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. 참가자 및 사후 뇌 설정 주 : 모든 이미지는 32 채널 헤드 코일 및 모든 MRI 스캔과 3 T MRI 스캐너를 이용하여 취득하고, 실온에서 약 20 ° C를 실시 하였다. 모든 참가자는 오른 손잡이했고, 동의서를 작성했다. 각 참가자는 신경 질환의 병력이없는 건강에 있었다. 실험 프로토콜은 승인 뉴욕 대학 인간의 참가자 심의위원회의 가이드 라인을 따라했다. <ol><li> 각 참가자가 작성하고 자기 공명 영상 안전 가이드 라인과 신경 영상 프로토콜의 자세한 사항 환자 동의서에 서명하자. </li><li> 각 참가자의 경우, 각 귀에 귀마개를 배치하고 머리의 움직임을 최소화하기 위해 패드로 자신의 머리를 고정합니다. </li><li> 사후 뇌 영상의 경우, 뇌가 뇌 영상 이전에 고정되어 MRI 헤드 코일 내부에 맞는 가​​방이나 컨테이너에 포함되어 있는지 확인합니다. 그 z 축과 머리 코일의 사후 뇌를 놓고 (우수는 INF하기erior) 스캐너의 구멍과 정렬됩니다. 뇌간 (후방)는 스캐너 침대의 발쪽으로 향해야합니다. </li><li> 추가 지원에 대한 사후 뇌 주위가 진공 쿠션 손을 놓습니다. </li></ol> 2. 지역화 및 Subcortex을 처방 주 :이 시상 및 중뇌 대뇌 피질 사이에 위치 뇌의 중심 근처에 위치한 듀얼 결각 구조이다. 등쪽 시상에 위치한, 인간의 LGN은 ~ 10mm의 최대 확장하는 작은 피질 하 구조입니다. <ol><li> 새로운 참가자를 등록하려면, MRI 이미징 소프트웨어를 열고 왼쪽 상단 모서리에있는 환자 탭을 클릭합니다. 그런 다음 등록을 클릭합니다. </li><li> 해당 환자의 정보를 입력 한 다음 시험 탭을 클릭합니다. </li><li> 로컬 라이저 검사를 얻으려면, 새로운 프로토콜을 만들 시험 탐색기 탭을 클릭합니다. 화면에 설정 창을 준수 일반 탭을 클릭 한 다음 매개 변수를 입력 취득시간 28 초, 취득 매트릭스 160 × 160, 1 조각, 1.6 mm 두께의 등방성 복셀 크기, FOV = 260mm, FOV 단계 = 100 %, 슬라이스 해상도 = 69 %, 상과 부분적인 위상을 슬라이스 푸리에 = 6/8, TR = 3.15 MS, TE = 1.37 밀리 초는 각도 = 8 ° 플립. </li><li> (도 4) 내에서 시상 피질 핵을 피복 로컬 라이저 PD 위에 이미지를 획득뿐만 아니라 구조를 주변에 사용되는 슬라이스 선택 박스를 오버레이. </li></ol> 3. 고해상도 구조 매개 변수 <ol><li> 고해상도 PD 중점 검사를 얻기위한 새로운 프로토콜을 만듭니다. , TR을 획득 시간 179 초, 취득 매트릭스 512 × 512, 0.3 × 0.3 × 1mm 3 복셀 크기 = 3.25 초 : 화면의 설정 창에서 일반 탭을 클릭하고 관상 방향으로 다음과 같은 매개 변수를 입력 , TE = 32 밀리 초, 플립 각도 = 120 °, 인터리브 슬라이스 인수, FOV 함께 = 160mm, FOV가 상 = 100 %, 병렬 자기 공명 영상 (GRAPPA)를 읽어(2)의 가속 계수. <ol><li> 32 밀리 초 5. 첫 번째 에코의 에코 기차 길이, 터보 스핀 에코 시퀀스를 사용하면이 순서의 효과적인 에코입니다. SNR을 최대화하기 위해, 가능한 최소 40 Hz에서 / 화소의 대역폭 (BW)를 감소. FOV = 160mm로, 각각 1mm 두께를, 검사 시간을 줄이고 18 조각을 선택합니다. 이 슬래브 관심 피질 영역의 충분한 커버리지를 제공한다. , 피질 하 구조의 신뢰성 확인을 위해 위의 매개 변수와 함께 5 실행을 획득 : 주. 총 검사 시간 만 ~ 15 분 (그림 5)입니다. 지방 포화는 사용되지 않았다. </li></ol></li><li> 사후 뇌 영상에서 피질 하 구조의 신뢰성 확인은 3.1 (그림 6)에서와 같은 스캔 프로토콜 다음 만 ~ 3 분의 총 시간으로 한 검사에서 관찰 할 수있다. </li></ol> 4. 이미지 분석 참고 : 사용, 자유롭게 사용할 수 FMRIB의를 MRI 데이터를 분석하려면소프트웨어 라이브러리에서 다운로드 할 수 있습니다 (FSL) 패키지 ( <a href="https://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/">https://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/</a> ). <ol><li> 터미널 창을 열고 NIfTI 변환기에 DICOM과 NIfTI 형식으로 각 PD 볼륨에 대한 스캐너에서 원시 DICOM 파일을 변환합니다. 의 숫자는 무료로 다운로드 가능 (예., <a href="https://www.nitrc.org/projects/mricron">https://www.nitrc.org/projects/mricron</a> ). 명령 행에서 각 PD 가중 이미지 실행의 디렉토리 다음에 dcm2nii 입력합니다. </li><li> 터미널 창에서 원래 PD 스캔의 매개 변수를 얻을 수 있습니다. NIfTI 형식의 PD 스캔 다음 명령 줄에서 fslinfo 입력합니다. </li><li> 배 해상도와 원래 PD 스캔에서 fslinfo에서 파라미터에 의해 지정된 반 복셀 크기를 갖는 고해상도 영상 빈 타겟 볼륨을 생성. 