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
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この研究は、欧州研究評議会(ERC)アドバンスドグラントN° 339244-FUSIMAGINEによって支援されました, 国立研究庁の資金「ピンチ」(ANR-18-CE37-005)、生物医学超音波のインサーム研究技術加速器、IPNPのエルフス技術コア、インサームU1266、欧州研究プログラムFUSIMICEオブヒューマン脳プロジェクト、EMBO短期フェローシップ8439

<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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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>

ジェレミー・フェリエとブルーノ・フェリックス・オスマンスキーはイコネウスの従業員です。トーマス・デフフィー、ゾルト・レンケイ、ブルーノ・フェリックス・オスマンスキー、ミカエル・タンターはイコヌースの共同創設者兼株主です。

脳の全イメージング法は、脳の生理学と病理をよりよく理解するための重要なツールです。ここで説明する方法は、直接ベンチで生きている脳の血行力信号の正確な定量を可能にします。機能的超音波の比類のない感度と時空間的解像度は、マウスの生理学に特に適しています。機能的応答と休止状態ネットワークは、短い取得時間内で、長い方向に、平均試験や被験者が信頼できる尺度を得ることなくマッピングできます。高感度超音波リニアプローブと高速電動セットアップの関連組合せにより、合理的な取得時間内にマウスで経頭蓋容積fUSイメージングを行うことができます。このプロトコルは、モバイルホームケージを使用して麻酔マウスまたは目覚めのマウスのいずれかで実行できます。
ウィスカ刺激は、本原稿の例として用いられる感覚刺激と、げっ歯類における標準的な機能的活性化パラダイムであり、感覚処理、神経血管結合およびそれらの変化を5、6、10、11に研究するための信頼できる読み出しである。使用の容易さのために、ウィスカの粗い手動ブラッシングが好ましいかもしれませんが、この方法は空間的および時間的な精度を欠いている。fUSイメージングスキャナでトリガーされる自動刺激器のような自動刺激器を使用すると、発症時間、振幅変位、Qチップ/コームの角度など、いくつかのパラメータをより適切に制御でき、動物間の再現性が向上します。さらに、より正確な刺激タイミングにより、ピークパラメータ12,13に発症する時間と時間を決定することにより、血行力学応答関数(HRF)のモデル化が可能となる。刺激中に偏向したウィスカーの数(したがって活性化領域の領域)の精度を高めるために、より洗練された刺激器をこのプロトコルに適応させることができます。光8、音14、または匂い表示15のような他の多くの刺激は、同じプロトコルを使用して実施することができる。
機能的超音波と覚醒および動作する動物との相性は、他の神経イメージング技術と比較して重要な利点であり、麻酔バイアスを伴わない機能的活性化マッピングを可能にする。空気持ち上げられた移動式ホームケージを使用することは線形または球形のトレッドミルのような他の既存のヘッド固定装置に代わる良い方法である。ホームケージの動きをしっかりと固定しながら、マウスに環境をナビゲートする錯覚を与え、広範囲の行動検査をfUSイメージング16に結合することを可能にする。しかし、頭部固定の慣性手順は、特に交和因子と考えられる実験において、ストレスを軽減するための重要なステップを構成する。ここで詳述される手順(頭部固定への取り扱いと慣化の6日間)は、感覚刺激および安静状態機能接続性に対する堅牢な結果を与える。しかし、より洗練された行動検査17のために慣例期間を延長する必要があるかもしれません。

