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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이 연구는 유럽 연구 위원회 (ERC) 고급 그랜트 N ° 339244-FUSIMAGINE에 의해 지원되었다, 국립연구청 '핀치'(ANR-18-CE37-005), 생물의학 초음파 의 인서름 연구 기술 액셀러레이터, IPNP의 엘프US 기술 핵심, Inserm U1266, 인간 뇌 프로젝트의 유럽 연구 프로그램 FUSIMICE, EMBO 단기 펠로우십 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. 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제레미 페리에와 브루노 펠릭스 오스만스키는 이코누스의 직원이다. 토마스 데피유, 즈솔트 렌케이, 브루노-펠릭스 오스만스키, 미카엘 탄터는 이코누스의 공동 창립자이자 주주이다.

전체 뇌 이미징 방법은 뇌 생리학 과 병리학을 더 잘 이해하는 중요한 도구입니다. 여기에 설명된 방법은 벤치에서 직접 살아있는 두뇌에 있는 혈역학 신호의 정확한 정량화를 허용합니다. 기능성 초음파의 타의 추종을 불허하는 감도 및 스파티오 -측두형 해상도는 마우스 생리학에 특히 적합합니다. 기능적 응답 및 휴식 상태 네트워크는 신뢰할 수 있는 측정을 얻기 위해 시험이나 주체를 평균할 필요 없이 짧은 획득 시간 내에 세로로 매핑할 수 있습니다. 고감도 초음파 선형 프로브와 빠른 동력 설정의 관련 조합은 합리적인 획득 시간 내에 마우스에서 경두개 체적 fUS 이미징을 수행 할 수 있습니다. 이 프로토콜은 모바일 홈 케이지를 사용하여 마취 또는 깨어 있는 마우스에서 수행될 수 있다.
수염 자극, 이 원고에서 설명하는 예로 사용되는 감각 자극은 설치류의 표준 기능 활성화 패러다임과 감각 처리, 신경 혈관 커플링 및 변경5,6,10,11을연구하기 위한 신뢰할 수 있는 판독이다. 수염의 거친 수동 칫솔질이 사용 편의성을 위해 선호될 수 있지만,이 방법은 공간 및 시간 적 정밀도가 부족합니다. fUS 이미징 스캐너로 발동된 것과 같은 자동 자극제의 사용은 발병 시간, 진폭 변위, 주파수 뿐만 아니라 Q-tip/comb의 각도를 포함한 여러 파라미터를 더 잘 제어할 수 있게 해 주어 동물 간 재현성을 향상시게 합니다. 또한, 보다 정확한 자극 타이밍을 통해매개변수(12,13)를최대화할 시간 및 시간을 결정하여 혈역학 반응 함수(HRF)를 모델링할 수 있다. 자극 중에 편향된 수염 수(따라서 활성화된 영역)에 대한 정밀도를 높이기 위해 보다 정교한 자극기는 이 프로토콜에 맞게 조정할 수 있습니다. 빛8,사운드 14 또는 냄새 프리젠테이션(15)과 같은 다른 많은 자극은 동일한 프로토콜을 사용하여 구현될 수 있다.
기능성 초음파와 깨어 있고 행동하는 동물의 호환성은 다른 신경 이미징 기술에 비해 중요한 이점이며 마취 편향없이 기능적 활성화 매핑을 가능하게합니다. 공기 가 들어 올린 모바일 홈케이지를 사용하는 것은 선형 또는 구형 러닝머신과 같은 다른 기존 헤드 고정 장치에 대한 좋은 대안입니다. 단단히 헤드 고정되는 동안, 홈 케이지의 움직임은 마우스에게 환경을 탐색 할 수있는 환상을 제공, 행동 테스트의 넓은 범위가 fUS 이미징에 결합 할 수 있도록(16). 그러나 헤드 픽싱에 대한 습관적 절차는 특히 혼란스러운 요인으로 간주 될 수있는 실험에서 스트레스를 줄이는 중요한 단계를 구성합니다. 여기에 자세히 설명된 절차(헤드 고정에 대한 6일 간의 처리 및 습관)는 감각 자극 및 휴식 상태 기능 적 연결에 대한 강력한 결과를 제공합니다. 그러나 보다 세련된 행동테스트(17)를위해 상습 기간을 연장해야 할 수도 있습니다.

