この材料は、グラントBCS 1063774の下で国立科学財団によってサポートされる作業に基づいています。

1。極座標角地形刺激と心理物理学サウスカロライナ州の極角網膜マップを取得するために、我々は、刺激としてドットを移動する90°のウェッジ（視野角の偏心2月9日°、ドット高速4℃/秒を意味する）（ 図1）を使用します 。それはSCの活動は秘密の注意5を適用することによって強化されることが知られており、それゆえ我々は可能な信号を高めるために私たちのパラダイムで注目タスクを使用します。各2裁判上の被験者は、密かに全体のくさびに出席し、固定を維持しながら速度弁別課題を行うように指示されています。ウェッジは、他のすべてのドットより遅いまたはより速く移動し、ランダムに各試行で選択した分野の一つでドットを含む2×3の仮想セクタに分割されています。各試行した後、ウェッジは刺激が24秒周期で完全に回転するように固定の周りに30°回転しています。各実行は、刺激の9.5回転（228秒）で構成されており、実験的なセッションが含まれてい16から18まで実行されます。 各テストの実行時間全体にこのタスクの対象者のパフォーマンスを維持するために、タスクの難易度は2つのランダムインタリーブ2アップ1ダウン階段を使用して調整されています。すべての2連続した正確な試験の後に速度差は8％削減され、すべての不正な裁判のために、差は8％増加しています。 スキャンの前に彼らは、パフォーマンスの安定したレベルを達成するまで、すべての被験者は、スキャナ外部の視覚的なタスクを練習し、これは3-4 20分の期間の練習を必要とします。典型的な差別のしきい値は1°-1.5°/秒の範囲である。 2。主題の準備<ol><li>被験者の頭部は、それらが穴スキャナの内側に配置される前に、頭部の動きを最小限に抑えるためにパッドで固定されています。これらの高空間分解能で、fMRIは運動の成果物に特に敏感であるので、頭の安定が重要です。 </li><li>被験者はMRI-の互換性がを与えられている片手にLEのボタンパッドと、どのボタンについてドットの速度についての彼らの判断を示すために押すように指示した。 </li></ol> 3。 SCのローカライズと処方<ol><li>人間のSCは小さいながらも明確な構造であり、中脳の屋根の上に位置する直径約9ミリメートル、。 fMRIのスライスの数が少ないを使用する場合は、複数のローカライザーイメージングシリーズは、その正確なローカライズが必要になります。我々は、矢状軸、および冠状面に沿ってこれらのシリーズを実行します。 </li><li>その後、正確に8から10の連続した​​スライス、厚さ1.2ミリメートル、視野（FOV）、斜め、準軸平面で170ミリメートルでSCを処方するために、これらのローカライザーイメージを使用します。 </li><li>次に、高解像度のT 1重み付け構造の画像は前の機能的なデータを収集し、後に1回に一度3次元（3D）RF-甘やかされて育ったGRASS（SPGR）配列（15°フリップ角、1.2ミリメートルボクセル）を使用して取得されます。これらの画像は、高解像度のstrにfMRIのデータを整列するための基準として使用されているuctural基準ボリュームは、後で記述されていることを別のセッションで得られた。 </li></ol> 4。機能的MRIパラメータすべての画像は、GEが提供する8チャネル、ヘッドコイルを使用して、GE SignaのHD12の3T MRIスキャナを行った。励起は6.4 msのウィンドウ-sinc関数パルスは、スキャナ本体のコイルを使用して適用した。 人間カロライナ州にある1.2mmのサンプリングを得るために、我々は3つのワンショットスパイラル軌道買収6,7を使用しています 。 3ショットは、いくつかの理由で必要とされています。特に、私たちのスキャナとFOVのシングルショットの買収は、&gt; 77ミリ秒、長すぎて、実用的である必要があります。複数のショットは、初期値と位相の線形トレンドを差し引くことにより補正した後に一緒に結合されます。 TEは、取得した最初の2つのボリュームからフィールドマップを推定するための最初のフレームに2ミリずつインクリメントされ、このマップは、線形補正に使用されます。再構築された画像は、〜20のSNRを持っていた。一般的にSCボクセルの時間パワースペクトル生理的なノイズに関連付けられた構造体のほとんどを示した。3ショットの取得の使用は、心臓の脈と呼吸の比較的高い周波数の影響に関する強力なフィルタリング効果があった。他のノイズ低減技術は、この高解像度のコンテキスト内で問題がある。例えば、RETROICOR 6などの遡及訂正方法は、マルチショットデータには適用されません、と心臓ゲーティングは、T 1の平衡の乱れに関連付けられているノイズやアーティファクトが導入されています。 