La stimolazione cerebrale profonda con simultanea fMRI in Roditori
Summary
Questo protocollo descrive un metodo standard per la simultanea risonanza magnetica funzionale e la stimolazione cerebrale profonda nei roditori. L'uso combinato di questi strumenti sperimentali consente l'esplorazione di attività downstream globale in risposta alla stimolazione elettrica a qualsiasi bersaglio cervello.
Abstract
Per visualizzare le risposte neuronali globali e valle a stimolazione cerebrale profonda (DBS) a vari obiettivi, abbiamo sviluppato un protocollo per l'utilizzo del livello di ossigeno nel sangue dipendente (BOLD), la risonanza magnetica funzionale (fMRI) per roditori di immagine con simultanea DBS. DBS fMRI presenta una serie di sfide tecniche, tra cui la precisione di elettrodi impianto, MR artefatti creati dalla elettrodo, scelta dell'anestesia e paralitico per ridurre al minimo gli effetti neuronali e contemporaneamente eliminando il movimento degli animali, e il mantenimento di parametri fisiologici, deviazione da cui è possibile confondere la segnale BOLD. Il nostro laboratorio ha sviluppato una serie di procedure che sono in grado di superare la maggior parte di questi possibili problemi. Per la stimolazione elettrica, viene utilizzato un tungsteno bipolare microelettrodo casalingo, stereotactically inserito nel sito di stimolazione nel soggetto anestetizzato. In preparazione per l'imaging, i roditori sono fissati su un copricapo di plastica etrasferito al foro del magnete. Per la sedazione e paralisi durante la scansione, un cocktail di dexmedetomidina e pancuronio è continuamente infuso, insieme a una dose minima di isoflurano; questa preparazione minimizza l'effetto massimale BOLD degli anestetici volatili. In questo esperimento esempio, la stimolazione del nucleo subtalamico (STN) produce risposte BOLD che si osservano soprattutto nelle regioni corticali omolaterali, centrato in corteccia motoria. Simultanea DBS e fMRI permette la modulazione univoca dei circuiti neurali dipende dalla posizione di stimolazione e parametri di stimolazione, e permette l'osservazione di modulazioni neuronali gratuitamente polarizzazione regionale. Questa tecnica può essere utilizzata per esplorare gli effetti a valle di modulazione circuiti neurali in quasi ogni regione del cervello, con implicazioni sia sperimentale e clinica DBS.
Introduction
Determinare gli effetti a valle globali delle attività del circuito neurale rappresenta una sfida importante e obiettivo per molte aree dei sistemi neuroscienze. Una scarsità di strumenti attualmente disponibili che soddisfano questa esigenza, e quindi vi è una richiesta di maggiore accessibilità delle opportune configurazioni sperimentali. Uno di questi metodi per valutare l'effetto globale di attivazione circuito neurale si basa sull'applicazione simultanea di profonda stimolazione elettrica del cervello (DBS) e risonanza magnetica funzionale (fMRI). DBS-fMRI permette l'individuazione di risposte a valle all'attivazione circuito su larga scala spaziale, e può essere applicato a qualsiasi bersaglio stimolazione. Questo set di strumenti è molto adatto per studi preclinici traslazionali, compresa la caratterizzazione delle risposte alla stimolazione ad alta frequenza terapeutico.
Oltre a accesso ad uno scanner adatto MRI, successo esperimenti DBS-fMRI richiedono considerazione di una serie di variables, compreso il tipo di elettrodo, metodo sedazione, e la manutenzione dei parametri fisiologici. Ad esempio, la scelta dell'elettrodo dovrebbe essere basata su fattori relativi alla stimolazione efficacia (ad es. Dimensioni piombo e conduttanza, mono-vs bipolare), così come la compatibilità MR ed elettrodo formato manufatto. Artefatti elettrodi variano in funzione del materiale dell'elettrodo e dimensioni, così come la sequenza di scansione utilizzata; approfondita test pre-sperimentale dovrebbe essere impiegato per determinare il tipo di elettrodo appropriato per ciascuno studio. In generale, gli elettrodi di tungsteno Microconduttori sono raccomandati per questo protocollo. Scelta di paralitica e sedativo dovrebbe essere fatto per immobilizzare efficacemente l'animale e ridurre gli effetti soppressivi di alcuni sedativi sul segnale di livello di ossigeno nel sangue-dipendente (BOLD). Infine, è fondamentale per mantenere l'animale a parametri fisiologici ottimale, inclusa la temperatura corporea e la saturazione di ossigeno.
Il protocollo che abbiamo sviluppato per la DBS-FMRI supera molti di questi potenziali ostacoli, e nelle nostre mani, fornisce risultati robusti e coerenti. Inoltre, queste procedure sperimentali possono essere facilmente adottati per la combinazione di fMRI con metodi di stimolazione alternativi, tra cui la stimolazione optogenetic.
Protocol
Representative Results
Discussion
Simultanea DBS e fMRI rappresenta un toolkit sperimentale promettente per l'identificazione e la caratterizzazione delle risposte globali a valle alla stimolazione circuito neurale, in vivo. Il principale vantaggio di questa tecnica rispetto ad altri strumenti disponibili, come le registrazioni elettrofisiologiche, risiede nella natura relativamente imparziale di fMRI, per cui una vasta e diversificata area di tessuto cerebrale può essere esaminato per tempi di risposta di DBS in qualsiasi bersaglio. Sebbe…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ringraziamo Shaili Jha e Heather Decot per l'assistenza con le riprese.
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) |
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