지난 2년 동안, 신경 이미징은 뇌 기능과 조직을 연구하는 중요한 도구가 되어 연구자들이 신경과학 분야에서 중요한 발견을 할 수 있게 해 주었으며, 이를 가능하게 했습니다. 오늘날 기능성 자기 공명 영상(fMRI)은 작업 또는 약물 유발 뇌 활성화를 평가하고 기능적 연결을 매핑하는 금 표준 임상 신경 이미징 기술이 되었습니다. 인간 fMRI는 높은 신뢰성과 감성을 가지고 있지만, 마우스 fMRI는 여러 가지 이유로 기술적으로 도전 남아있다1. 첫째, fMRI는 열악한 공간 및 시간적 해상도를 가지고 있습니다. 마우스 뇌의 작은 크기는 합리적인 공간 해상도를 달성하기 위해 비싼 스캐너를 사용하여 강한 자기장의 사용을 필요로한다. 둘째, 좁은 범위 내에서 안정적인 생리학적 파라미터를 유지하여 효율적인 신경 혈관 커플링을 허용하는 것은 마취마우스에서 매우 어렵다. 마지막으로, fMRI 연구가 의존하는 혈액 산소 수준 의존성 (BOLD) 신호는 상대적으로 가난한 감도를 가지고, 마우스에 적용 할 때 낮은 신호 대 잡음 비율로 이어지는 종종 작은 변화를 감지하기 위해 긴 인수에 반복 자극 프리젠 테이션을 필요로한다. 마우스는 생물 의학 전임상 연구에서 가장 널리 사용되는 동물 모델인, 이러한 제한은 부분적으로 신경 정신과의 번역 격차에 대한 책임이 있으며, 벤치에 새로운 유망한 치료 목표를 방해하여 침대 옆에서 효과적인 치료법으로 전환됩니다.
기능성 초음파(fUS)는 초고속 도플러2를기반으로 최근에 개발된 신경 이미징 기술이다. 대뇌 혈액 량을 직접 샘플링하여 이 기술은 신경 혈관 커플링을 통해 실시간으로 뇌 활동을 탐색할 수 있게 합니다. 다른 신경 이미징 기술에 비해 fUS는 100 μm의 공간 해상도와 수십 밀리초의 시간적 해상도를 생성합니다. 이 기술은 마우스 두뇌의 완전한 관상 동맥 단면도의 전체 두뇌 화상 진찰을 허용합니다, 완전히 비침습적으로. 또한, 의식과 행동 동물3,4,5와완벽하게 호환됩니다. fUS의 주요 현재 제한 사항 중 하나는 2D 기능으로 단일 관상 평면을 동시에 기록할 수 있습니다. 2D 매트릭스 어레이 트랜스듀서를 사용하는 체피 3D fUS는 이미 쥐6에서 성공적으로 입증되고 마우스7에서확인되었지만, 현재 감도 부족은 전체 두개내 절제술뿐만 아니라 활동의 약간의 변화를 감지하기 위해 중요한 수의 시험을 평균화해야 합니다. 또는 선형 트랜스듀서가 여러 위치를 가로질러 밟고 전체 뇌를 커버하기 위해 평면으로 기능성 이미징 평면을 수행할 수 있습니다. 그러나, 이 기술은 수많은 실험 패러다임 반복이 필요하며, 이러한 긴 수집 시간(마우스 뇌의 경우 3-4시간)8,9.
본 작품에서, 당사는 시험및 깨어있는 마우스에서 3D fUS 데이터를 취득하는 절차를 갖춘 시판기 기능 초음파 스캐너 및 빠른 평면 스위칭 선형 트랜스듀서를 포함한 견고한 실험 플랫폼을 설명하여, 비침습적으로, 조영제 없이 짧은 획득 시간 내에 마우스 뇌의 체적 및 경두개 기능 매핑을 허용합니다. 우리는 수염 자극뿐만 아니라 휴식 상태 기능 적 연결에 따라 somatosensory 피질 활성화를 매핑하여이 기능을 설명합니다. 동물 준비 및 데이터 수집 외에도 시각화, 아틀라스 등록 및 실시간 fUS 신호 분석 절차를 설명합니다.

