Dieses Material basiert auf Arbeiten von der National Science Foundation unter Grant 1063774 BCS unterstützt werden.

1. Polar-Winkel Topographie Stimulus und Psychophysik Um einen polaren Winkel retinotopen-Karte in der SC zu erhalten, verwenden wir eine 90 °-Keil von sich bewegenden Punkten als Stimulus (Exzentrizität 2-9 ° Sehwinkel, bedeuten dot-Speed ​​4 ° / sec) (Abb. 1). Es ist bekannt, dass Aktivität in der SC durch die Anwendung verdeckter Aufmerksamkeit 5 wird erweitert, daher verwenden wir eine Aufmerksamkeit Aufgabe in unserem Paradigma zur Verfügung Signal zu erhöhen. Auf je 2 s-Studie werden die Personen angewiesen, heimlich auf den gesamten Keil besuchen und führen Sie eine Geschwindigkeit von Diskriminierung Aufgabe unter Beibehaltung Fixierung. Der Keil wird in 2 × 3 virtuelle Sektoren mit Punkten in einer der Sektoren, die zufällig für jede Versuchsperson ausgewählt, bewegen sich langsamer oder schneller als alle anderen Punkte geteilt. Nach jedem Versuch wird der Keil um 30 ° gedreht um Fixierung, so dass der Reiz vollständig rotiert mit einer 24 Sek. Zeit. Jeder Lauf besteht aus 9,5 Umdrehungen des Stimulus (228 sec) und experimentellen Sitzungen umfassen16-18 Läufe. Zum Thema Performance an dieser Aufgabe während der gesamten Dauer der einzelnen Läufe zu halten, wird die Schwierigkeit der Aufgabe angepasst mit Hilfe von zwei zufällig verschachtelt Zwei-bis-Eins-Down-Treppen. Nach jeweils zwei aufeinander folgenden richtigen Studien der Geschwindigkeitsunterschied wird um 8% reduziert, und für jeden falschen Versuch, die Differenz wird um 8% erhöht. Vor dem Scannen zu üben alle Probanden die visuelle Aufgabe außerhalb des Scanners, bis sie eine stabile Niveau der Leistung zu erreichen; dies erfordert 4.3 20 Minuten Dauer Trainingssitzungen. Typische Diskriminierung Schwellenwerte liegen im Bereich von 1 ° -1,5 ° / sek. 2. Betreff Vorbereitung <ol><li> Themen Köpfe sind mit Pads befestigt, um Kopfbewegungen zu minimieren, bevor sie das Innere des Scanners Bohrung positioniert sind. Bei diesen hohen räumlichen Auflösungen, ist fMRT besonders empfindlich gegenüber Bewegungsartefakten, so Kopf Stabilisierung ist kritisch. </li><li> Themen sind eine MRT-Kompatib gegebenle Tastenfeld in der einen Hand und wies darüber, welche Taste zu drücken, um ihre Urteile über dot Geschwindigkeit angeben. </li></ol> 3. Die Lokalisierung und die den SC <ol><li> Menschliche SC ist eine kleine, aber feine Struktur, ~ 9 mm im Durchmesser, auf dem Dach des Mittelhirns gelegen. Bei Verwendung einer kleinen Anzahl von fMRT-Scheiben werden mehrere Localizer Imaging-Serie für seine präzise Lokalisation erforderlich. Wir führen diese Reihe entlang sagittal, axial und koronal Ebenen. </li><li> Dann verwenden wir diese Lokalisierungsbildern genau vorschreiben, die mit 8-10 SC zusammenhängenden Scheiben, 1,2 mm dick, Field-of-View (FOV), 170 mm in einer schrägen, quasi-axialen Ebene. </li><li> Weiter mit hoher Auflösung T 1-gewichteten strukturellen Bilder werden unter Verwendung eines dreidimensionalen (3D) HF-verdorben GRAS (SPGR)-Sequenz (15 ° Kippwinkel, 1,2 mm Voxel) einmal vor dem Sammeln der Funktionsdaten und einmal nach. Diese Bilder werden als Referenz verwendet, um die fMRI-Daten zu einem hochauflösenden str auszurichtenuctural Referenzvolumen in einer separaten Sitzung, die wir später beschreiben erhalten. </li></ol> 4. Funktionelle MRT-Parameter Alle Bildgebung wurde an einem GE Signa HD12 3T-MRT-Scanner mit der GE-supplied 8-Kanal, Kopfspule durchgeführt. Die Anregung war ein 6,4 ms windowed-sinc-Puls angewendet Benutzung des Scanners Körperspule. Bis 1,2 mm Probenahme in der menschlichen SC erhalten, verwenden wir ein Drei-Schuss-Spirale Flugbahn Übernahme 6,7. Drei Schüsse sind aus mehreren Gründen notwendig. Vor allem Single-Shot-Übernahme für unsere Scanner und FOV erforderlich&gt; 77 ms, zu lang, praktisch zu sein. Die mehrere Aufnahmen miteinander nach einer Korrektur durch Subtrahieren des Ausgangswertes und lineare Verlauf der Phase vereinigt. TE von 2 ms an dem ersten Rahmen, um ein Feld Landkarte aus den ersten beiden Volumina erworbenen abzuschätzen erhöht, und diese Karte für eine lineare Korrektur verwendet. Rekonstruierte Bilder hatten ein SNR von ~ 20. Zeitliche Leistungsspektren in SC Voxel typischerweisezeigten wenig von der Struktur mit physiologischem Rauschen zugeordnet ist; die Verwendung eines 3-Schuss-Akquisition eine starke Filterung auf der vergleichsweise hohen Frequenz Auswirkungen der kardialen Puls und Atmung. Andere Lärmminderung Techniken sind problematisch in diesem Kontext mit hoher Auflösung. Zum Beispiel sind rückwirkenden Korrektur Verfahren wie RETROICOR 6 nicht für Multi-Shot-Daten und EKG-Gating stellt Rauschen und Störung der Artefakt mit T 1 Gleichgewicht zugeordnet. Echo Zeit T E = 40 ms, ist länger als in der Regel in der Rinde (30 ms) verwendet, weil wir eine entsprechend längerem T 2 * im SC Gewebe (~ 60 ms) gemessen wird, als in kortikalen grauen Substanz (~ 45 ms) beobachtet. Acquisition Bandbreite ist auf 62,5 kHz begrenzt auf Spitzenleistung Gradientenstrom, die unerwünschte Erwärmung verursacht auf unseren Scanner zu reduzieren. Wir wählen TR = 1 sec, also mit drei Schüssen ein Volumen alle 3 wird erworbensek. 