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

Эта работа была поддержана Расширенным грантом Европейского исследовательского совета (ERC) No 339244-FUSIMAGINE, Национальным агентством по финансированию исследований «Pinch» (ANR-18-CE37-005), Ускорителем исследовательских технологий Inserm в биомедицинском ультразвуке, техническим ядром ElfUS IPNP, Inserm U1266, европейской исследовательской программой FUSIMICE проекта «Человеческий мозг» и краткосрочной стипендией EMBO 8439 андреа Кливер.

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

Джереми Феррье и Бруно-Феликс Османски являются сотрудниками Iconeus. Томас Деффье, Жолт Ленкей, Бруно-Феликс Османски и Микаэль Тантер являются соучредителями и акционерами Iconeus.

Методы визуализации всего мозга являются важнейшими инструментами для лучшего понимания физиологии и патологии мозга. Метод, описанный здесь, позволяет точно количественно определять гемодинамические сигналы в живом мозге непосредственно на скамейке запасных. Непревзойденная чувствительность и пространственно-временное разрешение функционального ультразвука особенно хорошо подходят для физиологии мыши. Функциональные ответы и сети состояния покоя могут быть отображены в течение короткого времени сбора, продольно и без необходимости усреднять испытания или субъектов для получения надежной меры. Соответствующая комбинация высокочувствительных ультразвуковых линейных зондов и быстрых моторизованных установок позволяет выполнять транскраниальную объемную fUS-визуализацию на мышах в разумные сроки приобретения. Этот протокол может быть выполнен как на анестезированных, так и на бодрствующих мышах с использованием мобильной домашней клетки.
Стимуляция усов, сенсорный стимул, используемый в качестве иллюстраторного примера в этой рукописи, является стандартной парадигмой функциональной активации у грызунов и надежным считыванием для изучения сенсорной обработки, нейрососудистой связи и их изменений5,6,10,11. В то время как грубая ручная чистка усов может быть предпочтительной из-за простоты использования, этому методу не хватает пространственной и временной точности. Использование автоматического стимулятора, такого как описанный здесь, запускаемый сканером изображения fUS, позволяет лучше контролировать несколько параметров, включая время начала, смещение амплитуды, частоту, а также угол Q-наконечника / гребня, что приводит к лучшей воспроизводимости между животными. Кроме того, более точное время стимуляции позволяет моделировать функцию гемодинамического ответа (HRF) путем определения времени до начала и времени до пиковых параметров12,13. Чтобы обеспечить лучшую точность количества усов, отклоненных во время стимуляции (и, следовательно, области активированной области), более сложные стимуляторы могут быть адаптированы к этому протоколу. Многие другие стимулы, такие как свет8,звук14 или представление запаха15, могут быть реализованы с использованием того же протокола.
Совместимость функционального ультразвука с бодрствующими и веющими себя животными является важным преимуществом по сравнению с другими методами нейровизуализации, позволяющими картировать функциональную активацию без смещения анестезии. Использование мобильной домашней колясы с воздушным подъемом является хорошей альтернативой другим существующим головным аппаратам, таким как линейные или сферические беговые дорожки. Будучи прочно зафиксированным головой, движение домашней камеры дает мыши иллюзию навигации по окружающей среде, позволяя сочетать широкий спектр поведенческих тестов с изображениями fUS16. Тем не менее, процедура привыкания к фиксации головы представляет собой важный шаг для снижения стресса, особенно для экспериментов, где его можно считать мешающим фактором. Процедура, описанная здесь (6-дневная обработка и привыкание к фиксации головы), дает надежные результаты для сенсорной стимуляции и функциональной связности состояния покоя. Тем не менее, возможно, потребуется продлить период привыкания для более совершенных поведенческих тестов17.

