La estimulación cerebral profunda con simultánea fMRI en roedores

Resumen

Este protocolo describe un método estándar para imágenes de resonancia magnética funcional simultánea y la estimulación cerebral profunda en el roedor. El uso combinado de estas herramientas experimentales permite la exploración de la actividad aguas abajo mundial en respuesta a la estimulación eléctrica a prácticamente cualquier destino cerebro.

Resumen

Con el fin de visualizar las respuestas neuronales a nivel mundial y aguas abajo a la estimulación cerebral profunda (DBS) en varios objetivos, hemos desarrollado un protocolo para usar el nivel de oxígeno en la sangre de imágenes dependiente (BOLD) de resonancia magnética funcional (fMRI) para roedores de imagen con simultánea DBS. DBS fMRI presenta una serie de desafíos técnicos, incluyendo exactitud de la implantación de electrodos, artefactos MR creados por el electrodo, la elección de la anestesia y paralítico para minimizar los efectos neuronales, mientras que al mismo tiempo la eliminación de movimiento de los animales, y el mantenimiento de los parámetros fisiológicos, la desviación de la que pueden confundir a los señal BOLD. Nuestro laboratorio ha desarrollado una serie de procedimientos que son capaces de superar la mayoría de estos posibles problemas. Para la estimulación eléctrica, se utiliza un microelectrodo casera bipolar de tungsteno, insertada estereotácticamente en el sitio de la estimulación en el sujeto anestesiado. En preparación para las imágenes, los roedores están fijos en un casco de plástico ytransferidos a la cavidad del imán. Para la sedación y la parálisis durante la exploración, un cóctel de dexmedetomidina y pancuronio se infunde continuamente, junto con una dosis mínima de isoflurano; esta preparación reduce al mínimo el efecto de techo BOLD de anestésicos volátiles. En este experimento de ejemplo, la estimulación del núcleo subtalámico (STN) produce respuestas BOLD que se observan principalmente en las regiones corticales ipsilaterales, centrada en la corteza motora. Simultánea DBS y fMRI permite la modulación inequívoca de los circuitos neuronales depende de la ubicación de estimulación y los parámetros de estimulación, y permite la observación de modulaciones neuronales libres de sesgo regional. Esta técnica se puede utilizar para explorar los efectos aguas abajo de la modulación de los circuitos neuronales en casi cualquier región del cerebro, con implicaciones tanto para la clínica y experimental DBS.

Introducción

La determinación de los efectos aguas abajo globales de la actividad de circuitos neuronales representa un gran reto y objetivo para muchas áreas de la neurociencia de sistemas. Una escasez de herramientas están disponibles actualmente que satisfacer esta necesidad, y por lo tanto existe una demanda de aumento de la accesibilidad de las configuraciones experimentales apropiadas. Uno de tales métodos para evaluar la consecuencia global de la activación del circuito neuronal se basa en la aplicación simultánea de la estimulación profunda del cerebro eléctrica (DBS) y resonancia magnética funcional (fMRI). DBS-fMRI permite la detección de las respuestas a la activación del circuito aguas abajo a gran escala espacial, y puede ser aplicado a prácticamente cualquier objetivo estimulación. Este conjunto de herramientas es muy adecuado para estudios preclínicos de la traducción, incluyendo la caracterización de las respuestas a la estimulación de alta frecuencia terapéutica.

Además del acceso a un escáner de resonancia magnética adecuado, exitosos experimentos DBS-fMRI requieren la consideración de una serie de variablES, incluyendo el tipo de electrodo, método de sedación, y el mantenimiento de los parámetros fisiológicos. Por ejemplo, la elección del electrodo debe estar basada en factores relacionados con la eficacia de estimulación (por ejemplo. Tamaño de plomo y la conductancia, mono-vs bipolar), así como la compatibilidad RM y el electrodo de tamaño artefacto. Artefactos de electrodos varían según el material y el tamaño del electrodo, así como la secuencia de exploración utilizado; pruebas de pre-experimental completo debe ser empleado para determinar el tipo de electrodo apropiado para cada estudio. En general, se recomiendan electrodos de tungsteno microhilo para este protocolo. Debe hacerse Elección de paralítico y sedante para inmovilizar de manera efectiva el animal y reducir los efectos supresores de ciertos sedantes en señal de nivel de sangre-oxígeno-dependiente (negrita). Por último, es crítico para mantener al animal en parámetros fisiológicos óptimos, incluyendo la temperatura corporal y la saturación de oxígeno.

