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

Ce travail a été soutenu par la subvention avancée n° 339244-FUSIMAGINE du Conseil européen de la recherche (ERC), l’Agence nationale de la recherche finançant « Pinch » (ANR-18-CE37-005), l’accélérateur technologique de recherche Inserm en échographie biomédicale, le noyau technique ElfUS de l’IPNP, Inserm U1266, le programme de recherche européen FUSIMICE du Human Brain Project et la bourse à court terme EMBO 8439 à Andrea Kliewer.

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	<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" 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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 et Bruno-Félix Osmanski sont des employés d’Iconeus. Thomas Deffieux, Zsolt Lenkei, Bruno-Félix Osmanski et Mickael Tanter sont co-fondateurs et actionnaires d’Iconeus.

Les méthodes d’imagerie du cerveau entier sont des outils cruciaux pour mieux comprendre la physiologie et la pathologie du cerveau. La méthode décrite ici permet la quantification précise des signaux hémodynamiques dans le cerveau vivant directement au banc. La sensibilité et la résolution spatio-temporelle inégalées de l’échographie fonctionnelle sont particulièrement bien adaptées à la physiologie de la souris. Les réponses fonctionnelles et les réseaux d’états de repos peuvent être cartographiés dans des temps d’acquisition courts, longitudinalement et sans avoir à faire la moyenne des essais ou des sujets pour obtenir une mesure fiable. La combinaison pertinente de sondes linéaires à ultrasons haute sensibilité et de configurations motorisées rapides permet d’effectuer une imagerie fUS volumétrique transcrânienne chez la souris dans des délais d’acquisition raisonnables. Ce protocole peut être effectué sur des souris anesthésiées ou éveillées à l’aide d’une cage de maison mobile.
La stimulation par moustaches, le stimulus sensoriel utilisé comme exemple illustratif dans ce manuscrit, est un paradigme d’activation fonctionnelle standard chez les rongeurs et une lecture fiable pour étudier le traitement sensoriel, le couplage neurovasculaire et leurs altérations5,6,10,11. Bien que le brossage manuel grossier des moustaches puisse être préféré pour sa facilité d’utilisation, cette méthode manque de précision spatiale et temporelle. L’utilisation d’un stimulateur automatique, tel que celui décrit ici déclenché avec le scanner d’imagerie fUS, permet un meilleur contrôle de plusieurs paramètres dont le moment d’apparition, le déplacement d’amplitude, la fréquence ainsi que l’angle du Q-tip/peigne, ce qui se traduit par une meilleure reproductibilité inter-animaux. De plus, un moment plus précis de la stimulation permet de modéliser la fonction de réponse hémodynamique (HRF) en déterminant le temps d’apparition et le temps de pic des paramètres12,13. Pour assurer une meilleure précision sur le nombre de moustaches déviées lors de la stimulation (et donc sur la zone de la région activée), des stimulateurs plus sophistiqués peuvent être adaptés à ce protocole. De nombreux autres stimuli tels que la lumière8,le son14 ou la présentation desodeurs 15 peuvent être mis en œuvre en utilisant le même protocole.
La compatibilité de l’échographie fonctionnelle avec les animaux éveillés et se comportant est un avantage important par rapport à d’autres techniques de neuroimagerie, permettant une cartographie de l’activation fonctionnelle sans biais d’anesthésie. L’utilisation d’une maison mobile à air est une bonne alternative aux autres appareils fixes existants tels que les tapis roulants linéaires ou sphériques. Tout en étant fermement fixé sur la tête, le mouvement de la homecage donne à la souris l’illusion de naviguer dans l’environnement, permettant à un large éventail de tests comportementaux d’être couplés à l’imagerie fUS16. Cependant, la procédure d’accoutumumabilité à la fixation de la tête constitue une étape importante pour réduire le stress, en particulier pour les expériences où il peut être considéré comme un facteur de confusion. La procédure détaillée ici (6 jours de manipulation et d’accoutumation à la fixation de la tête) donne des résultats robustes pour la stimulation sensorielle et la connectivité fonctionnelle à l’état de repos. Cependant, il pourrait être nécessaire de prolonger la période d’accoutumant pour des tests comportementaux plus raffinés17.

