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

Questo lavoro è stato sostenuto dall'European Research Council (ERC) Advanced Grant N° 339244-FUSIMAGINE, dall'Agenzia Nazionale per il Finanziamento della Ricerca 'Pinch' (ANR-18-CE37-005), dall'Inserm Research Technology Accelerator in Biomedical Ultrasound, dal nucleo tecnico ElfUS dell'IPNP, dall'Inserm U1266, dal programma di ricerca europeo FUSIMICE del Human Brain Project e dalla EMBO Short-Term Fellowship 8439 ad 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" 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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 e Bruno-Félix Osmanski sono dipendenti di Iconeus. Thomas Deffieux, Zsolt Lenkei, Bruno-Félix Osmanski e Mickael Tanter sono co-fondatori e azionisti di Iconeus.

I metodi di imaging dell'intero cervello sono strumenti cruciali per comprendere meglio la fisiologia e la patologia del cervello. Il metodo qui descritto consente la quantificazione precisa dei segnali emodinamici nel cervello vivente direttamente al banco. La sensibilità e la risoluzione spazio-temporale senza pari degli ultrasuoni funzionali sono particolarmente adatte per la fisiologia del topo. Le risposte funzionali e le reti a stato di riposo possono essere mappate in tempi di acquisizione brevi, longitudinalmente e senza dover mediare studi o soggetti per ottenere una misura affidabile. La combinazione pertinente di sonde lineari ad ultrasuoni ad alta sensibilità e configurazioni motorizzate veloci consente di eseguire l'imaging fUS volumetrico transcraniale nei topi entro tempi di acquisizione ragionevoli. Questo protocollo può essere eseguito su topi anestetizzati o svegli utilizzando una gabbia per case mobili.
La stimolazione dei baffi, lo stimolo sensoriale usato come esempio illustrativo in questo manoscritto, è un paradigma di attivazione funzionale standard nei roditori e una lettura affidabile per studiare l'elaborazione sensoriale, l'accoppiamento neurovascolare e le loro alterazioni5,6,10,11. Mentre la spazzolatura manuale grossolana dei baffi può essere preferita per la sua facilità d'uso, questo metodo manca di precisione spaziale e temporale. L'utilizzo di uno stimolatore automatico, come quello qui descritto attivato con lo scanner di imaging fUS, consente un migliore controllo di diversi parametri tra cui il tempo di insorgenza, lo spostamento di ampiezza, la frequenza e l'angolo del Q-tip/pettine, con conseguente migliore riproducibilità tra animali. Inoltre, una tempistica più precisa della stimolazione consente la modellazione della funzione di risposta emodinamica (HRF) determinando il tempo di insorgenza e il tempo di picco dei parametri12,13. Per garantire una migliore precisione sul numero di baffi deviati durante la stimolazione (e quindi sull'area della regione attivata), stimolatori più sofisticati possono essere adattati a questo protocollo. Molti altri stimoli come la luce8, il suono14 o la presentazione degli odori15 possono essere implementati utilizzando lo stesso protocollo.
La compatibilità dell'ecografia funzionale con animali svegli e che si comportano è un vantaggio importante rispetto ad altre tecniche di neuroimaging, consentendo la mappatura dell'attivazione funzionale senza il bias dell'anestesia. L'utilizzo di una forca mobile sollevata ad aria è una buona alternativa ad altri apparecchi fissi esistenti come tapis roulant lineari o sferici. Pur essendo saldamente fissato a testa, il movimento dell'homecage dà al mouse l'illusione di navigare nell'ambiente, consentendo di accoppiare una vasta gamma di test comportamentali all'imaging fUS16. Tuttavia, la procedura di assuefazione al fissaggio della testa costituisce un passo importante per ridurre lo stress, soprattutto per gli esperimenti in cui può essere considerato un fattore confondente. La procedura descritta qui (6 giorni di manipolazione e assuefazione alla fissazione della testa) fornisce risultati robusti per la stimolazione sensoriale e la connettività funzionale dello stato di riposo. Tuttavia, potrebbe essere necessario estendere il periodo di assuefazione per test comportamentali più raffinati17.

