The authors acknowledge the following funding sources, the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC), the Dorothy Pitts Research Fund (NG), and the Nicky and Thor Eaton Research Fund. The authors acknowledge Kevin DeSimone, and Aman Goyal and for their knowledge in MRI acquisition and analysis expertise.

1. Teilnehmer und Postmortem Gehirn Set-Up HINWEIS: Alle Bilder wurden mit einem 3-T-MRT mit einem 32-Kanal-Kopfspule und allen MRT erfasst wurde bei RT ca. 20 ° C, durchgeführt. Alle Teilnehmer waren Rechtshänder und gab eine schriftliche Einverständniserklärung. Jeder Teilnehmer war bei guter Gesundheit ohne Geschichte von neurologischen Erkrankungen. Das experimentelle Protokoll wurde genehmigt und nach den Richtlinien der York University Menschen Teilnehmer Review Committee. <ol><li> Stellen jeder Teilnehmer ausfüllen und unterschreiben eine Patienteneinwilligung, die MRI-Sicherheitsrichtlinien und der Neuro-Bildgebung Protokollinformationen. </li><li> Für jeden Teilnehmer platzieren Ohrstöpsel in jedem Ohr und sichern Sie den Kopf mit Pads auf Kopfbewegung zu minimieren. </li><li> Für Post-mortem-Bildgebung des Gehirns, stellen Sie sicher, das Gehirn vor Neuroimaging befestigt und ist innerhalb von einem Beutel oder Behälter, die innerhalb des MRI-Kopf-Spule passt enthalten. Setzen Sie den postmortalen Hirn in der Kopfspule mit seiner z-Achse (überlegen inferior) mit der Bohrung des Scanners ausgerichtet ist. Der Hirnstamm (posterior) sollten auf den Fuß des Scanner-Bett zu stellen. </li><li> Zeigen Vakuumkissen Hände um den Post-mortem-Gehirn für zusätzliche Unterstützung. </li></ol> 2. Lokalisieren und Verschreibung der Subcortex HINWEIS: Der Thalamus ist ein Dual-gelappten Struktur in der Nähe der Mitte des Gehirns zwischen dem Mittelhirn und der Großhirnrinde, liegt. Innerhalb der dorsalen Thalamus, dem menschlichen LGN ist eine kleine subkortikale Struktur, die ein Maximum von ~ 10 mm erstreckt. <ol><li> Um einen neuen Teilnehmer zu registrieren, öffnen Sie die MRT-Imaging-Software und klicken Sie auf die Registerkarte Patient in der oberen linken Ecke. Dann klicken Sie auf Registrieren. </li><li> Geben Sie die entsprechenden Patienteninformationen, und klicken Sie auf die Registerkarte Exam. </li><li> Um einen Localizer Scans zu erhalten, klicken Sie auf die Registerkarte Exam Explorer, ein neues Protokoll zu erstellen. Die Set-up-Fenster auf dem Bildschirm zu beobachten, klicken Sie auf die Registerkarte Routine, und geben Sie die folgenden Parameter: ÜbernahmeZeit 28 sec, Erfassungsmatrix 160 × 160, 1 Scheibe, 1,6 mm dicken isotropen Voxelgröße, FOV = 260 mm, FoV Phase = 100%, Scheibe Auflösung = 69%, Phase und in Scheiben schneiden Teilphasen Fourier = 6/8, TR = 3.15 ms, TE = 1,37 ms, Flipwinkel = 8 °. </li><li> Überlagern die Scheibe Auswahlfeld zur Erfassung der PD Bilder über das Localizer-Abdeckung der subkortikalen Kerne im Thalamus sowie umgebenden Strukturen (Abbildung 4) verwendet. </li></ol> 3. Hochauflösende Strukturparameter <ol><li> Erstellen Sie ein neues Protokoll für den Erhalt von hochauflösenden PD-gewichtete Scans. In der Set-up-Fenster auf dem Bildschirm, klicken Sie auf die Registerkarte Routine, und geben Sie die folgenden Parameter in der koronalen Orientierung: Erfassungszeit 179 sec, Erfassungsmatrix 512 x 512, 0,3 x 0,3 x 1 mm 3 Voxelgröße, TR = 3.25 sec , TE = 32 ms, Flipwinkel = 120 °, verschachtelte Schichtaufnahmen, FoV lesen = 160 mm, FoV Phase = 100%, parallele Bildgebung (GRAPPA) mitein Beschleunigungsfaktor von 2. <ol><li> Verwenden Sie einen Turbo Spin-Echo-Sequenz, die mit einem Echozuglänge von 5. Der erste Echo bei 32 ms ist die effektive Echo für diese Sequenz. Reduzieren die Bandbreite (BW) auf das mögliche Mindestmaß, 40 Hz / Pixel, um das SNR zu maximieren. Um Scandauer zu reduzieren, wählen Sie 18 Scheiben, die jeweils 1 mm dick, mit einem FOV = 160 mm. Diese Platte bietet genügend Deckung der subkortikalen Regionen von Interesse. HINWEIS: Für die sichere Identifizierung von subkortikalen Strukturen, zu erwerben 5 läuft mit den oben genannten Parametern. Die gesamte Scandauer ist nur ~ 15 Minuten (Abbildung 5). Fett-Sättigung nicht verwendet wurde. </li></ol></li><li> In Post-mortem-Bildgebung des Gehirns, kann zuverlässige Identifizierung der subkortikalen Strukturen in nur einem Scan mit der Gesamtdauer von nur ca. 3 Min nach dem gleichen Scan-Protokoll wie in 3.1 (Abbildung 6) zu beachten. </li></ol> 4. Bildanalyse HINWEIS: Um die MRI-Daten zu analysieren, verwenden Sie den frei verfügbaren FMRIB istSoftware Library (FSL) Paket zum Download bereit <a href="https://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/">(https://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/).