Functionele magnetische resonantie spectroscopie op 7 T in de Rat vat Cortex tijdens de Whisker activering
Summary
Nadat u hebt gecontroleerd door bloed-zuurstof-niveau-afhankelijke functionele magnetische resonantie imaging (fMRI vet) thats het overeenkomstige vat Somatosensorische cortex gebied (genoemd S1BF) correct geactiveerd, de belangrijkste doel van deze studie is te kwantificeren lactaat inhoud schommelingen in de hersenen geactiveerd rat door gelokaliseerde proton magnetische resonantie spectroscopie (1H-mevrouw) bij 7 T.
Abstract
Nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie biedt de mogelijkheid voor het meten van cerebrale metaboliet inhoud in vivo en noninvasively. Dankzij de technologische ontwikkelingen van het afgelopen decennium en de stijging van de magnetische veldsterkte is het nu mogelijk om goede resolutie spectra in vivo in de rat hersenen. Neuroenergetics (dat wil zeggen, de studie van het metabolisme van de hersenen) en, vooral, metabole interacties tussen de verschillende soorten cellen hebben steeds meer belangstelling in de afgelopen jaren aangetrokken. Onder deze metabole interacties, is het bestaan van een lactaat shuttle tussen neuronen en astrocyten nog besproken. Het is dus van groot belang voor het uitvoeren van functionele proton magnetische resonantie spectroscopie (1H-mevrouw) in het model van een rat van hersenen activering en monitor lactaat. Echter, de methyl lactaat piek overlapt lipide resonantie pieken en is moeilijk te kwantificeren. Het protocol hieronder beschreven staat metabole en lactaat schommelingen te worden gevolgd in een gebied van de hersenen geactiveerd. Cerebrale activering wordt verkregen door friemeltje stimulatie en 1H-mevrouw wordt uitgevoerd in de overeenkomstige cortex geactiveerd vat, wiens gebied wordt gedetecteerd met behulp van bloed-zuurstof-niveau-afhankelijke functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI vet). Alle stappen worden volledig beschreven: de keuze van anesthetica, spoelen en sequenties, bereiken van efficiënte friemeltje stimulatie rechtstreeks in de magneet, en verwerking van gegevens.
Introduction
De hersenen bezit intrinsieke mechanismen waarmee de regulering van zijn grote substraat (d.w.z., glucose), zowel voor haar bijdrage en haar gebruik, afhankelijk van de variaties in plaatselijke cerebrale activiteit. Hoewel glucose de voornaamste energie-substraat voor de hersenen is, hebben experimenten uitgevoerd in de afgelopen jaren aangetoond dat lactaat, die wordt geproduceerd door de astrocyten, zou een substraat van de energie-efficiëntie voor de neuronen. Dit roept de hypothese van een lactaat shuttle tussen astrocyten en neuronen1. Bekend als ANLS, voor Astrocyt-neuron lactaat shuttle2, de theorie is nog steeds zeer besproken maar heeft geleid tot het voorstel dat glucose, in plaats van te gaan rechtstreeks in neuronen, kan het invoeren van de astrocyten, waar het wordt gemetaboliseerd in lactaat, een metaboliet die is , vervolgens overgebracht naar de neuronen, die het gebruiken als substraat van de energie-efficiëntie. Als dergelijke een shuttle in vivobestaat, zou hebben verscheidene belangrijke gevolgen, zowel voor het begrijpen van basistechnieken in functionele cerebrale beeldvorming (positron emissie tomografie [PET]) en voor het ontcijferen van de metabole wijzigingen waargenomen in de hersenen pathologieën.
Om te studeren van de stofwisseling van de hersenen en, vooral, metabole interacties tussen neuronen en astrocyten, vier voornaamste technieken beschikbaar zijn (niet met inbegrip van micro-/ nanosensors): autoradiografie, PET, twee-foton fluorescerende confocale microscopie, en MEVR. Autoradiografie was een van de eerste voorgestelde methoden en levert beelden van de regionale cumulatie van radioactieve 14C-2-deoxyglucose in plakjes van de hersenen, terwijl PET opbrengsten in vivo afbeeldingen van de regionale opname van radioactieve 18 F-deoxyglucose. Beiden hebben het nadeel van het gebruik van irradiative moleculen terwijl de productie van lage-ruimtelijke resolutiebeelden. Twee-foton microscopie cellulaire cijferreeks van fluorescerende sondes, maar lichtverstrooiing door weefsel beperkt de imaging diepte. Deze drie technieken hebben eerder is gebruikt om te neuroenergetics in knaagdieren studeren tijdens friemeltje stimulatie3,4,5,6. In vivo MRS heeft het dubbele voordeel dat noninvasive en nonradioactive, en elke hersenstructuur kan worden verkend. MRS kan bovendien worden uitgevoerd tijdens de neuronale activering, een techniek genaamd functionele MRS (fMRS), die zeer onlangs in knaagdieren7heeft ontwikkeld. Dus, een protocol bij het controleren van de stofwisseling van de hersenen tijdens de cerebrale activiteit door 1H-mevrouw in vivo en noninvasively wordt voorgesteld. De procedure is beschreven in volwassen gezonde ratten met hersenen activering verkregen door een lucht-bladerdeeg friemeltje stimulatie uitgevoerd direct in een 7 T magnetische resonantie (MR) imager maar kan worden aangepast in genetisch gemodificeerde dieren, alsmede in een pathologische aandoening .
