a rectal probe)</td>
			<td>Physitemp</td>
			<td>TCAT-2DF</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Arduino</td>
			<td>Arduino</td>
			<td>Arduino Uno-Rev3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Atipamezole</td>
			<td>Orion Pharma, France</td>
			<td>Antisedan&#174;</td>
			<td>5 mg/ml injectable solution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dental Ciment</td>
			<td>Sun M&#233;dical, Shiga, japan</td>
			<td>Superbond C&#38;B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Depilatory cream</td>
			<td>Klorane</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Eye Ointment</td>
			<td>TVM, UK</td>
			<td>Ocry-gel</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hair trimmer</td>
			<td>Wella Profesionnals</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Head plates</td>
			<td>Neurotar, Finland</td>
			<td>Model 14</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Iconeus One standard package for fUS</td>
			<td>Iconeus, France</td>
			<td>Iconeus One</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>IcoScan acquisition software (v1.0)</td>
			<td>Iconeus, France</td>
			<td>IcoScan</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>IcoStudio analysis software (v1.0)</td>
			<td>Iconeus, France</td>
			<td>IcoStudio</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isoflurane Anesthesia station</td>
			<td>Minerve, Esternay, France</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ketamine</td>
			<td>Virbac, France</td>
			<td>Ketamine1000</td>
			<td>100 mg/ml injectable solution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lidocaine</td>
			<td>Vetoquinol</td>
			<td>Lurocaine&#174;</td>
			<td>20 mg/ml injectable solution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Medetomidine</td>
			<td>Orion Pharma, France</td>
			<td>Domitor&#174;</td>
			<td>1 mg/ml injectable solution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Meloxicam</td>
			<td>Boehringer lingelheim</td>
			<td>Metacam&#174;</td>
			<td>0.5 mg/ml injectable solution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mobile HomeCage Large with tracking capability</td>
			<td>Neurotar, Finland</td>
			<td>MHC-L-T-V4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Monitoring of ECG and breathing rate</td>
			<td>AD Systems, (USA) and LabChart software</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Servomotor</td>
			<td>Feetech</td>
			<td>FT90B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stereotaxic frame</td>
			<td>David Kopf (Tujunga, USA)</td>
			<td>900-WA</td>
			<td>Using Mouse Adaptor&#160; (Ref: 922) and Non-Rupture Ear Bars (ref: 922)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Surgical glue</td>
			<td>3M, USA</td>
			<td>Vetbond</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe Pump</td>
			<td>KD Scientific, USA</td>
			<td>Legato&#174; 130, Cat# 788130</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasound gel</td>
			<td>DREXCO medical, France</td>
			<td>Medi&#39;Gel</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Xylazine 2%</td>
			<td>Bayer, France</td>
			<td>Rompun&#174;</td>
			<td>20 mg/ml injectable solution</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

whole-brain 3d activation and functional connectivity mapping in mice using transcranial functional ultrasound imaging

Functionele echografie (fUS) beeldvorming is een nieuwe beeldvormingsmodaliteit van de hersenen die afhankelijk is van de hoogsensitiviteitsmaat van het cerebrale bloedvolume dat wordt bereikt door ultrasnelle dopplerangiografie. Omdat hersenperfusie sterk verbonden is met lokale neuronale activiteit, maakt deze techniek het mogelijk om de hele hersenen 3D-mapping van taakgeïnduceerde regionale activering en functionele connectiviteit in rusttoestand, niet-invasief, met ongeëvenaarde spatio-temporele resolutie en operationele eenvoud. In vergelijking met fMRI (functional magnetic resonance imaging) bestaat een belangrijk voordeel van fUS imaging uit het mogelijk maken van een volledige compatibiliteit met wakkere en zich gedragende dierproeven. Bovendien blijft fMRI brain mapping bij muizen, het meest gebruikte preklinische model in de neurowetenschappen, technisch uitdagend vanwege de kleine omvang van de hersenen en de moeilijkheid om stabiele fysiologische omstandigheden te behouden. Hier presenteren we een eenvoudig, betrouwbaar en robuust protocol voor fUS-beeldvorming van de hele hersenen bij verdoofde en wakkere muizen met behulp van een kant-en-klaar commercieel fUS-systeem met een gemotoriseerde lineaire transducer, wat aanzienlijke corticale activering oplevert na sensorische stimulatie en reproduceerbaar 3D functioneel connectiviteitspatroon voor netwerkidentificatie.

