La stimulation cérébrale profonde avec simultanée IRMf chez les rongeurs
Summary
Ce protocole décrit un procédé standard pour l'imagerie fonctionnelle simultanée de résonance magnétique et la stimulation cérébrale profonde dans le rongeur. L'utilisation combinée de ces outils expérimentaux permet l'exploration de l'activité aval mondiale en réponse à une stimulation électrique à pratiquement n'importe quelle cible de cerveau.
Abstract
Afin de visualiser les réponses neuronales mondiaux et en aval à la stimulation cérébrale profonde (DBS) à différents objectifs, nous avons mis au point un protocole pour l'utilisation de niveau d'oxygène dans le sang (BOLD) d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) à l'image des rongeurs avec simultanée DBS. DBS IRMf présente un certain nombre de défis techniques, y compris la précision de l'implantation d'électrodes, artefacts MR créés par l'électrode, le choix de l'anesthésie et de paralysie de minimiser les effets neuronaux tout en éliminant les mouvements des animaux, et l'entretien des paramètres physiologiques, déviation à partir de laquelle peuvent confondre l' le signal BOLD. Notre laboratoire a mis au point un ensemble de procédures qui sont capables de surmonter la plupart de ces problèmes éventuels. Pour une stimulation électrique, une maison de tungstène bipolaire microélectrode est utilisé, inséré par stéréotaxie au site de stimulation dans le sujet anesthésié. En préparation de l'imagerie, les rongeurs sont fixés sur une pièce de tête en matière plastique ettransféré à l'alésage de l'aimant. Pour la sédation et la paralysie pendant le balayage, un cocktail de dexmédétomidine et pancuronium est infusé en continu, avec une dose minimale de l'isoflurane, cette préparation minimise l'effet de plafond BOLD d'anesthésiques volatiles. Dans cet exemple, l'expérience, la stimulation du noyau sous-thalamique (STN) produit des réponses GRAS qui sont observées principalement dans les régions corticales ipsilatérales, centrée sur le cortex moteur. Simultanée DBS et l'IRMf permet la modulation sans ambiguïté des circuits neuronaux en fonction du site de stimulation et des paramètres de stimulation, et permet l'observation des modulations neuronales libres de partialité régionale. Cette technique peut être utilisée pour étudier les effets en aval de la modulation de circuits neuronaux à presque n'importe quel région du cerveau, avec des implications pour la clinique et expérimentale DBS.
Introduction
Déterminer les effets globaux en aval de l'activité des circuits neuronaux représente un défi majeur et un objectif pour de nombreux domaines de la neuroscience des systèmes. Un manque d'outils sont actuellement disponibles répondent à ce besoin, et donc il ya une demande pour une plus grande accessibilité des montages expérimentaux appropriés. Une telle méthode pour évaluer la conséquence globale de l'activation des circuits neuronaux repose sur l'application simultanée de la stimulation cérébrale profonde électrique (DBS) et l'IRM fonctionnelle (IRMf). DBS-IRMf permet la détection de réponses en aval de l'activation du circuit à grande échelle spatiale, et peut être appliqué à pratiquement n'importe quelle cible de stimulation. Cet ensemble d'outils est très approprié pour des études précliniques traductionnelles, y compris la caractérisation de réponses à la stimulation à haute fréquence thérapeutique.
En plus de l'accès à un scanner IRM approprié, expériences réussies DBS-IRMf exigent l'examen d'un certain nombre de variables, y compris le type d'électrode, la méthode de la sédation et de la maintenance des paramètres physiologiques. Par exemple, le choix de l'électrode doit être fondée sur des facteurs liés à la stimulation efficacité (par exemple. Taille et la conductance de plomb, mono-vs bipolaire), ainsi que la compatibilité MR et l'électrode taille d'artefact. artefacts d'électrodes varient en fonction du matériau d'électrode, et la taille ainsi que la séquence de balayage utilisée; tests pré-expérimental complet doit être employée pour déterminer le type d'électrode appropriée pour chaque étude. En général, les électrodes de tungstène de microfilaires sont recommandés pour ce protocole. Choix de paralytique et sédatif doit être fait pour immobiliser efficacement l'animal et de réduire les effets de suppression de certains sédatifs sur le niveau de signal-en oxygène du sang (BOLD). Enfin, il est essentiel de maintenir l'animal à des paramètres physiologiques optimales, y compris la température corporelle et la saturation en oxygène.
Le protocole que nous avons développé pour DBSIRMf surmonte nombre de ces obstacles potentiels, et dans nos mains, fournit des résultats fiables et cohérents. De plus, ces procédures expérimentales peuvent être aisément adoptées pour la combinaison de l'IRMf avec les méthodes de stimulation de substitution, y compris une stimulation optogenetic.
Protocol
Representative Results
Discussion
Simultanée DBS et IRMf représente une boîte à outils expérimental prometteur pour l'identification et la caractérisation des réponses globales en aval à la stimulation des circuits neuronaux, in vivo. L'avantage majeur de cette technique par rapport aux autres outils disponibles, tels que les enregistrements électrophysiologiques, réside dans le caractère relativement impartiale de l'IRMf, où une zone vaste et diversifié du tissu cérébral peut être examiné pour la réactivité de DB…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous remercions Shaili Jha et Heather Decot de l'aide pour le tournage.
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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