</a> <ol><li> Öffnen Sie ein Terminalfenster und wandeln die rohen DICOM-Dateien aus dem Scanner für jedes PD Lautstärke auf einen NIfTI Format mit einer DICOM zu NIfTI Konverter. Eine Reihe davon stehen zum Download frei zur Verfügung (z. B. <a href="https://www.nitrc.org/projects/mricron">https://www.nitrc.org/projects/mricron).</a> In der Befehlszeile dcm2nii gefolgt von dem Verzeichnis jedes PD gewichteten Bildlauf. </li><li> In einem Terminal-Fenster zu erhalten, die Parameter der Original-PD-Scan. Geben fslinfo in der Befehlszeile, gefolgt von der PD-Scan in NIfTI Format. </li><li> Erstellen Sie einen hochauflösenden blank image Zielvolumen, das zweimal die Auflösung und die Hälfte der Voxelgröße durch die Parameter von fslinfo gegeben von der Original-PD-Scan hat. Die Reihenfolge der Dateneingänge dieses Befehls sind die folgenden: fslcreatehd &lt;xsize&gt; &lt;ysize&gt; &lt;zGröße&gt; &lt;tsize&gt; &lt;xvoxsize&gt; &lt;yvoxsize&gt; &lt;zvoxsize&gt; &lt;tr&gt; &lt;XORIGIN&gt; &lt;YORIGIN&gt; &lt;zorigin&gt; &lt;Datentyp&gt; &lt;Header&gt; HINWEIS: Wenn beispielsweise der ursprüngliche PD-Scan mit den folgenden, wie in 3.1 beschriebenen Parameter werden gesammelt (dh 512 x 512-Matrix, 18 Stück, 0,3 x 0,3 x 1 mm 3 Voxelgröße, TR = 3,25 s), geben Sie den folgenden in das Befehlsfenster: fslcreatehd 1024 1024 36 1 0,15 0,15 0,5 3,25 0 0 0 4 blankhr.nii.gz </li><li> Definieren Sie die Transformation mit einer Identitätsmatrix. Geben Sie einen beliebigen Texteditor eine Textdatei als &quot;identity.mat &#39;, die so aussieht gespeichert: 0 0 0 100 0 1 0 0 0 1 </li><li> Verwenden Sie den Befehl flirt, um die Transformation anzuwenden, Upsampling jedes Original PD gewichtete Durchlauf, um die Gesamtauflösung von einem 512 bis 1024 Matrix verdoppeln und halbieren die Voxelgröße in jeder Dimension, was zu einer Auflösung von 0,15 x 0,15× 0,5 mm 3. In einem Terminal-Fenster für jeden PD Volumen, geben Sie den folgenden Befehl flirt Änderung der ursprünglichen und Ausgangsnamen pro Lauf: flirten -interp sinc -in originalPD.nii.gz -ref blankhr.nii.gz -applyxfm -init identity.mat -out highresPD.nii.gz HINWEIS: Wo originalPD.nii.gz ist die Quell-Volume ist blankhr.nii.gz die gewünschte Ausgabeauflösung und highresPD.nii.gz ist der Name des Ausgangsvolumens. </li><li> Verschieben Sie alle hochaufgelöste Bilder in einen neuen Ordner, und navigieren Sie in einem Terminal-Fenster. </li><li> Für jeden Teilnehmer zu verketten alle Upsampling PD Bilder in einer einzigen Datei mit 4D fslmerge. In einem Terminal-Fenster-Typ: fslmerge -t concat_highresPD * .nii.gz HINWEIS: Dies erstellt eine Datei namens 4D concat_highresPD.nii.gz. </li><li> Bewegung korrigieren Sie die verkettete Datei mit mcflirt 10. Dieses Tool ermöglicht eine automatisierte robust Anmeldung für lineare (affine) unter und intermodale Gehirn Bilder. Wähle aus4-Stufen-Korrektur, die si-Interpolation (intern) als weiteres Optimierungsdurchlauf für größere Genauigkeit verwendet. In einem Terminal-Fenster-Typ: mcflirt -in concat_highresPD -out mcf_concat_highresPD.nii.gz -Schritten 4 -plots HINWEIS: Dies erstellt eine Datei namens 4D mcf_concat_highresPD.nii.gz. </li><li> Schließlich erstellen Sie die 3D-Bild mit Hilfe bedeuten fslmaths. In einem Terminal-Fenster-Typ: fslmaths mcf_concat_highresPD.nii.gz -Tmean mean_highresPD.nii.gz HINWEIS: Dies erzeugt eine 3D-Datei namens mean_highresPD.nii.gz, die von hoher Qualität ist, </li><li> Visualisieren Sie das endgültige Ergebnis 3D hochauflösendes Bild mit dem Befehl FSLView. In dem Verzeichnis, wo Sie Ihr Bild ist, geben Sie Folgendes in einem Terminal-Fenster: FSLView mean_highresPD.nii.gz. &quot; </li><li> Untersuchen Intensitätsprofile der ROIs in Frage. Erstellen Sie eine ROI mit FSLView (dies kann eine vertikale Linie in einem Bereich der LGN beispiels gezogen sein). In FSLView laden Sie das Bild mit hoher Auflösung PD. Klicken Sie auf die Registerkarte Tools,klicken Sie auf die Registerkarte Einzelbild, um das Bild zu vergrößern zum Zeichnen von ROIs. Klicken Sie dann auf die Registerkarte Datei, gefolgt von der Registerkarte Erstellen Mask. Zeichnen Sie eine Linie in der ROI von Interesse. Speichern Sie die ROI, indem Sie auf Datei und dann auf Speichern unter. Wiederholen Sie die Leitungsmasken für mehrere Bereiche innerhalb der ROI für die Intensität Vergleiche und anderen ROIs in Frage. </li><li> Verwenden 3dmaskdump Befehl AFNI ist, um die resultierende Intensität des Bildes zu analysieren. Im Verzeichnis der in dem die Bilder, verwenden Sie den folgenden Befehl in einem Terminal-Fenster, um die Bildintensitäten und Lage zu extrahieren (wie result_mask.txt gegeben) Ihrer ROI-Maske: 3dmaskdump -o result_mask.txt -noijk -xyz -mask ROI_linemask.nii.gz PDaverage_image.nii.gz </li></ol>