Dit protocol beschrijft de 3D-kwantificering van cerebrale hemodynamische variaties transcaraniaal in het muizenbrein, in rust of als reactie op sensorische stimulatie. Whisker-stimulatie, een standaardparadigma om functionele activering van de hersenen bij knaagdieren in kaart te brengen, is geselecteerd als een voorbeeld van sensorische stimulatie-opgeroepen respons. Figuur 4 toont een representatieve activeringskaart als reactie op mechanische snorharstimulatie in een verdoofde muis verkregen met behulp van transcraniële fUS-beeldvorming. De totale proeftijd was 760 s, met een baseline van 60 s (voor en na de stimulatie), een stimulatie van 80 s en een hersteltijd van 60 s, 5x herhaald. Significante activering werd bepaald met de resolutie van een algemeen lineair model (GLM) met behulp van een standaard muis hemodynamische responsfunctie (HRF). De geactiveerde gebieden (Z-scores met p-waarde >0,0000006 na strenge Bonferroni-correctie voor meervoudige vergelijking) worden weergegeven als kleurgecodeerde waarden die over de Allen common coordinate framework-sjabloon zijn gelegd. Voxel-wise tijdsverloop van de contralaterale primaire somatosensorische cortex, barrel field region (S1BF) onthulde een toename van 15-20% van de CBV in vergelijking met baseline.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62267/62267fig4v2.jpg"> Figuur 4: Transcraniële activering Kaarten en rCBV-tijdsverloop na snorharenstimulatie in ketamine/xylazine verdoofde muis. Een. Activeringskaart met significant geactiveerde voxels na mechanische stimulatie van de juiste snorharen (80 s AAN, 60 s UIT, 5x) onder ketamine/xylazine-anesthesie. Kaarten werden verkregen door Z-scores te berekenen op basis van algemene lineaire modelanalyse (GLM) met Bonferroni-correctie voor meervoudige vergelijking. Z-scores (kleurgecodeerd) worden over de Allen brain 3D-sjabloon gelegd (na registratie met het hersenpositioneringssysteem) en weergegeven in drie weergaven: coronaal (links), sagittale (midden) en axiale (rechts). Anatomische gebieden uit het gemeenschappelijke coördinatenkader van de hersenen van de Allen-muis worden ter referentie weergegeven. Geactiveerde voxels bevinden zich goed in de linker S1BF-cortex. Schaalbalk: 1 mm. Elk monstervolume werd gescand over 2,8 mm (overeenkomend met 7 plakjes in de elevatierichting) in 3,85 s, waardoor 20 volumische monsters tijdens elke functionele respons konden worden geregistreerd. B. 3D-weergave van whiskerstimulatie-opgeroepen relatieve cerebrale bloedvolume (rCBV) toename in vergelijking met het uitgangsniveau. De anatomische afbakening van de S1BF wordt in blauw aangegeven. C. Tijdsloop van CBV-variaties in de linker S1BF (blauw) en de bijbehorende toegepaste stimulus (rood). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62267/62267fig4v2large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
Hetzelfde paradigma is toegepast in een hoofd-gefixeerde muis in de stacaravancage met behulp van de wakkere preset van IcoScan. Figuur 5 toont de activeringskaart na een multipel snorharenstimulatie-experiment met behulp van de experimentele opstelling beschreven in figuur 2. Enkele achterste en caudale snorharen werden gestimuleerd met het volgende patroon: 30 s baseline gevolgd door vijf opeenvolgende proeven van 30 s ON (4 Hz) en 30 s OFF(Figuur 5C). Stimulatie werd geleverd met behulp van een servomotor aangedreven door een Arduino UNO-kaart die de beeldacquisitievolgorde voor synchronisatie triggerde. Significante activering werd bepaald met de resolutie van een algemeen lineair model (GLM) met behulp van een standaard muis hemodynamische responsfunctie (HRF). Meervoudige vergelijkingscorrectie werd uitgevoerd met de Bonferroni-methode. Conventioneel alfaniveau van 0,05 werd genormaliseerd door het totale aantal voxels in het acquisitievolume, wat resulteerde in een uiteindelijke strenge drempel van 0,000003.