5. Strukturelle MRT und 3D-Modellierung In einem einzigen separaten Sitzung für jedes Fach, so erhalten wir eine hochauflösende (0,7 mm Probenahme) Referenzvolumen mit einem T 1-gewichteten Sequenz, die gute Gewebekontrast (3D SPGR, 15 ° Kippwinkel, Inversion mit T I = 450 gibt vorbereitet ms, 2 Anregungen, ~ 28 Minuten Dauer, 0,7 mm Voxel). In dieser Referenz Volumen, Segment, das wir das Gewebe des Mittelhirns, Hirnstamm und Teile des Thalamus (Abb. 2A) mit einer Kombination aus automatischen und manuellen Techniken, die von der ITK-SNAP Anwendung 2 vorgesehen ist. Insbesondere nutzen wir eine automatische Segmentierung Werkzeug, in dem der Benutzer Samen mehreren Punkten innerhalb jeder Hirnstamm; die Software dann automatisch erweitert die Segmentierung um den Samen herum Punkte innerhalb einer Region durch Kontrast und Intensität Kriterien definiert eingeschränkt. Diese automatische Segmentierung wird dann einstellened, wenn nötig, mit Hilfe manueller, &quot;Paint-like&quot; Voxel-Tools. Der Liquor-Gewebe-Grenzfläche des SC ausgewählt ist aus der Segmentierung mit isodensity Oberfläche Tessellation interpoliert, und diese erste Oberfläche wird raffiniert, um Aliasing-Artefakte (Abb. 2, B und D) mit einem Variationsproblem verformbare Oberfläche Algorithmus 3 zu reduzieren. Diese Oberfläche Ecken und äußeren Normalen-Vektoren als Referenz für die laminare Berechnungen (unten beschrieben) sowie Mittel zur funktionellen Daten zu visualisieren verwendet werden. 6. Bildanalyse Um die fMRI-Daten zu analysieren, verwenden wir die mrVista Software-Paket (zum Download unter <a href="http://white.stanford.edu/mrvista.php" target="_blank">http://white.stanford.edu/mrvista.php)</a> sowie Tools auf der mrVista Rahmen in unserem Labor entwickelt. In den nächsten Schritten verwenden wir Standard-Paket mrVista Werkzeuge: <ol><li> Initialisierendie Sitzung im mrVista, Auswahl der Option zur räumlichen Normalisierung der Intensität der gemittelten Daten, um die Auswirkungen der Spule Inhomogenität zu verringern. Die Normierung verwendet eine homomorphe Verfahren, dh Division mit einem Tiefpass-gefilterte Version der zeitlich gemitteltes Volumen Bildintensitäten mit einem Additiv robuste Korrektur geschätzten Rauschpegel. Die ersten Halbzyklus der Bilder (12 sec) gelöscht wird, um transiente MR Gleichgewicht und hämodynamische Effekte zu vermeiden. </li><li> Korrigieren Sie innerhalb eines Laufs Bewegung. Die Bewegung wird aus der Zeitreihe der Bände geschätzt. Jedoch aufgrund der relativ geringen Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) der Bilder, wir zuerst eine 5-Probe Boxcar Glätten auf der Zeitreihe. Jeder Band wird dann zu dem Durchschnitt der letzten 5 Proben registriert. Beachten Sie, dass Glättung wird nur verwendet, um die Bewegung zu schätzen, und die eigentlichen Daten werden nicht geglättet. </li><li> Bilden zeitliche Mittelwerte von jedem Lauf die Bewegung korrigierten Bilddaten, und verwenden Sie diese Durchschnittswerte, die zwischen geführte Bewegung USI korrigierenng der letzte Lauf als Referenz. </li><li> Führen Sie eine Slice-Timing-Korrektur. Wir verwenden sequentielle Akquisition Scheibe, so dass Fehler durch Durchführung von Timing-Korrektur nach der Bewegungskorrektur klein sein wird (~ 125 ms). </li><li> Durchschnittliche die mehrere Läufe in jeder Session aufgezeichnet das SNR zu verbessern. </li><li> Richten Sie die strukturellen Daten aus der fMRT-Sitzung mit dem Verweis Bauvolumen mit einer robusten Intensität-basierte Registrierung Algorithmus 8. Legen Sie die Ausrichtung und Segmentierung in mrVista. </li><li> Verwandeln Sie die funktionalen Zeitreihendaten der segmentierten Referenz-Lautstärke. In den folgenden Schritten verwenden wir Werkzeuge in unserem Labor entwickelt, um weitere Analysen durchzuführen. </li><li> Berechnen einer Entfernung durch Berechnen des Abstandes zwischen jeweils SC Gewebe Voxel und seinem nächsten Knoten auf dem SC Oberfläche. Diese Abstände werden verwendet, um laminare Position innerhalb des Referenz-Lautstärke zu messen. </li><li> Führen Sie eine laminare Segmentierung in die Tiefe Mittelung der Zeitreihen-Daten zu ermöglichen, th verbesserne SNR. Klein (1,6 mm Durchmesser) Scheiben aus Gewebe zu jedem Eckpunkt des Oberflächenmodells entlang der gesamten oberflächlichen SC