في الجسم الحي التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني للكشف عن أنماط النشاط الناجم عن التحفيز العميق للدماغ في الفئران
Summary
نحن نصف طريقة تجريبية قبل السريرية لتقييم التعديل العصبي الأيضي الناجم عن التحفيز العميق الحاد للدماغ مع FDG-PET في الجسم الحي . تتضمن هذه المخطوطة جميع الخطوات التجريبية ، من الجراحة المجسمة إلى تطبيق علاج التحفيز والحصول على صور PET ومعالجتها وتحليلها.
Abstract
التحفيز العميق للدماغ (DBS) هو تقنية جراحية عصبية غازية تعتمد على تطبيق النبضات الكهربائية على هياكل الدماغ المشاركة في الفيزيولوجيا المرضية للمريض. على الرغم من التاريخ الطويل ل DBS ، إلا أن آلية عملها وبروتوكولاتها المناسبة لا تزال غير واضحة ، مما يسلط الضوء على الحاجة إلى البحث الذي يهدف إلى حل هذه الألغاز. وبهذا المعنى ، فإن تقييم تأثيرات DBS في الجسم الحي باستخدام تقنيات التصوير الوظيفية يمثل استراتيجية قوية لتحديد تأثير التحفيز على ديناميكيات الدماغ. هنا ، يتم وصف بروتوكول تجريبي للنماذج قبل السريرية (فئران Wistar) ، جنبا إلى جنب مع دراسة طولية [18F] – التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني فلوروديوكسيكوكوز (FDG-PET) ، لتقييم العواقب الحادة ل DBS على التمثيل الغذائي في الدماغ. أولا ، خضعت الحيوانات لجراحة التجسيم للزرع الثنائي للأقطاب الكهربائية في قشرة الفص الجبهي. تم الحصول على التصوير المقطعي المحوسب بعد الجراحة (CT) لكل للتحقق من وضع القطب الكهربائي. بعد أسبوع واحد من الشفاء ، تم الحصول على أول FDG-PET ثابت لكل يعمل دون تحفيز (D1) ، وبعد يومين (D2) ، تم الحصول على FDG-PET ثان أثناء تحفيز الحيوانات. لذلك ، تم توصيل الأقطاب الكهربائية بمحفز معزول بعد إعطاء FDG للحيوانات. وهكذا ، تم تحفيز الحيوانات خلال فترة امتصاص FDG (45 دقيقة) ، وتسجيل الآثار الحادة ل DBS على التمثيل الغذائي في الدماغ. نظرا للطبيعة الاستكشافية لهذه الدراسة ، تم تحليل صور FDG-PET من خلال نهج فوكسل الحكيم استنادا إلى اختبار T المقترن بين دراسات D1 و D2. بشكل عام ، يسمح الجمع بين DBS ودراسات التصوير بوصف عواقب التعديل العصبي على الشبكات العصبية ، مما يساعد في النهاية على كشف الألغاز المحيطة ب DBS.
Introduction
يشمل مصطلح التحفيز العصبي عددا من التقنيات المختلفة التي تهدف إلى تحفيز الجهاز العصبي بهدف علاجي1. من بينها ، يبرز التحفيز العميق للدماغ (DBS) كواحد من أكثر استراتيجيات التحفيز العصبي انتشارا في الممارسة السريرية. يتكون DBS من تحفيز نوى الدماغ العميقة بنبضات كهربائية يسلمها محفز عصبي ، يتم زرعها مباشرة في جسم المريض ، من خلال أقطاب كهربائية موضوعة في هدف الدماغ ليتم تعديلها بواسطة الجراحة التجسيمية. يتزايد باستمرار عدد المقالات التي تقيم جدوى تطبيق DBS في مختلف الاضطرابات العصبية والنفسية2 ، على الرغم من أن بعضها فقط قد تمت الموافقة عليه من قبل جمعية الغذاء والدواء (FDA) (أي الهزة الأساسية ، ومرض باركنسون ، وخلل التوتر العضلي ، واضطراب الوسواس القهري ، والصرع الحراري طبيا)3 . علاوة على ذلك ، هناك عدد كبير من أهداف الدماغ وبروتوكولات التحفيز قيد البحث لعلاج DBS للعديد من الأمراض أكثر مما تمت الموافقة عليه رسميا ، ولكن لا يعتبر أي منها نهائيا. قد تكون هذه التناقضات في أبحاث DBS والإجراءات السريرية جزئيا بسبب عدم وجود فهم كامل لآلية عملها4. لذلك ، تبذل جهود ضخمة لفك رموز تأثيرات DBS في الجسم الحي على ديناميكيات الدماغ ، حيث أن كل تقدم ، مهما كان صغيرا ، سيساعد على تحسين بروتوكولات DBS لتحقيق نجاح علاجي أكبر.
