Deep Brain Stimulation mit gleichzeitiger fMRT in Nagetiere

Zusammenfassung

Dieses Protokoll beschreibt eine Standardmethode für den Nagetieren gleichzeitigen funktionellen Magnetresonanztomographie und der tiefen Hirnstimulation. Die kombinierte Verwendung dieser experimentellen Werkzeuge ermöglicht die Erforschung des globalen abwärts Aktivität in Reaktion auf eine elektrische Stimulation an praktisch jeder Gehirnziel.

Zusammenfassung

Um die globale und nachgeschalteten neuronalen Antworten auf die tiefe Hirnstimulation (DBS) bei verschiedenen Ziele zu visualisieren, haben wir ein Protokoll für die Verwendung Blutsauerstoffgehalt abhängig (BOLD) funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRI), um Bild Nagetiere mit gleichzeitiger DBS entwickelt. DBS fMRI präsentiert eine Reihe von technischen Herausforderungen, einschließlich der Richtigkeit der Elektrodenimplantation, MR-Artefakte, die durch die Elektrode, die Wahl der Anästhesie und Gelähmten, alle neuronalen Auswirkungen zu minimieren und gleichzeitig die Beseitigung tierischer Bewegung und Wartung von physiologischen Parametern, Abweichung von dem verwechseln kann die BOLD-Signal. Unser Labor hat eine Reihe von Verfahren, die in der Lage ist die Überwindung meisten dieser möglichen Probleme entwickelt. Für elektrische Stimulation wird eine hausgemachte Wolfram bipolare Mikroelektrode verwendet, stereotaktisch an der Stimulationsstelle in der narkotisierten Patienten eingeführt. In der Vorbereitung für Bildgebung werden Nagetiere auf einer Kunststoff-Kopfstück fixiert undzu der Magnetbohrung übertragen. Für Sedierung und Lähmung während der Abtastung wird ein Cocktail von Dexmedetomidin und pancuronium kontinuierlich infundiert, zusammen mit einer minimalen Dosis von Isofluran, diese Vorbereitung die BOLD-Ceiling-Effekt volatiler Anästhetika minimiert. In diesem Beispiel Experiment Stimulation des Nucleus subthalamicus (STN) erzeugt BOLD-Antworten, die in erster Linie in ipsilateralen kortikalen Regionen beobachtet werden, im motorischen Cortex zentriert. Gleichzeitige DBS und fMRT ermöglicht die eindeutige Modulation der neuronalen Schaltkreise, abhängig von Lage und Stimulation Stimulationsparameter und ermöglicht Beobachtung der neuronalen Modulationen frei von regionalen Bias. Diese Technik kann verwendet werden, um die nachgelagerten Effekte der Modulation neuronaler Schaltungen in nahezu jeder Region des Gehirns zu erforschen, mit Auswirkungen für experimentelle und klinische DBS werden.

Einleitung

Die Bestimmung der globalen Auswirkungen der nachgeschalteten neuronalen Schaltkreis-Aktivität stellt eine große Herausforderung und Ziel für viele Bereiche der Systeme Neurowissenschaften. Ein Mangel an Tools sind derzeit verfügbar, die diesen Bedarf zu decken, und so gibt es eine Nachfrage für erhöhte Zugänglichkeit der entsprechenden Versuchsaufbauten. Ein solches Verfahren zur Bewertung der globalen Folge von neuronalen Schaltungsaktivierung beruht auf der gleichzeitigen Anwendung von Hirn elektrische Stimulation (DBS) und funktionelle MRI (fMRI). DBS-fMRI ermöglicht die Detektion von nachgeschalteten Reaktionen auf Aktivierungsschaltung auf einem großen räumlichen Skala, und kann bei praktisch jedem Stimulationsziel angewendet werden. Dieses Toolset ist sehr gut geeignet für translationale präklinischen Studien, einschließlich der Charakterisierung von Reaktionen auf therapeutische Hochfrequenz-Stimulation.