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O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+signal-to-noise+ratios+in+MR+images:+influence+of+multichannel+coils,+parallel+imaging,+and+reconstruction+filters.">Measurement of signal-to-noise ratios in MR images: influence of multichannel coils, parallel imaging, and reconstruction filters.</a> J Magn Reson Imaging. 26 (2), 375-385 (2007).</li><li>Andrews, T. J., Halpern, S. D., Purves, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Correlated+size+variations+in+human+visual+cortex,+lateral+geniculate+nucleus,+and+optic+tract.">Correlated size variations in human visual cortex, lateral geniculate nucleus, and optic tract.</a> J Neurosci. 17 (8), 2859-2868 (1997).</li><li>Pfefferbaum, A., Sullivan, E. V., Adalsteinsson, E., Garrick, T., Harper, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Postmortem+MR+imaging+of+formalin-fixed+human+brain.">Postmortem MR imaging of formalin-fixed human brain.</a> NeuroImage. 21 (4), 1585-1595 (2004).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

Diese Studie beschreibt ein optimiertes Protokoll in Erfassungs- und Analysetechnik, um hochauflösende PD gewichtete Bilder der subkortikalen Regionen zu erhalten. Eine Anzahl von Scanparametern wurden geprüft und mit den signifikantesten in Bezug auf die Matrixgröße, Voxelgrße und Bandbreite, um das SNR zu erhöhen und die Anzahl der Erfassungen, ein kritischer Schritt in der Lage, hochauflösende subkortikalen Strukturen bestimmen, modifiziert. In Verbindung mit der Suche nach der optimalen Parameter innerhalb vo...