Protocol
Representative Results
Discussion
De vat cortex, ook wel genoemd S1BF voor de Somatosensorische cortex of vat veld, is een regio binnen de corticale laag IV die kan worden waargenomen met behulp van cytochroom c oxidase kleuring9, en de organisatie is bekend sinds het grotendeels beschreven 10,11. Een vibrissa is verbonden met één vat, waarop ongeveer 19.000 neuronen zijn georganiseerd in een kolom12. De Bakkebaard-naar-vat cortex-traject heeft ve…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door de subsidie LabEx TRAIL referentie ANR-10-LABX-57, en een Frans-Zwitsers ANR-FNS verlenen referentie ANR-15-CE37-0012. De auteurs bedanken Aurélien Trotier voor zijn technische ondersteuning.
Materials
| 0.5 mL syringe with needle | Becton, Dickinson and Company, USA | 2020-10 | 0.33 mm (29 G) x 12.7 mm |
| 1H spectroscopy surface coil | Bruker, Ettlingen, Germany | T116344 | |
| 7T Bruker Biospec system | Bruker, Ettlingen, Germany | 70/20 USR | |
| Arduino Uno based pulsing device | custom made | ||
| Atipamezole | Vétoquinol, S.A., France | V8335602 | Antisedan, 4.28 mg |
| Breathing mask | custom made | ||
| Eye ointment | TVM laboratoire, France | 40365 | Ocry gel 10 g |
| Induction chamber | custom made | 30x17x15 cm | |
| Inlet flexible pipe | Gardena, Germany | 1348-20 | 4.6-mm diameter, 3m long |
| Isoflurane pump, Model 100 series vaporizer, classic T3 | Surgivet, Harvard Apparatus | WWV90TT | from OH 43017, U.S.A |
| Isoflurane, liquid for inhalation | Vertflurane, Virbac, France | QN01AB06 | 1000 mg/mL |
| KD Scientific syringe pump | KD sientific, Holliston, USA | Legato 110 | |
| LCModel software | LCModel Inc., Ontario, Canada | 6.2 | |
| Medetomidine hydrochloride | Vétoquinol, S.A., France | QN05CM91 | Domitor, 1 mg/mL |
| Micropore roll of adhesive plaster | 3M micropore, Minnesota, United States | MI912 | |
| Micropore roll of adhesive plaster | 3M micropore, Minnesota, United States | MI925 | |
| Monitoring system of physiologic parameter | SA Instruments, Inc, Stony Brook, NY, USA | Model 1025 | |
| NaCl | Fresenius Kabi, Germany | B05XA03 | 0.9 % 250 mL |
| Outlet flexible pipe | Gardena, Germany | 1348-20 | 4.6-mm diameter, 4m long |
| Paravision software | Bruker, Ettlingen, Germany | 6.0.1 | |
| Peripheral intravenous catheter | Terumo, Shibuya, Tokyo, Japon | SP500930S | 22 G x 1", 0.85×25 mm, 35 mL/min |
| Rat head coil | Bruker, Ettlingen, Germany | ||
| Sodic heparin, injectable solution | Choai, Sanofi, Paris, France | B01AB01 | 5000 IU/mL |
| Solenoid control valves, plunger valve 2/2 way direct-acting | Burkert, Germany | 3099939 | Model type 6013 |
| Terumo 2 ml syringe | Terumo, Shibuya, Tokyo, Japon | SY243 | with 21 g x 5/8" needle |
| Terumo 5 mL syringe | Terumo, Shibuya, Tokyo, Japon | 05SE1 | |
| Wistar RJ-Han rats | Janvier Laboratories, France |
Riferimenti
- Pellerin, L., et al. Activity-dependent regulation of energy metabolism by astrocytes: an update. Glia. 55, 1251-1262 (2007).
- Pellerin, L., Magistretti, P. J. Glutamate uptake into astrocytes stimulates aerobic glycolysis: a mechanism coupling neuronal activity to glucose utilization. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 91, 10625-10629 (1994).
- Cholet, N., et al. Local injection of antisense oligonucleotides targeted to the glial glutamate transporter GLAST decreases the metabolic response to somatosensory activation. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 21, 404-412 (2001).
- Voutsinos-Porche, B., et al. Glial Glutamate Transporters Mediate a Functional Metabolic Crosstalk between Neurons and Astrocytes in the Mouse Developing Cortex. Neuron. 37, 275-286 (2003).