في هذا السياق ، تفتح تقنيات التصوير الجزيئي نافذة مباشرة لمراقبة الآثار العصبية المعدلة في الجسم الحي ل DBS. توفر هذه الأساليب الفرصة ليس فقط لتحديد تأثير DBS أثناء تطبيقه ولكن أيضا لكشف طبيعة عواقبه ، ومنع الآثار الجانبية غير المرغوب فيها والتحسين السريري ، وحتى تكييف معلمات التحفيز مع احتياجات المريض5. من بين هذه الطرق ، يعد التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) باستخدام 2-deoxy-2-[18F] fluoro-D-glucose (FDG) ذا أهمية خاصة لأنه يوفر معلومات محددة وفي الوقت الفعلي عن حالة التنشيط لمناطق الدماغ المختلفة6. على وجه التحديد ، يوفر تصوير FDG-PET تقييما غير مباشر للتنشيط العصبي استنادا إلى المبدأ الفسيولوجي للاقتران الأيضي بين الخلايا العصبية والخلايا الدبقية6. بهذا المعنى ، أبلغت العديد من الدراسات السريرية عن أنماط نشاط الدماغ المعدلة بواسطة DBS باستخدام FDG-PET (انظر3 للمراجعة). ومع ذلك ، فإن الدراسات السريرية تتكبد بسهولة العديد من العيوب عند التركيز على المرضى ، مثل عدم التجانس أو صعوبات التوظيف ، والتي تحد بشدة من إمكاناتها البحثية6. يقود هذا السياق الباحثين إلى استخدام النماذج الحيوانية للحالات البشرية لتقييم النهج الطبية الحيوية قبل ترجمتها السريرية أو ، إذا تم تطبيقها بالفعل في الممارسة السريرية ، لشرح الأصل الفسيولوجي للفوائد العلاجية أو الآثار الجانبية. وبالتالي ، على الرغم من المسافات الكبيرة بين علم الأمراض البشري والحالة النموذجية في المختبر ، فإن هذه الأساليب قبل السريرية ضرورية لانتقال آمن وفعال إلى الممارسة السريرية.
تصف هذه المخطوطة بروتوكول DBS التجريبي لنماذج الفئران ، جنبا إلى جنب مع دراسة FDG-PET الطولية ، من أجل تقييم العواقب الحادة ل DBS على التمثيل الغذائي في الدماغ. قد تساعد النتائج التي تم الحصول عليها باستخدام هذا البروتوكول في كشف الأنماط التعديلية المعقدة التي يسببها DBS على نشاط الدماغ. لذلك ، يتم توفير استراتيجية تجريبية مناسبة لدراسة عواقب التحفيز في الجسم الحي ، مما يسمح للأطباء بتوقع الآثار العلاجية في ظل ظروف محددة ثم تكييف معلمات التحفيز مع احتياجات المريض.
Protocol
Representative Results
Discussion
بالنظر إلى التقدم في فهم وظائف الدماغ والشبكات العصبية المشاركة في الفيزيولوجيا المرضية للاضطرابات العصبية والنفسية ، فإن المزيد والمزيد من الأبحاث تعترف بإمكانات DBS في مجموعة واسعة من الأمراض العصبية2. ومع ذلك ، فإن آلية عمل هذا العلاج لا تزال غير واضحة. حاولت العديد من النظ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ونشكر البروفيسورة كريستين وينتر وجوليا كلاين وألكسندرا دي فرانسيسكو ويولاندا سييرا على دعمهم القيم في تحسين المنهجية الموصوفة هنا. وحظيت MLS بدعم من وزارة العلوم والابتكار ومعهد كارلوس الثالث (المشروع رقم PI17/01766 والمنحة رقم BA21/0030) بتمويل مشترك من الصندوق الأوروبي للتنمية الإقليمية (ERDF) ، “طريقة لجعل أوروبا” ؛ CIBERSAM (رقم المشروع CB07/09/0031)؛ Delegación del Gobierno para el Plan Nacional sobre Drogas (رقم المشروع 2017/085)؛ مؤسسة مابفري; ومؤسسة أليسيا كوبلويتز. تم دعم MCV من قبل مؤسسة Tatiana Pérez de Guzmán el Bueno كحامل منحة دراسية لهذه المؤسسة ، والبرنامج المشترك للاتحاد الأوروبي – أبحاث الأمراض العصبية التنكسية (JPND). تم دعم DRM من قبل مجلس التعليم والتحقيق ، Comunidad de Madrid ، بتمويل مشترك من الصندوق الاجتماعي الأوروبي “الاستثمار في مستقبلك” (رقم المنحة PEJD-2018-PRE/BMD-7899). تم دعم NLR من قبل معهد التحقيقات الصحية غريغوريو مارانون ، “Programa Intramural de Impulso a la I + D + I 2019”. وحظي عمل العضو المنتدب بدعم من وزارة العلوم والابتكار (MCIN) ومعهد كارلوس الثالث (ISCIII) (PT20/00044). يتم دعم CNIC من قبل معهد Salud Carlos III (ISCIII) ، ووزارة العلوم والابتكار (MCIN) ومؤسسة Pro CNIC ، وهو مركز Severo Ochoa للتميز (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).