Oberfläche verbunden sind, und jede Scheibe wird dann nach innen und nach außen von der SC Gewebe erweitert unter Verwendung der lokalen Flächennormalen einen einzelnen laminaren Nachbarschaft zu bilden 4. </li><li> Für jeden Punkt auf der Oberfläche SC, nutzen wir diese laminare Verbänden, um die Zeitreihen über einen bestimmten Tiefenbereich zu mitteln. Da sind in erster Linie visuell ansprechenden Neuronen in den oberflächlichen Schichten des SC, für die visuelle Stimulation Experiment, das wir einen Tiefenbereich von 0 bis 1,8 mm verwendet. </li></ol> 7. Topographische Kartierung Analyse Zur Analyse der topographischen Darstellung der Daten ist auf der Kohärenzanalyse tiefengemittelten Zeitreihe, indem eine Sinuskurve an der Wiederholfrequenz Impulse (dh, 1/24 Hz für die 24 Sek. Impulse oben beschrieben) für jedes Voxel durchgeführt. Aus dieser Passform, leiten wir Karten Oberfläche der Befragtense Amplitude, Kohärenz und Phase. Diese Analyse wird im Frequenzbereich durchgeführt und ist eine verbreitete Technik, um retinotopen Karten im visuellen Kortex 9,10 quantifizieren. Die Phase des sinusförmigen Sitz misst die Position des Reizes. Zero-Phase entspricht dem oberen vertikalen Meridians (Abb. 3). Der Reiz dann dreht sich im Uhrzeigersinn, so dass eine π / 2 Phasen zu, wenn der Stimulus gedreht hat, um den horizontalen Meridian in der rechten Gesichtsfeld entspricht. Nach π Radian der Stadium überwindet der Stimulus in das linke Gesichtsfeld, und so weiter. Wir haben auch Grenzen der gesamte Flächenausdehnung des SC durch manuelle Inspektion der hochauflösenden T1-gewichteten Volumen Anatomie erhalten. Diese Grenzen sind in Bild markiert. 3 durch rot gestrichelte Linien. fMRT misst nicht direkt die neuronale Aktivität, sondern vielmehr eine Durchblutung Reaktion, die eng gekoppelt ist, aber trägeauf neuronale Aktivität. Dies fügt einen hämodynamischen Verzögerung zum Phasengang. Die Verzögerung wird durch Ergreifung aller Voxel oberhalb unseres Kohärenz Schwelle von jedem SC Region-of-Interest, und Zentrierung ihre Mittel um π in der komplexen Ebene geschätzt. In unserem SC-Daten, sind diese Verzögerungen ziemlich klein in der Größenordnung von 2-4 Sekunden. Wir entfernen diese Verzögerung durch Drehen der Farbtabelle von 45 Grad (entsprechend 3 sec) (Abb. 3) gegen den Uhrzeigersinn. 8. Repräsentative Ergebnisse Phase-Daten auf einer 3D-Oberfläche des SC (3) überlagert zeigt, dass die Reaktion auf visuelle Stimulation kontralateral in der SC, dh dem linken Blickfeld auf der rechten SC dargestellt und vice-versa einem dargestellt. Es gibt auch eine retinotopen Organisation der Aktivität. Der rechte obere Gesichtsfeld medial auf der linken Colliculus (Blau-Magenta) dargestellt, und der untere Bereich seitlich (rot-gelb) dargestellt. Similarly, wird der linke obere Gesichtsfeld medial auf der rechten Colliculus (blau-Cyan) dargestellt und unteren seitlich (grün-gelb) dargestellt. Diese Topographie ist konsistent mit den Ergebnissen der nicht-menschlichen Primaten-Studien von SC Antworten: 1) auf visuelle Stimulation mit Single-Unit-Elektrophysiologie, und 2) die Abbildung der Mikrostimulation induzierten Sakkaden 11,12. <img alt="1" src="/files/ftp_upload/3746/3746fig1.jpg" /> Abbildung 1. A) Slice-Rezept auf mittsagittale Bild betrachtet. B) zeitlichen Mittelwert (aus 1-Lauf) der funktionellen Bilder von der zentralen Scheibe in rot in A) markiert erhalten. <img alt="2" src="/files/ftp_upload/3746/3746fig2.jpg" /> Abbildung 2. Polar-Winkel Topographie Reiz. Eine 90 °-Keil von bewegten schwarz-weißen Punkten auf einem grauen Hintergrund drehte sich langsam um Fixierung. Der Keil wurde in ein Array von 6 unterteilt virtüal Sektoren (graue Linien hinzugefügt, um Sektoren zu betonen), damit das Thema auf eine Geschwindigkeit von Diskriminierung Aufgabe in einem zufällig ausgewählten Sektor durchzuführen. <img alt="Abbildung 3" src="/files/ftp_upload/3746/3746fig3.jpg" /> Abbildung 3. Segmentierung und Oberflächen-Modellierung. A) Das Mittelhirn, Hirnstamm und Teile des Thalamus waren segmentierten von hochauflösenden MRT Anatomie Bände. B) Eine Oberfläche wurde an der Kante der segmentierten Region erstellt. C) Sinus-Fit-Phasen-Daten auf einer Ebene liegenden Scheibe (Kohärenz&gt; 0,25) angesehen. D) A gedreht wird und vergrößerte Ansicht des Hirnstamms Oberfläche Modell wurde verwendet, um Phasendaten auf der SC zu visualisieren. <img alt="Abbildung 4" src="/files/ftp_upload/3746/3746fig4.jpg" /> Abbildung 4. Polar-Winkel Karten. fMRI-Phase-Karten in zwei Fächern, die visuelle Polarwinkel zu kodieren. Coherence Schwellenwerte für jede Karte auf der rechten unteren Ecke zur Verfügung gestellt. Das Farbrad bezieht sich die überlagerte Phasen des Stimulus in S.olar Winkel, um ihre Blickfeldpositionen.