다음과 같이 명령에 대한 데이터 입력의 순서는 다음과 같습니다 fslcreatehd &lt;xsize&gt; &lt;정의하는 YSize&gt; &lt;Z크기&gt; &lt;로 tsize&gt; &lt;xvoxsize&gt; &lt;yvoxsize&gt; &lt;zvoxsize&gt; &lt;TR&gt; &lt;xorigin&gt; &lt;yorigin&gt; &lt;zorigin&gt; &lt;데이터 유형&gt; &lt;에 HeaderName&gt; 참고 : 3.1에 설명 된대로 다음 매개 변수를 사용하여 원래의 PD 스캔이 수집하는 경우 예를 들어, (즉, 512 × 512 매트릭스, 18 조각, 0.3 × 0.3 × 1mm 3 복셀 크기, TR = 3.25들), 다음을 입력 명령 창에 : fslcreatehd 1,024 1,024 36 0.15 0.15 1 0.5 3.25 0 0 0 4 blankhr.nii.gz </li><li> 항등 행렬을 이용하여 변환을 정의한다. 텍스트 파일은 다음과 같습니다 &#39;identity.mat&#39;로 저장 텍스트 편집기 프로그램을 입력 : 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 </li><li> 1024 매트릭스에 512에서 전체 해상도를 두 배로 각각 원래 PD 가중 실행을 업 샘플링, 변환을 적용하는 바람둥이 명령을 사용하여, 0.15 × 0.15의 해상도의 결과로 각 차원의 복셀 크기를 절반으로0.5 mm의 3 ×. 각 PD 볼륨에 대한 터미널 창에서 실행마다 원본과 출력의 이름을 변경하는 다음과 같은 바람둥이 명령을 입력 : -interp 싱크 -in originalPD.nii.gz -ref blankhr.nii.gz -applyxfm -init identity.mat -out highresPD.nii.gz를 꼬시 주 : originalPD.nii.gz 소스 볼륨, 원하는 출력 해상도 blankhr.nii.gz이며 highresPD.nii.gz는 출력 볼륨의 이름이다. </li><li> 새 폴더에 모든 고해상도 이미지를 이동하고 터미널 창에서로 이동합니다. </li><li> 각 참가자에 대해, fslmerge를 사용하여 단일 파일 4D에 모든 업 샘플링 PD 화상을 연결. 터미널 창에 다음을 입력합니다 : fslmerge -t concat_highresPD * .nii.gz 참고 :이 co​​ncat_highresPD.nii.gz라는 4D 파일을 만듭니다. </li><li> 모션 mcflirt (10)를 사용하여 연결된 파일을 수정합니다. 이 도구는 선형 (아핀)에 대한 자동화 된 강력한 등록 남북 간 모달 뇌 이미지 수 있습니다. 선택더 정확성을 더 최적화 패스로 싱크 보간을 (내부적으로) 활용 4 단계의 보정. 터미널 창에 다음을 입력합니다 : mcflirt -in concat_highresPD -out mcf_concat_highresPD.nii.gz -stages 4 -plots 참고 :이 mcf_concat_highresPD.nii.gz라는 4D 파일을 만듭니다. </li><li> 마지막으로, 3D 이미지 사용 fslmaths을 의미 만듭니다. 터미널 창에 다음을 입력합니다 : fslmaths mcf_concat_highresPD.nii.gz -Tmean mean_highresPD.nii.gz 참고 :이 높은 품질의 mean_highresPD.nii.gz라는 3D 파일을 만듭니다 </li><li> fslview 명령을 사용하여 최종 결과 3D 고해상도 이미지를 시각화. 이미지가 어디의 디렉토리에서 터미널 창에 다음을 입력 : fslview mean_highresPD.nii.gz. &quot; </li><li> 질문에 로아의 강도 프로파일을 검사합니다. fslview를 사용하여 투자 수익 (ROI)을 생성 (이 예를 들어 LGN의 영역에 걸쳐 그려진 수직선을 할 수있다). fslview에서 고해상도 화상을 PD로드. 도구 탭을 클릭,다음 ROI를 그리기 위해 이미지를 확대하기 위해 하나의 이미지 탭을 클릭합니다. 그런 다음, 마스크 만들기 탭 다음에 파일 탭을 클릭합니다. 관심의 투자 수익 (ROI)에 선을 그립니다. 다음, 저장을 파일을 클릭하여 투자 수익 (ROI)을 저장합니다. 강도 비교와 문제의 다른 로아에 대한 투자 수익 (ROI) 내에서 여러 분야의 선 마스크를 반복합니다. </li><li> 이미지의 결과 강도를 분석하는 AFNI의 3dmaskdump 명령을 사용하십시오. 이미지는 이미지의 강도와 위치를 추출하는 단말기 창에서 다음 명령을 사용하여 어디의 디렉토리에서 투자 수익 (ROI) 마스크 (result_mask.txt로 제공) 3dmaskdump -o result_mask.txt -noijk -xyz -mask ROI_linemask.nii.gz PDaverage_image.nii.gz </li></ol>