Das Ziel dieser Untersuchung war es, die Auflösungsgrenzen der strukturellen MRT in Abwesenheit von physiologischen Lärm testen. Protonendichte (PD) gewichtete Bilder wurden in einer post mortem Gehirn über eine lange Zeitdauer (zwei bis 24 hr-Sitzungen) erworben, um die minimale Anzahl von Bildern, die registriert werden benötigt ermitteln und gemittelt, um die subkortikalen Strukturen aufzulösen. Zum Vergleich wurden auch PD-gewichteten Bildern auch in lebenden Menschen über eine Anzahl von Sessions erworben. Insbesondere war es das Ziel, festzustellen, ob es wäre in einem Best-Case-Szenario möglich ist, alle sechs einzelnen Schichten der menschlichen LGN, die etwa 1 mm dick (Abbildung 1) sind zu lösen. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/53309/53309fig1.jpg" /> Abbildung 1. Menschen Corpus geniculatum laterale Schichten. Schematische Darstellung der Schichtstruktur des LGN. Großzellige (M) Schicht größerer neuronalen umfasstZellgröße und kleinere Zelldichte, die verantwortlich für die Lösung Bewegung und natürlich Konturen sind (Schichten 1-2, dargestellt als dunkelgrau). Kleinzelligen Schichten (P) von kleineren neuronalen Zellgröße und größere Zelldichte, die für die Lösung fein Form und Farbe (Schichten 4-6, hellgrau dargestellt) zuständig sind, zusammen. Maßstabsleiste 1 mm. Abbildung basierend auf gefärbten menschlichen LGN 12. Die räumliche Auflösung der MRT wird verbessert, wenn die Matrixgröße erhöht wird, und als Feld (FOV) und Schichtdicke verringert. Jedoch verringert eine erhöhte Auflösung des Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), das proportional zu der Voxelvolumen ist. SNR ist auch proportional zu der Quadratwurzel der Anzahl von Messungen. In lebenden Menschen, auch wenn mehrere Bilder können über eine Anzahl von getrennten Imaging-Sitzungen erworben werden, die ultimative Auflösung wird durch physiologische Rauschen begrenzt, wie Atmung, Kreislauf-Pulsationen und Kopfbewegung. Hoch-Auflösung (0,35 mm in der Ebene liegende Voxel) Pd gewichtete Scans wurden erworben. PD-Scans verbessern grauen und weißen Kontrast im Thalamus 1, und führen zu Bildern, die T 1 und T 2 Wirkungen zu minimieren. Sein Bild ist abhängig von der Dichte von Protonen in der Form von Wasser und Makromolekülen, wie Proteinen und Fett in dem Bildgebungsvolumen. Die erhöhte Anzahl der Protonen in einem Gewebe ein helleres Signal auf dem Bild aufgrund der höheren Längsmagnetisierungskomponente 2. PD-gewichtete Scans wurden gesammelt, da sie einen höheren Kontrast der subkortikalen Strukturen mit dem umgebenden Gewebe. Andere Kontraste wie T1- und T2-gewichteten Bildern führen zu Schwierigkeiten bei der Abgrenzung subkortikalen Strukturen wie der LGN durch kleinere Kontrast-zu-Rausch-Verhältnisse, wie ƒ 1,3 bestimmt. Ebenso fanden früheren Studien, dass PD-gewichteten Bildern von Formalin fixiert post-mortem Gehirnen resulted in höheren Kontrastunterschiede zwischen grauen und weißen Substanz im Vergleich zu T1- und T2-gewichteten Bildern, die ähnliche graue und weiße Bild egal Intensitäten 3,4 hatte. Die zugrunde liegenden biophysikalischen Faktoren können diese Unterschiede zu erklären. T1 (längs) und T2 (quer) Relaxationszeiten der Wasserstoffprotonen davon abhängen, wie Wasser bewegt sich innerhalb des Gewebes. Fixiermittel wie Formalin Arbeit von vernetzenden Proteinen. Zwischen verschiedenen Gewebetypen sind die Unterschiede zwischen Wasser mit eingeschränkter Mobilität, wenn Fixiermittel verwendet werden. Reduziert T1 Gewebekontrast wurde nach der Fixierung beobachtet, wohingegen die Unterschiede in der relativen Dichte von Protonen innerhalb von Gehirngewebe erhöhte sich mit der Fixierung bessere Gradationsdifferenzierung 3, 4. Frühere Studien haben die LGN in PD-gewichtete Scans identifiziert, mit einem 1,5 T 5,6,7, und bei 3 T-Scanner 8,9. Es ist wichtig, diese Abtastungen zu erhalten, um in der Lage, genau darzulegen, das Ausmaß sein,die LGN. Um eine vollständige Abdeckung der subkortikalen Kerne zu erhalten, wurden 18 PD-gewichteten Scheiben innerhalb des Thalamus erhalten. Jeder Band wurde auf das Doppelte der Entschließung 1024 Matrix neu abgetastet, (0,15 mm in der Ebene Voxelgröße), verkettete, Motion korrigiert und gemittelt, um eine hochauflösende 3D-Bild der subkortikalen Strukturen zu erzeugen. Die optimale Anzahl der PD-Bilder für das folgende Slice Anordnung erforderlich war 5, die Verringerung Scan-Zeit auf weniger als 15 min in lebenden Menschen. Nur noch 1 Bild PD war erforderlich, um subkortikalen Regionen deutlich abzugrenzen in der post mortem Gehirn, Verringerung der Zykluszeit auf weniger als 3 min (Abbildung 2 und 3). Eine ganze Formalin fixierten postmortalen Hirnprobe wurde von einer Frau, die von Herzstillstand im Alter von 82 Jahre gestorben war gescannt. Überprüfung der medizinischen Unterlagen ergab, dass sie hatte: chronisch obstruktive Lungenerkrankungen, Angina, Dreibett-Bypass-Operation 8 Jahre vor dem Tod, Gebärmutterkrebs mit Hysterektomie behandelt7 Jahre vor dem Tod, Hyperlipidämie, Glaukom und Katarakt-Chirurgie. Postmortalen Hirnprobe wurde in 10% neutral gepuffertem Formalin immersionsfixiert für mindestens 3 Wochen bei 4 ° C postmortalen Hirn wurde mit dem gleichen Bildgebungsprotokoll als auch mit anderen Parametern im Verlauf von vielen Stunden für die Bildqualität Vergleiche gescannt . Nur die optimierten Parameter für das Protokoll beschrieben.

