Deep Brain Stimulation met gelijktijdige fMRI in Knaagdieren
Summary
Dit protocol beschrijft een standaard methode voor gelijktijdige functionele magnetische resonantie imaging en diepe hersenstimulatie bij de knaagdieren. Het gecombineerde gebruik van deze experimentele instrumenten maakt de exploratie van wereldwijde downstream activiteit in antwoord op elektrische stimulatie vrijwel elk doel hersenen.
Abstract
Om de mondiale en downstream neuronale reacties op deep brain stimulation (DBS) op verschillende doelen te visualiseren, hebben we een protocol voor het gebruik van bloed zuurstof niveau afhankelijk (BOLD) functionele magnetische resonantie imaging (fMRI) om de afbeelding knaagdieren met gelijktijdige DBS ontwikkeld. DBS fMRI presenteert een aantal technische uitdagingen, zoals de nauwkeurigheid van de elektrode implantatie, MR artefacten die door de elektrode, de keuze van anesthesie en verlamde aan een neuronale effecten te minimaliseren en tegelijkertijd het elimineren van dierlijke beweging, en het onderhoud van fysiologische parameters, afwijking van die kan verwarren de BOLD signaal. Ons laboratorium heeft een reeks procedures die in staat zijn het overwinnen van de meeste van deze mogelijke problemen zijn ontwikkeld. Voor elektrische stimulatie wordt een zelfgemaakte wolfraam bipolaire micro-elektrode gebruikt, stereotactisch ingevoegd op de stimulatieplaats in de verdoofde onderwerp. Ter voorbereiding voor de beeldvorming, zijn knaagdieren bevestigd op een plastic hoofddeksel enovergedragen aan de magneet boring. Voor sedatie en verlamming tijdens het scannen, wordt een cocktail van dexmedetomidine en pancuronium continu toegediend, samen met een minimale dosis van isofluraan, dit preparaat minimaliseert het BOLD plafondeffect vluchtige anesthetica. In dit voorbeeld experiment, stimulatie van de nucleus subthalamicus (STN) produceert BOLD reacties die voornamelijk waargenomen in ipsilaterale corticale gebieden, gecentreerd in motorische cortex. Gelijktijdig DBS en fMRI maakt de ondubbelzinnige modulatie van neurale circuits afhankelijk van stimulatie locatie en stimulatie parameters, en maakt observatie van neuronale modulaties gratis regionale vooringenomenheid. Deze techniek kan worden gebruikt om de stroomafwaartse effecten moduleren neurale circuits op bijna elk hersengebied bekijken, gevolgen voor zowel experimentele als klinische DBS.
Introduction
Het bepalen van de wereldwijde downstream effecten van neurale circuit activiteit vormt een grote uitdaging en het doel voor veel gebieden van systemen neurowetenschappen. Een gebrek aan tools beschikbaar die voldoen aan deze behoefte, en daarom is er een vraag naar een grotere toegankelijkheid van de juiste experimentele opstellingen. Een dergelijke werkwijze voor evaluatie van de globale gevolg van neurale circuit activering berust op de gelijktijdige toepassing van deep brain elektrische stimulatie (DBS) en functionele MRI (fMRI). DBS-fMRI maakt de detectie van stroomafwaartse reacties op circuit activering op grote ruimtelijke schaal, en kan vrijwel elke stimulatie doel worden toegepast. Deze toolset is zeer geschikt voor translationele preklinische studies, waaronder de karakterisering van reacties op therapeutische hoogfrequente stimulatie.
Naast toegang tot een geschikte MRI-scanner, succesvolle DBS-fMRI experimenten vereisen afweging van een aantal variables, waaronder elektrode, sedatie methode en onderhoud van fysiologische parameters. Bijvoorbeeld elektrode keuze moet worden gebaseerd op factoren met betrekking tot stimulatie werkzaamheid (bijv.. Lood grootte en geleiding, mono-versus bipolaire), en MR compatibiliteit elektrode artefact grootte. Electrode artefacten variëren elektrodemateriaal en de grootte, evenals de scansequentie gebruikt, grondig pre-experimentele tests moeten worden gebruikt om het juiste type elektrode voor elke studie te bepalen. In het algemeen worden wolfram elektroden Microwire aanbevolen voor dit protocol. Keuze van de lamme en sedativa moet worden gedaan om effectief te immobiliseren het dier en de onderdrukkende effecten van bepaalde sedativa op bloed-zuurstof-level-dependent (BOLD) signaal te verminderen. Tenslotte is het essentieel om het dier optimale fysiologische criteria zoals lichaamstemperatuur en zuurstofverzadiging handhaven.
Het protocol dat we hebben ontwikkeld voor DBS-FMRI overwint veel van deze mogelijke obstakels, en in onze handen, zorgt voor een robuuste en consistente resultaten. Bovendien kunnen deze experimentele procedures gemakkelijk worden vastgesteld voor de combinatie van fMRI alternatieve stimulatiemethoden, waaronder optogenetic stimulatie.
Protocol
Representative Results
Discussion
Gelijktijdig DBS en fMRI is een veelbelovende experimentele toolkit voor de identificatie en karakterisering van de wereldwijde downstream reacties op neurale circuit stimulatie, in vivo. Het grote voordeel van deze techniek andere beschikbare instrumenten, zoals elektrofysiologische opnames, ligt in de relatief onpartijdige aard van fMRI, waarbij een groot en divers gebied van hersenweefsel kan worden onderzocht op gevoeligheid voor DBS op een doel. Hoewel de beschreven protocol specifiek voor DBS-fMRI bij de …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij danken Shaili Jha en Heather Decot voor hulp bij het filmen.
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).