- Zimmer, E. R., et al. [18F]FDG PET signal is driven by astroglial glutamate transport. Nature Neuroscience. 20 (3), 393-395 (2017).
- Haiss, F., et al. Improved in vivo two-photon imaging after blood replacement by perfluorocarbon. The Journal of Physiology. , (2009).
- Mullins, P. G. Towards a theory of functional magnetic resonance spectroscopy (fMRS): A meta-analysis and discussion of using MRS to measure changes in neurotransmitters in real time. Scandinvian Journal of Psychology. 59, 91-103 (2018).
- Wong-Riley, M. T., Welt, C. Histochemical changes in cytochrome oxidase of cortical barrels after vibrissal removal in neonatal and adult mice. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 77, 2333-2337 (1980).
- Petersen, C. C. The functional organization of the barrel cortex. Neuron. 56, 339-355 (2007).
- Cox, S. B., Woolsey, T. A., Rovainen, C. M. Localized dynamic changes in cortical blood flow with whisker stimulation corresponds to matched vascular and neuronal architecture of rat barrels. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 13, 899-913 (1993).
- Feldmeyer, D. Excitatory neuronal connectivity in the barrel cortex. Frontiers in Neuroanatomy. 6, 24 (2012).
- Boussida, S., Traore, A. S., Durif, F. Mapping of the brain hemodynamic responses to sensorimotor stimulation in a rodent model: A BOLD fMRI study. PLoS One. 12, e0176512 (2017).
- Heinke, W., Koelsch, S. The effects of anesthetics on brain activity and cognitive function. Current Opinion in Anesthesiology. 18, 625-631 (2005).
- Horn, T., Klein, J. Lactate levels in the brain are elevated upon exposure to volatile anesthetics: a microdialysis study. Neurochemistry International. 57, 940-947 (2010).
- Boretius, S., et al. Halogenated volatile anesthetics alter brain metabolism as revealed by proton magnetic resonance spectroscopy of mice in vivo. Neuroimage. 69, 244-255 (2013).
- Sinclair, M. D. A review of the physiological effects of alpha2-agonists related to the clinical use of medetomidine in small animal practice. Canadian Veterinary Journal. 44, 885-897 (2003).
- Weber, R., et al. A fully noninvasive and robust experimental protocol for longitudinal fMRI studies in the rat. Neuroimage. 29, 1303-1310 (2006).
- Hartmann, M. J., Johnson, N. J., Towal, R. B., Assad, C. Mechanical characteristics of rat vibrissae: resonant frequencies and damping in isolated whiskers and in the awake behaving animal. The Journal of Neuroscience. 23, 6510-6519 (2003).
- Prichard, J., et al. Lactate rise detected by 1H NMR in human visual cortex during physiologic stimulation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 88, 5829-5831 (1991).
- Sappey-Marinier, D., et al. Effect of photic stimulation on human visual cortex lactate and phosphates using 1H and 31P magnetic resonance spectroscopy. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 12, 584-592 (1992).
- Mazuel, L., et al. A neuronal MCT2 knockdown in the rat somatosensory cortex reduces both the NMR lactate signal and the BOLD response during whisker stimulation. PLoS One. 12, e0174990 (2017).
- Castellano, G., et al. NAA and NAAG variation in neuronal activation during visual stimulation. Brazilian Journal of Medical and Biological Research. 45, 1031-1036 (2012).
- Sarchielli, P., et al. Functional 1H-MRS findings in migraine patients with and without aura assessed interictally. Neuroimage. 24, 1025-1031 (2005).
- Baslow, M. H., Hrabe, J., Guilfoyle, D. N. Dynamic relationship between neurostimulation and N-acetylaspartate metabolism in the human visual cortex: evidence that NAA functions as a molecular water pump during visual stimulation. Journal of Molecular Neuroscience. 32, 235-245 (2007).
- Mangia, S., Tkac, I. Dynamic relationship between neurostimulation and N-acetylaspartate metabolism in the human visual cortex: evidence that NAA functions as a molecular water pump during visual stimulation. Journal of Molecular Neuroscience. 35, 245-248 (2008).
- Baslow, M. H., Hrabal, R., Guilfoyle, D. N. Response of the authors to the Letter by Silvia Mangia and Ivan Tkac. Journal of Molecular Neuroscience. 35, 247-248 (2008).
- Barros, L. F., Weber, B. CrossTalk proposal: an important astrocyte-to-neuron lactate shuttle couples neuronal activity to glucose utilisation in the brain. The Journal of Physiology. 596, 347-350 (2018).
- Bak, L. K., Walls, A. B. CrossTalk opposing view: lack of evidence supporting an astrocyte-to-neuron lactate shuttle coupling neuronal activity to glucose utilisation in the brain. The Journal of Physiology. 596, 351-353 (2018).