<table><tbody><tr><td>Magnetom Trio 3T&amp;nbsp; MRI</td><td>Siemens (Erlangen, Germany).</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Vacuum cushion hand</td><td>Siemens</td><td>Mat No: 4765454</td><td>Manufactured by: Johannes-Stark-Stk. 8 D-92224 Amberg</td></tr></tbody></table>

high-resolution structural magnetic resonance imaging of the human subcortex in vivo and postmortem

Der Fokus dieser Studie war es, die Auflösungsgrenzen der strukturellen MRI eines postmortalen Hirn Vergleich zu lebenden menschlichen Gehirn zu testen. Die Auflösung der strukturellen MRT in vivo wird letztlich durch physiologische Lärm, einschließlich Pulsation, Atmung und Kopfbewegung begrenzt. Obwohl Imaging Hardware weiter zu verbessern, ist es immer noch schwierig, Strukturen auf der Millimeterskala lösen. Zum Beispiel die primären visuellen sensorischen Bahnen Synapsen am lateralen Kniehöcker (LGN), eine visuelle Relais und Steuerkern im Thalamus, die normalerweise in sechs verschachtelte monokularen Schichten organisiert. Bildgebungsstudien waren nicht in der Lage, zuverlässig zwischen diese Schichten aufgrund ihrer geringen Größe, die geringer als 1 mm dick sind. Das Auflösungsgrenze von strukturellen MRI, in einer post mortem Gehirn wurde getestet, indem mehrere Bilder über eine lange Dauer (~ 24 h) gemittelt. Das Ziel war es zu prüfen, ob es möglich ist, die einzelnen L behebenAyers der LGN in Abwesenheit von physiologischen Rauschen. Ein Protonendichte (PD) 1 gewichtete Impulsfolge mit unterschiedlicher Auflösung und andere Parameter, die minimale Anzahl der Bilder notwendig, registriert werden zu bestimmen und gemittelt, um zuverlässig zu unterscheiden, die LGN und anderen subkortikalen Regionen. Die Ergebnisse wurden auch Bilder in lebenden menschlichen Gehirn erfasst verglichen. In vivo Probanden wurden, um die zusätzliche Wirkung von physiologischen Störungen in der minimalen Anzahl von PD-Scans benötigt subkortikalen Strukturen, nützlich in klinischen Anwendungen zu unterscheiden bestimmen abgetastet.

Sobald die subcortex innerhalb des Thalamus vorgegeben sind, PD-gewichteten Bildern innerhalb der Scheibe Auswahlfeld (4), gesammelt. Das SNR durch die Erhöhung der Anzahl der Mittelwerte in beiden Obduktion und in vivo-Scans verbessert. Die Bildqualität zu bestimmen, wurde das SNR von verschiedenen Scandurchschnitte von Teilen des Signals des mittleren Gehirnregion mit der Standardabweichung in einem gewissen Bereich außerhalb des Gehirns verglichen. Der SNR als SNR berechnet = 0,655 * ...

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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 ...

high-resolution-structural-magnetic-resonance-imaging-human-subcortex

Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

15.3K Aufrufe.  York University. 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. 

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

Registered Bioimaging of Nanomaterials for Diagnostic and Therapeutic Monitoring 

Nanomedications can be carried by blood borne monocyte-macrophages into the reticuloendothelial system (RES; spleen, liver, lymph nodes) and to end organs. The latter include the lung, RES, and brain and are operative during human immunodeficiency virus type one (HIV-1) infection. Macrophage entry into tissues is notable in areas of active HIV-1 replication and sites of inflammation. In order to assess the potential of macrophages as nanocarriers, superparamagnetic iron-oxide and/or drug laden particles coated with surfactants were parenterally injected into HIV-1 encephalitic mice. This was done to quantitatively assess particle and drug biodistribution. Magnetic resonance imaging (MRI) test results were validated by histological coregistration and enhanced image processing. End organ disease as typified by altered brain histology were assessed by MRI. The demonstration of robust migration of nanoformulations into areas of focal encephalitis provides '"proof of concept" for the use of advanced bioimaging techniques to monitor macrophage migration. Importantly, histopathological aberrations in brain correlate with bioimaging parameters making the general utility of MRI in studies of cell distribution in disease feasible. We posit that using such methods can provide a real time index of disease burden and therapeutic efficacy with translational potential to humans.