Zusätzlich zum Zugriff auf einen geeigneten MRI-Scanner, erfolgreich DBS-fMRI Experimente erfordern die Berücksichtigung einer Reihe von variabln, einschließlich Elektrodentyp, Sedierung Verfahren und Wartung von physiologischen Parametern. Zum Beispiel sollte Elektrode Wahl von Faktoren in Bezug auf Wirksamkeit Stimulation (zB. Blei Größe und Leitfähigkeit, Mono-vs bipolar) sowie MR-Kompatibilität und Elektroden Artefakt Größe beruhen. Elektroden Artefakte je nach Elektrodenmaterial und Größe, sowie der Scan-Sequenz verwendet werden; gründliche Vor-experimentellen Tests sollten eingesetzt werden, um die entsprechende Elektrodentyp für jede Studie zu bestimmen. Im allgemeinen werden Mikrowolframelektroden für dieses Protokoll empfohlen. Wahl des Gelähmten, und Beruhigungsmittel sollten, um effektiv zu immobilisieren das Tier und reduzieren die unterdrückende Wirkung von bestimmten Beruhigungsmitteln auf den Blutsauerstoff-Level-abhängigen (BOLD-Signal) werden. Schließlich ist es wichtig, das Tier in eine optimale physiologische Parameter, einschließlich Körpertemperatur und die Sauerstoffsättigung aufrechtzuerhalten.

Das Protokoll, das wir für DBS entwickeltFMRI-windet viele dieser potenziellen Hindernisse, und in der Hand, bietet robuste und konsistente Ergebnisse. Zusätzlich können diese experimentellen Verfahren leicht für die Kombination mit fMRI alternative Stimulationsverfahren, einschließlich optogenetische Stimulation übernommen werden.

Protokoll

Ethik-Erklärung: Diese Vorgehensweise ist in Übereinstimmung mit den National Institutes of Health Richtlinien für Tierforschung (Leitfaden für die Pflege und Verwendung von Labortieren) und wird von der Universität von North Carolina Institutional Animal Care und Verwenden Committee genehmigt.

1. Elektrodenimplantations

Der erste Schritt besteht Elektrodenimplantation. In diesem Schritt wird eine Elektrode in die einseitig Nucleus subthalamicus (STN), einen kleinen Kern mit Translations Bedeutung für die Behandlung der Parkinson-Krankheit mit den folgenden Methoden implantiert:

1. Sterilisieren Sie alle chirurgischen Geräten unter Verwendung eines Autoklaven oder antiseptische Lösung, bei der Autoklavieren nicht möglich ist (zB für Elektroden Sterilität). Hinweis: dies ist eine kurzfristige Überleben der Operation und damit aseptische Technik ist unerlässlich. Nach der Operation können Tiere nach einer kurzen Erholungsphase (48 Stunden) oder bis zu mehrere Wochen abgebildet werden später.
2. Anesthetize die Ratte (Adult Sprague-Dawley Ratten 250-400 g) mit 2,5% Isofluran über Intubation und einen kleinen Tierbeatmungsgerät verabreicht. Fix die Ratte zu einem stereotaktischen Operationsrahmen einsetzen und die Operationsstelle unter aseptischen Bedingungen.
3. Vorzubereiten und sicherzustellen, dass die Elektrode steril. Eine hausgemachte 2-Kanal-Wolfram-Mikroelektrode ist für dieses Verfahren verwendet, obwohl viele MRI-kompatiblen Elektrodentypen funktionieren wird. Die Elektroden-Typ verwendet wird, kann die Fläche des Gewebes durch die Prozedur, die Gewebebereich stimuliert wird, und die Richtigkeit der Implantation mechanisch beschädigt beeinflussen, wodurch die Gesamtversuchsergebnis beeinträchtigen. Wenn die Elektroden-Typ ist nicht in der Lage, autoklaviert, verwenden Povidon-Jod antiseptisch, um die Elektrode so weit wie möglich zu sterilisieren.
4. Mit einer Schere zu entfernen die Kopfhaut über der Implantationsstelle mit einem Durchmesser von ungefähr 1,5 cm, zu Bregma und Lambda auf den Schädel freizulegen. Entfernen Sie die Muskeln und Faszien, die über dem Schädelund stoppt die Blutungen mit Elektrokauter.
5. Rubbeln Sie an der Schädeloberfläche in mehrere Richtungen mit einem Skalpell zu Zahnzement Haftung (Schritt 1.8) zu verbessern. Ebene Bregma und Lambda in der horizontalen Richtung.
6. . Um STN Ziel, bei 3,6 mm hinter Bregma und 2,5 mm seitlich der Mittellinie mit einem kleinen Trinkgeld-Bohrmaschine, ein Bohrloch Abmessungen von etwa 1,5 mm Durchmesser erstellen Hinweis: Die genaue Lage der STN in Bezug auf stereotaktischen Koordinaten kann je nach Rattenstamm, Gewicht und Geschlecht. Erwachsene Ratten des gleichen Geschlechts verwendet werden sollte, um eine Variation in Lage zu minimieren. Wenn möglich, sollte voroperationellen anatomischen Scans oder intraoperative elektrische Aufnahmen verwendet, um die STN Lage auf einer individuellen Basis Gegenstand zu identifizieren. Ferner sollte Elektrode Terminationsstellen histologisch überprüft werden, um die Zielgenauigkeit zu gewährleisten.
   1. Einen Einschnitt vorsichtig machen in der Dura, und verwenden Sie kleine stumpfe Pinzette, um die Dura an den Seiten des th bewegene Loch. Beenden Sie alle Blutung mit sterilen Watte in Kochsalzlösung eingeweicht. Neues Löcher für eine oder mehrere MR-kompatiblen Schrauben) und legen Sie sie sanft in den Schädel, bis sie stabil sind. Schrauben können an jedem Ort, wo sie die Platzierung des externen Verbinders für die DBS-Elektrode nicht stören (z. B. nicht direkt hinter der STN ipsilateral zur Elektrode.) Platziert werden. Wir empfehlen Platzierungen an den seitlichen Rändern des Schädels, idealerweise direkt an die Lambda-Naht posterior. An diesem Punkt, der Schädel ist relativ dick, die Verringerung der Wahrscheinlichkeit, dass die Schrauben wird die Rinde zu beschädigen ". Hinweis: Messingschrauben auf 4-5 mm Länge geschnitten werden in diesem Protokoll verwendet, obwohl Kunststoffschrauben sind ebenfalls geeignet.
7. Setzen Sie die Elektrode auf der stereotaktischen Arm, so dass sie gerade und senkrecht ist. Berühren Sie die Elektrode zu Bregma, dann genau 3,6 mm hinter Bregma und 2,5 mm lateral bewegen die Elektrode an der Mittellinie und berühren Sie die kortikalen Oberflächemit der Elektrode. Von der kortikalen Oberfläche, legen Sie die Elektrode 7,8 mm ventral. Diese Koordinaten werden mit Bezug auf eine neuroanatomischen Atlas ¹ bestimmt.
8. Eine Schicht Zahnzement über den Schädel, einschließlich der Schädelschrauben und Elektroden Einfügemarke. Warten Sie, bis der Zement vollständig vor, die Elektrode entfernt von dem stereotaktischen Rahmen gehärtet. Biegen Sie die Elektrode nach hinten und verwenden Sie zusätzliche Zement, um den Rest der Elektrode-Darm-Trakt und Stecker für Haltbarkeit zu decken.

2. fMRI-Vorbereitung

Der zweite Schritt ist das Setup für fMRI, einschließlich Positionierung der Spule und das Setup der physiologischen Überwachungsgeräten.