За последние два десятилетия нейровизуализация стала важным инструментом для изучения функции и организации мозга, что позволяет исследователям делать важные открытия в области нейробиологии. Сегодня функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) стала золотым стандартом клинической нейровизуализации для оценки активации мозга, вызванной вызовом или лекарственными средствами, и для отображения функциональной связности в состоянии покоя. В то время как фМРТ человека обладает высокой надежностью и чувствительностью, фМРТ мыши остается технически сложной по многим причинам1. Во-первых, фМРТ имеет плохое пространственное и временное разрешение. Небольшой размер мозга мыши требует использования сильных магнитных полей с использованием дорогостоящих сканеров для достижения разумного пространственного разрешения. Во-вторых, поддержание стабильных физиологических параметров в узком диапазоне, позволяющем эффективную нейроваскулярную связь, очень сложно у анестезирующих мышей. Наконец, сигнал, зависящий от уровня кислорода в крови (BOLD), на который опираются исследования фМРТ, имеет относительно низкую чувствительность, что приводит к низкому соотношению сигнал/шум при применении к мышам и часто требует повторного представления стимула в течение длительного сбора для обнаружения небольших вариаций. Поскольку мышь является наиболее широко используемой моделью на животных в биомедицинских доклинических исследованиях, эти ограничения частично ответственны за трансляционный разрыв в нейропсихиатрии, препятствуя переносу новых перспективных терапевтических целей на стенде в эффективные методы лечения у постели.
Функциональное ультразвуковое исследование (fUS) - это недавно разработанная техника нейровизуализации, основанная на сверхбыстрой допплере2. Непосредственно отбирая объем мозговой крови, этот метод позволяет профилактически прощать активность мозга в режиме реального времени через нейрососудистую связь. По сравнению с другими методами нейровизуализации, fUS дает пространственное разрешение 100 мкм и временное разрешение в десятки миллисекунд. Этот метод позволяет визуализирование всего мозга полных коронарных участков мозга мыши, полностью неинвазивно. Кроме того, он полностью совместим с сознательными и веющими себя животными3,4,5. Одним из основных ограничений тока fUS является его 2D-функция, позволяющая одновременно записывать одну корональный плоскость. В то время как объемный 3D-fUS с использованием 2D-матрицы датчиков уже был успешно продемонстрирован на крысах6 и подтвержден на мышах7,его текущее отсутствие чувствительности требует полной треканиотомии, а также усреднения важного числа испытаний для обнаружения небольшого изменения активности. Альтернативно, линейные преобразователи могут быть шагнули через несколько положений и выполнять функциональную визуализацию плоскость за плоскостью, чтобы охватить весь мозг. Однако этот метод требует многочисленных экспериментальных повторений парадигм и как такового длительного времени приобретения (3-4 часа для мозга мыши)8,9.
В настоящей работе мы описываем надежную экспериментальную платформу, включавшую коммерчески доступный функциональный ультразвуковой сканер и линейный преобразователь с быстрым плоским переключением с процедурами получения 3D-данных fUS у анестезированных и бодрствующих мышей, что позволяет осуществлять объемное и транскраниальное функциональное картирование мозга мыши, неинвазивно, без контрастного агента и в течение короткого времени сбора. Мы иллюстрируем эту особенность, отображая активацию соматосенсорной коры после стимуляции усов, а также функциональную связность состояния покоя. Помимо подготовки животных и сбора данных, мы также описываем процедуру визуализации, регистрации атласа и анализа сигналов fUS в режиме реального времени.

<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

Функциональная ультразвуковая визуализация (fUS) - это новый метод визуализации мозга, который опирается на высокочувствительную меру объема мозговой крови, достигаемую с помощью сверхбыстрой допплерографии. Поскольку перфузия мозга тесно связана с локальной нейронной активностью, этот метод позволяет 3D-картировать весь мозг региональной активации, вызванной задачей, а также функциональную связь в состоянии покоя, неинвазивно, с непревзойденным пространственно-временным разрешением и простотой работы. По сравнению с фМРТ (функциональная магнитно-резонансная томография), основное преимущество fUS-визуализации заключается в обеспечении полной совместимости с экспериментами на животных. Кроме того, картирование мозга фМРТ у мышей, наиболее используемая доклиническая модель в неврологии, остается технически сложной из-за небольшого размера мозга и трудности поддержания стабильных физиологических условий. Здесь мы представляем простой, надежный и надежный протокол для визуализации fUS всего мозга у анестезированных и бодрствующих мышей с использованием готовой коммерческой системы fUS с моторизованным линейным преобразователем, что дает значительную кортикальную активацию после сенсорной стимуляции, а также воспроизводимую 3D-функциональную схему подключения для идентификации сети.

