In vivo Positronemissietomografie om activiteitspatronen te onthullen die worden geïnduceerd door diepe hersenstimulatie bij ratten
Summary
We beschrijven een preklinische experimentele methode om metabole neuromodulatie geïnduceerd door acute diepe hersenstimulatie met in vivo FDG-PET te evalueren. Dit manuscript bevat alle experimentele stappen, van stereotaxische chirurgie tot de toepassing van de stimulatiebehandeling en de verwerving, verwerking en analyse van PET-beelden.
Abstract
Diepe hersenstimulatie (DBS) is een invasieve neurochirurgische techniek gebaseerd op de toepassing van elektrische pulsen op hersenstructuren die betrokken zijn bij de pathofysiologie van de patiënt. Ondanks de lange geschiedenis van DBS blijven het werkingsmechanisme en de juiste protocollen onduidelijk, wat de noodzaak benadrukt van onderzoek dat gericht is op het oplossen van deze raadsels. In die zin is het evalueren van de in vivo effecten van DBS met behulp van functionele beeldvormingstechnieken een krachtige strategie om de impact van stimulatie op de hersendynamiek te bepalen. Hier wordt een experimenteel protocol voor preklinische modellen (Wistar-ratten), gecombineerd met een longitudinale studie [18F]-fluorodeoxyclucose positronemissietomografie (FDG-PET), beschreven om de acute gevolgen van DBS op het hersenmetabolisme te beoordelen. Ten eerste ondergingen dieren stereotactische chirurgie voor bilaterale implantatie van elektroden in de prefrontale cortex. Een postoperatieve computertomografie (CT) -scan van elk dier werd verkregen om de plaatsing van de elektrode te verifiëren. Na een week herstel werd een eerste statische FDG-PET van elk geopereerd dier zonder stimulatie (D1) verkregen en twee dagen later (D2) werd een tweede FDG-PET verkregen terwijl dieren werden gestimuleerd. Daarvoor werden de elektroden aangesloten op een geïsoleerde stimulator na toediening van FDG aan de dieren. Zo werden dieren gestimuleerd tijdens de FDG-opnameperiode (45 min), waarbij de acute effecten van DBS op het hersenmetabolisme werden geregistreerd. Gezien het verkennende karakter van deze studie, werden FDG-PET-beelden geanalyseerd door een voxel-wise benadering op basis van een gepaarde T-test tussen D1- en D2-studies. Over het algemeen maakt de combinatie van DBS- en beeldvormingsstudies het mogelijk om de neuromodulatiegevolgen op neurale netwerken te beschrijven, wat uiteindelijk helpt om de raadsels rond DBS te ontrafelen.
Introduction
De term neurostimulatie omvat een aantal verschillende technieken gericht op het stimuleren van het zenuwstelsel met een therapeutisch doel1. Onder hen valt diepe hersenstimulatie (DBS) op als een van de meest wijdverspreide neurostimulatiestrategieën in de klinische praktijk. DBS bestaat uit de stimulatie van diepe hersenkernen met elektrische pulsen die worden afgegeven door een neurostimulator, rechtstreeks in het lichaam van de patiënt geïmplanteerd, via elektroden die in het hersendoel worden geplaatst om te worden gemoduleerd door stereotactische chirurgie. Het aantal artikelen dat de haalbaarheid van DBS-toepassing bij verschillende neurologische en psychiatrische aandoeningen evalueert, groeit voortdurend2, hoewel slechts enkele ervan zijn goedgekeurd door de Food and Drug Association (FDA) (d.w.z. essentiële tremor, de ziekte van Parkinson, dystonie, obsessief-compulsieve stoornis en medisch refractaire epilepsie)3 . Bovendien wordt een groot aantal hersendoelen en stimulatieprotocollen onderzocht voor DBS-behandeling van veel meer pathologieën dan officieel goedgekeurd, maar geen van hen wordt als definitief beschouwd. Deze inconsistenties in DBS-onderzoek en klinische procedures kunnen gedeeltelijk te wijten zijn aan een gebrek aan volledig begrip van het werkingsmechanismeervan 4. Daarom worden enorme inspanningen geleverd om de in vivo effecten van DBS op de hersendynamiek te ontcijferen, omdat elke vooruitgang, hoe klein ook, zal helpen bij het verfijnen van DBS-protocollen voor meer therapeutisch succes.
