Deep Brain Stimulation mit gleichzeitiger fMRT in Nagetiere
Summary
Dieses Protokoll beschreibt eine Standardmethode für den Nagetieren gleichzeitigen funktionellen Magnetresonanztomographie und der tiefen Hirnstimulation. Die kombinierte Verwendung dieser experimentellen Werkzeuge ermöglicht die Erforschung des globalen abwärts Aktivität in Reaktion auf eine elektrische Stimulation an praktisch jeder Gehirnziel.
Abstract
Um die globale und nachgeschalteten neuronalen Antworten auf die tiefe Hirnstimulation (DBS) bei verschiedenen Ziele zu visualisieren, haben wir ein Protokoll für die Verwendung Blutsauerstoffgehalt abhängig (BOLD) funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRI), um Bild Nagetiere mit gleichzeitiger DBS entwickelt. DBS fMRI präsentiert eine Reihe von technischen Herausforderungen, einschließlich der Richtigkeit der Elektrodenimplantation, MR-Artefakte, die durch die Elektrode, die Wahl der Anästhesie und Gelähmten, alle neuronalen Auswirkungen zu minimieren und gleichzeitig die Beseitigung tierischer Bewegung und Wartung von physiologischen Parametern, Abweichung von dem verwechseln kann die BOLD-Signal. Unser Labor hat eine Reihe von Verfahren, die in der Lage ist die Überwindung meisten dieser möglichen Probleme entwickelt. Für elektrische Stimulation wird eine hausgemachte Wolfram bipolare Mikroelektrode verwendet, stereotaktisch an der Stimulationsstelle in der narkotisierten Patienten eingeführt. In der Vorbereitung für Bildgebung werden Nagetiere auf einer Kunststoff-Kopfstück fixiert undzu der Magnetbohrung übertragen. Für Sedierung und Lähmung während der Abtastung wird ein Cocktail von Dexmedetomidin und pancuronium kontinuierlich infundiert, zusammen mit einer minimalen Dosis von Isofluran, diese Vorbereitung die BOLD-Ceiling-Effekt volatiler Anästhetika minimiert. In diesem Beispiel Experiment Stimulation des Nucleus subthalamicus (STN) erzeugt BOLD-Antworten, die in erster Linie in ipsilateralen kortikalen Regionen beobachtet werden, im motorischen Cortex zentriert. Gleichzeitige DBS und fMRT ermöglicht die eindeutige Modulation der neuronalen Schaltkreise, abhängig von Lage und Stimulation Stimulationsparameter und ermöglicht Beobachtung der neuronalen Modulationen frei von regionalen Bias. Diese Technik kann verwendet werden, um die nachgelagerten Effekte der Modulation neuronaler Schaltungen in nahezu jeder Region des Gehirns zu erforschen, mit Auswirkungen für experimentelle und klinische DBS werden.
Introduction
Die Bestimmung der globalen Auswirkungen der nachgeschalteten neuronalen Schaltkreis-Aktivität stellt eine große Herausforderung und Ziel für viele Bereiche der Systeme Neurowissenschaften. Ein Mangel an Tools sind derzeit verfügbar, die diesen Bedarf zu decken, und so gibt es eine Nachfrage für erhöhte Zugänglichkeit der entsprechenden Versuchsaufbauten. Ein solches Verfahren zur Bewertung der globalen Folge von neuronalen Schaltungsaktivierung beruht auf der gleichzeitigen Anwendung von Hirn elektrische Stimulation (DBS) und funktionelle MRI (fMRI). DBS-fMRI ermöglicht die Detektion von nachgeschalteten Reaktionen auf Aktivierungsschaltung auf einem großen räumlichen Skala, und kann bei praktisch jedem Stimulationsziel angewendet werden. Dieses Toolset ist sehr gut geeignet für translationale präklinischen Studien, einschließlich der Charakterisierung von Reaktionen auf therapeutische Hochfrequenz-Stimulation.
Zusätzlich zum Zugriff auf einen geeigneten MRI-Scanner, erfolgreich DBS-fMRI Experimente erfordern die Berücksichtigung einer Reihe von variabln, einschließlich Elektrodentyp, Sedierung Verfahren und Wartung von physiologischen Parametern. Zum Beispiel sollte Elektrode Wahl von Faktoren in Bezug auf Wirksamkeit Stimulation (zB. Blei Größe und Leitfähigkeit, Mono-vs bipolar) sowie MR-Kompatibilität und Elektroden Artefakt Größe beruhen. Elektroden Artefakte je nach Elektrodenmaterial und Größe, sowie der Scan-Sequenz verwendet werden; gründliche Vor-experimentellen Tests sollten eingesetzt werden, um die entsprechende Elektrodentyp für jede Studie zu bestimmen. Im allgemeinen werden Mikrowolframelektroden für dieses Protokoll empfohlen. Wahl des Gelähmten, und Beruhigungsmittel sollten, um effektiv zu immobilisieren das Tier und reduzieren die unterdrückende Wirkung von bestimmten Beruhigungsmitteln auf den Blutsauerstoff-Level-abhängigen (BOLD-Signal) werden. Schließlich ist es wichtig, das Tier in eine optimale physiologische Parameter, einschließlich Körpertemperatur und die Sauerstoffsättigung aufrechtzuerhalten.
Das Protokoll, das wir für DBS entwickeltFMRI-windet viele dieser potenziellen Hindernisse, und in der Hand, bietet robuste und konsistente Ergebnisse. Zusätzlich können diese experimentellen Verfahren leicht für die Kombination mit fMRI alternative Stimulationsverfahren, einschließlich optogenetische Stimulation übernommen werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Gleichzeitige DBS und fMRT stellt eine viel versprechende experimentelle Toolkit für die Identifizierung und Charakterisierung der globalen nachgeschalteten Reaktionen auf Stimulation neuronalen Schaltkreis, in vivo. Der große Vorteil dieser Technik gegenüber anderen verfügbaren Tools, wie zB elektrophysiologischen Ableitungen, liegt in der Natur der relativ unvoreingenommene fMRI, wobei eine große und vielfältige Gebiet des Hirngewebes kann für Reaktionsfähigkeit auf DBS auf jedes Ziel untersucht werde…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken Shaili Jha und Heather Decot für die Unterstützung bei Dreharbeiten.
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).