Au cours des deux dernières décennies, la neuroimagerie est devenue un outil important pour étudier le fonctionnement et l’organisation du cerveau, permettant aux chercheurs de faire d’importantes découvertes dans le domaine des neurosciences. Aujourd’hui, l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) est devenue la technique de neuroimagerie clinique de référence pour évaluer l’activation cérébrale évoquée par une tâche ou un médicament et pour cartographier la connectivité fonctionnelle au repos. Alors que l’IRMf humaine a une fiabilité et une sensibilité élevées, l’IRMf de la souris reste techniquement difficile pour de nombreuses raisons1. Premièrement, l’IRMf a une faible résolution spatiale et temporelle. La petite taille du cerveau de la souris nécessite l’utilisation de champs magnétiques puissants utilisant des scanners coûteux pour atteindre une résolution spatiale raisonnable. Deuxièmement, le maintien de paramètres physiologiques stables dans la plage étroite permettant un couplage neuro-vasculaire efficace est très difficile chez les souris anesthésiées. Enfin, le signal dépendant du niveau d’oxygène dans le sang (BOLD) sur lequel s’appuient les études d’IRMf a une sensibilité relativement faible, ce qui conduit à un faible rapport signal/bruit lorsqu’il est appliqué à des souris et nécessite souvent une présentation répétée des stimuli sur une longue acquisition pour détecter de petites variations. La souris étant le modèle animal le plus largement utilisé dans la recherche préclinique biomédicale, ces limitations sont en partie responsables de la lacune translationnelle en neuropsychiatrie, empêchant de nouvelles cibles thérapeutiques prometteuses sur le banc d’être transposées en traitements efficaces au chevet du patient.
L’échographie fonctionnelle (fUS) est une technique de neuroimagerie récemment développée basée sur le doppler2ultrarapide. En échantillonnant directement le volume sanguin cérébral, cette technique permet de sonder l’activité cérébrale en temps réel grâce au couplage neurovasculaire. Par rapport à d’autres techniques de neuroimagerie, fUS donne une résolution spatiale de 100 μm et une résolution temporelle de quelques dizaines de millisecondes. Cette technique permet l’imagerie cérébrale complète de sections coronales complètes du cerveau de la souris, de manière totalement non invasive. De plus, il est entièrement compatible avec les animaux conscients et se comportant3,4,5. L’une des principales limitations actuelles de fUS est sa fonction 2D, permettant d’enregistrer un seul plan coronal en même temps. Alors que le fUS 3D volumétrique utilisant des transducteurs matriciels 2D a déjà été démontré avec succès chez le rat6 et confirmé chez la souris7,son manque actuel de sensibilité nécessite une craniotomie complète ainsi qu’une moyenne d’un nombre important d’essais pour détecter un léger changement d’activité. Alternativement, les transducteurs linéaires peuvent être échelonnés sur plusieurs positions et effectuer une imagerie fonctionnelle plan par plan pour couvrir l’ensemble du cerveau. Cependant, cette technique nécessite de nombreuses répétitions de paradigmes expérimentaux et à ce titre de longs temps d’acquisition (3-4 heures pour le cerveau de la souris)8,9.
Dans le présent travail, nous décrivons une plate-forme expérimentale robuste comprenant un échographe fonctionnel disponible dans le commerce et un transducteur linéaire à commutation de plan rapide avec des procédures pour acquérir des données fUS 3D chez des souris anesthésiées et éveillées, permettant une cartographie fonctionnelle volumétrique et transcrânienne du cerveau de la souris, de manière non invasive, sans agent de contraste et dans des temps d’acquisition courts. Nous illustrons cette caractéristique en cartographiant l’activation du cortex somatosensoriel suite à la stimulation des moustaches ainsi que la connectivité fonctionnelle à l’état de repos. Outre la préparation des animaux et la collecte de données, nous décrivons également la procédure de visualisation, d’enregistrement de l’atlas et d’analyse des signaux fUS en temps réel.