エコー時間、T E = 40ミリ秒は、我々は皮質の灰白質（〜45ミリ秒）で観察された* SC組織（〜60ミリ秒）よりもそれに応じてより長いT 2を測定するため、通常皮質（30ミリ秒）で使用されるよりも長いです。 買収の帯域幅は、当社のスキャナ上の不要な加熱を引き起こすピーク勾配電流を低減する62.5 kHzに制限されています。我々は、TR = 1秒なので、3つのショットを持つボリュームは、すべての3を取得して選択する秒。 5。構造的MRIと3Dモデリング各被験者に単一の独立したセッションでは、I = 450良い組織のコントラストを（3D SPGR、15°Tで調製したフリップ角、反転与えるT 1加重シーケンスを用いた高分解能（0.7ミリメートルのサンプリング）を参照のボリュームを取得するミリ秒、2励起、〜28分の期間、0.7ミリメートルボクセル）。 このリファレンス·ボリュームでは、我々はセグメント中脳、脳幹、及びITK-SNAPアプリケーション2で提供される、自動および手動のテクニックの組み合わせを使用して、視床（ 図2A）の部分の組織。特に、我々は、それぞれの脳幹内のユーザーは、種子複数のポイントを、自動セグメンテーションツールを使用して、ソフトウェアが自動的にコントラストと輝度の基準によって定義された領域内に拘束さシード点の周りにセグメンテーションを展開します。この自動セグメンテーションは、その後の調整です。ED、必要に応じて、マニュアルを使用して、 &quot;ペンキのような&quot;ボクセルツールを提供します。 SCの脳脊髄液組織のインターフェイスは、等濃線サーフェステッセレーションを使用してセグメンテーションから補間され、この初期の表面が変変形表面のアルゴリズム3を使用して 、エイリアシングアーチファクト（ 図2、BとD）を低減するために洗練されている。この表面は、頂点と層流計算のための参照（後述）と同様に機能的なデータを可視化するための手段として使用される外向きの法線ベクトルを提供しています。 6。画像解析 fMRIのデータを分析するために、我々はmrVistaソフトウェアパッケージ（からダウンロードできます使用<a href="http://white.stanford.edu/mrvista.php" target="_blank">http://white.stanford.edu/mrvista.php）</a>と同様に私たちのラボでmrVistaフレームワークで開発ツールを提供します。次のいくつかの手順では、標準mrVistaパッケージツールを使用します。 <ol><li>初期化する空間的にコイルの不均一性の影響を低減するために平均化されたデータの強さを正規化するオプションを選択mrVistaのセッション。正規化は、推定されたノイズの添加剤堅牢な補正を一時的に平均ボリューム·イメージ強度の低域通過フィルタリングされたバージョンで割ることで、同型のメソッドを使用しています。画像の最初の半周期（12秒）一時的なMR平衡と血行動態の影響を避けるために破棄されます。 </li><li>分析ラン内の動きを修正します。運動は、ボリュームの時系列から推定される。しかし、画像の比較的低い信号対雑音比（SNR）のは、まず、時系列に5サンプルボックスカー平滑化を実行します。各ボリュームは、最後の5つのサンプルの平均に登録されています。平滑化のみの運動を推定するために使用されることに注意して、実際のデータが平滑化されていません。 </li><li>各ランのモーション補正画像データの時間平均値を形成し、間に長期の動きUSIを修正するために、これらの平均値を使用ngのリファレンスとして最後に実行。 </li><li>スライスタイミング補正を実行します。我々は、シーケンシャルスライス取得を使用するので、動き補正後のタイミング補正を行うことに起因する誤差は（〜125ミリ）小さくなります。 </li><li> SNRを改善するために、各セッション内に記録された複数の実行の平均。 </li><li>堅牢な強度ベースの登録アルゴリズム8を使用して、参照構造のボリュームにfMRIのセッションからの構造データを揃えます。 mrVistaに整列し、セグメンテーションをロードします。 </li><li>セグメント化された参照ボリュームに機能的な時系列データを変換します。次の手順では、さらなる分析を実行するために私たちの研究室で開発ツールを使用します。 </li><li>各SCの組織ボクセルとSC表面上の最も近い頂点間の距離を計算することによって、距離マップを計算します。これらの距離は、基準容積内の層位置を測定するために使用されます。 </li><li> THを向上させるために時系列データの深さの平均化を有効にするには、層のセグメンテーションプロセスを実行電子SNR。