Этот протокол описывает 3D-количественную оценку церебральных гемодинамических изменений транскраниально в мозге мыши, в состоянии покоя или в ответ на сенсорную стимуляцию. Стимуляция усов, стандартная парадигма для отображения функциональной активации мозга у грызунов, была выбрана в качестве примера сенсорной стимуляции, вызванной реакцией. На рисунке 4 показана репрезентативная карта активации в ответ на механическую стимуляцию усов у анестезированной мыши, полученная с помощью транскраниальной визуализации fUS. Общее время испытания составило 760 с, с исходным уровнем 60 с (до и после стимуляции), стимуляцией 80 с и временем восстановления 60 с, повторено 5 раз. Значительная активация определялась с разрешением общей линейной модели (GLM) с использованием функции гемодинамического отклика мыши по умолчанию (HRF). Активированные области (оценки Z с p-значением >0,0000006 после строгой коррекции Бонферрони для многократного сравнения) отображаются в виде значений цветовой кодировки, наложенных на шаблон общей координатной рамки Аллена. Воксель-мудрый временной ход контралатеральной первичной соматосенсорной коры, области бочкового поля (S1BF) выявил увеличение CBV на 15-20% по сравнению с исходным уровнем.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62267/62267fig4v2.jpg"> Рисунок 4:Карты транскраниальной активации и временной курс rCBV после стимуляции усов у мышей, обезболенной кетамином/ксилазином. A. Карта активации, показывающая значительно активированные воксели после механической стимуляции правых усов (80 с ON, 60 s OFF,5x) под кетаминовой/ксилазиновой анестезией. Карты были получены путем вычисления Z-баллов на основе анализа общей линейной модели (GLM) с поправкой Бонферрони для многократного сравнения. Z-баллы (с цветовой кодировкой) накладываются на 3D-шаблон мозга Аллена (после регистрации в системе позиционирования мозга) и отображаются в трех видах: корональном (слева), сагиттальном (посередине) и осевом (справа). Анатомические области из общей координатной структуры мозга мыши Аллена отображаются для справки. Активированные вокселы хорошо расположены внутри левой коры S1BF. Шкала: 1 мм. Каждый объем образца сканировали более 2,8 мм (что соответствует 7 срезам в направлении возвышения) за 3,85 с, что позволяло записывать 20 объемных образцов во время каждого функционального ответа. B. 3D-рендеринг увеличения относительного объема мозговой крови (rCBV), вызванного стимуляцией усов, по сравнению с исходным уровнем. Анатомическое очертания S1BF обозначено синим цветом. С. Временной ход вариаций CBV в левом S1BF (синий) и соответствующего применяемого стимула (красный). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62267/62267fig4v2large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
Та же парадигма была применена к голове неподвижной мыши в мобильной домашней коляске с использованием предустановки бодрствования IcoScan. На рисунке 5 представлена карта активации после эксперимента по стимуляции нескольких усов с использованием экспериментальной установки, описанной на рисунке 2. Несколько задних и каудальных усов стимулировали следующим образом: 30 с исходного уровня, за которым последовали пять последовательных испытаний 30 с ON (4 Гц) и 30 s OFF(рисунок 5C). Стимуляция проводилась с помощью серводвигателя, приводимого в действие картой Arduino UNO, запускающей последовательность получения изображения для синхронизации. Значительная активация определялась с разрешением общей линейной модели (GLM) с использованием функции гемодинамического отклика мыши по умолчанию (HRF). Многократная коррекция сравнения проводилась методом Бонферрони. Обычный альфа-уровень 0,05 был нормализован общим количеством вокселей в объеме приобретения, в результате чего был установлен окончательный строгий порог 0,000003.