<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

L’imagerie par ultrasons fonctionnels (fUS) est une nouvelle modalité d’imagerie cérébrale qui repose sur la mesure de haute sensibilité du volume sanguin cérébral obtenue par angiographie Doppler ultrarapide. Comme la perfusion cérébrale est fortement liée à l’activité neuronale locale, cette technique permet la cartographie 3D du cerveau entier de l’activation régionale induite par la tâche ainsi que de la connectivité fonctionnelle à l’état de repos, de manière non invasive, avec une résolution spatio-temporelle et une simplicité opérationnelle inégalées. Par rapport à l’IRMf (imagerie par résonance magnétique fonctionnelle), l’un des principaux avantages de l’imagerie fUS consiste à permettre une compatibilité complète avec les expériences sur les animaux éveillés et se comportant. De plus, la cartographie cérébrale de l’IRMf chez la souris, le modèle préclinique le plus utilisé en neurosciences, reste techniquement difficile en raison de la petite taille du cerveau et de la difficulté à maintenir des conditions physiologiques stables. Nous présentons ici un protocole simple, fiable et robuste pour l’imagerie fUS du cerveau entier chez des souris anesthésiées et éveillées utilisant un système fUS commercial prêt à l’emploi avec un transducteur linéaire motorisé, produisant une activation corticale significative après une stimulation sensorielle ainsi qu’un modèle de connectivité fonctionnelle 3D reproductible pour l’identification du réseau.