組織の小さい（1.6ミリメートルの直径）ディスクは、全体の表面のSC面に沿ってサーフェスモデルの各頂点に関連付けられ、各ディスクは、個々の層近傍を形成するために局所的な表面の法線を使用して、SC組織から内側と外側の両方を拡張されています4。 </li><li> SCの表面上の各点について、我々は指定された深さ範囲で時系列を平均化するために、これらの層の関連付けを使用しています。以来、視覚的に反応するニューロンは、視覚刺激実験のために我々は0〜1.8ミリメートルの深さの範囲を使用する、サウスカロライナ州の浅層に主に存在しています。 </li></ol> 7。地形マッピング解析データの地形表現を分析するため、コヒーレンス解析は、各ボクセルに対して刺激の繰り返し周波数で正弦波（すなわち、前述した24秒の刺激のために1月24日Hz）をフィッティングすることにより、深さ平均の時系列上で実行されます。この近似から、我々はresponの表面マップを導出するSE振幅、コヒーレンス、位相。この分析は、周波数領域で行われ、視覚野9,10の網膜マップを定量化する一般的なテクニックです。 正弦波近似の位相は、刺激の位置を測定します。零相は上部垂直子午線（ 図3）に対応しています。刺激は、その後、時計回りそうπ/ 2位相を回転させる刺激が右視野の水平子午線に回転したときに対応しています。位相のπラジアンの後に、刺激は左視野に交差する、などです。 また、高分解能T1強調ボリュームの解剖学のマニュアル検査を使用して、SCの全体の表面的な範囲の境界を取得しました。これらの境界は、 図にマークされています。赤の破線で3。 fMRIは直接神経活動を測定するのではなく、しっかりとある血流応答が緩慢に結合していません神経活動へ。これは、位相応答に血行動態の遅延を追加します。遅延は、各SCの関心領域から我々のコヒーレンス閾値を超えるすべてのボクセルを取って、複素平面上でπの周りに彼らの手段を中心としたことによって推定されています。私たちのSCのデータでは、これらの遅延は2-4秒のオーダーで、かなり小さいものです。我々は、カラーマップの45度（3秒に相当する）（ 図3）で反時計回りに回転させることにより、この遅延を削除します。 8。代表的な結果 SC（ 図3）の3Dの表面に重ね合わせ、位相データは、視覚刺激への応答がSC、すなわち、左視野は右SC上で表され、逆もまた同様でcontralaterally表されることを示しています。 活性の網膜組織もあります。右上部の視野は、左丘（ブルーマゼンタ）の内側に表現され、下位フィールド（赤、黄）横方向に表されます。 Similアルリー、左上の視野は（黄緑色）横方向に表されますが、右側丘（青シアン）と下部で内側に表されます。 シングルユニット電気生理学を用いた視覚刺激に）1、2）微小刺激誘発性眼球運動11,12のマッピング：この地形は、SCの応答の非ヒト霊長類研究の結果と一致している。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/3746/3746fig1.jpg" /> 図1。半ばサジタル像に見て）スライスの処方箋。 B）機能画像の時間平均値は、（1ランから））に赤色でマークされた中央のスライスから得られた。 <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/3746/3746fig2.jpg" /> 図2極座標角地形刺激。固定の周りをゆっくり回転させた灰色​​の背景に黒と白のドットを移動する90°のウェッジ。ウェッジは6美術品の配列に分割した被験者はランダムに選ばれた分野での速度弁別タスクを実行できるようにするためのアル·セクター（灰色の線は、セクターを強調するために追加されました）。 <img alt="図3" src="/files/ftp_upload/3746/3746fig3.jpg" /> 図3。セグメンテーションとサーフェスモデリング。 A）中脳、脳幹、視床との部分は高解像度のMRI解剖ボリュームから分割されました。 B）表面は、分割領域の端で作成されました。 C）正弦波フィット位相データは、面内のスライス（コヒーレンス&gt; 0.25）で表示。 D）脳幹表面モデルの回転や拡大図は、SC上の位相データを視覚化するために使用されていました。 <img alt="図4" src="/files/ftp_upload/3746/3746fig4.jpg" /> 図4：極座標の角度にマッピングされます。視覚的な極角をエンコードする2つの科目でfMRIの位相マップ。各マップの一貫性のしきい値は、右下で提供されています。カラーホイールは、pの刺激のオーバーレイの段階を関連付ける彼らの視野位置にOLAR角度。