Negli ultimi due decenni, il neuroimaging è diventato uno strumento importante per studiare la funzione e l'organizzazione del cervello, consentendo ai ricercatori di fare importanti scoperte nel campo delle neuroscienze. Oggi, la risonanza magnetica funzionale (fMRI) è diventata la tecnica di neuroimaging clinico gold standard per valutare l'attivazione cerebrale evocata da compiti o farmaci e per mappare la connettività funzionale a riposo. Mentre la fMRI umana ha un'elevata affidabilità e sensibilità, la fMRI del mouse rimane tecnicamente impegnativa per numerose ragioni1. In primo luogo, la fMRI ha una scarsa risoluzione spaziale e temporale. Le piccole dimensioni del cervello del topo richiedono l'uso di forti campi magnetici utilizzando costosi scanner per ottenere una risoluzione spaziale ragionevole. In secondo luogo, mantenere parametri fisiologici stabili all'interno della gamma ristretta che consente un efficiente accoppiamento neuro-vascolare è molto difficile nei topi anestetizzati. Infine, il segnale dipendente dal livello di ossigeno nel sangue (BOLD) su cui si basano gli studi fMRI ha una sensibilità relativamente scarsa, che porta a un basso rapporto segnale-rumore quando applicato ai topi e spesso richiede una presentazione ripetuta dello stimolo su una lunga acquisizione per rilevare piccole variazioni. Essendo il topo il modello animale più utilizzato nella ricerca preclinica biomedica, queste limitazioni sono in parte responsabili del divario traslazionale nella neuropsichiatria, impedendo la trasposizione di nuovi promettenti bersagli terapeutici sul banco in trattamenti efficaci al capezzale.
L'ecografia funzionale (fUS) è una tecnica di neuroimaging di recente sviluppo basata sul doppler ultraveloce2. Campionando direttamente il volume del sangue cerebrale, questa tecnica consente di sondare l'attività cerebrale in tempo reale attraverso l'accoppiamento neurovascolare. Rispetto ad altre tecniche di neuroimaging, fUS produce una risoluzione spaziale di 100 μm e una risoluzione temporale nelle decine di millisecondi. Questa tecnica consente l'imaging dell'intero cervello di sezioni coronali complete del cervello del topo, completamente non invasivamente. Inoltre, è pienamente compatibile con animali coscienti e che si comportano3,4,5. Una delle principali limitazioni attuali di fUS è la sua funzione 2D, che consente di registrare un singolo piano coronale allo stesso tempo. Mentre la fUS volumetrica 3D che utilizza trasduttori array a matrice di matrice 2D è già stata dimostrata con successo nei ratti6 e confermata nei topi7,la sua attuale mancanza di sensibilità richiede una craniotomia completa e una media di un numero importante di studi per rilevare un leggero cambiamento di attività. In alternativa, i trasduttori lineari possono essere calpestati in più posizioni ed eseguire l'imaging funzionale piano per piano per coprire l'intero cervello. Tuttavia, questa tecnica richiede numerose ripetizioni del paradigma sperimentale e come tali lunghi tempi di acquisizione (3-4 ore per il cervello del topo)8,9.
Nel presente lavoro, descriviamo una solida piattaforma sperimentale che include uno scanner ad ultrasuoni funzionale disponibile in commercio e un trasduttore lineare a commutazione di piano veloce con procedure per acquisire dati fUS 3D in topi anestetizzati e svegli, consentendo la mappatura funzionale volumetrica e transcraziale del cervello del topo, in modo non invasivo, senza mezzo di contrasto e in brevi tempi di acquisizione. Illustriamo questa caratteristica mappando l'attivazione della corteccia somatosensoriale dopo la stimolazione dei baffi e la connettività funzionale dello stato di riposo. Oltre alla preparazione degli animali e alla raccolta dei dati, descriviamo anche la procedura per la visualizzazione, la registrazione dell'atlante e l'analisi dei segnali fUS in tempo reale.