Ce protocole décrit la quantification 3D des variations hémodynamiques cérébrales transcrâniennes dans le cerveau de la souris, au repos ou en réponse à une stimulation sensorielle. La stimulation des moustaches, un paradigme standard pour cartographier l’activation fonctionnelle du cerveau chez les rongeurs, a été choisie comme exemple de réponse évoquée par stimulation sensorielle. La figure 4 montre une carte d’activation représentative en réponse à la stimulation mécanique des moustaches chez une souris anesthésiée obtenue par imagerie transcrânienne de l’US. Le temps total d’essai était de 760 s, avec une ligne de base de 60 s (avant et après la stimulation), une stimulation de 80 s et un temps de récupération de 60 s, répété 5x. L’activation significative a été déterminée avec la résolution d’un modèle linéaire général (GLM) à l’aide d’une fonction de réponse hémodynamique de souris (HRF) par défaut. Les régions activées (scores Z avec une valeur de p >0,0000006 après une correction rigoureuse de Bonferroni pour une comparaison multiple) sont affichées sous forme de valeurs codées par couleur superposées au modèle de cadre de coordonnées communes Allen. L’évolution temporelle voxel du cortex somatosensoriel primaire controlatéral, région du champ de baril (S1BF) a révélé une augmentation de 15 à 20% du CBV par rapport à la ligne de base.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62267/62267fig4v2.jpg"> Figure 4: Cartes d’activation transcrânienne et évolution temporelle du rCBV suite à la stimulation des moustaches chez la souris anesthésiée à la kétamine/xylazine. Un. Carte d’activation montrant des voxels significativement activés suite à une stimulation mécanique des moustaches droites (80 s ON, 60 s OFF, 5x) sous anesthésie kétamine/xylazine. Les cartes ont été obtenues en calculant des scores Z basés sur l’analyse générale du modèle linéaire (GLM) avec correction de Bonferroni pour une comparaison multiple. Les scores Z (codés par couleur) sont superposés sur le modèle 3D du cerveau Allen (après enregistrement auprès du système de positionnement du cerveau) et affichés en trois vues: coronale (à gauche), sagittale (au milieu) et axiale (à droite). Les régions anatomiques du cadre de coordonnées communes du cerveau de la souris Allen sont affichées pour référence. Les voxels activés sont bien situés à l’intérieur du cortex S1BF gauche. Barre d’échelle: 1 mm. Chaque volume d’échantillon a été scanné sur 2,8 mm (correspondant à 7 tranches dans le sens de l’élévation) en 3,85 s permettant d’enregistrer 20 échantillons volumiques lors de chaque réponse fonctionnelle. B. Rendu 3D de l’augmentation du volume sanguin cérébral relatif (RCBV) évoquée par la stimulation des moustaches par rapport au niveau de référence. La délimitation anatomique du S1BF est indiquée en bleu. C. Évolution temporelle des variations cbV dans le S1BF gauche (bleu) et le stimulus correspondant appliqué (rouge). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62267/62267fig4v2large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
Le même paradigme a été appliqué dans une souris à comportement fixe dans la cage de la maison mobile en utilisant le préréglage éveillé d’IcoScan. La figure 5 présente la carte d’activation après une expérience de stimulation à plusieurs moustaches à l’aide de la configuration expérimentale décrite à la figure 2. Quelques moustaches postérieures et caudales ont été stimulées avec le schéma suivant : 30 s d’inclusion suivies de cinq essais consécutifs de 30 s ON (4 Hz) et 30 s OFF(Figure 5C). La stimulation a été fournie à l’aide d’un servomoteur entraîné par une carte Arduino UNO déclenchant la séquence d’acquisition d’image pour la synchronisation. L’activation significative a été déterminée avec la résolution d’un modèle linéaire général (GLM) à l’aide d’une fonction de réponse hémodynamique de souris (HRF) par défaut. Une correction de comparaison multiple a été effectuée avec la méthode Bonferroni. Le niveau alpha conventionnel de 0,05 a été normalisé par le nombre total de voxels dans le volume d’acquisition, ce qui a donné un seuil final strict de 0,000003.