Estimulação Cerebral Profunda com fMRI simultâneo em Roedores

Resumo

Este protocolo descreve um método padrão para simultânea ressonância magnética funcional e estimulação cerebral profunda no roedor. O uso combinado dessas ferramentas experimentais permite a exploração de actividade a jusante global em resposta à estimulação elétrica em praticamente qualquer alvo cérebro.

Resumo

Para visualizar as respostas neuronais globais ea jusante a estimulação profunda do cérebro (DBS) em vários alvos, desenvolvemos um protocolo para a utilização de nível de oxigênio no sangue dependente (BOLD) a ressonância magnética funcional (fMRI) para roedores de imagem com simultânea DBS. DBS fMRI apresenta uma série de desafios técnicos, incluindo a precisão de implante de eletrodos, artefatos MR criados pelo eletrodo, a escolha de anestesia e paralítico para minimizar os efeitos neuronais, eliminando simultaneamente o movimento animal, ea manutenção de parâmetros fisiológicos, desvio que pode confundir o sinal BOLD. Nosso laboratório tem desenvolvido um conjunto de procedimentos que são capazes de superar a maioria destes possíveis problemas. Para a estimulação elétrica, um caseiro de microeletrodos bipolar tungstênio é usado, inserido estereotaxicamente no local estimulação no assunto anestesiado. Em preparação para a imagiologia, os roedores são fixados num capacete e plásticotransferido para o magneto. Para sedação e paralisia durante a digitalização, um coquetel de dexmedetomidina e pancurônio é continuamente infundido, juntamente com uma dose mínima de isoflurano; esta preparação minimiza o efeito BOLD teto de anestésicos voláteis. Neste exemplo experimento, a estimulação do núcleo subtalâmico (STN) produz respostas BOLD que são observadas principalmente em regiões corticais ipsilaterais, centrado no córtex motor. DBS simultânea e fMRI permite a modulação inequívoca dos circuitos neurais dependentes da localização estímulo e parâmetros de estimulação, e permite a observação de modulações neuronais livres de viés regional. Esta técnica pode ser usada para explorar os efeitos a jusante da modulação circuitos neurais em praticamente qualquer região do cérebro, com implicações tanto experimental e clínica DBS.

Introdução

Determinar os efeitos a jusante globais de atividade circuito neural representa um grande desafio e meta para muitas áreas da neurociência de sistemas. A escassez de ferramentas estão disponíveis no momento que atender a essa necessidade, e, assim, há uma demanda para o aumento da acessibilidade das montagens experimentais apropriados. Um tal método para avaliar a conseqüência global de ativação do circuito neural depende da aplicação simultânea de Estimulação Cerebral Profunda elétrica (DBS) e ressonância magnética funcional (fMRI). DBS-RMf permite a detecção de respostas a jusante para a activação do circuito de uma forma extensiva, e pode ser aplicada em praticamente qualquer alvo estimulação. Este conjunto de ferramentas é altamente adequado para estudos pré-clínicos translacionais, incluindo a caracterização das respostas à estimulação terapêutica de alta frequência.

Além do acesso a um scanner de ressonância magnética adequado, as experiências bem-sucedidas DBS-fMRI exigem a consideração de uma série de variables, incluindo tipo de eletrodo, o método de sedação e manutenção de parâmetros fisiológicos. Por exemplo, a escolha do eléctrodo deve ser com base em factores relacionados com a eficácia da estimulação (por exemplo, tamanho. Chumbo e condutância, mono-vs bipolar), bem como a compatibilidade MR e eléctrodo tamanho artefato. Artefactos de eléctrodos variar de acordo com o material de eléctrodo e tamanho, bem como a sequência de verificação utilizado; testes pré-experimental completo deve ser empregue para determinar o tipo de eléctrodo apropriada para cada estudo. Em geral, os eletrodos de tungstênio microfios são recomendados para esse protocolo. Escolha do paralítico e sedativo deve ser feita de forma eficaz para imobilizar o animal e reduzir os efeitos supressivos de certos sedativos em sinal de nível de oxigênio no sangue-dependente (BOLD). Por último, é fundamental para manter o animal em parâmetros fisiológicos ideais, incluindo a temperatura do corpo e saturação de oxigênio.

O protocolo que se desenvolveram para DBS-FMRI supera muitos desses obstáculos potenciais, e em nossas mãos, fornece resultados robustos e consistentes. Além disso, esses procedimentos experimentais podem ser facilmente adoptado para a combinação de métodos de estimulação com RMf alternativos, incluindo a estimulação optogenetic.

Protocolo

Declaração de Ética: Este procedimento está de acordo com os Institutos Nacionais de Saúde Diretrizes para a Pesquisa Animal (Guia para o Cuidado e Uso de Animais de Laboratório) e é aprovado pela Universidade do Comitê Animal Care e Use Institucional Carolina do Norte.