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62267/62267fig5v2.jpg"> Рисунок 5:Карты активации и временной курс rCBV после стимуляции усов у бодрствующей мыши. A. Карта активации, показывающая значительно активированные воксели после механической стимуляции правых усов (30 с ON, 30 s OFF, 5x) в бодрствующей мыши в мобильной домашней колпакете. Карты были получены путем вычисления Z-баллов на основе анализа общей линейной модели (GLM) с поправкой Бонферрони для многократного сравнения (нормализация по общему числу вокселей). Z-баллы (с цветовой кодировкой) накладываются на 3D-шаблон мозга Аллена (после регистрации в системе позиционирования мозга) и отображаются в трех видах: корональном (слева), сагиттальном (посередине) и осевом (справа). Анатомические области из общей координатной структуры мозга мыши Аллена отображаются для справки. Активированные вокселы хорошо расположены внутри левой коры S1BF. Весы стержни, 1 мм. Каждый объем образца сканировали более 1,6 мм (что соответствует 3 срезам в направлении возвышения) за 3,85 с, что позволяло регистрировать 17 объемных образцов во время каждого функционального ответа. B. 3D-рендеринг увеличения относительного объема мозговой крови (rCBV), вызванного стимуляцией усов, по сравнению с исходным уровнем. Анатомическое очертания S1BF обозначено синим цветом. С. Иллюстрация мыши в подвижной домашней колпакете во время эксперимента по стимуляции правого усов, в ходе которого было проведено пять испытаний по 30 с при общем времени приобретения 330 с. д. Мгновенный относительный курс времени CBV извлекается внутри активированной области (синий), с наложенным соответствующим стимулом (красный). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62267/62267fig5v2large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
На рисунке 6 показаны временные корреляции нормализованных низкочастотных (<0,2 Гц) спонтанных флуктуаций CBV между 3D-областями мозга (идентифицированными с момента регистрации в общей координатной структуре Аллена) у мыши, обезболенной кетамином-ксилазином. Общее время захвата составило 20 мин (1200 с). Анализ под наблюдением Атласа выявил сильные межполушарные паттерны связности, в результате чего значения коэффициента корреляции выросли до 0,8. Анализ на основе семян в дорсальном гиппокампе показал значительную межполушарную связь между правым и левым гиппокампом, а также глубокими ретро-гиппокампальными областями и грушевидной корой. Посевная область, выбранная в S1BF, также привела к симметричной (кортико-кортикальной) корреляционной картине, как описано ранее.
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62267/62267fig6v2.jpg"> Рисунок 6:Транскраниальная объемная функциональная связность мозга мыши под кетаминовой/ксилазиновой анестезией, оцениваемая при 20-минутном приобретении 3D fUS. A. Корреляционная матрица на основе 3D-областей общей координатной структуры Аллена, зарегистрированной на транскраниальном функциональном приобретении. Матрица получена путем вычисления нормализованной Пирсона корреляции спонтанных низкочастотных флуктуаций (<0,1 Гц) средних временных сигналов от всех вокселей, включенных в каждый идентифицированный ROI после коррекции тайминга среза. Каждый отобранный объем сканировали более 1,6 мм в направлении возвышения (соответствующем 4 срезам), полученному более 2,2 с. Б. Анализ на основе семян, проецируемый на 3D-шаблон. Семя отбирали в пределах правого дорсального гиппокампа при β — 2,1 мм. Корреляционная карта получена путем вычисления коэффициента корреляции Пирсона между временными сигналами семени и каждым вокселем всего приобретения после коррекции времени среза. C. 3D корреляционная карта, основанная на анализе семян с областью семян, выбранной в пределах S1BF при β - 2,1 мм. Шкала: 1 мм. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62267/62267fig6v2large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>