この20年間、神経イメージングは脳機能と組織を研究するための重要なツールとなり、研究者は神経科学の分野で重要な発見を行うことが可能になりました。今日、機能的磁気共鳴画像法(fMRI)は、タスクまたは薬物誘発脳活性化を評価し、安静時の機能的接続性をマッピングするためのゴールドスタンダード臨床神経イメージング技術となっています。ヒトfMRIは高い信頼性と感性を持っていますが、マウスfMRIは多くの理由で技術的に挑戦的なままです 1.まず、fMRI は空間的および時間的解像度が低い。マウスの脳の小さなサイズは、合理的な空間分解能を達成するために高価なスキャナを使用して強い磁場の使用を必要とします。第2に、狭い範囲内で安定な生理学的パラメータを維持し、効率的な神経血管結合を可能にし、麻酔マウスでは非常に困難である。最後に、fMRI研究が依存する血中酸素レベル依存(BOLD)シグナルは比較的感度が低く、マウスに適用すると低い信号対雑音比を引き起こし、小さな変動を検出するために長い取得に対して繰り返し刺激を繰り返す提示が必要な場合が多い。マウスは生物医学的前臨床研究で最も広く使用されている動物モデルであり、これらの制限は神経精神医学における翻訳ギャップの一部を担い、ベッドサイドで効果的な治療に転置されるベンチ上の新しい有望な治療目標を妨げる。
機能性超音波(fUS)は、超高速ドップラー2に基づいて最近開発された神経イメージング技術です。脳の血液量を直接サンプリングすることにより、この技術は、神経血管結合を介してリアルタイムで脳活動を調査することを可能にする。他のニューロイメージング技術と比較すると、fUSは100 μmの空間分解能と数十ミリ秒の時間分解能を生み出します。この技術は、マウス脳の完全な冠状動脈セクションの全脳イメージングを可能にする。さらに、それは意識的で振る舞う動物3、4、5と完全に互換性があります。fUS の主な現在の制限の 1 つは、同時に単一のコロナ平面を記録することができます 2D 機能です。2Dマトリックスアレイトランスデューサを使用した体積3D fUSはラット6で既に実証されており、マウス7で確認されていますが、現在の感受性の欠如には完全な開頭術が必要であり、活動のわずかな変化を検出するための重要な数の試験を平均化する必要があります。あるいは、線形トランスデューサは、複数の位置を横切ってステップングされ、全脳をカバーするために平面によって機能的なイメージング平面を実行することができる。しかし、この技術は、多数の実験的パラダイムの繰り返しを必要とし、そのような長い取得時間(マウス脳のための3〜4時間)8、9。
本研究では、市販の機能性超音波スキャナと高速平面切り替えリニアトランスデューサを含む堅牢な実験プラットフォームを、麻酔および目覚めマウスで3D fUSデータを取得する手順を備え、マウス脳の体積および経頭蓋機能マッピングを非侵襲的に、対照剤なしで、そして短い取得時間内に記述する。我々は、ウィスカ刺激に続く体性感覚皮質活性化ならびに安静状態機能接続性をマッピングすることによって、この特徴を示す。動物の準備とデータ収集のほかに、リアルタイムのfUS信号の可視化、アトラス登録、分析の手順についても説明します。

<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

機能的超音波(fUS)イメージングは、超高速ドップラー血管造影によって達成される脳血液量の高感度尺度に依存する新しい脳イメージングモダリティである。脳灌流は局所的な神経活動と強く結びついているため、この技術は、タスク誘発地域活性化の脳全体3Dマッピングと、無比の時空間的解決と操作のシンプルさで、非侵襲的に休息状態の機能的接続性を可能にする。fMRI(機能的磁気共鳴画像法)と比較して、fUSイメージングの主な利点は、目覚めと動物実験との完全な適合性を可能にすることです。さらに、神経科学で最も使用される前臨床モデルであるマウスにおけるfMRI脳マッピングは、脳の小さなサイズと安定した生理学的状態を維持するのが難しいため、技術的に困難なままである。ここでは、電動リニアトランスデューサーを備えた市販の商用fUSシステムを使用して麻酔および目覚めのマウスで脳全体のfUSイメージングのためのシンプルで信頼性の高い堅牢なプロトコルを提示し、感覚刺激に続く有意な皮質活性化とネットワーク識別のための再現可能な3D機能接続パターンを生み出します。