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Keine Interessenskonflikte erklärt.

Unsere Akquisitions-und Daten-Analyse-Techniken ermöglichen die Messung neuronaler Aktivität im menschlichen Gehirn subkortikalen Strukturen mit hoher Auflösung (1,2 mm Voxel). Das 3-Schuss Spirale Akquisition reduziert die physiologische Geräusche, die besonders schädlich für fMRT-Messungen in der Umgebung des Mittelhirns ist. Darüber hinaus können unsere laminaren Segmentierung des Gewebes uns Tiefe Mittelung der Daten, die Verbesserung der SNR hilft durchzuführen. Wir haben diese Methoden verwendet werden, u...

high-resolution functional magnetic resonance imaging methods for human midbrain

Funktionelle MRT (fMRT) ist ein weit verbreitetes Werkzeug zur nichtinvasiven Messung Korrelate der menschlichen Gehirnaktivität. Allerdings hat die Verwendung meist auf das Messen der Aktivität auf der Oberfläche der Hirnrinde als in subkortikalen Regionen wie Mittelhirn und Hirnstamm konzentriert. Subkortikale fMRI überwinden muss zwei Herausforderungen: räumliche Auflösung und physiologisches Rauschen. Hier beschreiben wir ein optimiertes Set von Techniken entwickelt, um hochauflösende fMRT in der menschlichen SC, eine Struktur auf der dorsalen Fläche des Mittelhirns durchzuführen; Die Methoden können auch auf andere Bild Hirnstamm und subkortikalen Strukturen verwendet werden. Hochauflösende (1,2 mm Voxel) fMRI des SC erfordert einen nicht-konventionellen Ansatz. Die gewünschte räumliche Abtastung wird mit Hilfe einer Multi-Shot (verschachtelt) Spiral-Akquisition ein. Da T 2 * von SC Gewebe länger als in der Rinde, eine entsprechend mehr Echozeit (TE ~ 40 ms) mit Maximieren funktionalen Kontrast. Um das volle Ausmaß der SC zu decken, werden 8-10 Scheiben erhalten. Für jede Sitzung ein strukturelles Anatomie mit der gleichen Schicht wie die Verschreibung fMRI wird auch erhalten, die verwendet wird, um die funktionellen Daten zu einem hochauflösenden Referenzvolumen auszurichten. In einer separaten Sitzung, für jedes Fach, schaffen wir eine hoch auflösende (0,7 mm Probenahme) Referenz-Lautstärke mit einem T 1-gewichteten Sequenz, die gute Gewebeverträglichkeit Gegensatz gibt. In der Referenz-Lautstärke, ist die Region im Mittelhirn segmentiert mit dem ITK-SNAP Software-Anwendung 2. Diese Segmentierung wird verwendet, um eine 3D-Oberfläche Darstellung des Mittelhirns, die sowohl eine präzise und einfache 3 zu schaffen. Die Oberfläche Ecken und Normalen werden verwendet, um eine Straßenkarte der Tiefe von der Oberfläche Mittelhirn innerhalb des Gewebes 4 zu erzeugen. Funktionelle Daten in das Koordinatensystem des segmentierten Referenz-Volumenstrom transformiert. Tiefe Verbände der Voxelermöglichen die Mittelung der fMRT-Zeitreihen im angegebenen Tiefe reicht, um Signalqualität zu verbessern. Die Daten werden auf der 3D-Oberfläche zur Visualisierung erstellt. In unserem Labor verwenden wir diese Technik zur Messung von topographischen Karten der visuellen Stimulation und verdeckten und offenen visuelle Aufmerksamkeit innerhalb der SC-1. Als Beispiel zeigen wir die topographische Darstellung der Polarwinkel zur visuellen Stimulation in SC.