El protocolo que hemos desarrollado para el DBS-FMRI supera muchos de estos posibles obstáculos, y en nuestras manos, proporciona resultados fiables y consistentes. Además, estos procedimientos experimentales se pueden adoptar fácilmente para la combinación de resonancia magnética funcional con métodos de estimulación alternativas, incluyendo la estimulación optogenético.

Protocolo

Declaración de Ética: Este procedimiento es conforme con los Institutos Nacionales de Salud para la Investigación Animal (Guía para el Cuidado y Uso de Animales de Laboratorio) y está aprobado por la Universidad de Comité de Cuidado de Animales y el empleo Institucional Carolina del Norte.

1. La implantación de electrodos

El primer paso es la implantación de electrodos. En este paso, un electrodo se implanta de manera unilateral en el núcleo subtalámico (STN), un pequeño núcleo de significado de la traducción para el tratamiento de la enfermedad de Parkinson utilizando los métodos siguientes:

1. Esterilizar todo el equipo quirúrgico que utiliza un autoclave, o una solución antiséptica en el autoclave no es posible (por ejemplo, para la esterilidad electrodo) Nota:. Este es una cirugía supervivencia a corto plazo, y por lo tanto una técnica aséptica es esencial. Después de la cirugía, los animales se pueden obtener imágenes después de un período de recuperación breve (48 horas) o hasta varias semanas más tarde.
2. Anestesiar la rata (Sprague-Dawley, ratas 250-400 g) utilizando 2,5% de isoflurano administrado a través de la intubación endotraqueal y un pequeño ventilador para animales. Fijar la rata a un marco estereotáctico quirúrgica y preparar el lugar de la cirugía utilizando técnicas asépticas.
3. Prepare y asegúrese de que el electrodo es estéril. A 2 canales de electrodos de tungsteno micro-hilo hecho en casa se utiliza para este procedimiento, aunque muchos tipos de electrodos con capacidad para un MRI funcionarán. El tipo de electrodo usado puede afectar a la zona de tejido dañado mecánicamente por el procedimiento, el área de tejido estimulado, y la exactitud de la implantación, lo que afecta el resultado experimental general. Si el tipo de electrodo no es capaz de ser esterilizado en autoclave, utilizar povidona-yodo antiséptico para esterilizar el electrodo en la medida de lo posible.
4. Con unas tijeras quitar el cuero cabelludo sobre el sitio de implantación con un diámetro de aproximadamente 1,5 cm, para descubrir el bregma y lambda en el cráneo. Retire el músculo y la fascia que recubre el cráneoy detener toda hemorragia con electrocauterio.
5. Raspe la superficie del cráneo en múltiples direcciones con un bisturí para mejorar la adherencia del cemento dental (paso 1.8). Nivel bregma y lambda en la dirección horizontal.
6. . Para orientar STN, a 3,6 mm posterior a bregma y 2,5 mm lateral a la línea media, utilice un taladro eléctrico pequeño con punta para crear un agujero de trépano que mide aproximadamente 1,5 mm de diámetro Nota: La ubicación exacta de la STN en referencia a coordenadas estereotáxica puede variar según la cepa de rata, peso y sexo. Las ratas adultas del mismo género se deben usar para minimizar cualquier variación en la ubicación. Si es posible, las exploraciones anatómicas pre-operacionales o grabaciones eléctricas intraoperatorias se deben utilizar para identificar la ubicación de STN sobre una base sujeto individual. Además, sitios de terminación de los electrodos deben ser verificados histológicamente para asegurar la precisión de destino.
   1. Hacer cuidadosamente una incisión en la duramadre, y usar pequeñas pinzas romas para mover la duramadre a los lados de the agujero. Detenga cualquier sangrado con algodón estéril empapada en solución salina. Crear agujeros para uno o más tornillos compatibles con MR) e inserte suavemente en el cráneo hasta que sean estables. Tornillos pueden ser colocados en cualquier lugar donde no perturbar la colocación del conector externo para el electrodo de DBS (p. ej. No directamente detrás de la STN ipsilateral al electrodo). Recomendamos la colocación en los bordes laterales del cráneo, idealmente directamente posterior a la sutura lambda. En este punto, el cráneo es relativamente grueso, reduciendo la probabilidad de que los tornillos pueden dañar la corteza "Nota:. Tornillos de bronce cortados a 4-5 mm de longitud se utilizan en este protocolo, aunque tornillos de plástico también son adecuados.
7. Coloque el electrodo en el brazo estereotáxica, asegurando que es recta y vertical. Toque el electrodo de Bregma, a continuación, mover el electrodo exactamente 3,6 mm posterior a bregma y 2,5 mm lateral a la línea media y toque la superficie corticalcon el electrodo. Desde la superficie cortical, inserte el electrodo 7,8 mm ventral. Estas coordenadas se determinan por referencia a un atlas neuroanatómico ^1.
8. Coloque una capa de cemento dental sobre el cráneo, incluidos los tornillos de cráneo y punto de inserción del electrodo. Esperar hasta que el cemento se endurece completamente antes de retirar el electrodo del marco estereotáctico. Doble el electrodo de versiones anteriores y uso de cemento adicional para cubrir el resto del tracto electrodo y el conector para la durabilidad.