<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'imaging a ultrasuoni funzionali (fUS) è una nuova modalità di imaging cerebrale che si basa sulla misura ad alta sensibilità del volume di sangue cerebrale raggiunta dall'angiografia doppler ultraveloce. Poiché la perfusione cerebrale è fortemente legata all'attività neuronale locale, questa tecnica consente la mappatura 3D dell'intero cervello dell'attivazione regionale indotta dal compito e la connettività funzionale dello stato di riposo, in modo non invasivo, con una risoluzione spazio-temporale senza pari e semplicità operativa. Rispetto alla fMRI (risonanza magnetica funzionale), uno dei principali vantaggi dell'imaging fUS consiste nel consentire una completa compatibilità con gli esperimenti sugli animali svegli e comportati. Inoltre, la mappatura cerebrale fMRI nei topi, il modello preclinico più utilizzato nelle Neuroscienze, rimane tecnicamente impegnativa a causa delle piccole dimensioni del cervello e della difficoltà di mantenere condizioni fisiologiche stabili. Qui presentiamo un protocollo semplice, affidabile e robusto per l'imaging fUS dell'intero cervello in topi anestetizzati e svegli utilizzando un sistema fUS commerciale pronto all'uso con un trasduttore lineare motorizzato, che produce una significativa attivazione corticale dopo la stimolazione sensoriale e un modello di connettività funzionale 3D riproducibile per l'identificazione della rete.