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62267/62267fig5v2.jpg"> Figuur 5: Activatiekaarten en rCBV-tijdsverloop na snorharenstimulatie bij wakker gedragende muis. Een. Activeringskaart met aanzienlijk geactiveerde voxels na mechanische stimulatie van de juiste snorharen (30 s AAN, 30 s UIT, 5x) in een wakkere muis in de stacaravancaire. Kaarten werden verkregen door Z-scores te berekenen op basis van algemene lineaire modelanalyse (GLM) met Bonferroni-correctie voor meervoudige vergelijking (normalisatie door het totale aantal voxels). Z-scores (kleurgecodeerd) worden over de Allen brain 3D-sjabloon gelegd (na registratie met het Brain Positioning System) en weergegeven in drie weergaven: coronaal (links), sagittale (midden) en axiale (rechts). Anatomische gebieden uit het Allen Mouse Brain Common Coordinate Framework worden ter referentie weergegeven. Geactiveerde voxels bevinden zich goed in de linker S1BF-cortex. Schubtstaven, 1 mm. Elk monstervolume werd gescand over 1,6 mm (overeenkomend met 3 plakjes in de elevatierichting) in 3,85 s, waardoor 17 volumische monsters tijdens elke functionele respons konden worden geregistreerd. B. 3D-weergave van snorharenstimulatie-opgeroepen relatieve cerebrale bloedvolume (rCBV) toename in vergelijking met het uitgangsniveau. De anatomische afbakening van de S1BF wordt in blauw aangegeven. C. Illustratie van de muis in de stacaravan tijdens het juiste snorharenstimulatie-experiment, waarbij vijf 30 s-proeven werden uitgevoerd voor een totale acquisitietijd van 330 s. D. Ogenblikkelijke relatieve CBV-tijdsverloop geëxtraheerd binnen het geactiveerde gebied (blauw), met de bijbehorende stimulus bovenop elkaar (rood). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62267/62267fig5v2large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
Figuur 6 toont de temporele correlaties van genormaliseerde laagfrequente (<0,2 Hz) spontane CBV-fluctuaties tussen 3D-hersengebieden (geïdentificeerd uit registratie tot het Allen common coordinate framework) in een ketamine-xylazine verdoofde muis. De totale acquisitietijd was 20 min (1200 s). Atlas-supervised analyse onthulde sterke interhemisferische connectiviteitspatronen, met resulterende correlatiecoëfficiëntwaarden tot 0,8. Zaadgebaseerde analyse in de dorsale hippocampus onthulde een significante interhemisferische connectiviteit tussen de rechter- en linker hippocampus, evenals diepe retro-hippocampusgebieden en piriforme cortices. Een zaadgebied geselecteerd in de S1BF resulteerde ook in een symmetrisch (corticocorticaal) correlatiepatroon, zoals eerder beschreven.
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62267/62267fig6v2.jpg"> Figuur 6: Transcraniële volumetrische rusttoestand functionele connectiviteit van het muizenbrein onder ketamine/xylazine-anesthesie beoordeeld op een 20 min 3D fUS acquisitie. Een. Correlatiematrix op basis van 3D-regio's van het Allen common coordinate framework geregistreerd op de transcraniële functionele acquisitie. De matrix wordt verkregen door de genormaliseerde Pearson-correlatie van spontane laagfrequente fluctuaties (<0,1 Hz) van de gemiddelde tijdsignalen van alle voxels die zijn opgenomen in elke geïdentificeerde ROI na slice timingcorrectie te berekenen. Elk bemonsterd volume werd gescand over 1,6 mm in de hoogterichting (overeenkomend met 4 plakjes) verkregen over 2,2 s. B. Op zaden gebaseerde analyse geprojecteerd op een 3D-sjabloon. Het zaad werd geselecteerd in de rechter dorsale hippocampus op β - 2,1 mm. Correlatiekaart wordt verkregen door de Pearson Correlation-coëfficiënt te berekenen tussen de temporele signalen van het zaad en elke voxel van de hele acquisitie na correctie van de slice timing. C. 3D-correlatiekaart op basis van zaadgebaseerde analyse met zaadgebied geselecteerd binnen de S1BF op β - 2,1 mm. Schaalbalken: 1 mm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62267/62267fig6v2large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Whole-Brain 3D Activation and Functional Connectivity Mapping in Mice using Transcranial Functional Ultrasound Imaging at JoVE.com