2. Preparación fMRI

El segundo paso es la configuración de fMRI, incluyendo posicionamiento de la bobina y la configuración de los equipos de monitorización fisiológica.

1. Fije la cabeza del animal para evitar el movimiento durante la exploración Nota:. Un sistema de barras intraauricular plástico personalizado se utiliza aquí para la fijación de la cabeza. Coloque las barras en los canales auditivos y asegurar que la pieza de cabeza para que la cabeza gire suavemente en the dirección vertical sin rotación horizontal. Fije la posición de la cabeza mediante la fijación de los dientes superiores con el aparato.
2. Anestesiar la rata completamente y monitorear final CO ₂ de las mareas para garantizar la estabilidad en todos los análisis. Para mantener la anestesia final, la ventilación y el control de las mareas de CO ₂ niveles durante el análisis, se utiliza un sistema de ventilación de pequeños animales compatible con MR combinada con un vaporizador de isoflurano aquí, aunque una variedad de agentes anestésicos y la sedación se puede utilizar de una manera similar. Ajuste el ventilador a 45 respiraciones / min con un volumen moderado, aproximadamente 500 ml / min de aire como un volumen de partida. Ajuste el isoflurano al 2% y transferir a la rata en la sala de exploración. Conecte la salida del ventilador al tubo endotraqueal de la rata y presione firmemente para asegurar. Capnometría deben ser adquiridos usando un tubo conectado lo más cerca al conector de tubo endotraqueal como sea posible. Ajuste el volumen de ventilación para producir un CO espiratorio final ₂ del 2,6% al 3,3%.
3. Use un soporte de pequeños animales compatible con MR para insertar la rata en el escáner con un baño de agua caliente circulante para el control de la temperatura. Pegue la almohadilla del baño en el soporte y se cubre con un papel absorbente limpio. Coloque la rata en la cama de agua caliente.
4. El monitoreo de los niveles de temperatura y de dióxido de carbono son esenciales para BOLD fMRI, mientras que la saturación de oxígeno arterial y la frecuencia cardíaca son también parámetros fisiológicos útiles. Inserte una sonda de temperatura rectal compatible-MR y la cinta a la base de la cola y, a continuación, ajuste la temperatura del baño de agua para mantener la temperatura normal del cuerpo a 37 ° C. Controlar la saturación de oxígeno arterial y el ritmo cardíaco utilizando un pequeño sistema de oximetría de pulso animales, manteniéndolas a 95-98% y 250-350 lpm, respectivamente, que pueden variar en función del tipo de los anestésicos usados. La saturación de oxígeno y la frecuencia cardíaca son ambos influenciados por la profundidad de la anestesia, el volumen de la ventilación y la tasa de ventilación. Volumen de ventilación y la tasa puede ser necesarioque equilibrarse cuidadosamente para mantener adecuados niveles de CO _2-final de la espiración y la saturación de oxígeno adecuada.
5. Se necesita una bobina de superficie para la adquisición de resonancia magnética funcional BOLD. Coloque la bobina de superficie tan cerca de la superficie de la cabeza como sea posible. Una vez asegurado, colocar la pasta de dientes en la superficie de la cabeza en la tapa de cemento con el fin de reducir los artefactos de susceptibilidad cerca de la superficie del cerebro Nota:. Utilizamos una bobina de superficie transceptor casera con un diámetro interno de aproximadamente 1,6 cm, aunque bobinas de superficie más grandes pueden ser utilizado para optimizar la respuesta BOLD en las regiones subcorticales profundas.
6. Conecte el electrodo de estimulación a un sistema estimulador eléctrico programable Nota:. Utilizamos un TTL programables a medida sistema conectado a un estimulador bipolar para entregar impulsos eléctricos sincronizados a las excitaciones de RF de los exámenes de IRM desencadenante.
7. Para la sedación y parálisis durante la adquisición de datos de la fMRI, utilizar un cóctel de dexmedetomidina (0,1mg / kg / h, ip) y pancuronio (1 mg / kg / h, IP), combinada con una baja dosis de isoflurano al 0,5% para prevenir la actividad epiléptica ^2. Para la infusión del fármaco, una bomba de jeringa compatible con RM debe ser utilizado si la bomba es para ser colocado en el ambiente magnético. Alternativamente, una bomba no compatible puede ser colocado fuera del entorno magnético siempre que se utiliza tubo de catéter extendida.