1. Sichern Sie den Kopf des Tieres, um Bewegung während des Scans zu verhindern. Hinweis: Eine kundenspezifische Kunststoff intraauricular Bar-System ist für Kopf-Fixierung verwendet. Setzen Sie die Stangen in die Gehörgänge und zu sichern, um das Kopfstück, so dass der Kopf dreht sich reibungslos in thE vertikaler Richtung ohne horizontale Drehung. Befestigen Sie die Kopfposition durch die Festsetzung der oberen Zähne in die Vorrichtung.
2. Anesthetize die Ratte vollständig und überwachen endexspiratorischen CO _2, um die Stabilität in allen Scans zu gewährleisten. Anästhesie-, Lüftungs-und Steuer endexspiratorischen CO ₂ Niveaus aufrechtzuerhalten während der Abtastung wird ein MR-kompatibler Kleintierbelüftungssystem in Kombination mit einer Isofluran Verdampfer zum Einsatz, wenn eine Vielzahl von Narkose und Sedierung Mittel können in ähnlicher Weise verwendet werden. Stellen Sie den Ventilator bis 45 Atemzüge / min mit einer moderaten Lautstärke, etwa 500 ml / min Luft als Ausgangsvolumens. Stellen Sie die Isofluran auf 2% und übertragen die Ratte in die Scan-Raum. Bringen Ausgang des Beatmungsgerätes zu Endotrachealtubus der Ratte und drücken fest zu sichern. Capnometry sollte mit einem Rohr als eng mit dem Endotrachealtubus verbunden Verbinder wie möglich erfasst werden. Stellen Ventilationsvolumen, eine End-Gezeiten-CO ₂ von 2,6% auf 3,3% zu produzieren.
3. Verwenden eines MR-kompatiblen Kleintierhalter, um die Ratte in den Scanner mit einem zirkulierenden Wasserbad zur Temperaturkontrolle einzusetzen. Kleben Sie das Pad des Bades auf den Halter und bedecken Sie es mit sauberen, saugfähigen Papier. Legen Sie die Ratte auf den heißen Wasserbett.
4. Überwachung von Temperatur und Kohlendioxid-Werte sind unerlässlich, um BOLD fMRI, während arterielle Sauerstoffsättigung und Herzfrequenz sind auch nützlich, physiologische Parameter. Legen Sie eine MR-kompatiblen rektale Temperatursonde und kleben Sie es auf der Basis des Schwanzes, und stellen Sie dann die Temperatur des Wasserbades auf normale Körpertemperatur bei 37 ° C zu halten Überwachung der arteriellen Sauerstoffsättigung und die Herzfrequenz mit Hilfe eines Kleintier-Pulsoxymetrie-System, um sie auf 95-98% und 250-350 bpm verbunden, die je nach Art der Anästhesie verwendet werden, variieren können. Sauerstoffsättigung und Herzfrequenz werden sowohl von der Narkosetiefe, Ventilationsvolumen und Atemfrequenz beeinflusst. Ventilation Volumen und die Geschwindigkeit musssorgfältig abgewogen werden, um eine angemessene endexspiratorischen CO _2-Gehalt und eine ausreichende Sauerstoffsättigung aufrechtzuerhalten.
5. Oberflächenspule für BOLD fMRI Erwerb notwendig. Legen Sie die Oberflächenspule so nah an der Oberfläche des Kopfes wie möglich. Einmal befestigt, legen Zahnpasta auf die Oberfläche des Kopfes auf dem Zement Kappe, um die Anfälligkeit Artefakte in der Nähe der Hirnoberfläche zu reduzieren. Hinweis: Wir verwenden eine hausgemachte Transceiver Oberflächenspule mit einem Innendurchmesser von ca. 1,6 cm, obwohl größere Oberflächenspulen können verwendet, um die BOLD-Antwort in tiefere subkortikale Regionen zu optimieren.
6. Schließen Sie die Stimulationselektrode mit einer programmierbaren elektrischen Stimulator System. Hinweis: Wir verwenden eine maßgeschneiderte programmierbare TTL-Triggersystem zu einem bipolaren Stimulator verbunden, um elektrische Impulse an die HF-Anregungen aus den MR-Scans synchronisiert zu liefern.
7. Für Sedierung und Lähmung während der fMRT-Datenerfassung, mit einem Cocktail von Dexmedetomidin (0,1mg / kg / h, ip) und Pancuronium (1 mg / kg / h, ip) in Kombination mit niedrig dosiertem Isofluran bei 0,5% zu epileptischen Aktivität ² zu verhindern. Für Arzneimittelinfusions muss ein MR-kompatibler Spritzenpumpe verwendet werden, wenn die Pumpe in der magnetischen Umgebung platziert werden. Alternativ kann eine nichtkompatible Pumpe außerhalb der Magnetumgebung sofern erweiterten Katheterschlauch verwendet platziert werden.