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High-resolution Functional Magnetic Resonance Imaging Methods for Human Midbrain

Dieser Artikel beschreibt Techniken zur hochauflösenden funktionellen Kernspintomografie mit 1,2 mm Probenahme in der menschlichen Mittelhirn und subkortikalen Strukturen mit einem 3T Scanner durchführen. Die Verwendung dieser Techniken, um topographische Karten der visuellen Stimulation in der menschlichen Colliculus superior (SC) zu lösen ist als ein Beispiel gegeben.

Hochauflösende Functional Magnetic Resonance Imaging Methods for Human Mittelhirn

Functional MRI (fMRI) is a widely used tool for non-invasively measuring correlates of human brain activity. However, its use has mostly been focused upon ...

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Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Neuroscience

12.8K Aufrufe.  The University of Texas at Austin. Dieser Artikel beschreibt Techniken zur hochauflösenden funktionellen Kernspintomografie mit 1,2 mm Probenahme in der menschlichen Mittelhirn und subkortikalen Strukturen mit einem 3T Scanner durchführen. Die Verwendung dieser Techniken, um topographische Karten der visuellen Stimulation in der menschlichen Colliculus superior (SC) zu lösen ist als ein Beispiel gegeben.

Serie: High-resolution Functional Magnetic Resonance Imaging Methods for Human Midbrain

Multiple-mouse Neuroanatomical Magnetic Resonance Imaging

The field of mouse phenotyping with magnetic resonance imaging (MRI) is rapidly growing, motivated by the need for improved tools for characterizing and evaluating mouse models of human disease. MRI is an excellent modality for investigating genetically altered animals. It is capable of whole brain coverage, can be used in vivo, and provides multiple contrast mechanisms for investigating different aspects of neuranatomy and physiology. The advent of high-field scanners along with the ability to scan multiple mice simultaneously allows for rapid phenotyping of novel mutations.
Effective mouse MRI studies require attention to many aspects of experiment design. In this article, we will describe general methods to acquire quality images for mouse phenotyping using a system that images mice concurrently in shielded transmit/receive radio frequency (RF) coils in a common magnet (Bock et al., 2003). We focus particularly on anatomical phenotyping, an important and accessible application that has shown a high potential for impact in many mouse models at our imaging centre. Before we can provide the detailed steps to acquire such images, there are important practical considerations for both in vivo brain imaging (Dazai et al., 2004) and ex vivo brain imaging (Spring et al., 2007) that should be noted. These are discussed below.

Magnetic resonance imaging (MRI) has become an increasingly popular tool for examining the phenotype of genetically altered mice. This article illustrates the methods necessary to achieve high-throughput phenotyping of genetically altered mice using multiple-mouse MRI.

Multiple-Maus Neuroanatomische Magnetic Resonance Imaging

The field of mouse phenotyping with magnetic resonance imaging (MRI) is rapidly growing, motivated by the need for improved tools for characterizing and ...

Forschung

Neurowissenschaften

A Rapid Approach to High-Resolution Fluorescence Imaging in Semi-Thick Brain Slices

A fundamental goal to both basic and clinical neuroscience is to better understand the identities, molecular makeup, and patterns of connectivity that are characteristic to neurons in both normal and diseased brain. Towards this, a great deal of effort has been placed on building high-resolution neuroanatomical maps1-3. With the expansion of molecular genetics and advances in light microscopy has come the ability to query not only neuronal morphologies, but also the molecular and cellular makeup of individual neurons and their associated networks4. Major advances in the ability to mark and manipulate neurons through transgenic and gene targeting technologies in the rodent now allow investigators to 'program' neuronal subsets at will5-6. Arguably, one of the most influential contributions to contemporary neuroscience has been the discovery and cloning of genes encoding fluorescent proteins (FPs) in marine invertebrates7-8, alongside their subsequent engineering to yield an ever-expanding toolbox of vital reporters9. Exploiting cell type-specific promoter activity to drive targeted FP expression in discrete neuronal populations now affords neuroanatomical investigation with genetic precision.
Engineering FP expression in neurons has vastly improved our understanding of brain structure and function. However, imaging individual neurons and their associated networks in deep brain tissues, or in three dimensions, has remained a challenge. Due to high lipid content, nervous tissue is rather opaque and exhibits auto fluorescence. These inherent biophysical properties make it difficult to visualize and image fluorescently labelled neurons at high resolution using standard epifluorescent or confocal microscopy beyond depths of tens of microns. To circumvent this challenge investigators often employ serial thin-section imaging and reconstruction methods10, or 2-photon laser scanning microscopy11. Current drawbacks to these approaches are the associated labor-intensive tissue preparation, or cost-prohibitive instrumentation respectively.
Here, we present a relatively rapid and simple method to visualize fluorescently labelled cells in fixed semi-thick mouse brain slices by optical clearing and imaging. In the attached protocol we describe the methods of: 1) fixing brain tissue in situ via intracardial perfusion, 2) dissection and removal of whole brain, 3) stationary brain embedding in agarose, 4) precision semi-thick slice preparation using new vibratome instrumentation, 5) clearing brain tissue through a glycerol gradient, and 6) mounting on glass slides for light microscopy and z-stack reconstruction (Figure 1).
For preparing brain slices we implemented a relatively new piece of instrumentation called the 'Compresstome' VF-200 (http://www.precisionary.com/products_vf200.html). This instrument is a semi-automated microtome equipped with a motorized advance and blade vibration system with features similar in function to other vibratomes. Unlike other vibratomes, the tissue to be sliced is mounted in an agarose plug within a stainless steel cylinder. The tissue is extruded at desired thicknesses from the cylinder, and cut by the forward advancing vibrating blade. The agarose plug/cylinder system allows for reproducible tissue mounting, alignment, and precision cutting. In our hands, the 'Compresstome' yields high quality tissue slices for electrophysiology, immunohistochemistry, and direct fixed-tissue mounting and imaging. Combined with optical clearing, here we demonstrate the preparation of semi-thick fixed brain slices for high-resolution fluorescent imaging.