3. fMRI datos Acquistion

El tercer paso es la adquisición de resonancia magnética funcional, incluyendo posicionamiento, acuñamiento, exploraciones anatómicas, y exploraciones funcionales. Un sistema de 9.4 Tesla con una bobina de superficie hecha en casa se utiliza aquí, aunque esta técnica se puede adaptar a otros sistemas de alto campo y comercialmente hizo bobinas de MRI.

1. Inserte la rata en el escáner y la posición en el centro del imán. Use una imagen del explorador en tres planos para centrar con precisión la rata dentro del imán con respecto a las regiones cerebrales de interés, y FastMap calzando a homogenocer el campo magnético en las regiones de interés.
2. Utilice un sagital en T2 secuencia RARE (FOV, 2,56 x 2,56 cm ^2, el tamaño de la matriz, 256 x 256, grosor de corte, 1,5 mm; TR / TE, 1500-1511 ms; Factor RARE, 8; flip ángulo, 180 °) para encontrar la ubicación de la comisura anterior, y alinear las imágenes posteriores a esta ubicación. Alinear ocho rebanada exploraciones GE-EPI de un solo tiro (FOV, 2,56 x 2,56 cm ^2; tamaño de matriz, 96 x 96, reconstruida a 128 x 128, grosor de corte, 1 mm; TR / TE, 1000-1014 ms) a dicho punto con la orientación de la corona.
3. En las exploraciones funcionales, utilice 70 exploraciones del PAI consecutivos con 1 segundo de la resolución temporal sincronizada con la salida de la estimulación, se establece en 20 segundos de descanso, 10 estimulación seg, seguido de 40 segundos de descanso. Permita un mínimo de 90 segundos entre exploraciones para permitir la recuperación neurovascular. Adquirir múltiples exploraciones repetidas en cada parámetro de estimulación para mejorar la relación señal-ruido promediando. Utilice una serie de exploraciones ficticias (típicamente 4-8) Inmediatamente antes de la exploración para la reducción de ruido. Confirme la respuesta BOLD en el momento de la adquisición de imágenes para asegurar el éxito del experimento utilizando el método descrito en la sección 4, aunque de promedio, coregistration y cráneo-decapado se pueden omitir en este contexto.
4. Después de la exploración funcional es completa, utilice una secuencia ponderada en T2 RARE-spin eco (FOV, 2,56 x 2,56 cm ^2, el tamaño de la matriz, 256 x 256, grosor de corte, 1 mm; TR / TE, 2500/33 ms; promedios, 8 ) para medir la posición anatómica del electrodo in vivo. Adquirir múltiples secciones coronal y sagital para medir la punta del electrodo a lo largo artefacto anterior / posterior, ejes ventral medial / lateral y dorsal / y confirmar la colocación de electrodos. De alta resolución de la microscopía de resonancia magnética (FOV, 1,8 x 1,28 cm; Tamaño de matriz, 360 x 256, grosor de corte, 0,5 mm; TR / TE, 2500/12.6 ms; factor poco comunes, 8; promedios, 280) se pueden usar para examinar el ubicación precisa del tracto electrodo después de la eliminación con respectoa las estructuras neuroanatómicas cercanas y confirmar la precisión de colocación de los electrodos ^3.