Questo protocollo descrive la quantificazione 3D delle variazioni emodinamiche cerebrali transcranicamente nel cervello del topo, a riposo o in risposta alla stimolazione sensoriale. La stimolazione dei baffi, un paradigma standard per mappare l'attivazione funzionale del cervello nei roditori, è stata selezionata come esempio di risposta evocata dalla stimolazione sensoriale. La Figura 4 mostra una mappa di attivazione rappresentativa in risposta alla stimolazione meccanica dei baffi in un topo anestetizzato ottenuta utilizzando l'imaging fUS transcranico. Il tempo totale di prova è stato di 760 s, con un basale di 60 s (prima e dopo la stimolazione), una stimolazione di 80 s e un tempo di recupero di 60 s, ripetuto 5x. L'attivazione significativa è stata determinata con la risoluzione di un modello lineare generale (GLM) utilizzando una funzione di risposta emodinamica del mouse predefinita (HRF). Le regioni attivate (punteggi Z con valore p >0,0000006 dopo una rigorosa correzione bonferroni per il confronto multiplo) vengono visualizzate come valori codificati a colori sovrapposti al modello del framework di coordinate comuni di Allen. Il decorso temporale voxel-saggio della corteccia somatosensoriale primaria controlaterale, regione del campo della botte (S1BF) ha rivelato un aumento del 15-20% del CBV rispetto al basale.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62267/62267fig4v2.jpg"> Figura 4: Attivazione transcranica Mappe e decorso temporale rCBV dopo stimolazione dei baffi in topo anestetizzato ketamina/xilazina. Un. Mappa di attivazione che mostra i voxel significativamente attivati a seguito di stimolazione meccanica dei baffi destri (80 s ON, 60 s OFF, 5x) in anestesia ketamina/xilazina. Le mappe sono state ottenute calcolando i punteggi Z basati sull'analisi generale del modello lineare (GLM) con correzione Bonferroni per il confronto multiplo. I punteggi Z (codificati a colori) sono sovrapposti al modello 3D del cervello di Allen (dopo la registrazione con il sistema di posizionamento del cervello) e visualizzati in tre viste: coronale (a sinistra), sagittale (al centro) e assiale (a destra). Le regioni anatomiche del quadro di coordinate comuni del cervello del topo allen vengono visualizzate come riferimento. I voxel attivati sono ben posizionati all'interno della corteccia S1BF sinistra. Barra scala: 1 mm. Ogni volume di campione è stato scansionato su 2,8 mm (corrispondenti a 7 fette nella direzione di elevazione) in 3,85 s consentendo di registrare 20 campioni volumici durante ogni risposta funzionale. B. Rendering 3D dell'aumento del volume del sangue cerebrale relativo evocato dalla stimolazione dei baffi (rCBV) rispetto al livello basale. La delineazione anatomica dell'S1BF è indicata in blu. C. Corso temporale delle variazioni CBV nel sinistro S1BF (blu) e lo stimolo corrispondente applicato (rosso). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62267/62267fig4v2large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
Lo stesso paradigma è stato applicato in un mouse che si comporta a testa fissa nella casa mobile utilizzando il preset sveglio di IcoScan. La Figura 5 presenta la mappa di attivazione dopo un esperimento di stimolazione multipla dei baffi utilizzando la configurazione sperimentale descritta nella Figura 2. Alcuni baffi posteriori e caudali sono stati stimolati con il seguente schema: 30 s basali seguiti da cinque prove consecutive di 30 s ON (4 Hz) e 30 s OFF (Figura 5C). La stimolazione è stata erogata utilizzando un servomotore azionato da una scheda Arduino UNO che attiva la sequenza di acquisizione delle immagini per la sincronizzazione. L'attivazione significativa è stata determinata con la risoluzione di un modello lineare generale (GLM) utilizzando una funzione di risposta emodinamica del mouse predefinita (HRF). La correzione del confronto multiplo è stata eseguita con il metodo Bonferroni. Il livello alfa convenzionale di 0,05 è stato normalizzato dal numero totale di voxel nel volume di acquisizione, con una soglia finale rigorosa di 0,000003.