Here we describe a rapid and simple method to image fluorescently labeled cells in semi-thick brain slices. By fixing, slicing, and optically clearing brain tissue we describe how standard epifluorescent or confocal imaging can be used to visualize individual cells and neuronal networks within intact nervous tissue.

Eine schnelle Annäherung an High-Resolution Fluoreszenz-Imaging in Semi-Thick Hirnschnitten

A fundamental goal to both basic and clinical neuroscience is to better understand the identities, molecular makeup, and patterns of connectivity that are ...

The Use of Magnetic Resonance Spectroscopy as a Tool for the Measurement of Bi-hemispheric Transcranial Electric Stimulation Effects on Primary Motor Cortex Metabolism

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a neuromodulation technique that has been increasingly used over the past decade in the treatment of neurological and psychiatric disorders such as stroke and depression. Yet, the mechanisms underlying its ability to modulate brain excitability to improve clinical symptoms remains poorly understood 33. To help improve this understanding, proton magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS) can be used as it allows the in vivo quantification of brain metabolites such as &#947;-aminobutyric acid (GABA) and glutamate in a region-specific manner 41. In fact, a recent study demonstrated that 1H-MRS is indeed a powerful means to better understand the effects of tDCS on neurotransmitter concentration 34. This article aims to describe the complete protocol for combining tDCS (NeuroConn MR compatible stimulator) with 1H-MRS at 3 T using a MEGA-PRESS sequence. We will describe the impact of a protocol that has shown great promise for the treatment of motor dysfunctions after stroke, which consists of bilateral stimulation of primary motor cortices 27,30,31. Methodological factors to consider and possible modifications to the protocol are also discussed.

This article aims to describe a basic protocol for combining transcranial direct current stimulation (tDCS) with proton magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS) measurements to investigate the effects of bilateral stimulation on primary motor cortex metabolism.

Die Verwendung von magnetischen Resonanzspektroskopie als Werkzeug für die Messung der Bi-hemisphärische transkranielle elektrische Stimulation Auswirkungen auf primären motorischen Kortex Metabolism

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a neuromodulation technique that has been increasingly used over the past decade in the treatment of ...

Metabolomic Analysis of Rat Brain by High Resolution Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy of Tissue Extracts

Studies of gene expression on the RNA and protein levels have long been used to explore biological processes underlying disease. More recently, genomics and proteomics have been complemented by comprehensive quantitative analysis of the metabolite pool present in biological systems. This strategy, termed metabolomics, strives to provide a global characterization of the small-molecule complement involved in metabolism. While the genome and the proteome define the tasks cells can perform, the metabolome is part of the actual phenotype. Among the methods currently used in metabolomics, spectroscopic techniques are of special interest because they allow one to simultaneously analyze a large number of metabolites without prior selection for specific biochemical pathways, thus enabling a broad unbiased approach. Here, an optimized experimental protocol for metabolomic analysis by high-resolution NMR spectroscopy is presented, which is the method of choice for efficient quantification of tissue metabolites. Important strengths of this method are (i) the use of crude extracts, without the need to purify the sample and/or separate metabolites; (ii) the intrinsically quantitative nature of NMR, permitting quantitation of all metabolites represented by an NMR spectrum with one reference compound only; and (iii) the nondestructive nature of NMR enabling repeated use of the same sample for multiple measurements. The dynamic range of metabolite concentrations that can be covered is considerable due to the linear response of NMR signals, although metabolites occurring at extremely low concentrations may be difficult to detect. For the least abundant compounds, the highly sensitive mass spectrometry method may be advantageous although this technique requires more intricate sample preparation and quantification procedures than NMR spectroscopy. We present here an NMR protocol adjusted to rat brain analysis; however, the same protocol can be applied to other tissues with minor modifications.

The neurochemistry of mammalian brain is changed in many neurological and systemic diseases. Characteristic profiles of cerebral metabolites can be efficiently obtained based on crude extracts of brain tissue. To this end, high-resolution NMR spectroscopy is employed, enabling detailed quantitative analysis of metabolite concentrations (metabolomics).

Metabolomische Analyse von Rattenhirn Hohe Auflösung Kernresonanzspektroskopie von Gewebeextrakte

Studies of gene expression on the RNA and protein levels have long been used to explore biological processes underlying disease. More recently, genomics ...

