La estimulación cerebral profunda con simultánea fMRI en roedores
Summary
Este protocolo describe un método estándar para imágenes de resonancia magnética funcional simultánea y la estimulación cerebral profunda en el roedor. El uso combinado de estas herramientas experimentales permite la exploración de la actividad aguas abajo mundial en respuesta a la estimulación eléctrica a prácticamente cualquier destino cerebro.
Abstract
Con el fin de visualizar las respuestas neuronales a nivel mundial y aguas abajo a la estimulación cerebral profunda (DBS) en varios objetivos, hemos desarrollado un protocolo para usar el nivel de oxígeno en la sangre de imágenes dependiente (BOLD) de resonancia magnética funcional (fMRI) para roedores de imagen con simultánea DBS. DBS fMRI presenta una serie de desafíos técnicos, incluyendo exactitud de la implantación de electrodos, artefactos MR creados por el electrodo, la elección de la anestesia y paralítico para minimizar los efectos neuronales, mientras que al mismo tiempo la eliminación de movimiento de los animales, y el mantenimiento de los parámetros fisiológicos, la desviación de la que pueden confundir a los señal BOLD. Nuestro laboratorio ha desarrollado una serie de procedimientos que son capaces de superar la mayoría de estos posibles problemas. Para la estimulación eléctrica, se utiliza un microelectrodo casera bipolar de tungsteno, insertada estereotácticamente en el sitio de la estimulación en el sujeto anestesiado. En preparación para las imágenes, los roedores están fijos en un casco de plástico ytransferidos a la cavidad del imán. Para la sedación y la parálisis durante la exploración, un cóctel de dexmedetomidina y pancuronio se infunde continuamente, junto con una dosis mínima de isoflurano; esta preparación reduce al mínimo el efecto de techo BOLD de anestésicos volátiles. En este experimento de ejemplo, la estimulación del núcleo subtalámico (STN) produce respuestas BOLD que se observan principalmente en las regiones corticales ipsilaterales, centrada en la corteza motora. Simultánea DBS y fMRI permite la modulación inequívoca de los circuitos neuronales depende de la ubicación de estimulación y los parámetros de estimulación, y permite la observación de modulaciones neuronales libres de sesgo regional. Esta técnica se puede utilizar para explorar los efectos aguas abajo de la modulación de los circuitos neuronales en casi cualquier región del cerebro, con implicaciones tanto para la clínica y experimental DBS.
Introduction
La determinación de los efectos aguas abajo globales de la actividad de circuitos neuronales representa un gran reto y objetivo para muchas áreas de la neurociencia de sistemas. Una escasez de herramientas están disponibles actualmente que satisfacer esta necesidad, y por lo tanto existe una demanda de aumento de la accesibilidad de las configuraciones experimentales apropiadas. Uno de tales métodos para evaluar la consecuencia global de la activación del circuito neuronal se basa en la aplicación simultánea de la estimulación profunda del cerebro eléctrica (DBS) y resonancia magnética funcional (fMRI). DBS-fMRI permite la detección de las respuestas a la activación del circuito aguas abajo a gran escala espacial, y puede ser aplicado a prácticamente cualquier objetivo estimulación. Este conjunto de herramientas es muy adecuado para estudios preclínicos de la traducción, incluyendo la caracterización de las respuestas a la estimulación de alta frecuencia terapéutica.
Además del acceso a un escáner de resonancia magnética adecuado, exitosos experimentos DBS-fMRI requieren la consideración de una serie de variablES, incluyendo el tipo de electrodo, método de sedación, y el mantenimiento de los parámetros fisiológicos. Por ejemplo, la elección del electrodo debe estar basada en factores relacionados con la eficacia de estimulación (por ejemplo. Tamaño de plomo y la conductancia, mono-vs bipolar), así como la compatibilidad RM y el electrodo de tamaño artefacto. Artefactos de electrodos varían según el material y el tamaño del electrodo, así como la secuencia de exploración utilizado; pruebas de pre-experimental completo debe ser empleado para determinar el tipo de electrodo apropiado para cada estudio. En general, se recomiendan electrodos de tungsteno microhilo para este protocolo. Debe hacerse Elección de paralítico y sedante para inmovilizar de manera efectiva el animal y reducir los efectos supresores de ciertos sedantes en señal de nivel de sangre-oxígeno-dependiente (negrita). Por último, es crítico para mantener al animal en parámetros fisiológicos óptimos, incluyendo la temperatura corporal y la saturación de oxígeno.
El protocolo que hemos desarrollado para el DBS-FMRI supera muchos de estos posibles obstáculos, y en nuestras manos, proporciona resultados fiables y consistentes. Además, estos procedimientos experimentales se pueden adoptar fácilmente para la combinación de resonancia magnética funcional con métodos de estimulación alternativas, incluyendo la estimulación optogenético.
Protocol
Representative Results
Discussion
Simultánea DBS y fMRI representa un conjunto de herramientas experimental prometedora para la identificación y caracterización de las respuestas posteriores a la estimulación mundiales circuito neural, in vivo. La principal ventaja de esta técnica sobre otras herramientas disponibles, tales como grabaciones electrofisiológicas, se encuentra en la naturaleza relativamente no sesgada de la fMRI, por el que un área grande y diverso de tejido cerebral se puede examinar para la capacidad de respuesta a DBS a …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos Shaili Jha y Heather Decot para obtener ayuda con la filmación.
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) |
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