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

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

Этот протокол описывает количественную оценку объемных церебральных гемодинамических вариаций в мозге мыши с использованием функционального ультразвука (fUS). Процедуры для 3D-карты функциональной активации после сенсорной стимуляции, а также функциональной связности состояния покоя приведены в качестве иллюстративных примеров у анестезирующих и бодрствующих мышей.

3D-активация всего мозга и картирование функциональной связности у мышей с использованием транскраниальной функциональной ультразвуковой визуализации

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

Функциональное ультразвуковое исследование — это новый метод нейровизуализации, который позволяет отображать объем мозговой крови в мозге живых грызунов. Используя сверхбыструю плоскую визуализацию волн, мы можем измерить гемодинамические реакции всего мозга с непревзойденным специальным временным разрешением и чувствительностью. Этот протокол объясняет, как выполнять транскраниальную функциональную ультразвуковую визуализацию у мышей, как для экспериментов с анестезией, так и для экспериментов на животных.По сравнению с другими методами функциональной визуализации всего мозга, такими как FMRI, функциональное ультразвуковое исследование обеспечивает высокую портативность, простоту использования и позволяет проводить эксперименты на бодрствующих и свободно движущихся субъектах, избегая смещения анестезии и позволяя проводить поведенческие исследования. До недавнего времени визуализация FUS использовалась только в сотрудничестве с ультразвуковым экспертом. Теперь эта технология доступна широкому сообществу нейробиологии благодаря коммерчески доступным сканерам и специальному программному обеспечению для доклинической визуализации мозга, что делает FUS довольно простым в использовании без какого-либо фона в ультразвуке.Для сеанса анестезированной визуализации нанесите глазную мазь на глаза мыши, чтобы избежать повреждения роговицы, и побрейте голову мыши с помощью тремора. Нанесите крем для депиляции и смойте через пару минут. Повторяйте это до тех пор, пока волосы не будут полностью удалены.Вставьте подкожные штифты в конечности для записи электрокардиограммы и поместите центрифугированный ультразвуковой гель на голову. Для экспериментов с бодрствующими мышами требуется предварительная операция для фиксации головы. Поместите обезболенную мышь и стереотаксическую рамку на грелку с 37 градусами Цельсия.Нанесите защитный гель на глаза и подкожно введите лидокаин под кожу головы с помощью иглы 26 калибра, затем подождите несколько минут. Сделайте разрез после сагиттального шва из-за затылочной кости до начала носовой кости, затем используйте хирургические ножницы для иссечения кожи над обоими полушариями. Очистите череп однопроцентным раствором йода и удалите оставшуюся часть позвони.Используя головную пластину в качестве шаблона, отметьте два отверстия в черепе, чтобы расположить анкерные винты. Расположите головную пластину с помощью винтов и используйте зубной цемент для фиксации винтов и головной пластины в передней и задней части рамы, чтобы поддерживать хорошее сцепление имплантата. Удалите животное из стереотаксического каркаса после высыхания цемента и отмените анестезию с помощью подкожной инъекции одного миллиграмма на килограмм атипамезола.Назначают профилактический мелоксикам при послеоперационных болях. Поместите магнитный 3D-печатный колпачок на головную пластину для защиты и позвольте мыши восстановиться в течение четырех-шести дней до начала привыкания к подвижной домашней клетке. Поместите животное в клетку восстановления на грелку на несколько часов, затем верните мышь в домашнюю клетку с однопометниками.На четвертый и пятый день после выздоровления многократно прижимают мышь к подвижной домашней клетке и постепенно увеличивают фиксированное время головы, начиная с пяти минут и до 30 минут. Нанесите немного физиологического раствора и ультразвукового геля на окно визуализации, чтобы привыкнуть к мыши. Повторите этот процесс на шестой день после восстановления.Запустите программное обеспечение и создайте сеанс эксперимента. Перейдите в меню перемещения зонда, чтобы настроить положение ультразвукового зонда с помощью навигационной клавиатуры. Запустите сбор данных в режиме реального времени и при необходимости отрегулируйте положение зонда с помощью визуализации объема мозговой крови животного в режиме реального времени или CBV.Выровняйте мозг в центре изображения, а затем оптимизируйте параметры изображения, чтобы захватить самое высокое соотношение сигнал/шум. Откройте опцию Angio 3D программного обеспечения для приобретения. На предустановленной панели отрегулируйте параметры сканирования первого среза, последнего среза и размера шага, чтобы отсканировать весь мозг и начать приобретение.Оставьте программное обеспечение для сбора данных открытым и запустите программное обеспечение для анализа и визуализации данных, а затем загрузите 3D-сканирование Angio. Перемещайтесь по объему сбора с помощью панели из трех видов и выберите направление коронального сканирования, переднезаднее или постуральное переднее. Перейдите на панель регистрации мозга и загрузите шаблон ссылки мыши для процесса регистрации.Зарегистрируйте сканирование в Allen Mouse Common Coordinates Framework, используя полностью автоматический или ручной режимы регистрации. Проверьте результат, посмотрев на суперпозицию 3D-сканирования Angio и эталонный шаблон или посмотрев на суперпозицию сканирования и справочного атласа Аллена с помощью панели менеджера Atlas. Сохраните регистрацию в виде BPS-файла.В программном обеспечении студии ICO убедитесь, что ангиографическое сканирование и его BPS-файл загружены. Перейдите на панель навигации мозга. На панели Atlas Manager перемещайтесь по мыши Allen Brain Atlas с помощью навигатора родительского дочернего дерева.