High-resolution In Vivo Manual Segmentation Protocol for Human Hippocampal Subfields Using 3T Magnetic Resonance Imaging

The human hippocampus has been broadly studied in the context of memory and normal brain function and its role in different neuropsychiatric disorders has been heavily studied. While many imaging studies treat the hippocampus as a single unitary neuroanatomical structure, it is, in fact, composed of several subfields that have a complex three-dimensional geometry. As such, it is known that these subfields perform specialized functions and are differentially affected through the course of different disease states. Magnetic resonance (MR) imaging can be used as a powerful tool to interrogate the morphology of the hippocampus and its subfields. Many groups use advanced imaging software and hardware (&#62;3T) to image the subfields; however this type of technology may not be readily available in most research and clinical imaging centers. To address this need, this manuscript provides a detailed step-by-step protocol for segmenting the full anterior-posterior length of the hippocampus and its subfields: cornu ammonis (CA) 1, CA2/CA3, CA4/dentate gyrus (DG), strata radiatum/lacunosum/moleculare (SR/SL/SM), and subiculum. This protocol has been applied to five subjects (3F, 2M; age 29-57, avg. 37). Protocol reliability is assessed by resegmenting either the right or left hippocampus of each subject and computing the overlap using the Dice&#39;s kappa metric. Mean Dice&#39;s kappa (range) across the five subjects are: whole hippocampus, 0.91 (0.90-0.92); CA1, 0.78 (0.77-0.79); CA2/CA3, 0.64 (0.56-0.73); CA4/dentate gyrus, 0.83 (0.81-0.85); strata radiatum/lacunosum/moleculare, 0.71 (0.68-0.73); and subiculum 0.75 (0.72-0.78). The segmentation protocol presented here provides other laboratories with a reliable method to study the hippocampus and hippocampal subfields in vivo using commonly available MR tools.

High-resolution In Vivo Manual Segmentation Protocol for Human Hippocampal Subfields Using 3T Magnetic Resonance Imaging

The goal of this manuscript is to study the hippocampus and hippocampal subfields using MRI. The manuscript describes a protocol for segmenting the hippocampus and five hippocampal substructures: cornu ammonis (CA) 1, CA2/CA3, CA4/dentate gyrus, strata radiatum/lacunosum/moleculare, and subiculum.

Hohe Auflösung<em&gt; In-vivo-</em&gt; Manuelle Segmentierung Protokoll für Menschen Hippocampus Teilfelder Verwenden von 3T Kernspintomographie

The human hippocampus has been broadly studied in the context of memory and normal brain function and its role in different neuropsychiatric disorders has ...

High-resolution Structural Magnetic Resonance Imaging of the Human Subcortex In Vivo and Postmortem

The focus of this study was to test the resolution limits of structural MRI of a postmortem brain compared to living human brains. The resolution of structural MRI in vivo is ultimately limited by physiological noise, including pulsation, respiration and head movement. Although imaging hardware continues to improve, it is still difficult to resolve structures on the millimeter scale. For example, the primary visual sensory pathways synapse at the lateral geniculate nucleus (LGN), a visual relay and control nucleus in the thalamus that normally is organized into six interleaved monocular layers. Neuroimaging studies have not been able to reliably distinguish these layers due their small size that are less than 1 mm thick.
The resolving limit of structural MRI, in a postmortem brain was tested using multiple images averaged over a long duration (~24 h). The purpose was to test whether it was possible to resolve the individual layers of the LGN in the absence of physiological noise. A proton density (PD)1 weighted pulse sequence was used with varying resolution and other parameters to determine the minimum number of images necessary to be registered and averaged to reliably distinguish the LGN and other subcortical regions. The results were also compared to images acquired in living human brains. In vivo subjects were scanned in order to determine the additional effects of physiological noise on the minimum number of PD scans needed to differentiate subcortical structures, useful in clinical applications.

High-resolution Structural Magnetic Resonance Imaging of the Human Subcortex In Vivo and Postmortem

Here we present a protocol to determine the minimum number images that needed to be registered and averaged to resolve subcortical structures and test whether the individual layers of the LGN could be resolved in the absence of physiological noise.

Hochauflösende Strukturkernspintomographie des menschlichen Subcortex<I&gt; In-vivo-</I&gt; Und Postmortem

The focus of this study was to test the resolution limits of structural MRI of a postmortem brain compared to living human brains. The resolution of ...

A Magnetic Resonance Imaging Protocol for Stroke Onset Time Estimation in Permanent Cerebral Ischemia

MRI provides a sensitive and specific imaging tool to detect acute ischemic stroke by means of a reduced diffusion coefficient of brain water. In a rat model of ischemic stroke, differences in quantitative T1 and T2 MRI relaxation times (qT1 and qT2) between the ischemic lesion (delineated by low diffusion) and the contralateral non-ischemic hemisphere increase with time from stroke onset. The time dependency of MRI relaxation time differences is heuristically described by a linear function and thus provides a simple estimate of stroke onset time. Additionally, the volumes of abnormal qT1 and qT2 within the ischemic lesion increase linearly with time providing a complementary method for stroke timing. A (semi)automated computer routine based on the quantified diffusion coefficient is presented to delineate acute ischemic stroke tissue in rat ischemia. This routine also determines hemispheric differences in qT1 and qT2 relaxation times and the location and volume of abnormal qT1 and qT2 voxels within the lesion. Uncertainties associated with onset time estimates of qT1 and qT2 MRI data vary from &plusmn; 25 min to &plusmn; 47 min for the first 5 hours of stroke. The most accurate onset time estimates can be obtained by quantifying the volume of overlapping abnormal qT1 and qT2 lesion volumes, termed 'Voverlap' (&plusmn; 25 min) or by quantifying hemispheric differences in qT2 relaxation times only (&plusmn; 28 min). Overall, qT2 derived parameters outperform those from qT1. The current MRI protocol is tested in the hyperacute phase of a permanent focal ischemia model, which may not be applicable to transient focal brain ischemia.