<ol>
	<li>Devlin, J. T., 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=Reliable+identification+of+the+auditory+thalamus+using+multi-modal+structural+analyses.">Reliable identification of the auditory thalamus using multi-modal structural analyses.</a> NeuroImage. 30 (4), 1112-1120 (2006).</li><li>Fellner, F., 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=True+proton+density+and+T2-weighted+turbo+spin-echo+sequences+for+routine+MRI+of+the+brain.">True proton density and T2-weighted turbo spin-echo sequences for routine MRI of the brain.</a> Neuroradiology. 36 (8), 591-597 (1994).</li><li>Schumann, C. M., Buonocore, M. H., Amaral, D. 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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.

본 연구는 피질 영역 고해상도 PD 강조 영상을 얻기 위해 수집 및 분석 기술에 최적화 된 프로토콜을 설명한다. 스캐닝 파라미터의 개수는 테스트 SNR을 증가 인수의 수, 고해상도 피질 하 구조를 결정할 수있는에서 중요한 단계를 감소 매트릭스 크기, 복셀 사이즈 및 대역폭에 관한 가장 중요한 것들로 수정 하였다. 살아있는 인간 내에서 최적의 매개 변수를 찾는와 함께,이 연구는 사후 뇌를 스캔?...

이 연구의 목적은 생리적 잡음의 부재하에 구조적 MRI의 해상도 한계를 테스트하는 것이었다. 프로톤 밀도 (PD) 가중 된 이미지를 등록 할 필요가 이미지의 최소 수를 결정하는 데 긴 시간 (24 시간 ~ 두 세션)을 통해 사후 뇌에서 획득 및 피질 하 구조를 해결하기 위해 평균화 하였다. 비교를 위해, PD 가중 이미지는 또한 세션에 걸쳐 인간 생활에 인수했다. 특히, 대물 렌즈는 약 1mm의 두께 (도 1)에있는 인간 LGN의 여섯 개별 층을 해결하기 위해 최상의 시나리오에서 가능한 것 여부를 확인하는 것이었다. <img alt="그림 1" src="/files/ftp_upload/53309/53309fig1.jpg" /> 그림 1. 인간의 측면 Geniculate 핵 층. LGN의 판상 구조의 개략도. Magnocellular (M) 층은 큰 신경 세포로 구성되어있다(어두운 회색을 묘사 층 1-2) 모션 물론 윤곽을 해결하기위한 책임이 있습니다 셀 크기와 작은 세포 밀도. Parvocellular 층 (P)는 (밝은 회색으로 묘사 층 4-6) 미세 형태와 색상을 해결하기위한 책임이 있습니다 작은 신경 세포의 크기와 큰 세포 밀도로 구성된다. 스케일 바 1mm. 스테인드 인간 LGN (12)을 기준으로 그림. 