In deze context openen moleculaire beeldvormingstechnieken een direct venster om in vivo neuromodulerende effecten van DBS te observeren. Deze benaderingen bieden niet alleen de mogelijkheid om de impact van DBS te bepalen terwijl het wordt toegepast, maar ook om de aard van de gevolgen ervan te ontrafelen, ongewenste bijwerkingen en klinische verbetering te voorkomen en zelfs stimulatieparameters aan te passen aan de behoeften van de patiënt5. Onder deze methoden is positronemissietomografie (PET) met behulp van 2-deoxy-2-[18F]fluoro-D-glucose (FDG) van bijzonder belang omdat het specifieke en realtime informatie biedt over de activeringstoestand van verschillende hersengebieden6. In het bijzonder biedt FDG-PET-beeldvorming een indirecte evaluatie van neurale activering op basis van het fysiologische principe van metabole koppeling tussen neuronen en gliacellen6. In die zin hebben verschillende klinische studies DBS-gemoduleerde hersenactiviteitspatronen gemeld met behulp van FDG-PET (zie3 voor beoordeling). Niettemin ondervinden klinische studies gemakkelijk verschillende nadelen wanneer ze zich richten op patiënten, zoals heterogeniteit of wervingsproblemen, die hun onderzoekspotentieel sterk beperken6. Deze context brengt onderzoekers ertoe om diermodellen van menselijke aandoeningen te gebruiken om biomedische benaderingen te evalueren vóór hun klinische vertaling of, indien al toegepast in de klinische praktijk, om de fysiologische oorsprong van therapeutische voordelen of bijwerkingen te verklaren. Dus, ondanks de grote afstanden tussen menselijke pathologie en de gemodelleerde toestand bij proefdieren, zijn deze preklinische benaderingen essentieel voor een veilige en effectieve overgang naar de klinische praktijk.
Dit manuscript beschrijft een experimenteel DBS-protocol voor muizenmodellen, gecombineerd met een longitudinale FDG-PET-studie, om de acute gevolgen van DBS op het hersenmetabolisme te beoordelen. De uitkomsten die met dit protocol worden verkregen, kunnen helpen om de ingewikkelde modulatorische patronen te ontrafelen die door DBS op hersenactiviteit worden geïnduceerd. Daarom wordt een geschikte experimentele strategie geboden om in vivo de gevolgen van stimulatie te onderzoeken, waardoor clinici onder specifieke omstandigheden kunnen anticiperen op therapeutische effecten en vervolgens de stimulatieparameters kunnen aanpassen aan de behoeften van de patiënt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Gezien de vooruitgang in het begrip van de hersenfunctie en de neurale netwerken die betrokken zijn bij de pathofysiologie van neuropsychiatrische aandoeningen, erkent steeds meer onderzoek het potentieel van DBS in een breed scala van neurologisch gebaseerde pathologieën2. Het werkingsmechanisme van deze therapie blijft echter onduidelijk. Verschillende theorieën hebben geprobeerd de effecten te verklaren die worden verkregen in specifieke pathologische en stimulatieomstandigheden, maar de hete…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij danken Prof. Christine Winter, Julia Klein, Alexandra de Francisco en Yolanda Sierra voor hun onschatbare steun bij de optimalisatie van de hier beschreven methodologie. MLS werd ondersteund door het Ministerio de Ciencia e Innovación, Instituto de Salud Carlos III (projectnummer PI17/01766 en subsidienummer BA21/0030), medegefinancierd door het Europees Fonds voor Regionale Ontwikkeling (EFRO), “A way to make Europe”; CIBERSAM (projectnummer CB07/09/0031); Delegación del Gobierno para el Plan Nacional sobre Drogas (projectnummer 2017/085); Fundación Mapfre; en Fundación Alicia Koplowitz. MCV werd ondersteund door Fundación Tatiana Pérez de Guzmán el Bueno als beurshouder van