3. fMRT-Datenerfassung

Der dritte Schritt ist fMRI Nahme, einschließlich Positionieren Shim, anatomischen Scans und Funktionsprüfungen. Ein 9,4-Tesla-System mit einem hausgemachten Oberflächenspule wird hier verwendet, obwohl diese Technik auch auf andere Hochfeld-Systeme angepasst werden und kommerziell gemacht MRT-Spulen.

1. Legen Sie die Ratte in den Scanner und die Position in der Mitte des Magneten. Verwenden Sie ein Drei-Ebenen-Bild-Scout, um die Ratte genau zu zentrieren innerhalb des Magneten in Bezug auf die Hirnregionen von Interesse und FastMap Shim zu homonisieren das magnetische Feld an den interessierenden Bereichen.
2. Verwenden Sie eine sagittale T2-gewichtete RARE-Sequenz (FOV, 2,56 x 2,56 cm ^2, Matrixgröße, 256 x 256, Schichtdicke 1,5 mm, TR / TE, 1500 bis 1511 ms; RARE Factor, 8; Flip Winkel, 180 °) um den Standort der vorderen Kommissur zu finden, und richten Sie die folgenden Bilder zu diesem Ort. Richten acht-Slice-Single-Shot-GE-EPI-Scans (FOV, 2,56 x 2,56 cm ^2, Matrixgröße, 96 x 96, umgebaut zu 128 x 128, Schichtdicke, 1mm, TR / TE 1000/14 ms) zu diesem Punkt mit koronaler Orientierung.
3. Zur funktionellen Scans verwenden 70 aufeinander folgenden EPI-Scans mit 1 Sekunde Zeitauflösung auf die Stimulation Ausgang synchronisiert, bis 20 s Ruhe gesetzt, 10 sec Stimulation, gefolgt von 40 Sekunden Ruhe. Warten Sie mindestens 90 Sekunden zwischen den Scans für neurovaskuläre Wiederherstellung zu ermöglichen. Erwerben mehreren wiederholten Abtastungen an jedem Stimulationsparameters, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis durch Mittelung zu verbessern. Verwenden Sie eine Reihe von Dummy-Scans (in der Regel 4-8) Unmittelbar vor der Rauschunterdrückung für das Scannen. Bestätigen Sie die BOLD-Reaktion zum Zeitpunkt der Bildaufnahme zum Erfolg des Experiments zu gewährleisten mit dem im Abschnitt 4 beschriebenen Methode, obwohl Mittelung, Koregistrierung und Schädel-Strippen kann in dieser Einstellung übersprungen werden.
4. Nach Funktionsscanvorgang abgeschlossen ist, verwenden Sie ein T2-gewichteten RARE Spin-Echo-Sequenz (FOV, 2,56 x 2,56 cm ^2, Matrixgröße, 256 x 256, Schichtdicke, 1 mm; TR / TE 2500/33 ms; Durchschnitte, 8 ) der anatomischen Position der Elektrode in vivo zu messen. Erwerben Sie mehrere koronalen und sagittalen Abschnitte, um die Spitze der Elektrode entlang Artefakt anterior / posterior, medial / lateral und dorsal / ventral Achsen messen und bestätigen Elektrodenplatzierung. Hochauflösende Magnetresonanzmikroskopie (FOV, 1,8 x 1,28 cm; Matrixgröße, 360 x 256, Schichtdicke 0,5 mm, TR / TE, 2500/12.6 ms; RARE Faktor, 8; Durchschnitte, 280) kann verwendet werden, zu untersuchen, werden die genaue Lage der Elektrodenwege nach Entfernung gegenin der Nähe neuroanatomische Strukturen und bestätigen Sie die Richtigkeit der Elektrodenplatzierung ^3.