A protocol for stroke onset time estimation in a rat model of stroke exploiting quantitative magnetic resonance imaging (qMRI) parameters is described. The procedure exploits diffusion MRI for delineation of the acute stroke lesion and quantitative T1 and T2 (qT1 and qT2) relaxation times for timing of stroke.

Ein Magnet-Resonanz-Tomographie-Protokoll für Schlaganfall auftreten Zeit Schätzung in ständigen zerebraler Ischämie

MRI provides a sensitive and specific imaging tool to detect acute ischemic stroke by means of a reduced diffusion coefficient of brain water. In a rat ...

Diffusion Tensor Magnetic Resonance Imaging in Chronic Spinal Cord Compression

Chronic spinal cord compression is the most common cause of spinal cord impairment in patients with nontraumatic spinal cord damage. Conventional magnetic resonance imaging (MRI) plays an important role in both confirming the diagnosis and evaluating the degree of compression. However, the anatomical detail provided by conventional MRI is not sufficient to accurately estimate neuronal damage and/or assess the possibility of neuronal recovery in chronic spinal cord compression patients. In contrast, diffusion tensor imaging (DTI) can provide quantitative results according to the detection of water molecule diffusion in tissues. In the present study, we develop a methodological framework to illustrate the application of DTI in chronic spinal cord compression disease. DTI fractional anisotropy (FA), apparent diffusion coefficients (ADCs), and eigenvector values are useful for visualizing microstructural pathological changes in the spinal cord. Decreased FA and increases in ADCs and eigenvector values were observed in chronic spinal cord compression patients compared to healthy controls. DTI could help surgeons understand spinal cord injury severity and provide important information regarding prognosis and neural functional recovery. In conclusion, this protocol provides a sensitive, detailed, and noninvasive tool to evaluate spinal cord compression.

Here, we present a protocol for the application of diffusion tensor imaging parameters to evaluate spinal cord compression.

Diffusion Tensor Magnetresonanztomographie bei chronischer WirbelsäulenkorrekUnterdrückung

Chronic spinal cord compression is the most common cause of spinal cord impairment in patients with nontraumatic spinal cord damage. Conventional magnetic ...

Standardized Data Acquisition for Neuromelanin-Sensitive Magnetic Resonance Imaging of the Substantia Nigra

The dopaminergic system plays a crucial role in healthy cognition (e.g., reward learning and uncertainty) and neuropsychiatric disorders (e.g., Parkinson's disease and schizophrenia). Neuromelanin is a byproduct of dopamine synthesis that accumulates in dopaminergic neurons of the substantia nigra. Neuromelanin-sensitive magnetic resonance imaging (NM-MRI) is a noninvasive method for measuring neuromelanin in those dopaminergic neurons, providing a direct measure of dopaminergic cell loss in the substantia nigra and a proxy measure of dopamine function. Although NM-MRI has been shown to be useful for studying various neuropsychiatric disorders, it is challenged by a limited field-of-view in the inferior-superior direction resulting in the potential loss of data from the accidental exclusion of part of the substantia nigra. In addition, the field is lacking a standardized protocol for the acquisition of NM-MRI data, a critical step in facilitating large-scale multisite studies and translation into the clinic. This protocol describes a step-by-step NM-MRI volume placement procedure and online quality control checks to ensure the acquisition of good-quality data covering the entire substantia nigra.

This protocol shows how to acquire neuromelanin-sensitive magnetic resonance imaging data of the substantia nigra.

Standardisierte Datenerfassung für Neuromelanin-sensitive Magnetresonanztomographie der Substantia nigra

The dopaminergic system plays a crucial role in healthy cognition (e.g., reward learning and uncertainty) and neuropsychiatric disorders (e.g., ...

Acquisition of Resting-State Functional Magnetic Resonance Imaging Data in the Rat

Resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) has become an increasingly popular method to study brain function in a resting, non-task state. This protocol describes a preclinical survival method for obtaining rs-fMRI data. Combining low dose isoflurane with continuous infusion of the &#945;2 adrenergic receptor agonist dexmedetomidine provides a robust option for stable, high-quality data acquisition while preserving brain network function. Furthermore, this procedure allows for spontaneous breathing and near-normal physiology in the rat. Additional imaging sequences can be combined with resting-state acquisition creating experimental protocols with anesthetic stability of up to 5 h using this method. This protocol describes the setup of equipment, monitoring of rat physiology during four distinct phases of anesthesia, acquisition of resting-state scans, quality assessment of data, recovery of the animal, and a brief discussion of post-processing data analysis. This protocol can be used across a wide variety of preclinical rodent models to help reveal the resulting brain network changes that occur at rest.

This protocol describes a method for obtaining stable resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) data from a rat using low dose isoflurane in combination with low dose dexmedetomidine.

Erfassung von funktionellen Magnetresonanztomographiedaten im Ruhezustand bei ratten

Resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) has become an increasingly popular method to study brain function in a resting, non-task ...

Hochauflösende Functional Magnetic Resonance Imaging Methods for Human Mittelhirn

Zusammenfassung

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