このプロトコルは、マウス脳における脳血血力学的変動の3D定量を、安静時または感覚刺激に反応して経年的に記述する。げっ歯類の脳機能活性化をマッピングする標準的なパラダイムであるウィスカ刺激は、感覚刺激誘発応答の一例として選択されている。 図4 は、経頭蓋fUSイメージングを用いて得られた麻酔用マウスにおける機械的ウィスカー刺激に応答した代表的な活性化マップを示す。試験時間の合計は760sで、60sベースライン(刺激前後)、80 s刺激、60sの回復時間を有し、5倍を繰り返した。有意な活性化は、デフォルトのマウス血行力学応答関数(HRF)を使用して一般線形モデル(GLM)の分解能で決定された。アクティブ化された領域 (複数比較のために厳密なボンフェローニ補正後に p 値 >0.0000006 の Z スコア) は、アレン共通の座標フレームワーク テンプレートにオーバーレイされた色分けされた値として表示されます。対側一次体性感覚皮質のボクセルワイズ時間経過は、バレルフィールド領域(S1BF)がベースラインと比較してCBVの15〜20%の増加を明らかにした。
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62267/62267fig4v2.jpg"> 図4:経頭蓋活性化マップおよびrCBV時間経過ケタミン/キシラジン麻酔マウスにおけるウィスカー刺激に続く。ある。 ケタミン/キシラジン麻酔下で右ウィスカー(80 s ON,60 s OFF,5x)の機械的刺激に続く活性化ボクセルを有意に活性化した図。マップは、多重比較のためのボンフェローニ補正を用いた一般線形モデル解析(GLM)に基づいてZスコアを計算することによって得られた。Zスコア(色分け)は、アレン脳3Dテンプレート(脳ポジショニングシステムへの登録後)に重ね合わせ、コロナル(左)、矢状(中央)、軸(右)の3つのビューで表示されます。アレンマウス脳共通座標フレームワークからの解剖学的領域が参照のために表示されます。活性化されたボクセルは、左S1BF皮質の中によく位置しています。スケールバー:1ミリメートル。各サンプル量は、3.85 sで2.8mm(標高方向の7つのスライスに対応)でスキャンされ、各機能応答中に20個のボリュームサンプルを記録することができました。 B. ウィスカ刺激誘発相対脳血量(rCBV)の3Dレンダリングは、ベースラインレベルと比較して増加する。S1BFの解剖学的線引きは青色で示される。 C. 左S1BF(青)と対応する刺激(赤)におけるCBV変動の時間変化の時間変化。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62267/62267fig4v2large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
同じパラダイムは、アイコスキャンの目覚めのプリセットを使用して、モバイルホームケージのヘッド固定動作マウスに適用されています。 図5 は、 図2に記載された実験セットアップを用いた複数のウィスカ刺激実験の後の活性化マップを示す。いくつかの後部および尾子のヒゲは次のパターンで刺激された:30 sベースラインに続いて30 s ON(4 Hz)および30 s OFFの5つの連続した試験(図5C)。刺激は、同期のための画像取得シーケンスをトリガするArduino UNOカードによって駆動されるサーボモータを使用して提供されました。有意な活性化は、デフォルトのマウス血行力学応答関数(HRF)を使用して一般線形モデル(GLM)の分解能で決定された。ボンフェローニ法で多重比較補正を行った。従来のアルファレベル0.05は、集録体積のボクセルの総数によって正規化され、最終的に0.000003の厳しい閾値となった。