<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

기능성 초음파 (fUS) 이미징은 초고속 도플러 혈관 조영술에 의해 달성 된 대뇌 혈액 볼륨의 고감도 측정에 의존하는 새로운 뇌 이미징 양식입니다. 뇌 관류가 로컬 뉴런 활동에 강하게 연결됨에 따라,이 기술은 작업 유도 지역 활성화의 전체 뇌 3D 매핑뿐만 아니라 휴식 상태 기능 적 연결, 비 침습적, 타의 추종을 불허하는 spatio-측두측 해상도 및 운영 단순성을 허용합니다. fMRI (기능적인 자기 공명 화상 진찰)와 비교하여, fUS 화상 진찰의 주요 이점은 깨어 있고 행동하는 동물 실험과 완전한 호환성을 가능하게 하는 것입니다. 더욱이, 신경 과학에서 가장 많이 사용되는 전임상 모델인 마우스에서 fMRI 뇌 매핑은 뇌의 작은 크기와 안정적인 생리적 상태를 유지하는 데 어려움으로 인해 기술적으로 여전히 어려운 상태로 남아 있습니다. 여기서 우리는 전동 선형 트랜스듀서가 있는 기성 상용 fUS 시스템을 사용하여 마취 및 깨어 있는 마우스에서 전뇌 fUS 이미징을 위한 간단하고 신뢰할 수 있고 견고한 프로토콜을 제시하며, 감각 자극에 따라 상당한 피질 활성화를 산출하고 네트워크 식별을 위한 재현 가능한 3D 기능 적 연결 패턴을 제공합니다.