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	<li>Katyal, S., Zughni, S., Greene, C., Ress, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Topography+of+covert+visual+attention+in+human+superior+colliculus.">Topography of covert visual attention in human superior colliculus.</a> Journal of Neurophysiology. 104, 3074-3083 (2010).</li><li>Yushkevich, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=User-guided+3D+active+contour+segmentation+of+anatomical+structures:+significantly+improved+efficiency+and+reliability.">User-guided 3D active contour segmentation of anatomical structures: significantly improved efficiency and reliability.</a> NeuroImage. 31, 1116-1128 (2006).</li><li>Xu, G., Pan, Q., Bajaj, C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Discrete+Surface+Modeling+Using+Partial+Differential+Equations.">Discrete Surface Modeling Using Partial Differential Equations.</a> Computer Aided Geometric Design. 23, 125-145 (2006).</li><li>Ress, D., Glover, G. H., Liu, J., Wandell, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laminar+profiles+of+functional+activity+in+the+human+brain.">Laminar profiles of functional activity in the human brain.</a> NeuroImage. 34, 74-84 (2007).</li><li>Schneider, K. A., Kastner, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+sustained+spatial+attention+in+the+human+lateral+geniculate+nucleus+and+superior+colliculus.">Effects of sustained spatial attention in the human lateral geniculate nucleus and superior colliculus.</a> J. Neurosci. 29, 1784-1795 (2009).</li><li>Glover, G. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simple+analytic+spiral+K-space+algorithm.">Simple analytic spiral K-space algorithm.</a> Magn. Reson. Med. 42, 412-415 (1999).</li><li>Glover, G. H., Lai, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-navigated+spiral+fMRI:+interleaved+versus+single-shot.">Self-navigated spiral fMRI: interleaved versus single-shot.</a> Magn. Reson. Med. 39, 361-368 (1998).</li><li>Nestares, O., Heeger, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Robust+multiresolution+alignment+of+MRI+brain+volumes.">Robust multiresolution alignment of MRI brain volumes.</a> Magn. Reson. Med. 43, 705-715 (2000).</li><li>Engel, S. A., Glover, G. H., Wandell, B. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Retinotopic+organization+in+human+visual+cortex+and+the+spatial+precision+of+functional+MRI.">Retinotopic organization in human visual cortex and the spatial precision of functional MRI.</a> Cereb. Cortex. 7, 181-192 (1997).</li><li>Schneider, K. A., Kastner, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visual+responses+of+the+human+superior+colliculus:+a+high-resolution+functional+magnetic+resonance+imaging+study.">Visual responses of the human superior colliculus: a high-resolution functional magnetic resonance imaging study.</a> Journal of Neurophysiology. 94, 2491-2503 (2005).</li><li>Cynader, M., Berman, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Receptive-field+organization+of+monkey+superior+colliculus.">Receptive-field organization of monkey superior colliculus.</a> Journal of Neurophysiology. 35, 187-201 (1972).</li><li>Robinson, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Eye+movements+evoked+by+collicular+stimulation+in+the+alert+monkey.">Eye movements evoked by collicular stimulation in the alert monkey.</a> Vision Research. 12, 1795-1808 (1972).</li><li>Schreiner, C. E., Langner, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laminar+fine+structure+of+frequency+organization+in+auditory+midbrain.">Laminar fine structure of frequency organization in auditory midbrain.</a> Nature. 388, 383-385 (1997).</li><li>Baumann, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Orthogonal+representation+of+sound+dimensions+in+the+primate+midbrain.">Orthogonal representation of sound dimensions in the primate midbrain.</a> Nature Neuroscience. 14, 423-425 (2011).</li><li>Malmierca, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+discontinuous+tonotopic+organization+in+the+inferior+colliculus+of+the+rat.">A discontinuous tonotopic organization in the inferior colliculus of the rat.</a> J. Neurosci. 28, 4767 (2008).</li><li>Bender, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Retinotopic+organization+of+macaque+pulvinar.">Retinotopic organization of macaque pulvinar.</a> Journal of Neurophysiology. 46, 672 (1981).</li><li>Grieve, K. L., Acuña, C., Cudeiro, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+primate+pulvinar+nuclei:+vision+and+action.">The primate pulvinar nuclei: vision and action.</a> Trends in Neurosciences. 23, 35-39 (2000).</li><li>Rodriguez-Oroz, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+subthalamic+nucleus+in+Parkinson's+disease:+somatotopic+organization+and+physiological+characteristics.">The subthalamic nucleus in Parkinson's disease: somatotopic organization and physiological characteristics.</a> Brain. 124, 1777 (2001).</li><li>Romanelli, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microelectrode+recording+revealing+a+somatotopic+body+map+in+the+subthalamic+nucleus+in+humans+with+Parkinson+disease.">Microelectrode recording revealing a somatotopic body map in the subthalamic nucleus in humans with Parkinson disease.</a> Journal of Neurosurgery. 100, 611-618 (2004).</li><li>DeLong, M. R., Crutcher, M. D., Georgopoulos, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Primate+globus+pallidus+and+subthalamic+nucleus:+functional+organization.">Primate globus pallidus and subthalamic nucleus: functional organization.</a> Journal of Neurophysiology. 53, 530 (1985).</li><li>Houeto, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Acute+deep-brain+stimulation+of+the+internal+and+external+globus+pallidus+in+primary+Dystonia+functional+mapping+of+the+pallidum.">Acute deep-brain stimulation of the internal and external globus pallidus in primary Dystonia functional mapping of the pallidum.</a> Archives of Neurology. 64, 1281-1286 (2007).</li></ol>