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62267/62267fig5v2.jpg"> Figura 5: Mappe di attivazione e decorso temporale rCBV dopo stimolazione dei baffi nel topo che si comporta da sveglio. Un. Mappa di attivazione che mostra i voxel significativamente attivati a seguito della stimolazione meccanica dei baffi giusti (30 s ON, 30 s OFF, 5x) in un mouse sveglio nella forca mobile. Le mappe sono state ottenute calcolando I punteggi Z basati sull'analisi generale del modello lineare (GLM) con correzione di Bonferroni per il confronto multiplo (normalizzazione per il numero totale di voxel). I punteggi Z (codificati a colori) sono sovrapposti al modello 3D del cervello di Allen (dopo la registrazione con il Brain Positioning System) e visualizzati in tre viste: coronale (a sinistra), sagittale (al centro) e assiale (a destra). Le regioni anatomiche dell'Allen Mouse Brain Common Coordinate Framework vengono visualizzate come riferimento. I voxel attivati sono ben posizionati all'interno della corteccia S1BF sinistra. Barre di bilancia, 1 mm. Ogni volume del campione è stato scansionato su 1,6 mm (corrispondenti a 3 fette nella direzione di elevazione) in 3,85 s consentendo di registrare 17 campioni volumici durante ogni risposta funzionale. B. Rendering 3D dell'aumento del volume del sangue cerebrale relativo evocato dalla stimolazione dei baffi (rCBV) rispetto al livello basale. La delineazione anatomica dell'S1BF è indicata in blu. C. Illustrazione del topo nella homecage mobile durante l'esperimento di stimolazione del baffo destro, durante il quale sono stati eseguiti cinque studi da 30 s per un tempo di acquisizione totale di 330 s. D. Corso temporale CBV relativo istantaneo estratto all'interno dell'area attivata (blu), con lo stimolo corrispondente sovrapposto (rosso). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62267/62267fig5v2large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
La Figura 6 mostra le correlazioni temporali delle fluttuazioni cbV spontanee normalizzate a bassa frequenza (<0,2 Hz) tra le regioni cerebrali 3D (identificate dalla registrazione al quadro di coordinate comuni di Allen) in un topo anestetizzato ketamina-xilazina. Il tempo totale di acquisizione è stato di 20 minuti (1200 s). L'analisi supervisionata da Atlas ha rivelato forti modelli di connettività interemisferica, con valori di coefficiente di correlazione risultanti fino a 0,8. L'analisi basata su semi nell'ippocampo dorsale ha rivelato una significativa connettività interemisferica tra l'ippocampo destro e sinistro, nonché profonde regioni retro-ippocampali e cortecce piriformi. Una regione di semi selezionata nell'S1BF ha anche determinato un modello di correlazione simmetrico (cortico-corticale), come descritto in precedenza.
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62267/62267fig6v2.jpg"> Figura 6: Connettività funzionale volumetrica transcranica allo stato di riposo del cervello del topo in anestesia ketamina/xilazina valutata su un'acquisizione fUS 3D di 20 minuti. Un. Matrice di correlazione basata su regioni 3D del framework di coordinate comuni di Allen registrate sull'acquisizione funzionale transcraziale. La matrice si ottiene calcolando la correlazione normalizzata di Pearson delle fluttuazioni spontanee a bassa frequenza (<0,1 Hz) dei segnali temporali medi di tutti i voxel inclusi in ciascun ROI identificato dopo la correzione della temporizzazione delle sezioni. Ogni volume campionato è stato scansionato oltre 1,6 mm nella direzione di elevazione (corrispondente a 4 fette) acquisito su 2,2 s. B. Analisi basata su semi proiettata su un modello 3D. Il seme è stato selezionato all'interno dell'ippocampo dorsale destro a β - 2,1 mm. La mappa di correlazione si ottiene calcolando il coefficiente di correlazione di Pearson tra i segnali temporali del seme e ogni voxel dell'intera acquisizione dopo la correzione dei tempi delle sezioni. C. Mappa di correlazione 3D basata su analisi basata su semi con regione di semi selezionata all'interno dell'S1BF a β - 2,1 mm. Barre di scala: 1 mm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62267/62267fig6v2large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>