이 프로토콜은 마우스 뇌의 뇌, 휴식 또는 감각 자극에 대한 응답으로 뇌 용혈역학 변이의 3D 정량화를 설명합니다. 설치류에서 뇌 기능 활성화를 매핑하는 표준 패러다임인 수염 자극은 감각 자극-자극 반응의 예로 선택되었습니다. 도 4는 경두개 fUS 이미징을 사용하여 얻은 마취 마우스에서 기계적 수염 자극에 대한 반응으로 대표적인 활성화 맵을 나타낸다. 총 시험 시간은 760s였으며, 60s 기준선(자극 전후), 80s 자극 및 60s 복구 시간, 5배 반복. 기본 마우스 혈역학 응답 함수(HRF)를 사용하여 일반 선형 모델(GLM)의 해상도로 상당한 활성화가 결정되었다. 활성화 된 영역 (p 값>0.00000006 여러 비교에 대 한 엄격한 Bonferroni 보정 후 Z 점수) 알렌 공통 좌표 프레임 워크 템플릿에 오버레이 색상 코딩 값으로 표시 됩니다. 복셀-현명한 시간 과정 의 금단적인 기본 somatosensory 피질, 배럴 필드 영역 (S1BF) 발표 15-20% 기준선에 비해 CBV의 증가.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62267/62267fig4v2.jpg"> 그림 4: 케타민 /자일라진 마취 마우스에서 수염 자극다음 경두개 활성화지도 및 rCBV 시간 과정. A. 케타민/자일라진 마취 하에서 오른쪽 수염(80s ON, 60s OFF,5x)을 기계적 자극한 후 크게 활성화된 복셀을 보여주는 활성화 맵. 지도는 여러 비교를 위해 Bonferroni 보정을 통해 일반 선형 모델 분석(GLM)을 기반으로 Z 점수를 계산하여 획득했습니다. Z-점수(색상 코드)는 알렌 뇌 3D 템플릿(뇌 포지셔닝 시스템으로 등록 한 후)에 오버레이되고 관상 (왼쪽), 처진 (가운데) 및 축 (오른쪽)의 세 가지 보기에 표시됩니다. 알렌 마우스 뇌 공통 좌표 프레임 워크에서 해부학 영역 참조를 위해 표시 됩니다. 활성화 된 복셀은 왼쪽 S1BF 피질 내부에 잘 있습니다. 스케일 바: 1mm. 각 샘플 부피는 3.85s에서 2.8mm(고도 방향으로 7개의 슬라이스에 해당)를 통해 스캔하여 각 기능 반응 중에 20개의 볼루믹 샘플을 기록할 수 있도록 했습니다. B. 수염 자극-발췌 상대 대뇌 혈액 볼륨 (rCBV)의 3D 렌더링 기준선 수준에 비해 증가. S1BF의 해부학적 묘사는 파란색으로 표시됩니다. C. 왼쪽 S1BF(파란색)와 적용된 자극(red)의 CBV 변형의 시간 과정. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62267/62267fig4v2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
동일한 패러다임은 IcoScan의 깨어있는 사전 설정을 사용하여 모바일 홈케이지의 헤드 고정 행동 마우스에 적용되었습니다. 도 5는 도 2에 기재된 실험 설정을 이용한 다중 수염 자극 실험 후 활성화 맵을 제시한다. 몇 가지 후방 및 caudal 수염은 다음과 같은 패턴으로 자극되었다 : 30 s 기준선 30 s ON (4 Hz)과 30 s OFF(그림 5C)의5 연속 시험 다음. 자극은 아두이노 UNO 카드로 구동되는 서보 모터를 사용하여 전달되었으며, 동기화를 위해 이미지 수집 시퀀스를 트리거합니다. 기본 마우스 혈역학 응답 함수(HRF)를 사용하여 일반 선형 모델(GLM)의 해상도로 상당한 활성화가 결정되었다. 여러 비교 보정은 본페로니 방법으로 수행되었다. 종래의 알파 레벨 0.05는 인수 물량의 총 복셀 수에 의해 정상화되어 최종 엄격한 임계값인 0.000003을 초래했다.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62267/62267fig5v2.jpg"> 그림 5: 활성화지도 및 rCBV 시간 과정 깨어 있는 행동 마우스에서 수염 자극 다음. A. 