Deep Brain Stimulation med samtidig fMRI i Gnagare
Summary
Detta protokoll beskriver en standardmetod för samtidig funktionell magnetisk resonanstomografi och djup hjärnstimulering i gnagare. Den kombinerade användningen av dessa experimentella verktyg möjliggör utforskandet av globala nedströms aktivitet som svar på elektrisk stimulering vid praktiskt taget alla hjärn mål.
Abstract
För att visualisera de globala och nedströms neuronala svar på djup hjärnstimulering (DBS) vid olika mål, har vi utvecklat ett protokoll för att använda blodsyrenivå beroende (BOLD) funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) till bild gnagare med samtidig DBS. DBS fMRI presenterar en rad tekniska utmaningar, bland annat noggrannhet elektrod implantation, MR artefakter skapade av elektroden, val av anestesi och paralytisk för att minimera eventuella neuronala effekter samtidigt eliminera djurs rörelse, och underhåll av fysiologiska parametrar, avvikelse som kan förbrylla FET-signal. Vårt laboratorium har utvecklat en rad förfaranden som kan övervinna de flesta av dessa möjliga problem. För elektrisk stimulering, är en hemmagjord volfram bipolär mikroelektrod används, insatt stereotaktiskt vid stimulering plats i sövd ämnet. Som förberedelse för avbildning, är gnagare fast på en plastheadpiece ochöverförs till magnetöppningen. För sedering och förlamning under avsökning är en cocktail av dexmedetomidin och pankuronium kontinuerligt infunderas tillsammans med en minimal dos av isofluran; denna beredning minimerar BOLD taket effekten av flyktiga anestetika. I detta exempel experiment, producerar stimulering av subthalamic kärnan (STN) BOLD reaktioner som främst observeras i ipsilaterala kortikala regioner, centrerad i motor cortex. Samtidig DBS och fMRI medger entydig modulering av nervbanor beroende av stimulans plats och stimuleringsparametrar och möjliggör observation av neuronala module gratis för regional partiskhet. Denna teknik kan användas för att utforska de efterföljande effekterna av modulerande neurala kretsar på nästan alla hjärnregionen, med konsekvenser för både experimentell och klinisk DBS.
Introduction
Fastställande av globala nedströms effekterna av neural krets aktivitet är en stor utmaning och mål för många områden av system neurovetenskap. En brist på verktyg som finns tillgängliga att tillgodose detta behov, och därför finns det ett behov av ökad tillgänglighet av lämpliga experimentella uppställningar. En sådan metod för att utvärdera den globala konsekvens av neural krets aktivering beroende av samtidig tillämpning av djup hjärn elektrisk stimulering (DBS) och funktionell MRI (fMRI). DBS-fMRI möjliggör detektion av svaren nedströms till krets aktivering på en stor rumslig skala, och kan tillämpas på praktiskt taget alla stimuleringsmålet. Denna verktygslåda är mycket lämplig för translation prekliniska studier, bland annat karakterisering av svaren på terapeutisk högfrekvent stimulering.
Förutom tillgång till en lämplig magnetkamera, framgångsrika DBS-fMRI experiment kräver övervägande av ett antal variables, inklusive elektrod typ, sedering metod, och underhåll av fysiologiska parametrar. Till exempel bör elektrod val baseras på faktorer som rör stimulans effekt (t ex. Bly storlek och konduktans, mono-vs bipolär), samt MR-kompatibilitet och elektrod artefakt storlek. Elektrod artefakter varierar beroende på elektrodmaterial och storlek, samt skanningssekvensen används, noggrann pre-experimentella undersökningar bör användas för att fastställa lämplig elektrodtypen för varje studie. I allmänhet är volfram Microwire elektroder rekommenderas för detta protokoll. Val av paralytisk och sedativa bör göras för att effektivt immobilisera djuret och minska de suppressiva effekterna av vissa lugnande medel om blod-syrenivåberoende signal (fetstil). Slutligen är det viktigt att behålla djuret vid optimala fysiologiska parametrar, inklusive kroppstemperatur och syremättnad.
Det protokoll som vi har utvecklat för DBS-FMRI vinner många av dessa potentiella hinder, och i våra händer, ger robusta och konsekventa resultat. Dessutom kan dessa experimentella förfaranden lätt antas för kombinationen av fMRI med alternativa stimuleringsmetoder, inklusive optogenetic stimulering.
Protocol
Representative Results
Discussion
Samtidig DBS och fMRI representerar en lovande experimentell verktygslåda för identifiering och karakterisering av globala lösningar nedströms till neural krets stimulering, in vivo. Den stora fördelen med denna teknik jämfört med andra tillgängliga verktyg, såsom elektrofysiologiska inspelningar, ligger i den relativt opartisk natur fMRI, där kan undersökas för lyhördhet för DBS vara ett stort och varierat område av hjärnvävnad vid varje mål. Även om den beskrivna protokollet är specifikt f…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi tackar Shaili Jha och Heather Decot för hjälp med filmning.
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).