행렬의 크기가 증가 될 때 MRI에서 공간 해상도는 향상되고, 시야 - (FOV) 및 슬라이스 두께가 감소되는 경우. 그러나, 증가 된 해상도는 복셀 체적에 비례 잡음비 (SNR)에 대한 신호를 감소시킨다. SNR은 또한 측정 횟수의 제곱근에 비례한다. 여러 이미지 별도 촬상 세션에 걸쳐 획득 할 수 있지만, 살아있는 사람에서, 궁극적 인 분해능은 그러한 호흡 순환기 맥동과 머리의 움직임으로, 생리 잡음에 의해 제한된다. 높은-resolution (0.35 mm 평면 복셀)는 가중 스캔 취득한 PD. PD 스캔은 시상 1 회색과 흰색 대비를 강화하고, T 1과 T 2 영향을 최소화 이미지를 얻을 수. 그 화상은 촬상 공간의 단백질 및 지방과 같은 물과 고분자 형태의 양성자 농도에 의존한다. 인해 자화 (2)의 길이 방향 성분에 더 밝은 이미지 신호 티슈 결과 양자의 수가 증가. 그들이 주변 조직과 피질 하 구조의 높은 콘트라스트를 제공하기 때문에 PD 가중 스캔을 수집 하였다. 이러한 T2 및 T1- 강조 영상 다른 대조 1,3- ƒ 결정된 인해 작은 콘트라스트 잡음비에 LGN 피질 하 구조 등을 서술하는데 어려움을 초래할. 마찬가지로, 이전의 연구는 포르말린의 PD 강조 영상이 사후 뇌가 resulte 고정 발견회색과 흰색 물질 사이에 높은 콘트라스트의 차이에서 D T1-과 비슷한 회색과 흰색 물질 이미지 강도 3,4 있었다 T2 강조 영상 비교. 기본 생물 물리학 결정은 이러한 차이를 설명 할 수 있습니다. 수소 양성자 (세로) T1 및 T2 (가로) 휴식 시간은 조직 내에서 어떻게 물 이동에 따라 달라집니다. 이러한 가교 단백질에 의한 포르말린 작품으로 고정 제. 고정 제를 사용하는 경우 물 이동성 사이의 차이는 서로 다른 조직 유형 사이에서 감소된다. 감소 T1 조직 대비, 정착 후에 관찰 된 반면 더 분화 3,4- 제공 정착 증가 뇌 조직 내의 프로톤의 상대 밀도의 차이, 반면. 이전의 연구는 1.5 T 5,6,7를 사용하여 PD 가중 검사에서 LGN을 식별하고 3 T 스캐너 8,9에있다. 그것은 정확하게의 범위를 개설 할 수 있도록 이러한 검사를 구하는 것이 중요LGN. 피질 핵의 전체 범위를 유지하기 위해, (18) PD-가중 조각은 시상에서 얻었다. 각 볼륨은, 배 해상도 1,024 행렬로 재 샘플링 (0.15 mm 면내 복셀 사이즈), 연접, 모션 보정 및 피질 하 구조 고해상도 3D 이미지를 생성하기 위해 평균화 하였다. 다음 슬라이스 처방 PD에 필요한 이미지의 최적의 수는 살아있는 인간에서 15 분 미만으로 스캔 시간을 감소, 5였다. 만 1 PD의 이미지는보다 3 분에 스캔 시간을 단축, 명확하게 사후 뇌의 피질 영역을 구별하는 데 필요한되었다 (그림 2, 3). 전체 포르말린 고정 사후 뇌 표본 82 세에서 심폐 정지로 사망 한 여성에서 스캔했다. 의료 기록의 검토 밝혀 그녀는 것으로 만성 폐쇄성 폐 질환, 협심증, 트리플 우회 수술 팔년 전에 죽음에, 자궁암은 자궁 절제술로 치료칠년 죽음, 고지혈증, 녹내장, 백내장 수술 전에. 사후 뇌 시료는 동일한 촬상 프로토콜뿐만 아니라 화질 비교를위한 많은 시간에 걸쳐 다른 파라미터들에서 스캔 된 4 ° C.The의 사후 뇌에서 최소 3 주 동안 10 % 중성 완충 포르말린에 침지 고정시켰다 . 단지 최적화 파라미터는 프로토콜에 대해 기술한다.

