Dyb Brain Stimulation med samtidig fMRI i Gnavere
Summary
Denne protokol beskriver en standardmetode til samtidig funktionel magnetisk resonans og dyb brain stimulation hos gnavere. Den kombinerede brug af disse eksperimentelle værktøjer giver mulighed for udforskning af den globale downstream aktivitet som reaktion på elektrisk stimulation på stort set enhver hjerne mål.
Abstract
For at visualisere de globale og nedstrøms neuronale reaktioner på dyb brain stimulation (DBS) ved forskellige mål, har vi udviklet en protokol for brug af blod ilt niveau afhængig (FED) funktionel magnetisk resonans (fMRI) til billed gnavere med simultan DBS. DBS fMRI præsenterer en række tekniske udfordringer, herunder nøjagtighed elektrode implantation, MR artefakter skabt af elektroden, valg af anæstesi og paralytisk at minimere eventuelle neuronale effekter samtidig fjerne dyr bevægelse, og vedligeholdelse af fysiologiske parametre, afvigelse fra, som kan forvirre den BOLD signal. Vores laboratorium har udviklet et sæt af procedurer, der er i stand til at overvinde de fleste af disse mulige problemer. For elektrisk stimulering, der er en hjemmelavet wolfram bipolar mikroelektrode anvendes indsat stereotaktisk ved stimulation stedet i bedøvede emne. Som forberedelse til billedbehandling, er gnavere fikseret på en plastik hovedstykke ogoverført til magneten boring. Til sedation og lammelse under scanning, er en cocktail af dexmedetomidin og pancuronium kontinuerligt infunderes, sammen med en minimal dosis af isofluran, dette præparat minimerer BOLD loft effekt af flygtige anæstetika. I dette eksempel eksperiment, stimulering af nucleus subthalamicus (STN) producerer BOLD respons som primært observeret i ipsilaterale kortikale regioner, der er centreret i motorisk cortex. Samtidig DBS og fMRI muliggør entydig graduering af neurale kredsløb afhængig af stimulation placering og stimulering parametre og tillader observation af neuronale modulationer fri for regional skævhed. Denne teknik kan bruges til at udforske de efterfølgende virkninger af modulerende neurale kredsløb på næsten enhver hjerne regionen, med konsekvenser for både eksperimentel og klinisk DBS.
Introduction
Fastlæggelse af de globale downstream effekter af neurale kredsløb aktivitet er en stor udfordring og mål for mange områder af systemer neurovidenskab. En mangel på værktøjer findes i øjeblikket, at opfylde dette behov, og der er således et behov for øget tilgængelighed af de relevante forsøgsopstillinger. En sådan metode til evaluering af den globale konsekvens af neurale kredsløb aktivering er afhængig af samtidig anvendelse af deep brain elektrisk stimulation (DBS) og funktionel MRI (fMRI). DBS-fMRI muliggør påvisning af downstream svar på aktivering kredsløb på en stor rumlig skala, og kan anvendes på stort set enhver stimulering mål. Dette værktøjssæt er særdeles velegnet til translationelle prækliniske studier, herunder karakterisering af reaktioner på terapeutisk højfrekvent stimulation.
Ud over adgang til en egnet MR scanner, vellykkede DBS-fMRI eksperimenter kræver overvejelse af en række variables, herunder elektrode type sedation metode og vedligeholdelse af fysiologiske parametre. For eksempel bør elektrode valg være baseret på forhold vedrørende stimulering effekt (f.eks. Bly størrelse og ledningsevne, mono-vs bipolar), samt MR-kompatibilitet og elektrode artefakt størrelse. Elektrode artefakter varierer efter elektrode materiale og størrelse, samt scanningen sekvens anvendte grundig pre-eksperimentel afprøvning bør anvendes til at bestemme den passende elektrode typen for hver undersøgelse. Generelt er wolfram Microwire elektroder anbefales til denne protokol. Valg af paralytisk og sedativ bør gøres til effektivt at immobilisere dyret og reducere de undertrykkende virkninger af visse beroligende på blod-ilt-niveau-afhængig (FED) signal. Endelig er det vigtigt at fastholde dyret ved optimale fysiologiske parametre, herunder kropstemperatur og iltmætning.
Den protokol, som vi har udviklet til DBS-FMRI overvinder mange af disse potentielle forhindringer, og i vores hænder, giver robuste og konsistente resultater. Derudover kan disse eksperimentelle procedurer let vedtaget for kombinationen af fMRI med alternative stimulation metoder, herunder optogenetic stimulation.
Protocol
Representative Results
Discussion
Samtidig DBS og fMRI repræsenterer en lovende eksperimenterende værktøjskasse til identifikation og karakterisering af globale downstream reaktioner på neurale kredsløb stimulation, in vivo. Den største fordel ved denne teknik i forhold til andre tilgængelige værktøjer, såsom elektrofysiologiske optagelser, ligger i den relativt fordomsfri natur fMRI, hvorved kan undersøges et stort og varieret område af hjernevæv for lydhørhed til DBS på ethvert mål. Selv om den beskrevne protokol er specifik f…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker Shaili Jha og Heather Decot for assistance med at filme.
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).