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62267/62267fig5v2.jpg"> 図5:アクティベートマップとrCBV時間コースは、目覚めの動作マウスでのウィスカ刺激に続く。ある。 モバイルホームケージ内の目覚めのマウスで右ウィスカー(30 s ON、30 s OFF、5x)の機械的刺激に続いて有意に活性化されたボクセルを示す活性化マップ。マップは、多重比較(ボクセルの総数による正規化)のためのボンフェローニ補正を用いた一般線形モデル解析(GLM)に基づいてZスコアを計算することによって得られた。Zスコア(色分け)は、アレン脳3Dテンプレート(脳ポジショニングシステムへの登録後)に重ね合わせ、コロナル(左)、矢状(中央)、軸(右)の3つのビューで表示されます。アレンマウス脳共通座標フレームワークからの解剖学的領域が参照のために表示されます。活性化されたボクセルは、左S1BF皮質の中によく位置しています。スケールバー、1ミリメートル。各サンプルボリュームは、3.85 sで1.6mm(標高方向の3つのスライスに対応)でスキャンされ、各機能応答中に17個のボリュームサンプルを記録できます。 B. ウィスカー刺激誘発の3Dレンダリングは、ベースラインレベルと比較して増加する相対的な脳の血液量(rCBV)。S1BFの解剖学的線引きは青色で示される。 C. 右ウィスカー刺激実験中のモバイルホームケージにおけるマウスの図は、その間に30s試験を330 s.D. の合計取得時間に対して行った。活性化領域内に抽出された瞬間的相対CBV時間経過(青)と、対応する刺激が重畳された(赤)。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62267/62267fig5v2large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
図6は、ケタミン-キシラジン麻酔マウスにおける3D脳領域間の正規化された低周波(<0.2Hz)自発的なCBV変動(アレン共通座標フレームワークへの登録から同定される)の時間的相関を示す。総取得時間は20分(1200s)であった。アトラス監督分析では、強い間半球間接続パターンが明らかになり、結果として得られる相関係数値は最大0.8でした。背部海馬の種子ベースの分析は、右海馬と左海馬だけでなく、深いレトロ海馬領域およびピリフォーム皮質の間の有意な間半球間接続性を明らかにした。S1BFで選択されたシード領域は、前述のように対称(コルチココルチカル)相関パターンをもたらした。
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62267/62267fig6v2.jpg"> 図6:ケタミン/キシラジン麻酔下のマウス脳の経頭蓋容積状態機能接続性を20分3D fUS取得で評価した。ある。 経頭蓋機能獲得に登録されたアレン共通座標フレームワークの3D領域に基づく相関行列。この行列は、スライスタイミング補正後に同定されたすべてのROIに含まれるすべてのボクセルからの平均時間信号の、正規化されたピアソンの自発的低周波変動(<0.1 Hz)の相関を計算することによって得られます。各サンプリングされたボリュームは、2.2 s. Bで取得した標高方向(4 スライスに対応)で 1.6 mm 以上スキャンされました。シードベースの解析を 3D テンプレートに投影します。種子は、β - 2.1ミリメートルで右の裏海馬内で選択されました。相関マップは、スライスタイミング補正後のシードの時間信号と集録全体の各ボクセルとの間のピアソン相関係数を計算することによって得られる。 C. 2.1 mmのS1BF内 βで選択されたシード領域を使用したシードベースの分析に基づくC. 3D相関マップ。スケールバー:1 mm.<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62267/62267fig6v2large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>