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62267/62267fig5v2.jpg"> Figure 5: Cartes d’activation et cours temporel du rCBV suivant la stimulation des moustaches chez la souris au comportement éveillé. Un. Carte d’activation montrant des voxels significativement activés suite à une stimulation mécanique des moustaches droites (30 s ON, 30 s OFF, 5x) chez une souris éveillée dans la maison mobile. Les cartes ont été obtenues en calculant des scores Z basés sur l’analyse générale du modèle linéaire (GLM) avec correction de Bonferroni pour une comparaison multiple (normalisation par le nombre total de voxels). Les scores Z (codés par couleur) sont superposés sur le modèle 3D du cerveau Allen (après enregistrement auprès du système de positionnement du cerveau) et affichés en trois vues: coronale (à gauche), sagittale (au milieu) et axiale (à droite). Les régions anatomiques du cadre de coordonnées communes du cerveau d’Allen Mouse sont affichées à titre de référence. Les voxels activés sont bien situés à l’intérieur du cortex S1BF gauche. Barres d’écailles, 1 mm. Chaque volume d’échantillon a été scanné sur 1,6 mm (correspondant à 3 tranches dans le sens de l’élévation) en 3,85 s permettant d’enregistrer 17 échantillons volumiques lors de chaque réponse fonctionnelle. B. Rendu 3D de l’augmentation du volume sanguin cérébral relatif (rCBV) évoquée par la stimulation des moustaches par rapport au niveau de référence. La délimitation anatomique du S1BF est indiquée en bleu. C. Illustration de la souris dans la maison mobile lors de l’expérience de stimulation de la moustache droite, au cours de laquelle cinq essais de 30 s ont été réalisés pour un temps d’acquisition total de 330 s. D. Parcours temporel CBV relatif instantané extrait à l’intérieur de la zone activée (bleu), avec le stimulus correspondant superposé (rouge). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62267/62267fig5v2large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
La figure 6 montre les corrélations temporelles des fluctuations spontanées normalisées du CBV à basse fréquence (<0,2 Hz) entre les régions cérébrales 3D (identifiées depuis l’enregistrement dans le cadre de coordonnées communes d’Allen) chez une souris anesthésisée à la kétamine-xylazine. Le temps total d’acquisition était de 20 min (1200 s). L’analyse supervisée par Atlas a révélé de forts modèles de connectivité interhémisphérique, avec des valeurs de coefficient de corrélation résultantes allant jusqu’à 0,8. L’analyse basée sur les graines dans l’hippocampe dorsal a révélé une connectivité interhémisphérique significative entre l’hippocampe droit et gauche ainsi que les régions rétro-hippocampiques profondes et les cortex piriformes. Une région de semence sélectionnée dans le S1BF a également donné lieu à un modèle de corrélation symétrique (cortico-cortical), comme décrit précédemment.
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62267/62267fig6v2.jpg"> Figure 6: Connectivité fonctionnelle transcrânienne à l’état volumétrique au repos du cerveau de la souris sous anesthésie kétamine/xylazine évaluée sur une acquisition 3D fUS de 20 min. Un. Matrice de corrélation basée sur les régions 3D du cadre de coordonnées communes Allen enregistrées sur l’acquisition fonctionnelle transcrânienne. La matrice est obtenue en calculant la corrélation normalisée de Pearson des fluctuations spontanées des basses fréquences (<0,1 Hz) des signaux temporels moyens de tous les voxels inclus dans chaque roi identifié après correction de la synchronisation des tranches. Chaque volume échantillonné a été scanné sur 1,6 mm dans le sens d’élévation (correspondant à 4 tranches) acquis sur 2,2 s. B. Analyse basée sur les graines projetée sur un modèle 3D. La graine a été sélectionnée dans l’hippocampe dorsal droit à β - 2,1 mm. La carte de corrélation est obtenue en calculant le coefficient de corrélation de Pearson entre les signaux temporels de la graine et chaque voxel de l’ensemble de l’acquisition après correction de la synchronisation des tranches. C. Carte de corrélation 3D basée sur une analyse basée sur les semences avec la région de semence sélectionnée dans le S1BF à β - 2,1 mm. Barres d’échelle: 1 mm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62267/62267fig6v2large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a>

