רכישת נתוני הדמיית תהודה מגנטית תפקודית של מצב מנוחה בחולדה
Summary
פרוטוקול זה מתאר שיטה לקבלת נתוני הדמיית תהודה מגנטית תפקודית יציבה של מצב מנוחה (rs-fMRI) מעכברוש המשתמש באיזופלוראן במינון נמוך בשילוב עם dexmedetomidine במינון נמוך.
Abstract
הדמיית תהודה מגנטית תפקודית של מצב מנוחה (rs-fMRI) הפכה לשיטה פופולרית יותר ויותר לחקר תפקוד המוח במצב מנוחה ולא משימה. פרוטוקול זה מתאר שיטת הישרדות פרה-אקלינית לקבלת נתוני rs-fMRI. שילוב איזופלוראן במינון נמוך עם עירוי מתמשך של אגוניסט אגוניסט קולטן adrenergic α2 dexmedetomidine מספק אפשרות חזקה לרכישת נתונים יציבה ואיכותית תוך שמירה על תפקוד רשת המוח. יתר על כן, הליך זה מאפשר נשימה ספונטנית ופיזיולוגיה כמעט נורמלית בחולדה. רצפי הדמיה נוספים יכולים להיות משולבים עם רכישת מצב מנוחה יצירת פרוטוקולים ניסיוניים עם יציבות הרדמה של עד 5 שעות בשיטה זו. פרוטוקול זה מתאר את ההתקנה של ציוד, ניטור של פיזיולוגיה חולדה במהלך ארבעה שלבים נפרדים של הרדמה, רכישת סריקות מצב מנוחה, הערכת איכות של נתונים, שחזור של החיה, ודיון קצר של ניתוח נתונים לאחר עיבוד. פרוטוקול זה יכול לשמש על פני מגוון רחב של מודלים מכרסמים פרה-קליניים כדי לעזור לחשוף את השינויים ברשת המוח המתקבלים המתרחשים במנוחה.
Introduction
הדמיית תהודה מגנטית תפקודית של מצב מנוחה (rs-fMRI) היא מדד לאות תלוי רמת החמצן בדם (BOLD) כאשר המוח נמצא במנוחה ואינו עוסק בשום משימה מסוימת. אותות אלה יכולים לשמש למדידת מתאם בין אזורי המוח כדי לקבוע את הקישוריות התפקודית בתוך רשתות עצביות. rs-fMRI נמצא בשימוש נרחב במחקרים קליניים בשל אי פולשניותו וכמות המאמץ הנמוכה הנדרשת מחולים (בהשוואה ל- fMRI מבוסס משימה) מה שהופך אותו לאופטימלי עבור אוכלוסיות חולים מגוונות1.
ההתקדמות הטכנולוגית אפשרה rs-fMRI להיות מותאם לשימוש במודלים מכרסמים כדי לחשוף מנגנונים שבבסיס מצבי המחלה (ראה התייחסות2 לבדיקה). מודלים פרה-קליניים של בעלי חיים, כולל מודלים של מחלות או נוקאאוט, מאפשרים מגוון רחב של מניפולציות ניסיוניות שאינן ישימות בבני אדם, ומחקרים יכולים גם לעשות שימוש בדגימות שלאחר המוות כדי לשפר עוד יותר את הניסויים2. עם זאת, בשל הקושי הן להגביל את התנועה והן להקל על הלחץ, רכישת MRI במכרסמים מבוצעת באופן מסורתי תחת הרדמה. חומרי הרדמה, בהתאם לפרמקוקינטיקה שלהם, פרמקודינמיקה, ויעדים מולקולריים, להשפיע על זרימת הדם במוח, חילוף החומרים במוח, ועלול להשפיע על מסלולי צימוד נוירווסקולרי.
היו מאמצים רבים לפתח פרוטוקולים הרדמה המשמרים צימוד נוירווסקולרי ותפקוד רשת המוח3,4,5,6,7,8. דיווחנו בעבר משטר הרדמה שהפעיל מינון נמוך של איזופלוראן יחד עם מינון נמוך של α2 אגוניסט קולטן adrenergic dexmedetomidine9. חולדות בשיטה זו של הרדמה הציגו תגובות BOLD חזקות לגירוי שפם באזורים התואמים את מסלולי ההקרנה הוקמה (גרעינים תלמיים גחוניים וגחוניים, קליפת המוח הסומטו-סנסורית העיקרית והמשנית); רשתות מוח במצב מנוחה בקנה מידה גדול, כולל רשת מצב ברירת המחדל10,11 ורשת salience12 זוהו גם הם בעקביות. יתר על כן, פרוטוקול הרדמה זה מאפשר הדמיה חוזרת על אותה חיה, אשר חשוב לניטור התקדמות המחלה ואת ההשפעה של מניפולציות ניסיוניות לאורך.