4. fMRI Datenverarbeitung und-analyse

Der vierte Schritt ist die Verarbeitung und Analyse von fMRI-Daten, einschließlich der Erzeugung von Antwortkarten und Berechnung der prozentualen BOLD Signaländerung. Individuelle Programme laufen innerhalb einer IT-Umgebung (zB MATLAB) oder kommerzielle fMRI-Software-Tools (z. B.. SPM, FSL oder AFNI) können eingesetzt werden.

1. Beginnen Sie mit Bildab und Mittelung der Daten zunächst intraindividuelle nach Häufigkeit, gefolgt von across-Thema. Hinweis: Wir erreichen dies mit SPM-Codes.
2. Führen Schädel Strippen zu nonbrain Gewebe zu entfernen mit manuell definierten Region of Interest (ROI) mit Signalschwellen. Automatische Schädel kann Strippen Algorithmen eingesetzt werden.
3. Kompilieren Antwortkarten durch Berechnen des Korrelationskoeffizienten des Verhältnisses von BOLD resPonse über die Zeit und die Stimulation Paradigma für jedes Voxel. Verzögerung der Paradigmen mehrere Sekunden für die Verzögerung in hämodynamischen Antwort-Konto erforderlich. Stellen signifikanten Niveau bei P <0,05 nach Bonferroni-Korrektur. Andere statistische Verfahren eingesetzt werden. Korrektur für Mehrfachvergleiche mit Zufallsfeldtheorie oder Cluster-Level-Korrektur basierend auf Gaußsche Zufalls Feld kann anstelle der Bonferroni-Korrektur für empfindlichere Analyse ⁴ durchgeführt werden. Hinweis: Die hämodynamischen Verzögerung kann auf Basis von Gehirnregionen gezielt zu variieren, verwendet pharmakologische Mittel, und physiologischen Parametern. Es ist entscheidend, um diese Parameter, um die Variabilität innerhalb und zwischen-Subjekt-Themen verhindern steuern.
4. Quantifizierung der BOLD-Antwort durch die Definition einer ROI zu Zeit-Gänge-Daten zu extrahieren. Durchschnittlich die prozentuale Signaländerung über alle Voxel innerhalb der gleichen anatomischen Struktur. Voxel-weise Analyse unter Verwendung des allgemeinen linearen Modell können auch verwendet werden ⁵.

Ergebnisse

Repräsentative funktionelle Daten wurden nach dem obigen Protokoll in einer Ratte mit einer Stimulationselektrode zum Nucleus subthalamicus auf der rechten Seite implantiert erworben. Eine Darstellung der grundlegenden Aufbau für DBS fMRI Bildaufnahme ist in Fig. 1 vorgesehen. Stimulation angelegt, die mit dem obigen Protokoll, mit einer Amplitude von 0,3 mA, Frequenz von 130 Hz und einer Impulsbreite von 0,09 ms. Robust Aktivierung der ipsilateralen motorischen Kortex wurde konsequent mit diesem Prot...

Diskussion

Gleichzeitige DBS und fMRT stellt eine viel versprechende experimentelle Toolkit für die Identifizierung und Charakterisierung der globalen nachgeschalteten Reaktionen auf Stimulation neuronalen Schaltkreis, in vivo. Der große Vorteil dieser Technik gegenüber anderen verfügbaren Tools, wie zB elektrophysiologischen Ableitungen, liegt in der Natur der relativ unvoreingenommene fMRI, wobei eine große und vielfältige Gebiet des Hirngewebes kann für Reaktionsfähigkeit auf DBS auf jedes Ziel untersucht werde...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Isoflurane (Forane)	Baxter	1001936060
Dexmedetomidine (Dexdomitor)	Pfizer	145108-58-3
Pancuronium Bromide	Selleckchem	S2497
9.4 T 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 in. 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)