גירוי מוחי עמוק עם fMRI סימולטני במכרסמים
Summary
פרוטוקול זה מתאר שיטה סטנדרטית להדמיה תפקודית בתהודה המגנטית בו זמנית וגירוי מוחי עמוק במכרסמים. השימוש בשילוב של כלים ניסיוניים האמורים, מאפשר החקירה של פעילות במורד הזרם העולמית בתגובה לגירוי חשמלי בכמעט כל יעד במוח.
Abstract
על מנת להמחיש את התגובות עצביות הגלובליות או במורד לגירוי מוחי עמוק (DBS) לעבר מטרות שונות, פיתחנו פרוטוקול לשימוש ברמת חמצן בדם הדמיה תלויה (BOLD) תפקודית בתהודה מגנטית (fMRI) כדי מכרסמים תמונה עם DBS בו זמנית. DBS fMRI מציג מספר האתגרים טכניים, כולל דיוק של השתלת האלקטרודה, חפצי MR נוצרו על ידי אלקטרודה, הבחירה של הרדמה ושיתוק כדי למזער השפעות עצביות תוך ביטול תנועה של בעלי חיים, ותחזוקה של פרמטרים פיסיולוגיים במקביל, סטייה ממנו יכולים לבלבל אות BOLD. המעבדה שלנו פיתחה סדרה של נהלים שאינם מסוגל להתגבר על רוב הבעיות אפשריות אלה. לגירוי חשמלי, משמשת microelectrode דו קוטבי טונגסטן תוצרת בית, הוכנס stereotactically באתר הגירוי בנושא ההרדמה. כהכנה להדמיה, מכרסמים הם קבועים בכיסוי ראש מפלסטיק והועבר לשעמם את המגנט. להרגעה ושיתוק במהלך סריקה, קוקטייל של dexmedetomidine וpancuronium הוא החדיר ברציפות, יחד עם מינון מינימאלי של isoflurane; הכנה זו ממזערת את אפקט תקרת BOLD של חומרי הרדמה נדיפים. בדוגמא של ניסוי זה, גירוי של גרעין subthalamic (STN) מייצר תגובות BOLD שהם נצפו בעיקר באזורים בקליפת המוח ipsilateral, שמרכזו בקליפת המוח מוטורי. DBS סימולטני וfMRI מאפשר האפנון חד משמעי של מעגלים עצביים תלוי במיקום גירוי ופרמטרי גירוי, ומאפשרים תצפית של מודולציות העצבית ללא משוא פנים אזוריים. טכניקה זו יכולה לשמש כדי לחקור את ההשפעות במורד הזרם של ויסות מעגלים עצביים כמעט בכל אזור במוח, עם השלכות על DBS הן ניסיוני והקליני.
Introduction
קביעת ההשפעות במורד הזרם הגלובלית של פעילות מעגלים עצבית מהווה אתגר גדול ומטרה לתחומים רבים של מדעי המוח מערכות. מחסור בכלים זמין כרגע שלענות על צורך זה, ובכך יש ביקוש לנגישות מוגברת של מערכי הניסוי המתאימים. שיטה אחת כזו להערכת התוצאה הגלובלית של הפעלת מעגלים עצבית מסתמכת על היישום בו זמני של גירוי מוחי העמוק חשמלי (DBS) וה-MRI התפקודי (fMRI). DBS-fMRI מאפשר זיהוי של תגובות במורד הזרם להפעלת מעגלים על קנה מידה מרחבי גדול, ויכול להיות מיושם בכמעט כל יעד גירוי. כלים זה מתאים מאוד למחקרים פרה translational, כוללים האפיון של תגובות לגירוי בתדר גבוה טיפולי.
בנוסף לגישה לסורק MRI מתאים, ניסויי DBS-fMRI מוצלחים דורשים התחשבות במספר variables, כולל סוג האלקטרודה, שיטת הרגעה, ותחזוקה של פרמטרים פיסיולוגיים. לדוגמא, בחירת האלקטרודה צריכה להיות מבוססת על גורמים הנוגעים ליעילות גירוי (למשל. גודל עופרת ומוליכות, מונו לעומת דו קוטבית), כמו גם תאימות MR וגודל חפץ האלקטרודה. חפצי האלקטרודה משתנים בהתאם לחומר האלקטרודה וגודל, כמו גם רצף הסריקה משמש; בדיקות שלפני ניסוי יסודיים צריכה להיות מועסקות על מנת לקבוע את סוג האלקטרודה המתאים לכל מחקר. באופן כללי, אלקטרודות טונגסטן Microwire מומלצות לפרוטוקול זה. בחירה של שיתוק והרגעה צריכה להיעשות כדי לשתק ביעילות בבעלי החיים ולהפחית את ההשפעות מדכאות של תרופות הרגעה מסוימות באות ברמת דם בחמצן תלויה (BOLD). לבסוף, זה הוא קריטי כדי לשמור על בעלי החיים בפרמטרים פיסיולוגיים אופטימליים, הכוללים טמפרטורת גוף וריווי חמצן.
הפרוטוקול שפיתחנו לDBS-FMRI מתגבר רבים של מכשולים הפוטנציאליים אלה, ובידות שלנו, מספק תוצאות חזקות ועקביות. בנוסף, הפרוצדורות הללו ניתן לאמץ בקלות לשילוב של fMRI עם שיטות גירוי חלופיות, כוללים גירוי optogenetic.
Protocol
Representative Results
Discussion
DBS סימולטני וfMRI מייצגים ערכת כלים ניסיוניות מבטיחים לזיהוי והאפיון של תגובות במורד הזרם העולמית לגירוי מעגלים עצבי, in vivo. היתרון העיקרי של שיטה זו על פני כלים זמינים אחרים, כגון קלטות אלקטרו, טמון בטבע יחסית משוחד של ה-fMRI, לפיה שטח גדול ומגוון של רקמת המוח יכול להי…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים Shaili Jha והת'ר Decot לקבלת סיוע בצילומים.
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).