모바일 홈케이지의 깨어있는 마우스에서 오른쪽 수염 (30 s ON, 30 s OFF, 5x)의 기계적 자극에 따라 크게 활성화 된 복셀을 보여주는 활성화지도. 지도는 여러 비교(총 복셀 수에 의한 정규화)를 위해 Bonferroni 보정을 통해 일반 선형 모델 분석(GLM)을 기반으로 Z 점수를 계산하여 획득했습니다. Z-점수(색상 코드)는 알렌 브레인 3D 템플릿(뇌 포지셔닝 시스템 등록 후)에 오버레이되어 관상(왼쪽), 처상(가운데) 및 축(오른쪽)의 세 가지 보기로 표시됩니다. 알렌 마우스 뇌 공통 좌표 프레임 워크에서 해부학 영역 참조를 위해 표시 됩니다. 활성화 된 복셀은 왼쪽 S1BF 피질 내부에 잘 있습니다. 비늘 바, 1mm. 각 샘플 부피는 3.85s에서 1.6mm(고도 방향으로 3개의 슬라이스에 해당)를 스캔하여 각 기능 반응 중에 17개의 볼루믹 샘플을 기록할 수 있도록 했습니다. B. 수염 자극-발췌 상대 대뇌 혈액 볼륨 (rCBV)의 3D 렌더링 기준선 수준에 비해 증가. S1BF의 해부학적 묘사는 파란색으로 표시됩니다. C. 오른쪽 수염 자극 실험 중 이동식 홈케이지에서 마우스의 그림이 330sD의 총 획득 시간 동안 5개의 30s 시험을 수행하였다. 즉각적인 상대CBV 시간 코스는 활성화 된 영역 (파란색) 내에서 추출, 해당 자극중첩 (빨간색). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62267/62267fig5v2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
도 6은 케타민-자일라진 마취 마우스에서 정규화된 저주파(<0.2Hz) 자발적인 CBV 변동(등록에서 알렌 공통 좌표 프레임워크로 식별)의 시간적 상관관계를 나타낸다. 총 취득 시간은 20분(1200초)이었습니다. 아틀라스 감독 분석 결과 상관 관계 계수 값이 0.8까지 인하여 강력한 상호 연결 패턴을 나타났습니다. 등회 해마의 종자 기반 분석은 오른쪽해마와 왼쪽 해마 사이의 상당한 상호 연결뿐만 아니라 깊은 복고풍 해마 지역과 piriform 코르티체를 밝혀냈습니다. S1BF에서 선택된 종자 영역은 또한 이전에 설명한 대로 대칭(cortico-cortical) 상관 관계 패턴을 초래하였다.
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62267/62267fig6v2.jpg"> 그림 6: 케타민/자일라진 마취 하에서 마우스 뇌의 경두개 체적-좌식 상태 기능적 연결은 20분 3D fUS 획득시 평가되었다. A. 경두개 기능 획득에 등록된 Allen 공통 좌표 프레임워크의 3D 영역을 기반으로 하는 상관 행렬. 매트릭스는 슬라이스 타이밍 보정 후 식별된 각 ROI에 포함된 모든 복셀의 평균 시간 신호의 정규화된 Pearson의 < 정규화된 Pearson의 상관관계를 계산하여 얻어진다. 각 샘플링된 부피는 2.2s. B이상 획득한 고도 방향으로 1.6mm 이상(4슬라이스에 해당)을 통해 스캔하였다. 3D 템플릿에 투영된 시드 기반 분석입니다. 씨앗은 β - 2.1 mm에서 오른쪽 등쪽 해마 내에서 선택되었다. 상관 관계 맵은 슬라이스 타이밍 보정 후 종자의 시간적 신호와 전체 획득의 각 복셀 사이의 Pearson 상관 관계 계수를 계산하여 가져옵니다. C. s1BF 내에서 선택된 종자 영역을 기반으로 하는 종자 기반 분석을 기반으로 하는 C. 3D 상관관계 맵은 β - 2.1mm이다. 규모 막대: 1mm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62267/62267fig6v2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