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

Questo protocollo descrive la quantificazione delle variazioni emodinamiche cerebrali volumetriche nel cervello del topo utilizzando l'ecografia funzionale (fUS). Le procedure per la mappa di attivazione funzionale 3D dopo la stimolazione sensoriale e la connettività funzionale dello stato di riposo sono fornite come esempi illustrativi, in topi anestetizzati e svegli.

Attivazione 3D dell'intero cervello e mappatura della connettività funzionale nei topi utilizzando l'imaging ecografico funzionale transcraniale

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'ecografia funzionale è una nuova modalità di neuroimaging che consente la mappatura del volume del sangue cerebrale nel cervello dei roditori viventi. Utilizzando l'imaging a onde piane ultra veloci, possiamo misurare le risposte emodinamiche dell'intero cervello con una risoluzione e una sensibilità temporanee speciali senza pari. Questo protocollo spiega come eseguire l'imaging ecografico funzionale transcraniale nei topi, sia per esperimenti su animali anestetizzati che svegli.Rispetto ad altre tecniche di imaging funzionale dell'intero cervello come FMRI, l'ecografia funzionale offre un'elevata portabilità, facilità d'uso e consente esperimenti in soggetti svegli e in movimento libero, evitando pregiudizi di anestesia e consentendo studi comportamentali. Fino a poco tempo fa, l'imaging FUS veniva utilizzato solo in collaborazione con esperti di ultrasuoni. Ora, questa tecnologia è disponibile per l'ampia comunità delle neuroscienze, grazie a scanner disponibili in commercio e software dedicato per l'imaging cerebrale preclinico, rendendo FUS abbastanza facile da usare senza alcun background negli ultrasuoni.Per una sessione di imaging anestetizzato, applicare un unguento oculare agli occhi del topo per evitare danni alla cornea e radere la testa del topo usando un tremore. Applicare un po' di crema depilatoria e risciacquare dopo un paio di minuti. Ripeti questo fino a quando i capelli non sono completamente rimossi.Inserire perni sottocutanei negli arti per la registrazione dell'elettrocardiogramma e posizionare gel ad ultrasuoni centrifugato sulla testa. Per gli esperimenti sui topi svegli, è necessario un intervento chirurgico preliminare per la fissazione della testa. Posizionare il mouse anestetizzato e una cornice stereotassica su una piastra riscaldante a 37 gradi Celsius.Applicare gel protettivo per gli occhi e somministrare per via sottocutanea lidocaina sotto il cuoio capelluto utilizzando un ago calibro 26, quindi attendere alcuni minuti. Fai un'incisione seguendo la sutura sagittale da dietro l'osso occipitale fino all'inizio dell'osso nasale, quindi usa le forbici chirurgiche per asportare la pelle su entrambi gli emisferi. Pulire il cranio con una soluzione di iodio all'uno per cento e rimuovere il periosteo rimanente.Usando la piastra della testa come modello, segna due fori nel cranio per posizionare le viti di ancoraggio. Posizionare la piastra di testa con le viti e utilizzare cemento dentale per fissare le viti e la piastra di testa nella parte anteriore e posteriore del telaio per mantenere una buona presa dell'impianto. Rimuovere l'animale dal telaio stereotassico dopo che il cemento è asciutto e invertire l'anestesia tramite iniezione sottocutanea di un milligrammo per chilogrammo di atipamezolo.Somministrare meloxicam profilattico per il dolore post-operatorio. Posiziona un cappuccio magnetico stampato in 3D sopra la piastra della testa per la protezione e consenti al mouse di recuperare da quattro a sei giorni prima dell'inizio dell'assuefazione alla gabbia della casa mobile. Metti l'animale in una gabbia di recupero su una piastra riscaldante per alcune ore, quindi riporta il topo nella sua gabbia di casa con i compagni di lettiera.Il quarto e il quinto giorno dopo il recupero, blocca ripetutamente il mouse alla gabbia della casa mobile e aumenta gradualmente il tempo fisso della testa, a partire da cinque minuti e fino a 30 minuti. Applicare un po 'di gel salino ed ultrasuoni alla finestra di imaging per abituare il mouse. Ripeti questo processo il sesto giorno dopo il recupero.Avviare il software e creare una sessione di esperimento. Vai al menu sposta sonda per regolare la posizione della sonda a ultrasuoni utilizzando la tastiera di navigazione. Avviare l'acquisizione live view e regolare la posizione della sonda, se necessario, tramite l'imaging in tempo reale del volume di sangue cerebrale animale o CBV.Allinea il cervello al centro dell'immagine, quindi ottimizza i parametri di imaging per catturare il più alto rapporto segnale/rumore. Aprire l'opzione Angio 3D del software di acquisizione. Sul pannello preimpostato, regolare la prima fetta, l'ultima fetta e i parametri di scansione delle dimensioni del passo per scansionare l'intero cervello e avviare l'acquisizione.Lasciare aperto il software di acquisizione e avviare il software per l'analisi e la visualizzazione dei dati, quindi caricare la scansione Angio 3D. Naviga attraverso il volume di acquisizione utilizzando il pannello delle tre viste e seleziona la direzione di scansione coronale, l'anteroposteriore o la posturale anteriore. Vai al pannello di registrazione del cervello e carica il modello di riferimento del mouse per il processo di registrazione.Registrare la scansione su Allen Mouse Common Coordinates Framework utilizzando la modalità di registrazione completamente automatica o manuale. Controllare il risultato osservando la sovrapposizione della scansione Angio 3D e del modello di riferimento, oppure osservando la sovrapposizione della scansione e dell'Atlante di riferimento Allen utilizzando il pannello Atlas manager. Salvare la registrazione come file BPS.Nel software di studio ICO, assicurarsi che la scansione angiografica e il relativo file BPS siano caricati. Vai al pannello di navigazione del cervello. Nel pannello Atlas Manager, navigate attraverso il mouse Allen Brain Atlas con il navigatore dell'albero figlio padre.Trova le regioni anatomiche mirate e selezionale per sovrapporle alla scansione nelle tre viste. Visualizzate le regioni di destinazione nel pannello a tre visualizzazione e scegliete un piano di imaging che si sovrapponga alle regioni di