利害の衝突が宣言されません。

私たちの取得とデータ解析技術は、高分解能（1.2mmのボクセル）で皮質下の人間の脳構造の神経活動の測定を可能にします。 3ショットスパイラルの買収は、脳の周りfMRIの測定に特に有害である生理的なノイズを低減します。さらに、組織の我々の層のセグメンテーションは、私たちは、SNRを向上させることができ、データの深さの平均を実行することができます。我々は視覚刺激と人間のSC 1の秘密の視覚的注意の正確な極角地形図を表示するためにこれらのメソッドを使用しています。層分割は、実験制御1の下で異なる機能的活性の深さプロファイル分析を可能にします。 私たちのイメージング法は、ヒトの皮質下構造で神経科学の実験のための新しい道を開く。これらのメソッドは、investi、例えば、ヒトの皮質下の領域での動物で行わ微規模な研究の翻訳を有効にすることができますそのような下丘および蝸牛神経核13-15、またはそのような枕16,17として視床核における視覚的および多感覚応答などの構造における聴覚応答のゲー組織。最後に、これらの技術は、しばしば、パーキンソン病、ジストニア又は慢性の疼痛18から21の患者の脳深部刺激のターゲットであるなどの視床下核や淡蒼球のような小さな構造のために機能局在を提供することができます。