Registered Bioimaging of Nanomaterials for Diagnostic and Therapeutic Monitoring

Bioimaging methods used to assess cell biodistribution of nanoparticles are applicable for therapeutic and diagnostic monitoring of nanoformulated compounds. The methods described herein are sensitive and specific when assessed by histological coregistration. The methodologies provide a translational pathway from rodent to human applications.

Registrierte Bioimaging von Nanomaterialien für Diagnostische und Therapeutische Überwachung

Nanomedications can be carried by blood borne monocyte-macrophages into the reticuloendothelial system (RES; spleen, liver, lymph nodes) and to end ...

Forschung

Biotechnik

Chronic Imaging of Mouse Visual Cortex Using a Thinned-skull Preparation

In vivo imaging using two-photon laser scanning microscopy (2PLSM) allows the study of living cells and neuronal processes in the intact brain. The technique presented here allows the imaging of the same area of the brain at several time points (chronic imaging) with microscopic resolution allowing the tracking of dendritic spines which are the small structures that represent the majority of postsynaptic excitatory sites in the CNS. The ability to clearly resolve fine cortical structures over several time points has many advantages, specifically in the study of brain plasticity in which morphological changes at synapses and circuit remodeling may help explain underlying mechanisms. In this video and supplementary material, we show a protocol for chronic in vivo imaging of the intact brain using a thinned-skull preparation. The thinned-skull preparation is a minimally invasive approach, which avoids potential damage to the dura and/or cortex, thus reducing the onset of an inflammatory response. When this protocol is performed correctly, it is possible to clearly monitor changes in dendritic spine characteristics in the intact brain over a prolonged period of time.

In this video and supplemental material, we show a protocol for chronic in vivo imaging of the intact brain using a thinned-skull preparation.

Chronische Imaging of Mouse Visual Cortex Mit einem ausgedünnten Schädel Vorbereitung

In vivo imaging using two-photon laser scanning microscopy (2PLSM) allows the study of living cells and neuronal processes in the intact brain. The ...

Neurowissenschaften

High-resolution Functional Magnetic Resonance Imaging Methods for Human Midbrain

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 measuring activity on the surface of cerebral cortex rather than in subcortical regions such as midbrain and brainstem. Subcortical fMRI must overcome two challenges: spatial resolution and physiological noise. Here we describe an optimized set of techniques developed to perform high-resolution fMRI in human SC, a structure on the dorsal surface of the midbrain; the methods can also be used to image other brainstem and subcortical structures.
High-resolution (1.2 mm voxels) fMRI of the SC requires a non-conventional approach. The desired spatial sampling is obtained using a multi-shot (interleaved) spiral acquisition1. Since, T2* of SC tissue is longer than in cortex, a correspondingly longer echo time (TE ~ 40 msec) is used to maximize functional contrast. To cover the full extent of the SC, 8-10 slices are obtained. For each session a structural anatomy with the same slice prescription as the fMRI is also obtained, which is used to align the functional data to a high-resolution reference volume.
In a separate session, for each subject, we create a high-resolution (0.7 mm sampling) reference volume using a T1-weighted sequence that gives good tissue contrast. In the reference volume, the midbrain region is segmented using the ITK-SNAP software application2. This segmentation is used to create a 3D surface representation of the midbrain that is both smooth and accurate3. The surface vertices and normals are used to create a map of depth from the midbrain surface within the tissue4.
Functional data is transformed into the coordinate system of the segmented reference volume. Depth associations of the voxels enable the averaging of fMRI time series data within specified depth ranges to improve signal quality. Data is rendered on the 3D surface for visualization.
In our lab we use this technique for measuring topographic maps of visual stimulation and covert and overt visual attention within the SC1. As an example, we demonstrate the topographic representation of polar angle to visual stimulation in SC.

This article describes techniques to perform high-resolution functional magnetic resonance imaging with 1.2 mm sampling in human midbrain and subcortical structures using a 3T scanner. Use of these techniques to resolve topographic maps of visual stimulation in the human superior colliculus (SC) is given as an example.

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 ...

In vivo Imaging of Deep Cortical Layers using a Microprism

We present a protocol for in vivo imaging of cortical tissue using a deep-brain imaging probe in the shape of a microprism.  Microprisms are 1-mm in size and have a reflective coating on the hypotenuse to allow internal reflection of excitation and emission light.  The microprism probe simultaneously images multiple cortical layers with a perspective typically seen only in slice preparations.  Images are collected with a large field-of-view (~900 &mu;m).  In addition, we provide details on the non-survival surgical procedure and microscope setup.  Representative results include images of layer V pyramidal neurons from Thy-1 YFP-H mice showing their apical dendrites extending through the superficial cortical layer and extending into tufts.  Resolution was sufficient to image dendritic spines near the soma of layer V neurons.  A tail-vein injection of fluorescent dye reveals the intricate network of blood vessels in the cortex.  Line-scanning of red blood cells (RBCs) flowing through the capillaries reveals RBC velocity and flux rates can be obtained. This novel microprism probe is an elegant, yet powerful new method of visualizing deep cellular structures and cortical function in vivo.