4. Procesamiento de datos y análisis de resonancia magnética funcional

El cuarto paso es el procesamiento y análisis de datos de la fMRI, incluyendo la generación de mapas de respuesta y el cálculo del porcentaje de cambio de la señal BOLD. Programas personalizados que se ejecutan en un entorno de computación (por ejemplo, MATLAB) o herramientas comerciales de software de resonancia magnética funcional (p. ej. SPM, FSL, o AFNI) pueden ser empleados.

1. Comience con coregistration imagen y un promedio de los datos de primera dentro de la materia por la frecuencia, seguido por otro lado-tema Nota:. Logramos esto utilizando los códigos de GDS.
2. Realice cráneo decapado para eliminar el tejido nonbrain usando región definida manualmente de interés (ROI) con umbrales de señal. Algoritmos cráneo pelacables automáticos se pueden emplear.
3. Compilar mapas de respuesta mediante el cálculo del coeficiente de correlación de la relación entre res BOLDPONSE con el tiempo y el paradigma de estimulación para cada voxel. Retrasar el paradigma varios segundos para explicar el retraso en la respuesta hemodinámica puede ser necesario. Ajuste el nivel significativo de p <0,05 después de la corrección de Bonferroni. Otros métodos estadísticos se pueden emplear. Corrección para comparaciones múltiples utilizando la Teoría del Campo Aleatorio o corrección a nivel de clúster basado en Gaussian campo aleatorio se puede realizar en lugar de la corrección de Bonferroni para el análisis más sensible ⁴ Nota:. El hemodinámica retraso puede variar en función de las regiones cerebrales específicas, agentes farmacológicos utilizados, y parámetros fisiológicos. Es crucial para el control de estos parámetros con el fin de evitar la variabilidad intra-sujeto y entre sujetos.
4. Cuantificar la respuesta BOLD definiendo un retorno de la inversión para extraer datos de tiempo-por supuesto. Promediar el cambio de la señal por ciento en todos los voxels en la misma estructura anatómica. Análisis voxel-wise utilizando el Modelo Lineal General también se puede usar ⁵.

Resultados

Datos funcionales representativos fueron adquiridos de acuerdo con el protocolo anterior en una sola rata con un electrodo de estimulación implantado al núcleo subtalámico en el lado derecho. Una ilustración de la configuración esencial para la adquisición de imágenes de resonancia magnética funcional de DBS se proporciona en la Figura 1. La estimulación se aplican de conformidad con el protocolo anterior, con una amplitud de 0,3 mA, frecuencia de 130 Hz y anchura de impulso de 0,09 mseg. Activ...

Discusión

Simultánea DBS y fMRI representa un conjunto de herramientas experimental prometedora para la identificación y caracterización de las respuestas posteriores a la estimulación mundiales circuito neural, in vivo. La principal ventaja de esta técnica sobre otras herramientas disponibles, tales como grabaciones electrofisiológicas, se encuentra en la naturaleza relativamente no sesgada de la fMRI, por el que un área grande y diverso de tejido cerebral se puede examinar para la capacidad de respuesta a DBS a ...

Materiales

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)