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

이 프로토콜은 기능성 초음파 (fUS)를 사용하여 마우스 뇌의 체적 뇌 혈역학 적 변이의 정량화를 설명합니다. 감각 자극에 따른 3D 기능 활성화 맵및 휴식 상태 기능적 연결에 대한 절차는 마취 및 깨어 있는 마우스에서 예시적인 예로 제공됩니다.

경두개 기능 적 초음파 이미징을 사용하여 마우스의 전신 뇌 3D 활성화 및 기능 적 연결 매핑

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

기능성 초음파는 살아있는 설치류 두뇌에 있는 대뇌 혈액 량의 매핑을 허용하는 새로운 신경 화상 진찰 양식입니다. 초고속 평면 웨이브 이미징을 사용하여 타의 추종을 불허하는 특수 임시 해상도와 감도로 전체 뇌 혈역학 적 반응을 측정 할 수 있습니다. 이 프로토콜은 마취 및 깨어 있는 동물 실험을 위해 마우스에서 경두개 기능 초음파 이미징을 수행하는 방법을 설명합니다.FMRI와 같은 다른 전체 뇌 기능 적 이미징 기술에 비해 기능성 초음파는 높은 휴대성, 사용 용이성을 제공하며 마취 편향을 피하고 행동 연구를 가능하게하는 깨어 자유롭게 움직이는 피사체의 실험을 허용합니다. 최근까지 FUS 이미징은 초음파 전문가와 공동으로만 사용되었습니다. 이제 이 기술은 시판되는 스캐너와 전임상 뇌 이미징전용 소프트웨어 덕분에 광범위한 신경과학 커뮤니티에서 사용할 수 있으므로 FUS는 초음파에 대한 배경 없이 사용하기가 매우 쉽습니다.마취 된 이미징 세션의 경우 각막 손상을 피하기 위해 마우스 눈에 눈 연고를 바르고 떨림을 사용하여 마우스 머리를 면도하십시오. 몇 분 후 약간의 depilatory 크림을 바르고 헹구어. 머리카락이 완전히 제거될 때까지 이 것을 반복합니다.심전도 기록을 위해 사지에 피하 핀을 삽입하고 머리에 원심 분리 된 초음파 젤을 배치하십시오. 깨어 있는 마우스 실험의 경우, 머리 고정을 위해 예비 수술이 필요합니다. 마취 된 마우스와 37섭씨 가열 패드에 스테레오데스트 프레임을 놓습니다.눈에 보호 젤을 바르고 26 게이지 바늘을 사용하여 두피 아래에 리도카인을 피하한 다음 몇 분 간 기다립니다. 후두 뼈 뒤에서 비강 뼈의 시작부분에 이르는 처탈 봉합사에 따라 절개를 한 다음 외과 가위를 사용하여 두 반구를 통해 피부를 소비합니다. 1%의 요오드 용액으로 두개골을 청소하고 남은 골막을 제거합니다.헤드 플레이트를 템플릿으로 사용하여 두개골에 두 개의 구멍을 표시하여 고정 나사를 배치합니다. 헤드 플레이트를 나사로 배치하고 치과 시멘트를 사용하여 프레임의 앞면과 뒷면에 나사와 헤드 플레이트를 고정하여 임플란트의 좋은 그립을 유지합니다. 시멘트가 건조 한 후 스테레오 전술 프레임에서 동물을 제거하고 atipamezole의 킬로그램 당 1 밀리그램의 피하 주입을 통해 마취를 반전.수술 후 통증에 대한 예방 멜록시캄을 투여. 마그네틱 3D 프린트 캡을 헤드 플레이트 위에 놓고 마우스가 이동식 홈 케이지에 대한 습관이 시작되기 4~6일 전에 회수할 수 있도록 합니다. 동물을 몇 시간 동안 난방 패드에 복구 케이지에 넣고 쓰레기를 동료와 함께 홈 케이지로 돌려 놓습니다.4일과 5일 사후 복구에서는 마우스를 모바일 홈 케이지에 반복적으로 고정하고 5분에서 최대 30분까지 점진적으로 헤드 고정 시간을 늘립니다. 마우스를 습관화하기 위해 이미징 창에 식염수 및 초음파 젤을 바치면 됩니다. 6일째 사후 복구일에 이 프로세스를 반복합니다.소프트웨어를 시작하고 실험 세션을 만듭니다. 이동 프로브 메뉴로 이동하여 내비게이션 키보드를 사용하여 초음파 프로브의 위치를 조정합니다. 동물 대뇌 혈액 부피 또는 CBV의 실시간 이미징을 통해 필요한 경우 라이브 뷰 수집을 시작하고 프로브 위치를 조정합니다.이미지의 중심에 뇌를 정렬한 다음 이미징 매개 변수를 최적화하여 가장 높은 신호 대 잡음 비율을 캡처합니다. 인수 소프트웨어의 Angio 3D 옵션을 엽니다. 사전 설정 패널에서 첫 번째 슬라이스, 마지막 슬라이스 및 단계 크기 스캐닝 매개변수를 조정하여 전체 뇌를 스캔하고 인수를 시작합니다.수집 소프트웨어를 열어 두고 데이터 분석 및 시각화를 위한 소프트웨어를 시작한 다음 Angio 3D 스캔을 로드합니다. 세 개의 뷰 패널을 사용하여 획득 볼륨을 탐색하고 관상 스캔 방향, 전방 또는 자세 전방을 선택합니다. 뇌 등록 패널로 이동하여 등록 프로세스에 대한 마우스 참조 템플릿을 로드합니다.완전 자동 또는 수동 등록 모드를 사용하여 Allen Mouse 공통 좌표 프레임워크에 스캔을 등록합니다. Angio 3D 스캔 및 참조 템플릿의 중첩을 보거나 아틀라스 관리자 패널을 사용하여 스캔 및 Allen Reference Atlas의 중첩을 확인하여 결과를 확인합니다. 등록을 BPS 파일로 저장합니다.ICO 스튜디오 소프트웨어에서 혈관 검사와 BPS 파일이 로드되어 있는지 확인합니다. 뇌 탐색 패널로 이동합니다. 아틀라스 매니저 패널에서, 부모 자식 나무 네비게이터와 마우스 앨런 브레인 아틀라스를 통해 이동합니다.해부학 적 대상 지역을 찾아 세 가지 보기에서 스캔에 중첩하도록 선택합니다. 3개의 뷰 패널에서 표적 영역을 시각화하고 관심 영역을 포함하는 관상 위치에 두 개의 마커를 수동으로 설정하여 실험대상 영역과 겹치는 이미징 평면을 선택합니다. 뇌 포지셔닝 시스템(BPS)을 클릭하여 프로브 위치에 해당하는 결과 모터 좌표를 추출하여 대상 평면을 이미지화합니다.angio 검사에서 계산된 이미지의 미리 보기를 확인합니다. ICO 스캔 소프트웨어에서 프로브 위치 패널을 입력하고 BPS 좌표를 입력한 다음 추출된 좌표를 적용하여 프로브가 표적 이미징 평면에서 이동하고 정렬합니다. 