In vivo Imaging of Deep Cortical Layers using a Microprism

Right-angle microprisms inserted into the mouse neocortex allows for deep imaging of multiple cortical layers with a viewpoint typically found in slice. One-millimeter microprisms offer a wide field-of-view (~900 &mu;m) and spatial resolutions sufficient to resolve dendritic spines. We demonstrate layer V neuronal imaging and neocortical vascular imaging using microprisms.

In-vivo-Imaging von Deep kortikalen Schichten mit einem MICROPRISMEN

We present a protocol for in vivo imaging of cortical tissue using a deep-brain imaging probe in the shape of a microprism.  Microprisms are 1-mm in size ...

Biologie

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 ...

3D Modeling of the Lateral Ventricles and Histological Characterization of Periventricular Tissue in Humans and Mouse

The ventricular system carries and circulates cerebral spinal fluid (CSF) and facilitates clearance of solutes and toxins from the brain. The functional units of the ventricles are ciliated epithelial cells termed ependymal cells, which line the ventricles and through ciliary action are capable of generating laminar flow of CSF at the ventricle surface. This monolayer of ependymal cells also provides barrier and filtration functions that promote exchange between brain interstitial fluids (ISF) and circulating CSF. Biochemical changes in the brain are thereby reflected in the composition of the CSF and destruction of the ependyma can disrupt the delicate balance of CSF and ISF exchange. In humans there is a strong correlation between lateral ventricle expansion and aging. Age-associated ventriculomegaly can occur even in the absence of dementia or obstruction of CSF flow. The exact cause and progression of ventriculomegaly is often unknown; however, enlarged ventricles can show regional and, often, extensive loss of ependymal cell coverage with ventricle surface astrogliosis and associated periventricular edema replacing the functional ependymal cell monolayer. Using MRI scans together with postmortem human brain tissue, we describe how to prepare, image and compile 3D renderings of lateral ventricle volumes, calculate lateral ventricle volumes, and characterize periventricular tissue through immunohistochemical analysis of en face lateral ventricle wall tissue preparations. Corresponding analyses of mouse brain tissue are also presented supporting the use of mouse models as a means to evaluate changes to the lateral ventricles and periventricular tissue found in human aging and disease. Together, these protocols allow investigations into the cause and effect of ventriculomegaly and highlight techniques to study ventricular system health and its important barrier and filtration functions within the brain.

Using MRI scans (human), 3D imaging software, and immunohistological analysis, we document changes to the brain&#8217;s lateral ventricles. Longitudinal 3D mapping of lateral ventricle volume changes and characterization of periventricular cellular changes that occur in the human brain due to aging or disease are then modeled in mice.

3D-Modellierung der Seitenventrikel und histologische Charakterisierung Periventrikuläre Tissue in Mensch und Maus

The ventricular system carries and circulates cerebral spinal fluid (CSF) and facilitates clearance of solutes and toxins from the brain. The functional ...

Assessing Cortical Cerebral Microinfarcts on High Resolution MR Images

Cerebral microinfarcts are frequent findings in the post-mortem human brain, and are related to cognitive decline and dementia. Due to their small sizes it is challenging to study them on clinical MRI scans. It was recently demonstrated that cortical microinfarcts can be depicted with MRI scanners using high magnetic field strengths (7T). Based on this experience, a proportion of these lesions is also visible on lower resolution 3T MRI. These findings were corroborated with ex vivo imaging of post-mortem human brain tissue, accompanied by histopathological verification of possible cortical microinfarcts.
Here an ex vivo imaging protocol is presented, for the purpose of validating MR observed cerebral microvascular pathology with histological evaluation. Furthermore, guidelines are provided for the assessment of cortical microinfarcts on both in vivo 7T and 3T MR images. These guidelines provide researchers with a tool to rate cortical microinfarcts on in vivo images of larger patient samples, to further unravel their clinical relevance in cognitive decline and dementia, and establish these lesions as a novel biomarker of cerebral small vessel disease.

A high resolution ex vivo 7T MR imaging protocol is presented, to perform MR-guided histopathological validation of microvascular pathology in post-mortem human brain tissue. Furthermore, guidelines are provided for the assessment of cortical microinfarcts on in vivo 7T as well as 3T MR images.

Beurteilung kortikale zerebrale Mikroinfarkten auf Hochauflösende MR Bilder

Cerebral microinfarcts are frequent findings in the post-mortem human brain, and are related to cognitive decline and dementia. Due to their small sizes ...