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

Dit protocol beschrijft de kwantificering van volumetrische cerebrale hemodynamische variaties in het muizenbrein met behulp van functionele echografie (fUS). Procedures voor 3D functionele activeringskaart na sensorische stimulatie en functionele connectiviteit in rusttoestand worden gegeven als illustratieve voorbeelden, bij verdoofde en wakkere muizen.

Whole-Brain 3D-activering en functionele connectiviteit mapping bij muizen met behulp van transcraniële functionele echografie beeldvorming

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

Functionele echografie is een nieuwe neuroimaging-modaliteit die het mogelijk maakt om het cerebrale bloedvolume in het levende knaagdierbrein in kaart te brengen. Met behulp van ultrasnelle vliegtuiggolfbeeldvorming kunnen we hemodynamische reacties van de hele hersenen meten met een ongeëvenaarde speciale tijdelijke resolutie en gevoeligheid. Dit protocol legt uit hoe transcraniële functionele echografie bij muizen kan worden uitgevoerd, zowel voor verdoofde als wakkere dierproeven.In vergelijking met andere functionele beeldvormingstechnieken voor de hele hersenen, zoals FMRI, biedt functionele echografie een hoge draagbaarheid, gebruiksgemak en maakt het experimenten mogelijk bij wakkere en vrij bewegende proefpersonen, waardoor anesthesiebias wordt vermeden en gedragsstudies mogelijk worden. Tot voor kort werd FUS-beeldvorming alleen gebruikt in samenwerking met echografie-expert. Nu is deze technologie beschikbaar voor de brede neurowetenschappelijke gemeenschap, dankzij commercieel verkrijgbare scanners en speciale software voor preklinische beeldvorming van de hersenen, waardoor FUS vrij eenvoudig te gebruiken is zonder enige achtergrond in echografie.Breng voor een verdoofde beeldvormingssessie oogzalf aan op de ogen van de muis om schade aan het hoornvlies te voorkomen en scheer de muiskop met behulp van een tremor. Breng wat ontharingscrème aan en spoel na een paar minuten af. Herhaal dit totdat het haar volledig is verwijderd.Plaats subcutane pinnen in de ledematen voor opname van elektrocardiogrammen en plaats gecentrifugeerde ultrasone gel op het hoofd. Voor wakkere muizenexperimenten is een voorbereidende operatie vereist voor hoofdfixatie. Plaats de verdoofde muis en een stereotactisch frame op een verwarmingskussen van 37 graden Celsius.Breng beschermende gel aan voor de ogen en dien subcutaan lidocaïne toe onder de hoofdhuid met behulp van een naald van 26 gauge en wacht vervolgens een paar minuten. Maak een incisie na de sagittale hechting van achter het achterhoofdsbeen naar het begin van het neusbeen en gebruik vervolgens een chirurgische schaar om de huid over beide hemisferen weg te snijden. Reinig de schedel met één procent jodiumoplossing en verwijder het resterende botvlies.Gebruik de kopplaat als sjabloon en markeer twee gaten in de schedel om de verankeringsschroeven te positioneren. Plaats de kopplaat met de schroeven en gebruik tandcement om de schroeven te bevestigen en de kopplaat aan de voor- en achterkant van het frame om een goede grip op het implantaat te behouden. Verwijder het dier uit het stereotactische frame nadat het cement droog is en draai de anesthesie om via subcutane injectie van één milligram per kilogram atipamezol.Toedien profylactische meloxicam voor postoperatieve pijn. Plaats een magnetische 3D-geprinte dop over de hoofdplaat ter bescherming en laat de muis vier tot zes dagen herstellen voordat de gewenning aan de kooi van de stacaravan begint. Plaats het dier een paar uur in een herstelkooi op een verwarmingskussen en breng de muis vervolgens terug naar zijn thuiskooi met nestgenoten.Op dag vier en vijf na het herstel klemt u de muis herhaaldelijk vast aan de kooi van de stacaravan en verhoogt u geleidelijk de vaste tijd van het hoofd, beginnend bij vijf minuten en maximaal 30 minuten. Breng wat zoutoplossing en ultrasone gel aan op het beeldvormingsvenster om de muis te laten wennen. Herhaal dit proces op dag zes na herstel.Start de software en maak een experimenteersessie. Ga naar het menu van de bewegingssonde om de positie van de ultrasone sonde aan te passen met behulp van het navigatietoetsenbord. Start de live view acquisitie en pas indien nodig de positie van de sonde aan via real-time beeldvorming van het cerebrale bloedvolume van het dier, of CBV.Lijn de hersenen uit in het midden van het beeld en optimaliseer vervolgens de beeldparameters om de hoogste signaal-ruisverhouding vast te leggen. Open de Angio 3D-optie van de acquisitiesoftware. Pas op het vooraf ingestelde paneel de scanparameters van het eerste segment, het laatste segment en de stapgrootte aan om de hele hersenen te scannen en de acquisitie te starten.Laat de acquisitiesoftware open en start de software voor data-analyse en visualisatie en laad vervolgens de Angio 3D-scan. Navigeer door het acquisitievolume met behulp van het paneel met drie weergaven en selecteer de coronale scanrichting, anteroposterior of posturaal anterieur. Ga naar het hersenregistratiepaneel en laad de muisreferentiesjabloon voor het registratieproces.Registreer