destinazione per l'esperimento impostando manualmente due marcatori sulla posizione coronale che include la regione di interesse. Fare clic su Brain Positioning System, o BPS, per estrarre le coordinate motorie risultanti che corrispondono alla posizione della sonda per immaginare il piano di destinazione.Controllare l'anteprima dell'immagine che viene calcolata dall'angio scansione. Nel software di scansione ICO, accedere al pannello di posizionamento della sonda e fare clic su Inserisci coordinate BPS, quindi applicare le coordinate estratte, facendo sì che la sonda si muova e si allinei sul piano di imaging di destinazione. Eseguire un'acquisizione live view e verificare che il piano di imaging corrente corrisponda alla previsione.Predefinire la sequenza di stimolazione, incluso il tempo di stimolazione, il tempo di stimolazione dell'interesse e il numero di ripetizioni. Esegui una sequenza FUS 3D definendo il tempo totale di acquisizione, il numero di posizioni e il tempo morto tra le posizioni. Per la stimolazione automatica sincronizzata con il sistema di acquisizione tramite ingresso TTL, selezionare l'opzione trig in prima di iniziare l'acquisizione.Apri l'acquisizione nel software ICO studio e accedi al menu della mappa di attivazione, quindi compila il campo del modello di attivazione con un orario di inizio e fine e calcola la mappa di attivazione. Regolare i parametri di visualizzazione per la visualizzazione ed esportare la mappa di attivazione come file H5 per l'analisi offline. Esegui una sequenza FUS 3D definendo il tempo totale di acquisizione, il numero di posizioni del piano di imaging e il tempo morto tra le posizioni.Salva l'acquisizione e caricala nel software di studio ICO. Se necessario, caricare il file BPS e Allen Mouse Brain Coordination Framework. In Atlas Manager, selezionare le aree dell'Atlante come aree di interesse.Accedere al menu della conducibilità funzionale e selezionare le regioni desiderate e il ROI manager. Visualizza i risultati come matrice di connettività o mappa di correlazione basata su seed, quindi seleziona e regola i filtri della larghezza di banda come desiderato ed esporta i risultati di correlazione per l'analisi statistica. Questo protocollo è stato utilizzato per la quantificazione 3D delle variazioni emodinamiche cerebrali transcranici nel cervello del topo.La stimolazione dei baffi è stata selezionata come esempio di risposta evocata dalla stimolazione sensoriale. L'attivazione significativa è stata determinata con una risoluzione di un modello lineare generale, o GLM, utilizzando la funzione di risposta emodinamica predefinita del mouse. Il tempo totale di prova è stato di 760 secondi, con una linea di base di 60 secondi, una stimolazione di 80 secondi e un tempo di recupero di 60 secondi ripetuto cinque volte.Utilizzando un decorso temporale voxel saggio della corteccia somatosensoriale primaria controlaterale, la regione del campo della canna, o S1BF, ha rivelato un aumento dal 15 al 20% del CBV rispetto al basale. Lo stesso paradigma è stato applicato in un topo che si comporta con la testa fissa nella gabbia della casa mobile utilizzando il preset sveglio della scansione ICO. La mappa di attivazione dopo un esperimento di stimolazione multipla dei baffi è mostrata qui.L'attivazione significativa è stata determinata con la risoluzione di un GLM utilizzando una funzione di risposta emodinamica predefinita del mouse. Le correlazioni temporali che hanno normalizzato le fluttuazioni spontanee cbV a bassa frequenza tra le regioni cerebrali 3D in un topo anestetizzato con ketamina xilazina sono mostrate qui. L'analisi basata sui semi e l'ippocampo dorsale hanno rivelato la significativa conduttività interemisferica tra l'ippocampo destro e sinistro, così come le regioni ippocampali retrò più profonde e le cortesie piriformi.Una regione di semi selezionata nell'S1BF ha anche prodotto un modello di correlazione simmetrica. Il punto critico per esperimenti di successo è la preparazione animale, in particolare il livello di anestesia per gli esperimenti che coinvolgono animali anestetizzati e la protezione di un cranio negli esperimenti su animali svegli. Se gli Stati Uniti ci hanno permesso di studiare importanti funzioni cerebrali in animali svegli affrontando questioni fondamentali sul sonno, l'apprendimento o il comportamento, ma anche la modulazione farmacologica della connettività funzionale per la scoperta di farmaci.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Functional Mapping with Simultaneous MEG and EEG

Mappatura funzionale con EEG e MEG simultaneo

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

Ricerca

Neuroscienze

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

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

Valutazione della lateralizzazione cerebrale nei bambini utilizzando funzionale ad ultrasuoni Doppler transcranico (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

Calcio Imaging funzionale nello sviluppo di reti corticali

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

Registrazione umani Electrocorticographic (ECOG) Segnali per la ricerca neuroscientifica e in tempo reale la mappatura funzionale 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

Neuroimaging funzionale con l&#39;impiego dell&#39;ecografia emato-encefalica e la barriera di Turbativa del Manganese-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

Imaging funzionale di Auditory Cortex in gatti adulti utilizzando ad alto campo 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

Simultaneo<em&gt; Ex vivo</em&gt; Test funzionale di due retine per<em&gt; In vivo</em&gt; Sistema Elettroretinogramma

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

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In Vivo cervello Imaging funzionale approccio basato sul calcio bioluminescente Indicatore GFP-equorina

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

Tramite tomografia ottica di coerenza e risposta Optokinetic come strutturale e funzionale sistema visivo letture in topi e ratti

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

Esperimenti di Hyperscanning con spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso

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