Medizin

Large-scale Three-dimensional Imaging of Cellular Organization in the Mouse Neocortex

The mammalian neocortex is composed of many types of excitatory and inhibitory neurons, each with specific electrophysiological and biochemical properties, synaptic connections, and in vivo functions, but their basic functional and anatomical organization from cellular to network scale is poorly understood. Here we describe a method for the three-dimensional imaging of fluorescently-labeled neurons across large areas of the brain for the investigation of the cortical cellular organization. Specific types of neurons are labeled by the injection of fluorescent retrograde neuronal tracers or expression of fluorescent proteins in transgenic mice. Block brain samples, e.g., a hemisphere, are prepared after fixation, made transparent with tissue clearing methods, and subjected to fluorescent immunolabeling of the specific cell types. Large areas are scanned using confocal or two-photon microscopes equipped with large working distance objectives and motorized stages. This method can resolve the periodic organization of the cell type-specific microcolumn functional modules in the mouse neocortex. The procedure can be useful for the study of three-dimensional cellular architecture in the diverse brain areas and other complex tissues.

Here we describe a procedure for tissue clearing, fluorescent labeling, and large-scale imaging of mouse brain tissue which, thereby, enables visualization of the three-dimensional organization of cell types in the neocortex.

Groß angelegte dreidimensionale Bildgebung der zelluläre Organisation in der Maus Neocortex

The mammalian neocortex is composed of many types of excitatory and inhibitory neurons, each with specific electrophysiological and biochemical ...

A Micro-CT-based Method for Characterizing Lesions and Locating Electrodes in Small Animal Brains

Lesion and electrode location verification are traditionally done via histological examination of stained brain slices, a time-consuming procedure that requires manual estimation. Here, we describe a simple, straightforward method for quantifying lesions and locating electrodes in the brain that is less laborious and yields more detailed results. Whole brains are stained with osmium tetroxide, embedded in resin, and imaged with a micro-CT scanner. The scans result in 3D digital volumes of the brains with resolutions and virtual section thicknesses dependent on the sample size (12&#8211;15 and 5&#8211;6 &#181;m&#160;per voxel for rat and zebra finch brains, respectively). Surface and deep lesions can be characterized, and single tetrodes, tetrode arrays, electrolytic lesions, and silicon probes can also be localized. Free and proprietary software allows experimenters to examine the sample volume from any plane and segment the volume manually or automatically. Because this method generates whole brain volume, lesions and electrodes can be quantified to a much higher degree than in current methods, which will help standardize comparisons within and across studies.

This article describes a straightforward method to prepare small animal brains for micro-CT imaging, in which lesions can be quantified and electrodes located with high precision in the context of the whole brain.

Ein Mikro-CT-basierte Verfahren zur Charakterisierung von Läsionen und Lokalisierung von Elektroden in kleinen tierischen Gehirnen

Lesion and electrode location verification are traditionally done via histological examination of stained brain slices, a time-consuming procedure that ...

Comprehensive Autopsy Program for Individuals with Multiple Sclerosis

We describe a rapid tissue donation program for individuals with multiple sclerosis (MS) that requires scientists and technicians to be on-call 24/7, 365 days a year. Participants consent to donate their brain and spinal cord. Most patients were followed by neurologists at the Cleveland Clinic Mellen Center for MS Treatment and Research. Their clinical courses and neurological disabilities are well-characterized. Soon after death, the body is transported to the MS Imaging Center, where the brain is scanned in situ by 3 T magnetic resonance imaging (MRI). The body is then transferred to the autopsy room, where the brain and spinal cord are removed. The brain is divided into two hemispheres. One hemisphere is immediately placed in a slicing box and alternate 1 cm-thick slices are either fixed in 4% paraformaldehyde for two days or rapidly frozen in dry ice and 2-methylbutane. The short-fixed brain slices are stored in a cryopreservation solution and used for histological analyses and immunocytochemical detection of sensitive antigens. Frozen slices are stored at -80 &#176;C and used for molecular, immunocytochemical, and in situ hybridization/RNA scope studies. The other hemisphere is placed in 4% paraformaldehyde for several months, placed in the slicing box, re-scanned in the 3 T magnetic resonance (MR) scanner and sliced into centimeter-thick slices. Postmortem in situ MR images (MRIs) are co-registered with 1 cm-thick brain slices to facilitate MRI-pathology correlations. All brain slices are photographed and brain white-matter lesions are identified. The spinal cord is cut into 2 cm segments. Alternate segments are fixed in 4% paraformaldehyde or rapidly frozen. The rapid procurement of postmortem MS tissues allows pathological and molecular analyses of MS brains and spinal cords and pathological correlations of brain MRI abnormalities. The quality of these rapidly-processed postmortem tissues (usually within 6 h of death) is of great value to MS research and has resulted in many high-impact discoveries.

Multiple sclerosis is an inflammatory demyelinating disease with no cure. Analysis of brain tissue provides important clues to understanding the pathogenesis of the disease. Here we discuss the methodology and downstream analysis of MS brain tissue collected through a unique rapid autopsy program in operation at the Cleveland Clinic.

Umfassendes Autopsieprogramm für Personen mit Multipler Sklerose

We describe a rapid tissue donation program for individuals with multiple sclerosis (MS) that requires scientists and technicians to be on-call 24/7, 365 ...

Hochauflösende Strukturkernspintomographie des menschlichen Subcortex

Zusammenfassung

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