Dyp hjernestimulering med Simultaneous fMRI i Gnagere
Summary
Denne protokollen beskriver en standard metode for samtidig funksjonell magnetisk resonans imaging og dyp hjernestimulering i gnager. Den kombinerte bruk av disse eksperimentelle verktøy gjør det mulig for utforskning av global nedstrøms aktivitet som reaksjon på elektrisk stimulering i praktisk talt alle hjerne målet.
Abstract
For å visualisere de globale og nedstrøms nevrale responser til dyp hjernestimulering (DBS) på ulike mål, har vi utviklet en protokoll for bruk av blod oksygen nivå avhengig (BOLD) funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI) til bilde gnagere med samtidig DBS. DBS fMRI presenterer en rekke tekniske utfordringer, inkludert nøyaktigheten av elektrode implantasjon, MR gjenstander skapt av elektroden, valg av anestesi og lamme til å minimalisere eventuelle nevrale effekter samtidig eliminere dyr bevegelse, og vedlikehold av fysiologiske parametre, avvik fra noe som kan forvirre BOLD signal. Vårt laboratorium har utviklet et sett med prosedyrer som er i stand til å overvinne de fleste av disse mulige problemer. For elektrisk stimulering, er en hjemmelaget wolfram bipolar microelectrode brukes, settes stereotactically ved stimulering stedet i bedøvet faget. I forberedelsene til bildebehandling, er gnagere fast på en plast headpiece ogoverføres til magneten boringen. For sedasjon og lammelser under skanning, er en cocktail av deksmedetomidin og pancuronium kontinuerlig tilført, sammen med en minimal dose av isofluran, dette preparatet minimerer BOLD taket effekten av flyktige anestetika. I dette eksempelet eksperiment, stimulering av subthalamic nucleus (STN) produserer BOLD responser som er observert hovedsakelig i ipsilaterale kortikale regioner, sentrert i motor cortex. Samtidig DBS og fMRI tillater entydig modulering av nevrale kretser avhengig av stimulering beliggenhet og stimuleringsparametere, og tillater observasjon av nevrale modulasjoner gratis av regional skjevhet. Denne teknikken kan brukes til å utforske de nedstrøms effekter av modulerende nevrale kretser i nesten hvilken som helst hjernen regionen, med implikasjoner for både eksperimentelt og klinisk DBS.
Introduction
Bestemme de globale nedstrøms effekter av nevral krets aktivitet representerer en stor utfordring og mål for mange områder av systemer nevrovitenskap. Et sparsomt med verktøy er for tiden tilgjengelig som møter dette behovet, og det er dermed et behov for økt tilgjengelighet av de aktuelle forsøksoppsett. En slik metode for å vurdere den globale konsekvens av nevral krets aktivering avhengig av samtidig anvendelse av dyp hjerne elektrisk stimulering (DBS) og funksjonell MR (fMRI). DBS-fmri muliggjør påvisning av nedstrøms responser på krets aktivering på en stor romlig skala, og kan anvendes på nesten alle stimulering målet. Dette verktøysettet er svært egnet for translasjonsforskning prekliniske studier, blant annet karakterisering av tiltak mot terapeutisk høyfrekvent stimulering.
I tillegg til å få tilgang til en egnet MR-skanner, vellykkede DBS-fMRI eksperimenter kreve hensyntagen til et antall variables, blant annet elektrodetypen, sedasjon metoden, og opprettholdelse av fysiologiske parametre. For eksempel bør elektrode valget være basert på faktorer knyttet til stimulerings effekt (f.eks. Bly størrelse og konduktans, mono-vs bipolar), så vel som MR-kompatibilitet og elektrode gjenstand størrelse. Elektrode gjenstander varierer med elektrodemateriale og størrelse, så vel som den skannesekvens benyttes; grundig før eksperimentell testing skal benyttes for å bestemme den riktige elektrodetype for hver undersøkelse. Generelt er wolfram Micro elektroder anbefales for denne protokollen. Valg av lamme-og beroligende bør gjøres for å effektivt immobilisere dyret og redusere de undertrykkende effekter av visse beroligende midler på blod-oksygen-nivå avhengig (BOLD) signal. Endelig er det viktig å holde dyret på optimale fysiologiske parametere, inkludert kroppstemperatur, og oksygenmetning.
Protokollen som vi har utviklet for DBS-FMRI overvinner mange av disse potensielle hindringer, og i våre hender, gir robuste og konsistente resultater. I tillegg kan disse eksperimentelle prosedyrer lett kan vedtas for kombinasjonen av fmri med alternative stimuleringsmetoder, inkludert optogenetic stimulering.
Protocol
Representative Results
Discussion
Samtidig DBS og fmri representerer en lovende eksperimentell verktøykasse for identifikasjon og karakterisering av de globale nedstrøms responser på nevrale krets stimulering in vivo. Den store fordelen med denne teknikken over andre tilgjengelige verktøy, for eksempel elektrofysiologiske opptak, ligger i den relativt objektiv natur fMRI, der et stort og mangfoldig område av hjernevev kan undersøkes for respons til DBS på noen mål. Selv om den beskrevne protokoll er spesifikk for DBS-fmri i rotte, neuro…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker Shaili Jha og Heather Decot for hjelp med filming.
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) |
Riferimenti
- 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).
