تحفيز الدماغ العميق مع الرنين المغناطيسي الوظيفي في وقت واحد في القوارض
Summary
يصف هذا البروتوكول طريقة قياسية لفي وقت واحد وظيفية التصوير بالرنين المغناطيسي والتحفيز العميق للدماغ في القوارض. الجمع بين استخدام هذه الأدوات التجريبية يسمح لاستكشاف النشاط المصب العالمية ردا على التحفيز الكهربائي في الدماغ أي هدف تقريبا.
Abstract
من أجل تصور الاستجابات العالمية والمصب الخلايا العصبية للمخ (DBS) على أهداف مختلفة، وقد وضعنا بروتوكولا لاستخدام الأكسجين في الدم المستوى التابعة (BOLD) وظيفية التصوير بالرنين المغناطيسي (الرنين المغناطيسي الوظيفي) إلى القوارض صورة في وقت واحد مع DBS. DBS الرنين المغناطيسي الوظيفي يقدم عددا من التحديات التقنية، بما في ذلك دقة القطب زرع، والتحف التي تم إنشاؤها بواسطة MR القطب، واختيار التخدير ومشلول للحد من أي آثار العصبية في وقت واحد في حين القضاء على حركة الحيوانات، وصيانة المعلمات الفسيولوجية، والتي يمكن أن الانحراف عن يخزي إشارة BOLD. وقد وضعت مختبرنا مجموعة من الإجراءات التي هي قادرة على التغلب على معظم هذه القضايا ممكن. لالتحفيز الكهربائي، يتم استخدام محلية الصنع التنغستن القطبين مسرى مكروي، إدراج stereotactically في موقع التحفيز في موضوع تخدير. استعدادا للتصوير، يتم إصلاح القوارض على خوذة من البلاستيك ونقل إلى تجويف المغناطيس. لتخدير والشلل خلال المسح الضوئي، ومزيج من dexmedetomidine وبانكورونيوم هي التي غرست بشكل مستمر، جنبا إلى جنب مع جرعة ضئيلة من isoflurane و، وهذا يقلل من تأثير إعداد السقف BOLD التخدير المتطايرة. في هذا المثال التجربة، وتحفيز نواة تحت المهاد (STN) وتنتج استجابات BOLD التي لوحظت في المقام الأول في المناطق القشرية المماثل، تركزت في القشرة الحركية. في وقت واحد DBS والرنين المغناطيسي الوظيفي يسمح التشكيل لا لبس فيها من الدوائر العصبية التي تعتمد على الموقع والمعلمات التحفيز التحفيز، ويسمح للمراقبة من التحويرات العصبية خالية من التحيز الإقليمي. هذه التقنية يمكن استخدامها لاستكشاف آثار المصب من تحوير الدوائر العصبية في الدماغ أي منطقة تقريبا، مع الآثار المترتبة على كل من التجريبية والسريرية DBS.
Introduction
تحديد آثار المصب العالمية النشاط الدوائر العصبية يمثل تحديا كبيرا وهدفا لكثير من مجالات النظم علم الأعصاب. هي وندرة الأدوات المتاحة حاليا التي تلبي هذه الحاجة، وبالتالي هناك طلب لزيادة إمكانية الوصول إلى الاجهزة التجريبية المناسبة. طريقة واحدة لتقييم مثل هذه النتيجة العالمي لتفعيل الدوائر العصبية تعتمد على التطبيق المتزامن من الدماغ التحفيز الكهربائي العميق (DBS) والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (الرنين المغناطيسي الوظيفي). DBS-الرنين المغناطيسي الوظيفي يسمح للكشف عن استجابات المتلقين لتفعيل الدائرة على نطاق والمكانية الكبيرة، ويمكن تطبيقها في الواقع أي هدف التحفيز. هذا هو مجموعة أدوات مناسبة للغاية لدراسات ما قبل السريرية متعدية، بما في ذلك توصيف الردود على التحفيز العلاجية عالية التردد.