Найдите анатомические целевые области и выберите их, чтобы наложить их на сканирование в трех представлениях. Визуализируйте целевые области на панели «Три вида» и выберите плоскость изображения, которая перекрывает целевые области для эксперимента, вручную установив два маркера в корональной позиции, включающей интересующую область. Нажмите на Систему позиционирования мозга или BPS, чтобы извлечь результирующие координаты двигателя, которые соответствуют положению зонда, чтобы получить изображение целевой плоскости.Проверьте предварительный просмотр изображения, которое вычисляется из ангиоскан. В программном обеспечении для сканирования ICO войдите в панель позиционирования зонда и нажмите «Введите координаты BPS», затем примените извлеченные координаты, заставляя зонд двигаться и выравниваться на целевой плоскости изображения. Выполните получение изображения в реальном времени и убедитесь, что текущая плоскость изображения соответствует прогнозу.Предопределите последовательность стимуляции, включая время стимуляции, время стимуляции интереса и количество повторений. Запустите последовательность 3D FUS, определив общее время приобретения, количество позиций и мертвое время между позициями. Для автоматической стимуляции, синхронизированной с системой сбора данных через вход TTL, выберите опцию trig in перед началом сбора.Откройте приобретение в программном обеспечении ICO studio и войдите в меню карты активации, затем заполните поле шаблона активации временем начала и окончания и вычислите карту активации. Настройте параметры отображения для визуализации и экспортируйте карту активации в виде файла H5 для автономного анализа. Запустите последовательность 3D FUS, определив общее время сбора, количество позиций плоскости изображения и мертвое время между позициями.Сохраните приобретение и загрузите его в программное обеспечение студии ICO. При необходимости загрузите BPS-файл и координационную структуру мозга мыши Allen Mouse. В диспетчере системы «Атлас» выберите регионы атласа в качестве регионов, представляющих интерес.Войдите в меню функциональной проводимости и выберите нужные регионы и менеджер ROI. Визуализируйте результаты в виде матрицы связности или корреляционной карты на основе семян, затем выберите и настройте фильтры полосы пропускания по желанию и экспортируйте результаты корреляции для статистического анализа. Этот протокол использовался для 3D-количественной оценки церебральных гемодинамических вариаций транскраниально в мозге мыши.Стимуляция усов была выбрана в качестве примера сенсорной стимуляции вызванной реакции. Значительную активацию определяли с разрешением общей линейной модели, или GLM, с использованием функции гемодинамического ответа мыши по умолчанию. Общее время испытания составило 760 секунд, с 60-секундным исходным уровнем, 80-секундной стимуляцией и 60-секундным временем восстановления, повторено пять раз.Используя воксельный мудрый временной ход контралатеральной первичной соматосенсорной коры, области бочкового поля, или S1BF, выявил увеличение CBV на 15-20% по сравнению с исходным уровнем. Та же парадигма была применена к голове неподвижной мыши в клетке мобильного дома с использованием предустановки сканирования ICO. Карта активации после эксперимента с многократной стимуляцией усов показана здесь.Значительная активация определялась с разрешением GLM с использованием функции гемодинамического ответа мыши по умолчанию. Временные корреляции нормализовали низкочастотные спонтанные флуктуации CBV между 3D-областями мозга у кетаминовой ксилазиновой анестезированной мыши. Анализ семян и дорсального гиппокампа выявил значительную межполушарную проводимость между правым и левым гиппокампом, а также более глубокие ретро-области гиппокампа и грушевидные любезности.Область семян, выбранная в S1BF, также привела к симметричной корреляционной схеме. Критическим моментом для успешных экспериментов является подготовка животных, в частности уровень анестезии для экспериментов с участием обезболенные животные и защита черепа в экспериментах на бодрствующих животных. Если бы США позволили нам изучить важные функции мозга у бодрствующих животных, имея дело с фундаментальными вопросами сна, обучения или поведения, а также фармакологической модуляцией функциональной связности для открытия лекарств.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Functional Mapping with Simultaneous MEG and EEG

Функциональные карты с одновременным МЭГ и ЭЭГ

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

Оценка церебральной латерализации у детей с использованием функциональных транскраниальной ультразвуковой доплеровский (ЧВКУ)

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

Функциональной визуализации кальция в развивающихся Корковая сетей

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

Запись Electrocorticographic человека (ЭГ) Сигналы для Neuroscientific исследований и в реальном времени функциональных корковых карт

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

Функциональные нейровизуализации с использованием ультразвуковых Гематоэнцефалический Разрушение барьеров и марганца-МРТ

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

Функциональной визуализации из слуховой коры у взрослых кошек с использованием высокого поля МРТ

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

Одновременный<em&gt; Экс естественных условиях</em&gt; Функциональное тестирование двух сетчатки по<em&gt; В естественных условиях</em&gt; Система электроретинограммы

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

В Vivo Функциональное мозга изображений подход, основанный на Биолюминесцентный кальция Индикатор GFP-акворина

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

Использование оптическая когерентная томография и оптокинетический ответ как структурная и функциональная зрительная система отсчетов в мышей и крыс

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 экспериментов с функциональной ближней инфракрасной спектроскопии

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