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

Ce protocole décrit la quantification des variations hémodynamiques cérébrales volumétriques dans le cerveau de la souris à l’aide d’ultrasons fonctionnels (uAp). Les procédures pour la carte d’activation fonctionnelle 3D suivant la stimulation sensorielle ainsi que la connectivité fonctionnelle à l’état de repos sont fournies à titre d’exemples illustratifs, chez des souris anesthésiées et éveillées.

Activation 3D du cerveau entier et cartographie de la connectivité fonctionnelle chez la souris à l’aide de l’imagerie échographique fonctionnelle transcrânienne

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

L’échographie fonctionnelle est une nouvelle modalité de neuroimagerie qui permet de cartographier le volume sanguin cérébral dans le cerveau vivant des rongeurs. En utilisant l’imagerie par ondes planes ultra rapides, nous pouvons mesurer les réponses hémodynamiques du cerveau entier avec une résolution et une sensibilité temporaires spéciales inégalées. Ce protocole explique comment effectuer une échographie fonctionnelle transcrânienne chez la souris, à la fois pour les expériences sur les animaux anesthésisés et éveillés.Comparée à d’autres techniques d’imagerie fonctionnelle du cerveau entier telles que l’IRMF, l’échographie fonctionnelle offre une portabilité élevée, une facilité d’utilisation et permet des expériences sur des sujets éveillés et en mouvement libre, évitant les biais d’anesthésie et permettant des études comportementales. Jusqu’à récemment, l’imagerie FUS n’était utilisée qu’en collaboration avec un expert en échographie. Maintenant, cette technologie est disponible pour la vaste communauté des neurosciences, grâce à des scanners disponibles dans le commerce et à un logiciel dédié à l’imagerie cérébrale préclinique, ce qui rend FUS assez facile à utiliser sans aucune formation en échographie.Pour une séance d’imagerie anesthésiée, appliquez une pommade oculaire sur les yeux de la souris pour éviter tout dommage à la cornée et rasez la tête de la souris à l’aide d’un tremblement. Appliquez un peu de crème dépilatoire et rincez après quelques minutes. Répétez cette opération jusqu’à ce que les poils soient complètement enlevés.Insérez des broches sous-cutanées dans les membres pour l’enregistrement de l’électrocardiogramme et placez un gel à ultrasons centrifuge sur la tête. Pour les expériences sur des souris éveillées, une chirurgie préliminaire est nécessaire pour la fixation de la tête. Placez la souris anesthésisée et un cadre stéréotaxique sur un coussin chauffant de 37 degrés Celsius.Appliquez un gel protecteur pour les yeux et administrez de la lidocaïne par voie sous-cutanée sous le cuir chevelu à l’aide d’une aiguille de calibre 26, puis attendez quelques minutes. Faites une incision après la suture sagittale de l’arrière de l’os occipital jusqu’au début de l’os nasal, puis utilisez des ciseaux chirurgicaux pour exciser la peau sur les deux hémisphères. Nettoyez le crâne avec une solution d’iode à un pour cent et retirez tout périoste restant.En utilisant la plaque de tête comme modèle, marquez deux trous dans le crâne pour positionner les vis d’ancrage. Positionnez la plaque de tête avec les vis et utilisez du ciment dentaire pour fixer les vis et la plaque de tête à l’avant et à l’arrière du cadre pour maintenir une bonne adhérence de l’implant. Retirer l’animal du cadre stéréotaxique une fois le ciment sec et inverser l’anesthésie par injection sous-cutanée d’un milligramme par kilogramme d’atipamezole.Administrer du méloxicam prophylactique pour la douleur postopératoire. Placez un capuchon magnétique imprimé en 3D sur la plaque de tête pour la protéger et laissez la souris récupérer pendant quatre à six jours avant le début de l’accoutumée à la cage de la maison mobile. Placez l’animal dans une cage de récupération sur un coussin chauffant pendant quelques heures, puis ramenez la souris dans sa cage d’origine avec des compagnons de litière.Les quatrième et cinquième jours après la récupération, serrez à plusieurs reprises la souris dans la cage de la maison mobile et augmentez progressivement le temps fixe de la tête, à partir de cinq minutes et jusqu’à 30 minutes. Appliquez un peu de solution saline et de gel à ultrasons sur la fenêtre d’imagerie pour habituer la souris. Répétez ce processus le sixième jour après la récupération.Démarrez le logiciel et créez une session d’expérimentation. Accédez au menu Déplacer la sonde pour régler la position de la sonde à ultrasons à l’aide du clavier de navigation. Démarrez l’acquisition de la vue en direct et ajustez la position de la sonde si nécessaire via l’imagerie en temps réel du volume sanguin cérébral de l’animal, ou CBV.Alignez le cerveau au centre de l’image, puis optimisez les paramètres d’imagerie pour capturer le rapport signal/bruit le plus élevé. Ouvrez l’option Angio 3D du logiciel d’acquisition. Sur le panneau prédéfini, ajustez les paramètres de balayage de la première tranche, de la dernière tranche et de la taille de l’étape afin de scanner tout le cerveau et de commencer l’acquisition.Laissez le logiciel d’acquisition ouvert et démarrez le logiciel pour l’analyse et la visualisation des données, puis chargez le scan 3D Angio. Parcourez le volume d’acquisition à l’aide du panneau des trois vues et sélectionnez la direction du balayage coronal, l’antéropostérieur ou l’antérânienne posturale. Accédez au panneau d’enregistrement du cerveau et chargez le modèle de référence de la souris pour le processus d’enregistrement.Enregistrez l’analyse sur le cadre de coordonnées communes Allen Mouse à l’aide des modes d’enregistrement entièrement automatique ou manuel. Vérifiez le résultat en regardant la superposition du scan 3D Angio et du modèle de référence, ou en regardant la superposition du scan et de l’Atlas de référence Allen à l’aide du panneau Gestionnaire Atlas. Enregistrez l’enregistrement en tant que fichier BPS.Dans le logiciel ICO studio, assurez-vous que l’analyse angiographique et son fichier BPS sont chargés. Accédez au panneau de navigation du cerveau. Dans le panneau Atlas Manager, naviguez dans la souris Allen Brain Atlas avec le navigateur de l’arborescence enfant parent.Trouvez les régions anatomiques ciblées et sélectionnez-les pour les superposer au scan dans les trois vues. Visualisez les régions ciblées dans le panneau des trois vues et choisissez un plan d’imagerie qui chevauche les régions ciblées