بالإضافة إلى الوصول إلى ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي مناسبة وناجحة التجارب DBS-الرنين المغناطيسي الوظيفي تتطلب النظر في عدد من المتغيرات المستقلةوفاق، بما في ذلك نوع القطب أو أسلوب التخدير، وصيانة المعلمات الفسيولوجية. على سبيل المثال، ينبغي أن يستند اختيار القطب على عوامل تتعلق التحفيز فعالية (على سبيل المثال. حجم الرصاص وتصرف، أحادية مقابل ثنائي القطب)، وكذلك MR التوافق والقطب حجم قطعة أثرية. تختلف التحف القطب الكهربائي وفقا لمواد والحجم، وكذلك تسلسل المسح الضوئي المستخدمة؛ ينبغي استخدام اختبار دقيق قبل التجريبية لتحديد نوع القطب المناسبة لكل دراسة. بشكل عام، ينصح أقطاب التنغستن ميكروسلك لهذا البروتوكول. وينبغي بذل اختيار مشلول والمهدئة لشل فعالية الحيوان وتقليل الآثار القمعية بعض المهدئات على مستوى الأكسجين في الدم التي تعتمد على (بولد) إشارة. أخيرا، من المهم جدا للحفاظ على الحيوانات في المعلمات الفسيولوجية الأمثل، بما في ذلك درجة حرارة الجسم وتشبع الأكسجين.
البروتوكول الذي وضعنا لDBS-الرنين المغناطيسي الوظيفي يتغلب على كثير من هذه العقبات المحتملة، وبين أيدينا، ويوفر نتائج قوية ومتسقة. بالإضافة إلى ذلك، فإن هذه الإجراءات التجريبية يمكن اعتمادها بسهولة لمزيج من الرنين المغناطيسي الوظيفي مع أساليب التحفيز البديلة، بما في ذلك التحفيز optogenetic.
Protocol
Representative Results
Discussion
في وقت واحد DBS والرنين المغناطيسي الوظيفي يمثل مجموعة أدوات تجريبية واعدة لتحديد وتوصيف الاستجابات العصبية المصب العالمية لتحفيز الدوائر، في الجسم الحي. والميزة الرئيسية لهذه التقنية أكثر من غيرها من الأدوات المتاحة، مثل التسجيلات الكهربية، يكمن في طبيعة منح?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر Shaili جها وهيذر Decot للحصول على المساعدة مع التصوير.
Materials
| Isoflurane (Forane) | Baxter | 1001936060 | |
| Dexmedetomidine (Dexdomitor) | Pfizer | 145108-58-3 | |
| Pancuronium Bromide | Selleckchem | S2497 | |
| 9.4T Small Animal MRI | Bruker | BioSpec System with BGA-9S gradient | |
| Sterotactic Frame | Kopf | Model 962 | |
| Small Animal Ventilator | CWE, Inc. | 12-02100 | Model SAR-830 |
| Dental Cement | A-M Systems | 525000 | Teets Cold Curing |
| MouseOx Plus System | STARR Life Science Corp. | ||
| Capnometer | Surgivet, Smith Medical | V9004 Series | |
| Stimulus Isolator | World Precision Instruments | Model A365 | |
| MR-compatible Brass Screws | McMaster Carr | 94070A031 | 0-80 thread size, 1/4 inch. Can be cut to desired length. |
| Tungsten Wire | California Fine Wire Company | 100211 | Used to construct MR-compatible stimulating microelectrode |
| Syringe Pump | Harvard Appartus | Model PHD 2000 (not MRI-compatible) |
References
- Paxinos, G., Watson, C. . The rat brain in stereotaxic coordinates, 5th edition. , (2004).
- Fukuda, M., Vazquez, A. L., Zong, X., Kim, S. G. Effects of the alpha(2)-adrenergic receptor agonist dexmedetomidine on neural, vascular and BOLD fMRI responses in the somatosensory cortex. Eur. J. Neurosci. 37 (2), 80-95 (2013).