deze instelling en eu Joint Programme – Neurodegenerative Disease Research (JPND). DRM werd ondersteund door Consejería de Educación e Investigación, Comunidad de Madrid, medegefinancierd door het Europees Sociaal Fonds “Investeren in uw toekomst” (subsidienummer PEJD-2018-PRE/BMD-7899). NLR werd ondersteund door Instituto de Investigación Sanitaria Gregorio Marañón, “Programa Intramural de Impulso a la I+D+I 2019”. Md-werk werd ondersteund door Ministerio de Ciencia e Innovación (MCIN) en Instituto de Salud Carlos III (ISCIII) (PT20/00044). Het CNIC wordt ondersteund door het Instituto de Salud Carlos III (ISCIII), het Ministerio de Ciencia e Innovación (MCIN) en de Pro CNIC Foundation, en is een Severo Ochoa Center of Excellence (SEV-2015-0505).
Materials
| 7-Tesla Biospec 70/20 scanner | Bruker, Germany | SN0021 | MRI scanner for small animal imaging |
| Betadine | Meda Pharma S.L., Spain | 644625.6 | Iodine solution (iodopovidone) |
| Beurer IL 11 | Beurer | SN87318 | Infra-red light |
| Bipolar cable 50 cm w/50 cm mesh covering up to 100 cm | Plastics One, USA | 305-305 (CM) | |
| Bipolar cable TT2 50 cm up to 100 cm | Plastics One, USA | 305-340/2 | Bipolar cable TT2 50 cm up to 100 cm |
| Buprex | Schering-Plough, S.A | 961425 | Buprenorphine (analgesic) |
| Ceftriaxona Reig Jofré 1g IM | Laboratorio Reig Jofré S.A., Spain | 624239.1 | Ceftriaxone (antibiotic) |
| Commutator | Plastics One, USA | SL2+2C | 4 Channel Commutator for DBS |
| Concentric bipolar platinum-iridium electrodes | Plastics One, USA | MS303/8-AIU/Spc | Electrodes for DBS |
| Driller | Bosh | T58704 | Driller |
| FDG | Curium Pharma Spain S.A., Spain | —– | 2-[18F]fluoro-2-deoxy-D-glucose (PET radiotracer) |
| Heating pad | DAGA, Spain | 23115 | Heating pad |
| Ketolar | Pfizer S.L., Spain | 776211.9 | Ketamine (anesthetic drug) |
| Lipolasic 2 mg/g | Bausch & Lomb S.A, Spain | 65277 | Ophthalmic lubricating gel |
| MatLab R2021a | The MathWorks, Inc | Support software for SPM12 | |
| MRIcro | McCausland Center for Brain Imaging, University of South Carolina, USA | v2.1.58-0 | Software for imaging preprocessing and analysis |
| Multimodality Workstation (MMWKS) | BiiG, Spain | Software for imaging processing and analysis | |
| Omicrom VISION VET | RGB Medical Devices, Spain | 731100 ReV B | Cardiorrespiratory monitor for small imaging |
| Prevex Cotton buds | Prevex, Finland | —– | Cotton buds |
| Sevorane | AbbVie Spain, S.L.U, Spain | 673186.4 | Sevoflurane (inhalatory anesthesia) |
| Small screws | Max Witte GmbH | 1,2 x 2 DIN 84 A2 | Small screws |
| Standard U-Frame Stereotaxic Instrument for Rat, 18° Ear Bar | Harvard Apparatus, USA | 75-1801 | Two-arms Stereotactic frame for rat |
| Statistical Parametric Mapping (SPM12) | The Wellcome Center for Human Neuroimaging, UCL Queen Square Institute of Neurology, UK | SPM12 | Software for voxel-wise imaging analysis |
| STG1004 | Multi Channel Systems GmbH, Germany | STG1004 | Isolated stimulator |
| SuperArgus PET/CT scanner | Sedecal, Spain | S0026403 | NanoPET/CT scanner for small animal imaging |
| Suture thread with needle, 1/º | Lorca Marín S.A., Spain | 55325 | Braided natural silk non-absorbable suture 1/0, with triangle needle |
| Technovit 4004 (powder and liquid) | Kulzer Technique, Germany | 64708471; 64708474 | Acrylic dental cement for craniotomy tap |
| Wistar rats (Rattus norvergicus) | Charles River, Spain | animal facility | Animal model used |
| Xylagesic | Laboratorios Karizoo, A.A, Spain | 572599-4 | Xylazine (anesthetic drug) |
| Normon S.A., Spain | 602910 | Mepivacaine in gel for topical use |
References
- Gildenberg, P. L. Neuromodulation: A historical perspective. Neuromodulation. 1, 9-20 (2009).