pour l’expérience en définissant manuellement deux marqueurs sur la position coronale qui inclut la région d’intérêt. Cliquez sur Brain Positioning System, ou BPS, pour extraire les coordonnées motrices résultantes qui correspondent à la position de la sonde pour imager le plan ciblé.Vérifiez l’aperçu de l’image qui est calculé à partir de l’angio scan. Dans le logiciel de numérisation ICO, entrez dans le panneau de positionnement de la sonde et cliquez sur Entrer les coordonnées BPS, puis appliquez les coordonnées extraites, ce qui provoque le déplacement et l’alignement de la sonde sur le plan d’imagerie ciblé. Effectuez une acquisition en vue réelle et vérifiez que le plan d’imagerie actuel correspond à la prédiction.Prédéfinissez la séquence de stimulation, y compris le temps de stimulation, le temps de stimulation de l’intérêt et le nombre de répétitions. Exécutez une séquence FUS 3D en définissant le temps total d’acquisition, le nombre de positions et le temps mort entre les positions. Pour une stimulation automatique synchronisée avec le système d’acquisition via l’entrée TTL, sélectionnez l’option trig in avant de commencer l’acquisition.Ouvrez l’acquisition dans le logiciel ICO Studio et entrez dans le menu de la carte d’activation, puis remplissez le champ du modèle d’activation avec des heures de début et de fin et calculez la carte d’activation. Ajustez les paramètres d’affichage pour la visualisation et exportez la carte d’activation sous forme de fichier H5 pour une analyse hors ligne. Exécutez une séquence FUS 3D en définissant le temps total d’acquisition, le nombre de positions du plan d’imagerie et le temps mort entre les positions.Enregistrez l’acquisition et chargez-la dans le logiciel ICO Studio. Si nécessaire, chargez le fichier BPS et le cadre de coordination cérébrale Allen Mouse. Dans atlas manager, sélectionnez les régions de l’Atlas comme régions d’intérêt.Entrez dans le menu de conductivité fonctionnelle et sélectionnez les régions souhaitées et le gestionnaire de retour sur investissement. Visualisez les résultats sous forme de matrice de connectivité ou de carte de corrélation basée sur les amorçages, puis sélectionnez et ajustez les filtres de bande passante comme vous le souhaitez et exportez les résultats de corrélation pour une analyse statistique. Ce protocole a été utilisé pour la quantification 3D des variations hémodynamiques cérébrales transcrâniennes dans le cerveau de la souris.La stimulation des moustaches a été choisie comme exemple de stimulation sensorielle de réponse évoquée. L’activation significative a été déterminée avec une résolution d’un modèle linéaire général, ou GLM, en utilisant la fonction de réponse hémodynamique de la souris par défaut. Le temps d’essai total était de 760 secondes, avec une ligne de base de 60 secondes, une stimulation de 80 secondes et un temps de récupération de 60 secondes répété cinq fois.En utilisant un cours temporel voxel du cortex somatosensoriel primaire controlatéral, la région du champ de baril, ou S1BF, a révélé une augmentation de 15 à 20% du CBV par rapport à l’inclusion. Le même paradigme a été appliqué dans une souris à tête fixe se comportant dans la cage de la maison mobile en utilisant le préréglage éveillé du scan ICO. La carte d’activation après une expérience de stimulation à plusieurs moustaches est montrée ici.Une activation significative a été déterminée avec la résolution d’un GLM à l’aide d’une fonction de réponse hémodynamique de souris par défaut. Les corrélations temporelles ont normalisé les fluctuations spontanées du CBV à basse fréquence entre les régions cérébrales 3D chez une souris anesthésisée à la kétamine xylazine sont montrées ici. L’analyse basée sur les graines et l’hippocampe dorsal ont révélé la conductivité interhémisphérique significative entre l’hippocampe droit et gauche, ainsi que des régions rétro-hippocampiques plus profondes et des courtoisies piriformes.Une région de semence sélectionnée dans le S1BF a également donné lieu à un modèle de corrélation symétrique. Le point critique pour des expériences réussies est la préparation des animaux, en particulier le niveau d’anesthésie pour les expériences impliquant des animaux anesthésiés et la protection d’un crâne dans les expériences sur des animaux éveillés. Si les États-Unis nous ont permis d’étudier des fonctions cérébrales importantes chez des animaux éveillés traitant de questions fondamentales sur le sommeil, l’apprentissage ou le comportement, mais aussi la modulation pharmacologique de la connectivité fonctionnelle pour la découverte de médicaments.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Functional Mapping with Simultaneous MEG and EEG

Cartographie fonctionnelle avec MEG et EEG simultanée

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

Recherche

Neurosciences

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

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

Évaluation de la latéralisation cérébrale chez les enfants en utilisant fonctionnelle échographie Doppler transcrânien (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

Imagerie fonctionnelle en calcium développement des réseaux corticaux

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

Enregistrement de l&#39;homme (Electrocorticographic ECoG) Signaux pour la recherche neuroscientifique et en temps réel la cartographie fonctionnelle corticale

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

Utilisation de neuro-imagerie fonctionnelle par ultrasons rupture de la barrière hémato-encéphalique et le manganèse-IRM

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

Imagerie fonctionnelle du cortex auditif chez chats adultes à l&#39;aide de haut-champ IRMf

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

Simultané<em&gt; Ex vivo</em&gt; Tests fonctionnels de deux rétines par<em&gt; In vivo</em&gt; Système Électrorétinogramme

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 cérébrale fonctionnelle approche d&#39;imagerie à base de calcium Bioluminescent Indicateur 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

Utilisant la tomographie par cohérence optique et réponse optocinétique comme lectures structurale et fonctionnelle de système visuel chez les souris et les Rats

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

Des expériences de Hyperscanning avec la spectroscopie proche infrarouge fonctionnelle

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