de scan op het Allen Mouse Common Coordinates Framework met behulp van de volautomatische of handmatige registratiemodi. Controleer het resultaat door te kijken naar de superpositie van de Angio 3D-scan en de referentiesjabloon, of door te kijken naar de superpositie van de scan en de Allen Reference Atlas met behulp van het Atlas-beheerpaneel. Sla de registratie op als een BPS-bestand.Zorg er in de ICO-studiosoftware voor dat de angiografische scan en het BPS-bestand zijn geladen. Ga naar het hersennavigatiepaneel. Navigeer in het deelvenster Atlas Manager door de allen brain atlas van de muis met de bovenliggende onderliggende boomnavigator.Zoek de anatomische doelgebieden en selecteer ze om ze in de drie weergaven op de scan te richten. Visualiseer de doelgebieden in het deelvenster met drie weergaven en kies een beeldvlak dat de doelgebieden voor het experiment overlapt door handmatig twee markeringen in te stellen op de coronale positie die het betreffende gebied omvat. Klik op Brain Positioning System, of BPS, om de resulterende motorcoördinaten te extraheren die overeenkomen met de sondepositie om het beoogde vlak in beeld te brengen.Controleer het voorbeeld van de afbeelding die is berekend op basis van de angio-scan. Ga in de ICO-scansoftware naar het sondepositioneringspaneel en klik op BPS-coördinaten invoeren en pas vervolgens de geëxtraheerde coördinaten toe, waardoor de sonde beweegt en uitlijnt op het beoogde beeldvormingsvlak. Voer een live view acquisitie uit en controleer of het huidige beeldvlak overeenkomt met de voorspelling.Definieer de stimulatievolgorde, inclusief de tijd van stimulatie, interessestimulatietijd en het aantal herhalingen. Voer een 3D FUS-reeks uit door de totale tijd van acquisitie, het aantal posities en de dode tijd tussen posities te definiëren. Voor automatische stimulatie gesynchroniseerd met het acquisitiesysteem via TTL-ingang, selecteert u de trig in-optie voordat u de acquisitie start.Open de acquisitie in ICO studio-software en ga naar het activeringskaartmenu, vul vervolgens het activeringspatroonveld in met een begin- en eindtijd en bereken de activeringskaart. Pas de weergaveparameters voor visualisatie aan en exporteer de activeringskaart als een H5-bestand voor offline analyse. Voer een 3D FUS-reeks uit door de totale tijd van acquisitie, het aantal posities van het beeldvlak en de dode tijd tussen posities te definiëren.Sla de acquisitie op en laad deze in de ICO-studiosoftware. Laad indien nodig het BPS-bestand en het Allen Mouse Brain Coordination Framework. Selecteer in Atlas Manager regio's van de Atlas als interessante regio's.Ga naar het menu functionele geleidbaarheid en selecteer de gewenste regio's en de ROI-manager. Visualiseer de resultaten als connectiviteitsmatrix of op seed gebaseerde correlatiekaart, selecteer en pas vervolgens de bandbreedtefilters naar wens aan en exporteer correlatieresultaten voor statistische analyse. Dit protocol werd gebruikt voor 3D-kwantificering van cerebrale hemodynamische variaties transraniaal in het muizenbrein.Whisker stimulatie werd geselecteerd als een voorbeeld van sensorische stimulatie opgeroepen respons. Significante activering werd bepaald met een resolutie van een algemeen lineair model, of GLM, met behulp van de standaard muis hemodynamische responsfunctie. De totale proeftijd was 760 seconden, met een basislijn van 60 seconden, een stimulatie van 80 seconden en een hersteltijd van 60 seconden die vijf keer werd herhaald.Met behulp van een voxelgewijs tijdsverloop van de contralaterale primaire somatosensorische cortex, onthulde het barrel field-gebied, of S1BF, een toename van 15 tot 20% van de CBV in vergelijking met baseline. Hetzelfde paradigma werd toegepast in een hoofd vast gedragende muis in de kooi van de stacaravan met behulp van de wakkere preset van ICO-scan. De activeringskaart na een meervoudig snorharenstimulatie-experiment wordt hier weergegeven.Significante activering werd bepaald met de resolutie van een GLM met behulp van een standaard muis hemodynamische responsfunctie. De temporele correlaties hebben laagfrequente spontane CBV-fluctuaties tussen 3D-hersengebieden in een ketamine xylazine-verdoofde muis genormaliseerd. Zaadgebaseerde analyse en de dorsale hippocampus onthulden de significante interhemisferische geleidbaarheid tussen de rechter- en linker hippocampus, evenals diepere retro hippocampale regio's en piriforme beleefdheden.Een zaadgebied geselecteerd in de S1BF resulteerde ook in een symmetrisch correlatiepatroon. Het kritieke punt voor succesvolle experimenten is de diervoorbereiding, met name het niveau van anesthesie voor experimenten met verdoofde dieren en de bescherming van een schedel bij experimenten bij wakkere dieren. Als de VS ons in staat stelde om belangrijke hersenfuncties te bestuderen bij wakkere dieren die te maken hebben met fundamentele vragen over slaap, leren of gedrag, maar ook de farmacologische modulatie van functionele connectiviteit voor het ontdekken van geneesmiddelen.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Functional Mapping with Simultaneous MEG and EEG