- Lee, D. J., Lozano, C. S., Dallapiazza, R. F., Lozano, A. M. Current and future directions of deep brain stimulation for neurological and psychiatric disorders. Journal of Neurosurgery. 131 (2), 333-342 (2019).
- Casquero-Veiga, M. Preclinical molecular neuroimaging in deep brain stimulation. Complutense University of Madrid. , (2021).
- Blaha, C. D. Theories of deep brain stimulation mechanisms. Deep Brain Stimulation: Indictions and Applications. , 314-338 (2016).
- Fins, J. J. Deep brain stimulation: Ethical issues in clinical practice and neurosurgical research. Neuromodulation. 1, 81-91 (2009).
- Desmoulin-Canselier, S., Moutaud, B. Animal models and animal experimentation in the development of deep brain stimulation: From a specific controversy to a multidimensional debate. Frontiers in Neuroanatomy. 13, 51 (2019).
- Casquero-Veiga, M., Hadar, R., Pascau, J., Winter, C., Desco, M., Soto-Montenegro, M. L. Response to deep brain stimulation in three brain targets with implications in mental disorders: A PET study in rats. PLOS One. 11 (12), 0168689 (2016).
- Casquero-Veiga, M., García-García, D., Desco, M., Soto-Montenegro, M. L. Understanding deep brain stimulation: In vivo metabolic consequences of the electrode insertional effect. BioMed Research International. 2018, 1-6 (2018).
- Casquero-Veiga, M., García-García, D., Pascau, J., Desco, M., Soto-Montenegro, M. L. Stimulating the nucleus accumbens in obesity: A positron emission tomography study after deep brain stimulation in a rodent model. PLOS One. 13 (9), 0204740 (2018).
- Pascau, J., Vaquero, J. J., Abella, M., Cacho, R., Lage, E., Desco, M. Multimodality workstation for small animal image visualization and analysis. Scientific Papers. Molecular Imaging and Biology. 8, 97-98 (2006).
- Paxinos, G., Watson, C. . The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. , (1998).
- Roy, M., et al. A dual tracer PET-MRI protocol for the quantitative measure of regional brain energy substrates uptake in the rat. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (82), e50761 (2013).
- Klein, J., et al. A novel approach to investigate neuronal network activity patterns affected by deep brain stimulation in rats. Journal of Psychiatric Research. 45 (7), 927-930 (2011).
- Soto-Montenegro, M. L., Pascau, J., Desco, M. Response to deep brain stimulation in the lateral hypothalamic area in a rat model of obesity: In vivo assessment of brain glucose metabolism. Molecular Imaging and Biology. , 830-837 (2014).
- Pascau, J., et al. Automated method for small-animal PET image registration with intrinsic validation. Molecular Imaging and Biology. 11 (2), 107-113 (2009).
- Andersson, J. L. R. How to estimate global activity independent of changes in local activity. Neuroimage. 244 (60), 237-244 (1997).