במחקר הנוכחי אנו מפרטים את ההתקנה הניסיונית, הכנת בעלי החיים והליכי הניטור הפיזיולוגי המעורבים. בפרט, אנו מתארים את השלבים ההרדמה הספציפיים ורכישת סריקות במהלך כל שלב. איכות הנתונים מוערכת לאחר כל סריקה של מצב מנוחה. סיכום קצר של ניתוח לאחר הסריקה נכלל גם הוא בדיון. מעבדות המעוניינות לחשוף את הפוטנציאל של שימוש rs-fMRI בחולדות ימצאו פרוטוקול זה שימושי.
Protocol
Representative Results
Discussion
יציבות החיה, הן פיזית והן מבחינה פיזיולוגית, היא המפתח להשגת נתוני מצב מנוחה באיכות גבוהה. פרוטוקול זה משיג יציבות על ידי מעבר דרך ארבעה שלבים נפרדים של הרדמה. זה הכרחי כי החיה פגשה את הסף הפיזיולוגי להגדיר לפני המעבר לשלב הבא של הרדמה; מאז שיטה זו מסתמכת על מנגנוני autoregulatory פיזיולוגיים, בעל?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי מימון מהמכון הלאומי לבריאות (NIH) על שימוש בסמים (NIDA) [DJW, EDKS, ו- EMB נתמכו על ידי גרנט R21DA044501 שהוענק לאלן א. גרין ו- DJW נתמך על ידי גרנט T32DA037202 לאלן ג ‘בדני] והמכון הלאומי לאלכוהול ואלכוהוליזם (NIAAA) [Grant F31AA028413 לאמילי ד . סאליבן]. תמיכה נוספת ניתנה באמצעות הקרן המוענקת של אלן גרין כפרופסור לפסיכיאטריה של ריימונד סובל ב דארטמות’.
Hanbing Lu נתמך על ידי המכון הלאומי על סמים שימוש תוך-מלונטרלי תוכנית מחקר, NIH.
המחברים רוצים להודות ולאלן א. גרין המנוח. מסירותו הבלתי מעורערת לתחום ההפרעות המתרחשות במשותף סייעה לבסס שיתוף פעולה בין המחברים. אנו מודים לו על חונכותו והדרכתו, אשר יחסר מאוד.
Materials
| 9.4T MRI | Varian/Bruker | Varian upgraded with Bruker console running Paravision 6.0.1 software | |
| Air-Oxygen Mixer | Sechrist | Model 3500CP-G | |
| Analysis of Functional NeuroImages (AFNI) | NIMH/NIH | Version AFNI_18.3.03 | Freely available at: https://afni.nimh.nih.gov/ |
| Animal Cradle | RAPID Biomedical | LHRXGS-00563 | rat holder with bite bar, nose cone and ear bars |
| Animal Physiology Monitoring & Gating System | SAII | Model 1025 | MR-compatible system including oxygen saturation, temperature, respiration and fiber optic pulse oximetry add-on |
| Antisedan (atipamezole hydrochloride) | Patterson Veterinary | 07-867-7097 | Zoetis, Manufacturer Item #10000449 |
| Ceramic MRI-Safe Scissors | MRIequip.com | MT-6003 | |
| Clippers | Patterson Veterinary | 07-882-1032 | Wahl touch-up trimmer combo kit, Manufacturer Item #09990-1201 |
| Dexmedesed (dexmedetomidine hydrochloride) | Patterson Veterinary | 07-893-1801 | Dechra Veterinary Products, Manufacturer Item#17033-005-10 |
| Digital Rectal Thermometer Covers | Medline | MDS9608 | |
| FMRIB Software Library | FMRIB | MELODIC Version 3.15 | Freely available at: https://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki |
| Heating Pad | Cara Inc. | Model 50 | |
| Hemostat forceps, straight | Kent Scientific | INS750451-2 | |
| Isoflurane | Patterson Veterinary | 07-893-1389 | Patterson Private Label, Manufacturer Item #14043-0704-06 |
| Isoflurane Vaporizer | VetEquip Inc. | 911103 | |
| Lab Tape, 3/4" | VWR International | 89097-990 | |
| Needles, 23 gauge | BD | 305145 | plastic hub removed |
| Parafilm Laboratory Film | Patterson Veterinary | 07-893-0260 | Medline Industries Inc., Manufacturer Item #HSFHS234526A |
| Planar Surface Coil | Bruker | T12609 | 2cm |
| Polyethylene Tubing | Braintree Scientific | PE50 50FT | 0.023" (inner diameter), 0.038" (outer diameter) |
| Puralube Ophthalmic Ointment | Patterson Veterinary | 07-888-2572 | Dechra Veterinary Products, Manufacturer Item #211-38 |
| Sprague Dawley Rats | Charles River | 400 SAS SD | |
| Sterile 0.9% Saline Solution | Patterson Veterinary | 07-892-4348 | Aspen Vet, Manufacturer Item #14208186 |
| Sterile Alcohol Prep Pads | Medline | MDS090735 | |
| Surgical Tape, 1" (3M Durapore) | Medline | MMM15381Z | 3M Healthcare, "wide medical tape" |
| Surgical White Paper Tape, 1/2" (3M Micropore) | Medline | MMM15300 | 3M Healthcare |
| Syringes, 1 mL w/ 25 gauge needle | BD | 309626 | |
| Syringes, 3 mL | BD | 309657 | |
| Vented induction and scavenging system | VetEquip Inc. | 942102 | 2 liter induction chamber with active scavenging |
| 411724 | omega flowmeter | ||
| 931600 | scavenging cube, "vacuum" | ||
| 921616 | nose cone, non-rebreathing |
References
- Smitha, K. A., et al. Resting state fMRI: A review on methods in resting state connectivity analysis and resting state networks. The Neuroradiology Journal. 30 (4), 305-317 (2017).