<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

본 연구의 초점은 인간의 두뇌 생활에 비해 사후 뇌의 구조적 자기 공명 영상의 해상도 한계를 테스트하는 것이 었습니다. 생체 내에서 구조적 자기 공명 영상의 해상도는 궁극적으로 맥박, 호흡과 머리의 움직임을 포함하여 생리적 잡음에 의해 제한된다. 이미징 하드웨어가 계속 향상 있지만 밀리미터 스케일 구조를 해결하는 것은 여전히​​ 어렵다. 예를 들어, 측면 geniculate 핵의 일차 시각 감각 경로의 시냅스 (LGN), 일반적으로 여섯 인터리브 단안 층으로 구성되어 시상에서 시각적 릴레이 및 제어 핵. 뇌 영상 연구를 확실하게 1 mm 미만의 두께이다 작은 크기로 인해 이들 층을 구별 할 수 없었다. 사후 뇌의 구조적 자기 공명 영상의 해결 제한, 사용하여 여러 이미지가 오랜 기간 (~ 24 시간)에 걸쳐 평균을 시험 하였다. 목적은 각각의 L를 해결하는 것이 가능 여부를 테스트하는 것이었다생리 잡음의 부재의 LGN 즈. 프로톤 밀도 (PD) (1) 가중 된 펄스 시퀀스를 등록 할 필요가 이미지의 최소 수를 결정하는 해상도 및 다른 파라미터를 변경하여 사용하고 확실 LGN 다른 피질 영역을 구별하기 위해 평균화 하였다. 결과는 인간 뇌 생활에서 획득 된 영상을 비교 하였다. 생체 피험자는 임상 적용에 유용한 피질 하 구조 등을 구별 할 필요 PD 스캔의 최소 개수에 생리 잡음의 추가 효과를 결정하기 위하여 검사 하였다.

subcortex는 시상에서 규정되면, PD 가중 이미지는 슬라이스 선택 상자 (그림 4)에서 수집된다. SNR 모두 사후 및 생체 검사에서 평균 수를 증가시킴으로써 향상. 이미지 품질을 결정하기 위해, 다른 스캔에서 평균 SNR은 뇌 일부 영역에 외부 표준 편차가 평균 뇌 영역의 신호로 나누어 비교 하​​였다. SNR은 SNR로서 산출 하였다 = 0.655 * 조직 / σ 조직은 뇌 영역...

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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.

인간 Subcortex의 고해상도 구조 자기 공명 영상<I&gt; 생체</I&gt; 및 사후

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 조회수.  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. 

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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.

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.

진단 및 치료 모니터링을위한 Nanomaterials 등록 Bioimaging

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

연구

생체공학

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.

Thinned - 해골 준비를 사용하여 마우스 시각 피질의 만성 이미징

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

신경과학

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.

인간 Midbrain위한 고해상도 기능성 자기 공명 영상 방법

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.

Microprism를 사용하여 딥 두피 레이어의 생체내 이미징에서

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 ...

생물학

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.

높은 해상도<em&gt; 생체</em&gt; 3T 자기 공명 영상을 이용하여 인간의 해마 서브 필드에 대한 수동 분할 프로토콜

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.

인간과 마우스의 뇌실 주위 조직의 측면 심실 및 조직 학적 특성의 3D 모델링

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.

고해상도 자기 공명 영상에서 대뇌 피질 Microinfarcts 평가

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

의학

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.

마우스 피 질 세포 조직의 대형 3-차원 영상

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.

병 변 특성화 및 작은 동물 두뇌에 전극을 위치에 대 한 마이크로-CT 기반 방법

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.

다발성 경화증을 가진 개별을 위한 포괄적인 부검 프로그램

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 ...

인간 Subcortex의 고해상도 구조 자기 공명 영상

요약

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