Functionele Mapping met gelijktijdige MEG en EEG

We use magnetoencephalography (MEG) and electroencephalography (EEG) to locate and determine the temporal evolution in brain areas involved in the ...

Assessment of Cerebral Lateralization in Children using Functional Transcranial Doppler Ultrasound (fTCD)

Assessment of Cerebral Lateralization in Children using Functional Transcranial Doppler Ultrasound fTCD

Beoordeling van de cerebrale lateralisatie bij kinderen met behulp van functionele Transcranial Doppler-echografie (fTCD)

There are many unanswered questions about cerebral lateralization.  In particular, it remains unclear which aspects of language and nonverbal ability are ...

Functional Calcium Imaging in Developing Cortical Networks

Functionele Beeldvorming Calcium in ontwikkelingslanden Cortical Networks

A hallmark pattern of activity in developing nervous systems is spontaneous, synchronized network activity. Synchronized activity has been observed in ...

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

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

Het opnemen van de Mens electrocorticografische (ECOG) Signalen voor neurowetenschappelijk onderzoek en Real-time Functioneel Cortical Mapping

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

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

Functionele neuroimaging Met behulp van ultrasone bloed-hersen barrière verstoring en mangaan-enhanced MRI

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

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

Functionele Beeldvorming van de auditieve cortex in volwassen katten met behulp van High-field fMRI

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

Simultaneous ex vivo Functional Testing of Two Retinas by in vivo Electroretinogram System

Simultaneous ex vivo Functional Testing of Two Retinas by in vivo Electroretinogram System

Simultaan<em&gt; Ex vivo</em&gt; Functioneel testen van Two netvliezen door<em&gt; In vivo</em&gt; Elektroretinogram System

An In vivo electroretinogram (ERG) signal is composed of several overlapping components originating from different retinal cell types, as well as noise ...

In Vivo Functional Brain Imaging Approach Based on Bioluminescent Calcium Indicator GFP-aequorin

In Vivo Functional Brain Imaging Approach Based on Bioluminescent Calcium Indicator GFP-aequorin

In vivo Functional Brain Imaging aanpak op basis van Bioluminescent Calcium Indicator GFP-aequorine

Functional in vivo imaging has become a powerful approach to study the function and physiology of brain cells and structures of interest. Recently a new ...

Using Optical Coherence Tomography and Optokinetic Response As Structural and Functional Visual System Readouts in Mice and Rats

Met behulp van optische coherentie tomografie en Optokinetic reactie als structurele en functionele visuele systeem uitlezingen in muizen en ratten

Optical coherence tomography (OCT) is a fast, non-invasive, interferometric technique allowing high-resolution retinal imaging. It is an ideal tool for ...

Conducting Hyperscanning Experiments with Functional Near-Infrared Spectroscopy

Hyperscanning experimenten met functionele nabij-infrarood spectroscopie

Concurrent brain recordings of two or more interacting persons, an approach termed hyperscanning, are gaining increasing importance for our understanding ...