- Gorges, M., et al. Functional connectivity mapping in the animal model: Principles and applications of resting-state fMRI. Frontiers in Neurology. 8, (2017).
- Paasonen, J., Stenroos, P., Salo, R. A., Kiviniemi, V., Gröhn, O. Functional connectivity under six anesthesia protocols and the awake condition in rat brain. NeuroImage. 172, 9-20 (2018).
- Pawela, C. P., et al. A protocol for use of medetomidine anesthesia in rats for extended studies using task-induced BOLD contrast and resting-state functional connectivity. NeuroImage. 46 (4), 1137-1147 (2009).
- Jonckers, E., et al. Different anesthesia regimes modulate the functional connectivity outcome in mice. Magnetic Resonance in Medicine. 72 (4), 1103-1112 (2014).
- Williams, K. A., et al. Comparison of alpha-chloralose, medetomidine and isoflurane anesthesia for functional connectivity mapping in the rat. Magnetic Resonance Imaging. 28 (7), 995-1003 (2010).
- Zhurakovskaya, E., et al. Global functional connectivity differences between sleep-like states in urethane anesthetized rats measured by fMRI. PloS One. 11 (5), 0155343 (2016).
- Fukuda, M., Vazquez, A. L., Zong, X., Kim, S. -. G. Effects of the α2-adrenergic receptor agonist dexmedetomidine on neural, vascular and BOLD fMRI responses in the somatosensory cortex. The European Journal of Neuroscience. 37 (1), 80-95 (2013).
- Brynildsen, J. K., et al. Physiological characterization of a robust survival rodent fMRI method. Magnetic Resonance Imaging. 35, 54-60 (2017).
- Lu, H., et al. Rat brains also have a default mode network. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (10), 3979-3984 (2012).
- Lu, H., et al. Low- but not high-frequency LFP correlates with spontaneous BOLD fluctuations in rat whisker barrel cortex. Cerebral Cortex. 26 (2), 683-694 (2016).
- Tsai, P. -. J., et al. Converging structural and functional evidence for a rat salience network. Biological Psychiatry. 88 (11), 867-878 (2020).
- Murphy, K., Bodurka, J., Bandettini, P. A. How long to scan? The relationship between fMRI temporal signal to noise ratio and necessary scan duration. NeuroImage. 34 (2), 565-574 (2007).
- Birn, R. M., et al. The effect of scan length on the reliability of resting-state fMRI connectivity estimates. NeuroImage. 83, 550-558 (2013).
- Lu, H., et al. Synchronized delta oscillations correlate with the resting-state functional MRI signal. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 104 (46), 18265-18269 (2007).
- Lu, H., et al. Registering and analyzing rat fMRI data in the stereotaxic framework by exploiting intrinsic anatomical features. Magnetic Resonance Imaging. 28 (1), 146-152 (2010).
- Cox, R. W. AFNI: software for analysis and visualization of functional magnetic resonance neuroimages. Computers and Biomedical Research. 29 (3), 162-173 (1996).
- Ash, J. A., et al. Functional connectivity with the retrosplenial cortex predicts cognitive aging in rats. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (43), 12286-12291 (2016).
- Hsu, L. -. M., et al. Intrinsic insular-frontal networks predict future nicotine dependence severity. The Journal of Neuroscience. 39 (25), 5028-5037 (2019).
- Li, Q., et al. Resting-state functional MRI reveals altered brain connectivity and its correlation with motor dysfunction in a mouse model of Huntington’s disease. Scientific Reports. 7, (2017).
- Lu, H., et al. Abstinence from cocaine and sucrose self-administration reveals altered mesocorticolimbic circuit connectivity by resting state MRI. Brain Connectivity. 4 (7), 499-510 (2014).
- Seewoo, B. J., Joos, A. C., Feindel, K. W. An analytical workflow for seed-based correlation and independent component analysis in interventional resting-state fMRI studies. Neuroscience Research. 165, 26-37 (2021).
- Broadwater, M. A., et al. Adolescent alcohol exposure decreases frontostriatal resting-state functional connectivity in adulthood. Addiction Biology. 23 (2), 810-823 (2018).
- Jaime, S., Cavazos, J. E., Yang, Y., Lu, H. Longitudinal observations using simultaneous fMRI, multiple channel electrophysiology recording, and chemical microiontophoresis in the rat brain. Journal of Neuroscience Methods. 306, 68-76 (2018).