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

このプロトコルは、機能的超音波(fUS)を用いたマウス脳における容積脳血力学的変動の定量化を記述する。感覚刺激に続く3D機能活性化マップの手順と安静状態機能接続性は、麻酔および覚醒マウスにおける例示例として提供される。

経頭蓋機能超音波画像を用いたマウスにおける脳全体3D活性化と機能結合性マッピング

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

機能性超音波は、生きているげっ歯類の脳の脳の血液量のマッピングを可能にする新しい神経画像のモダリティです。超高速面波画像を使用して、我々は比類のない特別な一時的な分解能と感度で脳全体の血行力学応答を測定することができます。このプロトコルは、麻酔と覚醒動物実験の両方のために、マウスで経頭蓋機能超音波画像診断を行う方法を説明します。FMRIなどの他の全脳機能イメージング技術と比較して、機能的超音波は高い可搬性、使いやすさを提供し、目を覚まし、自由に動く被験者の実験を可能にし、麻酔バイアスを回避し、行動研究を可能にする。最近まで、FUSイメージングは超音波の専門家とのコラボレーションでのみ使用されていました。現在、この技術は、市販のスキャナと前臨床脳イメージングのための専用ソフトウェアのおかげで、広い神経科学コミュニティに利用可能であり、FUSは超音波の背景なしではかなり使いやすくなっています。麻酔付きイメージングセッションでは、角膜損傷を避けるためにマウスの目に眼軟膏を塗布し、振戦を使用してマウスヘッドを剃ります。数分後に脱毛クリームを塗り、すすいでください。ヘアが完全に削除されるまで、この操作を繰り返します。心電図記録のために手足に皮下ピンを挿入し、頭部に遠心超音波ゲルを置く。目覚めのマウスの実験では、頭部固定のために予備手術が必要です。麻酔マウスと立体性フレームを摂氏37度の加熱パッドの上に置きます。目に保護ジェルを塗布し、皮下に26ゲージ針を使用して頭皮の下にリドカインを投与し、数分待ちます。後頭部骨の後ろから鼻骨の始まりまで矢状縫合糸に続いて切開し、手術用はさみを使って両半球の皮膚を切除する。1%のヨウ素溶液で頭蓋骨をきれいにし、残りの骨膜を取り除きます。ヘッドプレートをテンプレートとして使用し、頭蓋骨に2つの穴をマークして固定ネジを配置します。ヘッドプレートをネジに置き、インプラントの良好なグリップを維持するために、歯のセメントを使用して、フレームの前後のネジとヘッドプレートを固定します。セメントが乾燥した後、立体性フレームから動物を取り除き、アトミペゾールのキログラムあたり1ミリグラムの皮下注射を介して麻酔を逆にします。術後の痛みのために予防的なメロキシカムを投与する。保護のためにヘッドプレートの上に磁気3Dプリントキャップを置き、マウスがモバイルホームケージへの習慣の開始前に4〜6日間回復できるようにします。数時間加熱パッドの回復ケージに動物を置き、その後、ごみの仲間と自宅のケージにマウスを戻します。4日目と5日目のポストリカバリでは、マウスをモバイルホームケージに繰り返しクランプし、頭の固定時間を5分から30分まで徐々に増やします。マウスを習慣化するために、画像窓に生理食い物と超音波ゲルを塗布します。6日目の復旧後にこのプロセスを繰り返します。ソフトウェアを起動し、実験セッションを作成します。ナビゲーションキーボードを使用して超音波プローブの位置を調整するには、移動プローブメニューに移動します。ライブビューの取得を開始し、必要に応じて、動物の脳の血液量、またはCBVのリアルタイムイメージングを介してプローブの位置を調整します。画像の中央に脳を揃え、画像化パラメータを最適化して、最高の信号対ノイズ比をキャプチャします。取得ソフトウェアの[Angio 3D]オプションを開きます。プリセットパネルで、最初のスライス、最後のスライス、ステップサイズのスキャンパラメータを調整して、脳全体をスキャンして取得を開始します。取得したソフトウェアを開いたまま、データ分析と可視化のためにソフトウェアを起動し、Angio 3Dスキャンをロードします。3つのビューパネルを使用して取得ボリュームをナビゲートし、コロナスキャン方向、後部または姿勢前部を選択します。脳登録パネルに移動し、登録プロセスのマウス参照テンプレートを読み込みます。全自動または手動登録モードを使用して、アレン マウス共通座標フレームワークでスキャンを登録します。Angio 3D スキャンと参照テンプレートの重ね合わせを確認するか、またはアトラスマネージャパネルを使用してスキャンとアレン参照アトラスの重ね合わせを確認します。登録を BPS ファイルとして保存します。ICOスタジオソフトウェアで、血管造影スキャンとそのBPSファイルがロードされていることを確認してください。脳ナビゲーションパネルに移動します。[アトラスマネージャ]パネルで、親子ツリーナビゲーターを使用して、マウスのアレン・ブレイン・アトラスをナビゲートします。解剖学的ターゲット領域を見つけ、それらを選択して3つのビューでスキャンに重ね合わせる。3 つのビュー パネルで対象領域を視覚化し、対象領域を含むコロナ位置に 2 つのマーカーを手動で設定して、実験の対象領域と重なるイメージング平面を選択します。脳位置決めシステム(BPS)をクリックして、プローブの位置に対応する結果のモーター座標を抽出し、対象となる平面を画像化します。アンジオスキャンから計算された画像のプレビューを確認します。