げっ歯類での同時のfMRIと脳深部刺激
Summary
このプロトコルは、齧歯類における同時機能的磁気共鳴画像法及び深部脳刺激のための標準的な方法を記載している。これらの実験のツールを併用することは事実上すべての脳のターゲットに電気的刺激に反応して世界的な下流の活動の探査が可能になります。
Abstract
様々なターゲットに深部脳刺激（DBS）、グローバルおよび下流のニューロンの応答を可視化するために、我々は、血中酸素レベル依存（BOLD）、機能的磁気共鳴画像法（fMRI）の同時DBSの画像げっ歯類にを使用するためのプロトコルを開発した。 DBSのfMRIは、電極注入の精度、電極によって作成されたMRアーチファクト、同時に動物の動きを排除し、任意のニューロンの影響を最小限に抑える麻酔および麻痺の選択、及び生理学的パラメータの維持を含む多くの技術的課題、交絡可能な偏差を示すBOLD信号。私たちの研究室では、これらの潜在的な問題のほとんどを解決することのできる一連の手順を開発しました。電気刺激のために、自家製のタングステンバイポーラ微小電極は、麻酔をかけた被験者において刺激部位に定位的に挿入され、使用されています。撮影準備のために、げっ歯類、プラスチックヘッドピースに固定されている磁石ボアに転送される。スキャン中の鎮静や麻痺のために、デクスメデトミジンおよびパンクロニウムのカクテルは、イソフルランの最小量と一緒に、継続的に注入される。この準備には、揮発性麻酔薬のBOLD天井効果を最小限に抑えます。この実験例では、視床下核（STN）の刺激は、運動野を中心に、同側皮質領域で主に観察されたBOLD応答を生成します。同時DBSとfMRIのは、刺激の位置と刺激パラメータに関する神経回路の明確な変調に依存でき、地域の偏りのない、神経変調の観察が可能。この技術は、実験的および臨床的DBSの双方に影響して、ほぼすべての脳領域において神経回路を調節する下流の効果を探索するために使用することができる。
Introduction
神経回路活動のグローバルな下流の効果を決定することは、システム神経科学の多くの分野の大きな課題と目標を表しています。ツールの不足は、このニーズを満たすことが現在利用可能であるので、適当な実験装置のアクセシビリティの向上が求められている。神経回路の活性化のグローバル結果を評価するためのこのような方法の一つは、脳深部電気刺激（DBS）の同時適用および機能的MRI（fMRIの）に依存している。 DBS-fMRIの空間は、大規模での回路活性化の下流応答の検出を可能にし、実質的に任意の刺激の標的に適用することができる。このツールセットは、治療の高頻度刺激に対する応答の特性評価を含め、翻訳前臨床試験のために非常に適している。
適切なMRIスキャナへのアクセスに加えて、成功したDBS-fMRIの実験はヴァリアブルの数を考慮する必要電極の種類、鎮静法、生理学的パラメータの維持を含むエス。例えば、電極の選択は刺激効力（ 例えばリードサイズとコンダクタンス、モノ対バイポーラ）のほか、MR互換性と電極アーティファクトサイズに関する要因に基づいている必要があります。電極アーチファクトは、電極材料およびサイズ、ならびに使用されるスキャン順序に応じて変化し、事前に十分な実験的試験は、各試験に適した電極タイプを決定するために使用されるべきである。一般的には、タングステンマイクロワイヤ電極は、このプロトコルをお勧めします。麻痺や鎮静の選択は、効果的に動物を固定化し、血液酸素レベル依存（BOLD）信号上の特定の鎮静剤の抑制効果を減少させるためになされるべきである。最後に、体温および酸素飽和度を含む最適な生理学的パラメータで動物を維持するために重要である。
私たちは、DBSのために開発したプロトコル-fMRIのは、これらの潜在的な障害の多くを克服し、私たちの手で、堅牢で一貫性のある結果を提供します。さらに、これらの実験手順を容易にoptogenetic刺激を含む代替的な刺激方法とのfMRIとの組み合わせを採用することができる。
Protocol
Representative Results
Discussion
同時DBSとfMRIのは、 生体内で神経回路の刺激に対するグローバル下流応答の同定および特徴のための有望な実験的なツールキットを表します。このような電気生理学的記録のような他の利用可能なツール、上のこの技術の主な利点は、脳組織の大規模で多様な領域を任意のターゲットでDBSに対する応答性を調べることができるのfMRIの比較的公平な自然の中にあります。記載されている?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
私たちは、撮影の支援のためにShaili JhaにとヘザーDecotに感謝します。
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).