- Lai, H. Y., Younce, J. R., Albaugh, D. L., Kao, Y. C., Shih, Y. Y. Functional MRI reveals frequency-dependent responses during deep brain stimulation at the subthalamic nucleus or internal globus pallidus. NeuroImage. In press, (2013).
- Frackowiak, R. S. J., et al. . Human Brain Function. , (2004).
- Poline, J. B., Brett, M. The general linear model and fMRI: does love last forever. NeuroImage. 62, 871-880 (2012).
- Min, H. K., et al. Deep brain stimulation induces BOLD activation in motor and non-motor networks: an fMRI comparison study of STN and EN/GPi DBS in large animals. NeuroImage. 63, 1408-1420 (2012).
- Lozano, A. M., Lipsman, N. Probing and Regulating Dysfunctional Circuits Using Deep Brain Stimulation. Neuron. 77, 406-424 (2013).
- DeLong, M., Wichmann, T. Deep brain stimulation for movement and other neurologic disorders. Ann. N.Y. Acad. Sci. 1265, 1-8 (2012).
- Goodman, W. K., Alterman, R. L. Deep brain stimulation for intractable psychiatric disorders. Ann. Rev. Med. 63, 511-524 (2012).
- Pizzolato, G., Mandat, T. Deep brain stimulation for movement disorders. Front. Integr. Neurosci. 6, 2 (2012).
- Logothetis, N. K. What we can do and what we cannot do with fMRI. Nature. 453, 869-878 (2008).
- Li, Q., et al. Therapeutic deep brain stimulation in Parkinsonian rats directly influences motor cortex. Neuron. 76, 1030-1041 (2012).
- Pan, W., Thompson, G., Magnuson, M., Majeed, W., Jaeger, D., Keilholz, S. . Simultaneous fMRI and Electrophysiology in the Rodent. (42), (2010).
- Huttunen, J. K., Grohn, O., Penttonen, M. Coupling between simultaneously recorded BOLD response and neuronal activity in the rat somatosensory cortex. NeuroImage. 39, 775-785 (2008).
- Logothetis, N. K., Pauls, J., Augath, M., Trinath, T., Oeltermann, A. Neurophysiological investigation of the basis of the fMRI signal. Nature. 412, 150-157 (2001).
- Shih, Y. Y., et al. A new scenario for negative functional magnetic resonance imaging signals: endogenous neurotransmission. J. Neurosci. 29, 3036-3044 (2009).
- Shih, Y. Y., Wey, H. Y., De La Garza, B. H., Duong, T. Q. Striatal and cortical BOLD, blood flow, blood volume, oxygen consumption, and glucose consumption changes in noxious forepaw electrical stimulation. J. Cereb. Blood Flow Metab. 31, 832-841 (2011).
- Shmuel, A., Augath, M., Oeltermann, A., Logothetis, N. K. Negative functional MRI response correlates with decreases in neuronal activity in monkey visual area V1. Nat. Neurosci. 9, 569-577 (2006).
- Schridde, U., et al. Negative BOLD with large increases in neuronal activity. Cereb. Cortex. 18, 1814-1827 (2008).
- Shmuel, A., et al. Sustained negative BOLD, blood flow and oxygen consumption response and its coupling to the positive response in the human brain. Neuron. 36, 1195-1210 (2002).
- Harel, N., Lee, S. -. P., Nagaoka, T., Kim, D. -. S., Kim, S. -. G. Origin of negative blood oxygenation level–dependent fMRI signals. J. Cereb. Blood Flow Metab. 22, 908-917 (2002).
- Lee, J. H., et al. Global and local fMRI signals driven by neurons defined optogenetically by type and wiring. Nature. 465, 788-792 (2010).
- Carmichael, D. W., et al. Functional MRI with active, fully implanted, deep brain stimulation systems: safety and experimental confounds. NeuroImage. 37, 508-517 (2007).
- Tagliati, M., et al. Safety of MRI in patients with implanted deep brain stimulation devices. NeuroImage. 47 Suppl 2, 53-57 (2009).