ICOスキャンソフトウェアで、プローブの位置パネルに入り、BPS座標を入力してクリックし、抽出された座標を適用して、プローブがターゲットのイメージングプレーン上を移動して整列させます。ライブビュー取得を実行し、現在の撮像面が予測に対応していることを確認します。刺激の時間、興味刺激時間、繰り返し回数を含む刺激シーケンスを事前定義します。取得の合計時間、ポジション数、およびポジション間のデッドタイムを定義して、3D FUS シーケンスを実行します。TTL入力を介して集録システムと同期する自動刺激の場合、取得を開始する前に、トリグインオプションを選択します。ICO studioソフトウェアで取得を開き、アクティベーションマップメニューに入り、開始時間と終了時間でアクティベーションパターンフィールドを入力し、アクティベーションマップを計算します。視覚化の表示パラメータを調整し、オフライン解析用の H5 ファイルとしてアクティベーション マップをエクスポートします。取得の合計時間、撮像平面の位置数、および位置間のデッドタイムを定義して、3D FUS シーケンスを実行します。取得を保存し、ICOスタジオソフトウェアにロードします。必要に応じて、BPS ファイルとアレン マウス脳協調フレームワークを読み込みます。アトラスマネージャで、対象地域としてアトラスのリージョンを選択します。機能伝導度メニューを入力し、希望する領域と ROI マネージャを選択します。結果を接続マトリックスまたはシードベースの相関マップとして視覚化し、必要に応じて帯域幅フィルターを選択して調整し、統計分析用の相関結果をエクスポートします。このプロトコルは、マウス脳における脳血血力学的変化の3D定量に使用された。ウィスカ刺激は、感性刺激誘発応答の例として選択した。有意な活性化は、マウスの血行力学的応答関数を使用して、一般的な線形モデル(GLM)の解像度で決定された。試験期間は760秒で、60秒のベースライン、80秒の刺激、60秒の回復時間が5回繰り返された。逆側の一次体性感覚皮質のボクセル賢明な時間経過を使用して、バレルフィールド領域、またはS1BFは、ベースラインと比較してCBVの15〜20%の増加を明らかにした。同じパラダイムは、ICOスキャンの目覚めのプリセットを使用して、モバイルホームケージ内のヘッド固定動作マウスに適用されました。複数のウィスカー刺激実験後の活性化マップを以下に示します。有意な活性化は、デフォルトのマウス血行力学的応答関数を使用してGLMの解像度で決定された。一時的な相関は、ケタミンキシラジン麻酔マウスにおける3D脳領域間の低周波自発的なCBV変動を正規化した。種子ベースの分析と背部海馬は、右海馬と左海馬の間の有意な半球間伝導性だけでなく、より深いレトロ海馬領域およびpiriform礼儀を明らかにした。S1BFで選択されたシード領域も対称相関パターンをもたらした。実験を成功させるための重要なポイントは、動物の調製、特に麻酔動物を含む実験のための麻酔のレベルと、覚醒動物の実験における頭蓋骨の保護である。米国が睡眠、学習、行動に関する基本的な質問だけでなく、創薬のための機能的な接続性の薬理学的変調を扱う目を覚ます動物の重要な脳機能を研究することを可能にした場合。

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Functional Mapping with Simultaneous MEG and EEG

同時MEGおよびEEGとの機能的マッピング

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

機能性経頭蓋ドップラー超音波を使って子供の脳の側性化の評価（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

皮質ネットワークの開発で機能的カルシウムイメージング

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

神経科学の研究とリアルタイム機能皮質マッピングのためのヒトElectrocorticographic（ECOG）信号を記録

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

超音波血液脳関門の破壊とマンガン増強MRIを用いた脳機能イメージングの試み

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

ハイフィールドのfMRIを使って大人の猫における聴覚皮質の機能イメージング

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

同時<em&gt; ex vivoで</emによる二つの網膜の&gt;機能テスト<em&gt; in vivoで</em&gt;電図システム

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

生物発光カルシウムインジケーター、GFPエクオリンに基づいて生体内脳機能イメージングのアプローチで

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

マウスおよびラットの視覚系の構造と機能読み出しとして光干渉断層計と動視反応を使用してください。

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

機能的近赤外分光法による Hyperscanning 実験を実施

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