라이브 뷰 수집을 수행하고 현재 이미징 평면이 예측에 해당하는지 확인합니다.자극 시간, 관심 자극 시간 및 반복 횟수를 포함하여 자극 순서를 미리 정의합니다. 총 획득 시간, 위치 수 및 위치 간의 데드 타임을 정의하여 3D FUS 시퀀스를 실행합니다. TTL 입력을 통해 획득 시스템과 동기화된 자동 자극의 경우 인수를 시작하기 전에 트리그 옵션을 선택합니다.ICO 스튜디오 소프트웨어에서 인수를 열고 활성화 맵 메뉴를 입력한 다음 활성화 패턴 필드를 시작 및 종료 시간으로 채우고 활성화 맵을 계산합니다. 시각화를 위해 표시 매개 변수를 조정하고 활성화 맵을 오프라인 분석을 위한 H5 파일로 내보냅니다. 총 획득 시간, 이미징 평면 위치 수 및 위치 간의 데드 타임을 정의하여 3D FUS 시퀀스를 실행합니다.인수를 저장하고 ICO 스튜디오 소프트웨어에 로드합니다. 필요한 경우 BPS 파일과 앨런 마우스 뇌 조정 프레임워크를 로드합니다. 아틀라스 관리자에서 아틀라스 지역을 관심 지역으로 선택합니다.기능 전도도 메뉴를 입력하고 원하는 영역과 ROI 관리자를 선택합니다. 결과를 연결 행렬 또는 시드 기반 상관 관계 맵으로 시각화한 다음 대역폭 필터를 원하는 대로 선택하고 조정하고 통계 분석을 위한 상관 관계 결과를 내보냅니다. 이 프로토콜은 마우스 뇌에서 뇌 혈역학 적 변이의 3D 정량화에 사용되었다.수염 자극은 감각 자극의 예로 선택되었다 응답을 불러 일으켰다. 기본 마우스 혈역학 응답 함수를 사용하여 일반 선형 모델 또는 GLM의 해상도로 상당한 활성화가 결정되었습니다. 총 시험 시간은 760초였고, 60초 기준선, 80초 자극, 60초 회복 시간이 5회 반복되었습니다.콘트라탈 1차 소마토감각 피질의 복셀 현명한 시간 과정을 사용하여, 배럴 필드 영역 또는 S1BF는 기준선에 비해 CBV의 15~20% 증가를 나타냈다. 동일한 패러다임은 ICO 스캔의 깨어있는 사전 설정을 사용하여 모바일 홈 케이지의 헤드 고정 행동 마우스에 적용되었습니다. 여러 수염 자극 실험 후 활성화 맵이 여기에 표시됩니다.기본 마우스 혈역학 응답 함수를 사용하여 GLM의 해상도로 상당한 활성화가 결정되었습니다. 측두엽 상관관계는 케타민 자일라진 마취 마우스에서 3D 뇌 영역 간의 저주파 자발적 CBV 변동을 정규화하여 여기에 도시된다. 종자 기반 분석 및 등대 해마는 오른쪽과 왼쪽 해마 사이의 중요한 상호 전도성뿐만 아니라 더 깊은 복고풍 해마 영역과 piriform 예의를 밝혔습니다.S1BF에서 선택된 종자 영역도 대칭 상관 관계 패턴을 초래했다. 성공적인 실험의 중요한 점은 동물 제제, 특히 마취 된 동물과 관련된 실험에 대한 마취 수준과 깨어있는 동물의 실험에서 두개골보호입니다. 미국이 수면, 학습 또는 행동에 대한 근본적인 질문을 다루는 깨어있는 동물에서 중요한 뇌 기능을 연구할 수 있게 해주었을 때, 약물 발견을 위한 기능적 연결의 약리학적 변조도 할 수 있게 되었습니다.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Functional Mapping with Simultaneous MEG and EEG

동시 MEG와 EEG와 기능 매핑

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

연구

신경과학

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

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

기능 Transcranial 도플러 초음파를 사용하여 어린이의 대뇌 Lateralization 평가 (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

두피 네트워크 개발에 기능성 칼슘 이미징

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

Neuroscientific 연구 및 실시간 기능성 두피 매핑을위한 인적 Electrocorticographic (ECoG) 신호를 녹음하기

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

초음파 혈액 - 뇌 장벽 파괴 및 망간 향상된 MRI를 사용하여 기능성 Neuroimaging

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

하이 필드의 fMRI를 사용하여 성인 고양이의 청각 피질의 기능적 이미징

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

동시<em&gt; 생체</em두 망막의&gt; 기능 테스트로<em&gt; 생체</em&gt; 전위도 시스템

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

발광 생물 칼슘 표시 GFP - 쿼린을 기반으로 생체 기능성 뇌 영상의 접근 방식

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

쥐와 쥐에 구조와 기능적 시각 시스템 판독으로 광학 일관성 단층 촬영 및 Optokinetic 응답을 사용 하 여

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

Conducting Hyperscanning Experiments with Functional Near-Infrared Spectroscopy

Hyperscanning 기능성 근 적외선 분광학 실험 실시

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