high-resolution functional magnetic resonance imaging methods for human midbrain

機能的MRI（fMRI）は、非侵襲的ヒト脳活動の相関を測定するために広く使われているツールです。しかし、その使用は主に大脳皮質の表面ではなく、そのような中脳および脳幹などの皮質下の領域で活性を測定する際に注目されている。空間分解能および生理学的ノイズ：皮質下のfMRIのは、2つの課題を克服しなければなりません。ここでは、人間のSC、中脳の背側表面上の構造で高解像度のfMRIを実行するために開発された技術の最適化されたセットを記述する。方法は、イメージの他の脳幹と皮質下の構造に使用することができます。 SCの高分解能（1.2mmのボクセル）fMRIは非従来型のアプローチが必要です。希望の空間サンプリングは、マルチショット（インタリーブ）スパイラル取得1を使用して取得されます。以来、* SC組織のT 2は、それに応じてより長いエコー時間（T E〜40ミリ秒）を最大に使用され、皮質のより長い機能的なコントラストを高くなっています。 SCの完全な範囲をカバーするために、8月10日スライスが得られる。各セッションのFMRIと同じスライス処方箋との構造的解剖学はまた、高解像度のリファレンス·ボリュームに機能データを整列するために使用され、取得されます。 別のセッションで、各被験者に対して、我々は良い組織のコントラストを与えるT 1加重シーケンスを用いた高分解能（0.7ミリメートルのサンプリング）を参照ボリュームを作成します。リファレンスボリュームで、中脳領域がITK-SNAPソフトウェア·アプリケーション2を使用してセグメント化されています。このセグメンテーションは3つのスムーズかつ正確である中脳の三次元表面の表現を作成するために使用されています。面の頂点と法線は、組織4内脳表面からの深さのマップを作成するために使用されます。 機能的なデータがセグメント化された基準ボリュームの座標系に変換されます。ボクセルの深さの関連信号品質を向上させるために指定された深さの範囲内でfMRIの時系列データの平均化を有効にしてください。データは可視化のための3D表面にレンダリングされます。 私たちの研究室では視覚刺激とSC 1内の秘密とあからさまな視覚的注意の地形図を測定するためにこのテクニックを使用しています。例として、私たちはサウスカロライナ州の視覚刺激に極角の地形表現を示しています。

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High-resolution Functional Magnetic Resonance Imaging Methods for Human Midbrain

この資料では、3Tのスキャナを用いたヒト脳および皮質下構造で1.2mmのサンプリングで高解像度の機能的磁気共鳴イメージングを実行するテクニックについて説明します。例として、与えられた人間の上丘（SC）における視覚刺激の地形図を解決するためにこれらの技術の使用。

人間の中脳の高解像度機能的磁気共鳴画像法

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 ...

high-resolution-functional-magnetic-resonance-imaging-methods-for

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Neuroscience

12.8K ビュー.  The University of Texas at Austin. この資料では、3Tのスキャナを用いたヒト脳および皮質下構造で1.2mmのサンプリングで高解像度の機能的磁気共鳴イメージングを実行するテクニックについて説明します。例として、与えられた人間の上丘（SC）における視覚刺激の地形図を解決するためにこれらの技術の使用。

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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.

複数のマウスの神経解剖学的磁気共鳴イメージング

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

神経科学

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.

セミ厚い脳スライスにおける高解像度蛍光イメージングへの迅速なアプローチ

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.

一次運動野代謝に及ぼすバイ半球経頭蓋電気刺激効果の測定のためのツールと​​しての磁気共鳴分光法の利用

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).

組織抽出物の高分解能核磁気共鳴分光法によるラット脳のメタボローム解析

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.

高解像度<em&gt;インビボ</em&gt; 3T磁気共鳴画像を用いたヒト海馬サブフィールドのためのマニュアルセグメンテーションプロトコル

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.

ヒト皮質下の高分解能構造磁気共鳴イメージング<I&gt;インビボ</I&gt;と死後

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.

恒久的な脳虚血における脳卒中発症時間推定のための磁気共鳴イメージ投射プロトコル

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.

慢性脊髄圧迫における拡散テンソル磁気共鳴画像

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.

黒質のニューロメラニン感受性磁気共鳴イメージングのための標準化されたデータ取得

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.

ラットにおける安静状態機能磁気共鳴画像データの取得

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