深部脑刺激与同步功能磁共振成像在鼠害
Summary
本协议描述为同步功能磁共振成像和深部脑刺激在啮齿动物的标准方法。这些实验工具的结合使用使得全球下游业务的探索响应电刺激在几乎所有的大脑目标。
Abstract
为了形象化全球和下游神经元对脑深部电刺激（DBS）在不同的目标，我们已经开发了一个协议，用于使用血氧水平依赖（BOLD）的功能磁共振成像（fMRI）与星展同时啮齿动物形象。星展功能磁共振成像提出了一些技术挑战，包括电极植入的准确性，由电极，选择麻醉和麻痹的创建，以尽量减少任何神经元的影响，同时消除了动物的运动，并维持生理参数的MR文物，偏离它可以混淆BOLD信号。我们实验室已经开发出一套能够克服大多数这些可能出现的问题的程序。对于电刺激，一个自制的双极钨微电极时，在刺激部位在麻醉学科插入立体定位。在准备成像，老鼠被固定在一个塑料头盔和转移到磁铁孔。扫描时镇静和麻痹，右美托咪和泮库溴铵的鸡尾酒不断注入，随着异氟醚的最小剂量，这最大限度地减少准备挥发性麻醉药的BOLD天花板效应。在这个例子中实验，丘脑底核（STN）的刺激产生这是在同侧皮层区域主要是观察集中在运动皮层BOLD信号。同时DBS和功能磁共振成像允许的神经回路的调制明确依赖于刺激位置和刺激参数，并允许自由观察区域偏见的神经调制的。这种技术可以用来探索在几乎任何脑区的神经调制电路的下游效应，对实验和临床DBS影响。
Introduction
确定神经回路活动的全球下游效应代表了系统神经科学许多领域的一个重大挑战和目标。工具贫乏当前可用以满足这种需要，并因此存在于相应的实验设置的提高可访问性的要求。一种这样的方法，用于评估神经电路激活的全局结果依赖于同时应用脑深部电刺激（DBS）和功能性磁共振成像（fMRI）。 DBS-fMRI的允许的下游响应于一个空间尺度大电路激活的检测，并且可以在几乎任何刺激靶被应用。这个工具是非常适合平移临床前研究，包括反应治疗高频率的刺激表征。
除了获得合适的MRI扫描仪，成功DBS-fMRI的实验需要考虑许多variabl的ES，包括电极类型，镇静方法和维护生理参数。例如，电极的选择应基于与刺激功效（ 例如 ，引线尺寸和电导，单-与双极性），以及MR兼容性和电极的工件尺寸的因素。电极工件根据电极的材料和尺寸，以及所使用的扫描序列有所不同;彻底预实验测试应采用确定每个研究合适的电极类型。一般情况下，钨电极微丝推荐此协议。麻痹和镇静药的选择应以有效地固定在动物和减少某些镇静剂对血氧水平依赖（BOLD）信号的抑制效果。最后，重要的是维持动物在最佳的生理参数，包括体温和血氧饱和度。
我们已经开发了星展银行的协议- 功能磁共振成像克服了这些潜在的障碍，并在我们的手中，可以提供强大且一致的结果。此外，这些实验程序可以很容易地采用功能磁共振成像与另类的刺激方法，包括光遗传学刺激的组合。
Protocol
Representative Results
Discussion
同时DBS和功能磁共振成像是一个有希望的实验工具包的全球下游反应，神经回路刺激的识别和表征， 在体内 。这种技术比其它可用的工具，如电生理记录的主要优点在于，功能磁共振成像，由此大量不同区域的脑组织可在任何靶检查其响应于DBS的相对中立性质。虽然所描述的协议是专用于DBS-fMRI的大鼠，DBS响应的神经影像也已成功地在其他模式生物，包括猪6进行。
<p class="jove_c…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
我们感谢Shaili桑杰·贾和希瑟Decot与拍摄服务。
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).