- . Wellcome Trust Centre for Neuroimaging SPM12-Statitstical Parametric Mapping Available from: https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm12/ (2022)
- Lozano, A. M., et al. Deep brain stimulation: current challenges and future directions. Nature Reviews Neurology. 15 (3), (2019).
- Boecker, H., Drzezga, A. A perspective on the future role of brain pet imaging in exercise science. NeuroImage. 131, (2016).
- Sprengers, M., et al. Deep brain stimulation reduces evoked potentials with a dual time course in freely moving rats: Potential neurophysiological basis for intermittent as an alternative to continuous stimulation. Epilepsia. 61 (5), 903-913 (2020).
- Middlebrooks, E. H., et al. Acute brain activation patterns of high- versus low-frequency stimulation of the anterior nucleus of the thalamus during deep brain stimulation for epilepsy. Neurosurgery. 89 (5), 901-908 (2021).
- Ashkan, K., Rogers, P., Bergman, H., Ughratdar, I. Insights into the mechanisms of deep brain stimulation. Nature Reviews Neurology. 13 (9), 548-554 (2017).
- Williams, N. R., Taylor, J. J., Lamb, K., Hanlon, C. A., Short, E. B., George, M. S. Role of functional imaging in the development and refinement of invasive neuromodulation for psychiatric disorders. World Journal of Radiology. 6 (10), 756-778 (2014).
- Rodman, A. M., Dougherty, D. D. . Nuclear medicine in neuromodulation. Neuromodulation in Psychiatry. , 81-99 (2016).
- Albaugh, D. L., Shih, Y. -. Y. I. Neural circuit modulation during deep brain stimulation at the subthalamic nucleus for Parkinson’s disease: what have we learned from neuroimaging studies. Brain Connectivity. 4 (1), 1-14 (2014).
- Mayberg, H. S., et al. Reciprocal limbic-cortical function and negative mood: Converging PET findings in depression and normal sadness. Neurology, and Radiology. 156 (5), 675-682 (1999).
- Kennedy, S. H., et al. Differences in brain glucose metabolism between responders to CBT and Venlafaxine in a 16-week randomized controlled trial. American Journal of Psychiatry. 164 (5), 778-788 (2007).
- Kennedy, S. H., et al. Changes in regional brain glucose metabolism measured with positron emission tomography after paroxetine treatment of major depression. American Journal of Psychiatry. 158 (6), 899-905 (2001).
- Brown, E. C., Clark, D. L., Forkert, N. D., Molnar, C. P., Kiss, Z. H. T., Ramasubbu, R. Metabolic activity in subcallosal cingulate predicts response to deep brain stimulation for depression. Neuropsychopharmacology. 45, 1681-1688 (2020).
- Klooster, D. C. W., et al. Technical aspects of neurostimulation: Focus on equipment, electric field modeling, and stimulation protocols. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 65, 113-141 (2016).
- Kasoff, W., Gross, R. E. Deep brain stimulation: Introduction and Technical Aspects. Neuromodulation in Psychiatry. , 245-275 (2016).
- Perez-Caballero, L., et al. Early responses to deep brain stimulation in depression are modulated by anti-inflammatory drugs. Molecular Psychiatry. 19, 607-614 (2014).
- Solera Ruiz, I., UñaOrejón, R., Valero, I., Laroche, F. Craniotomy in the conscious patient. Considerations in special situations. Spanish Journal of Anesthesiology and Resuscitation. 60 (7), 392-398 (2013).
- Casali, M., et al. State of the art of 18F-FDG PET/CT application in inflammation and infection: a guide for image acquisition and interpretation. Clinical and Translational Imaging. 9 (4), 299-339 (2021).
- Gonzalez-Escamilla, G., Muthuraman, M., Ciolac, D., Coenen, V. A., Schnitzler, A., Groppa, S. Neuroimaging and electrophysiology meet invasive neurostimulation for causal interrogations and modulations of brain states. NeuroImage. 220, 117144 (2020).