1. Eletrodo Implantação

O primeiro passo é a implantação do eletrodo. Neste passo, um eléctrodo é unilateralmente implantado no núcleo subtalâmico (STN), um pequeno núcleo com significância de translação para o tratamento da doença de Parkinson, utilizando os seguintes métodos:

1. Esterilizar todos os equipamentos cirúrgicos utilizando uma autoclave ou solução anti-séptica onde autoclavagem não é possível (por exemplo, para eletrodo de esterilidade) Nota:. Esta é uma cirurgia sobrevivência a curto prazo e, portanto, uma técnica asséptica é essencial. Após a cirurgia, os animais podem ser trabalhada após um breve período de recuperação (48 horas) ou até várias semanas mais tarde.
2. Anestesiar o rato (ratos adultos Sprague-Dawley 250-400 g) com 2,5% de isoflurano administrado através de entubação endotraqueal e um pequeno ventilador animal. Corrigir o rato para um quadro cirúrgico estereotáxica e preparar o local da cirurgia, utilizando técnicas assépticas.
3. Preparar e garantir que o eletrodo é estéril. A 2-channel eletrodo de tungstênio microfio caseiro é usado para este procedimento, embora muitos tipos de eletrodos de ressonância magnética compatível irá funcionar. O tipo de eléctrodo utilizado pode afectar a área do tecido danificado mecanicamente através do procedimento, a área de tecido estimulada, e a precisão de implantação, afectando, assim, o resultado experimental global. Se o tipo de eléctrodo não é capaz de ser esterilizado, utilizar povidona-iodo-séptico para esterilizar o eléctrodo de tanto quanto for possível.
4. Utilizando uma tesoura remover o couro cabeludo sobre o local do implante com um diâmetro de cerca de 1,5 cm, para descobrir a bregma e lambda no crânio. Remover o músculo e fáscia que recobre o crânioe parar o sangramento usando todo eletrocautério.
5. Raspe a superfície do crânio em várias direções com um bisturi para melhorar a aderência do cimento dental (passo 1.8). Nível Bregma e Lambda na direção horizontal.
6. . Para direcionar STN, em 3,6 mm posterior ao bregma e 2,5 mm lateral à linha média, use uma furadeira elétrica pequena de ponta para criar um orifício de trepanação medindo cerca de 1,5 mm de diâmetro Nota: O local exato da STN, em referência ao estereotáxica coordenadas podem variam de acordo com a tensão de ratos, peso e sexo. Ratos adultos do mesmo sexo devem ser usados ​​para minimizar qualquer variação na localização. Se possível, as verificações anatómicas pré-operacionais ou gravações eléctricos intraoperatória deve ser usada para identificar a localização STN numa base sujeito individual. Além disso, os locais de terminação de eléctrodos deverá ser verificada histologicamente para garantir a precisão alvo.
   1. Cuidadosamente fazer uma incisão na dura-máter, e usar pequenas pinças rombas para mover a dura-máter para os lados do poe buraco. Evitar qualquer sangramento com algodão embebido em soro fisiológico estéril. Criar furos para um ou mais parafusos MR-compatíveis) e inseri-los suavemente no crânio até que eles são estáveis. Os parafusos podem ser colocados em qualquer local em que eles não vão afectar a colocação do conector externo para o eléctrodo de DBS (por exemplo. Não directamente por trás do ipsilateral STN ao eléctrodo). Recomendamos posicionamentos nos bordos laterais do crânio, idealmente posterior directamente para a sutura de lambda. Neste ponto, o crânio é relativamente espessa, reduzindo a probabilidade de que os parafusos se danificar o córtex "Nota:. Parafusos de latão cortadas a 4-5 mm de comprimento, são usadas neste protocolo, embora os parafusos de plástico também são adequadas.
7. Coloque o eletrodo no braço estereotáxica, garantindo que ele é reto e vertical. Toque no eletrodo para Bregma, em seguida, passar o eletrodo exatamente 3,6 milímetros posterior à bregma e 2,5 mm lateral à linha média e tocar a superfície corticalcom o eletrodo. A partir da superfície cortical, insira o eletrodo de 7,8 milímetros ventralmente. Estas coordenadas são determinadas por referência a um atlas neuroanatomical ^1.
8. Coloque uma camada de cimento dental sobre o crânio, incluindo os parafusos de crânio e ponto de inserção do eletrodo. Aguarde até que o cimento é completamente endurecido antes de remover o eletrodo do quadro estereotáxico. Dobre o eletrodo para trás e usar cimento adicional para cobrir o resto do trato eletrodo e conector para a durabilidade.

2. fMRI Preparação

O segundo passo é a configuração para fMRI, incluindo o posicionamento da bobina e instalação de equipamento de monitorização fisiológica.

1. Proteja a cabeça do animal para evitar movimento durante a varredura Nota:. Um sistema de bar intraauricular plástico personalizado é usado aqui para fixação cabeça. Coloque as barras nos canais auditivos e segura para o capacete para que a cabeça gira suavemente em poe vertical, sem rotação horizontal. Fixe a posição da cabeça, fixando os dentes superiores para o aparelho.
2. Anestesiar o rato completamente e monitorar final da expiração de CO ₂ para garantir a estabilidade em todas as varreduras. Para manter o efeito de anestesia, ventilação e controlo de corrente níveis de CO ₂ durante a verificação, um pequeno sistema de ventilação animais MR-compatível combinado com um vaporizador de isoflurano é usado aqui, embora uma variedade de agentes anestésicos e sedação pode ser usado de uma forma semelhante. Defina o ventilador para 45 ciclos / min com um volume moderado, cerca de 500 ml / min de ar como um volume inicial. Defina o isoflurano a 2% e transferir o rato dentro da sala de exame. Conecte a saída do ventilador para tubo endotraqueal do rato e pressione com firmeza para fixar. Capnografía devem ser obtidas utilizando um tubo ligado tão estreitamente ao conector do tubo endotraqueal quanto possível. Ajustar o volume de ventilação para produzir uma CO exalado ₂ de 2,6% para 3,3%.
3. Use um suporte de pequenos animais MR-compatível para inserir o rato dentro do scanner com um banho de água quente circula para controle de temperatura. Tape a almofada do banho para o titular e cobri-lo com papel absorvente limpo. Coloque o rato em cima da cama de água quente.
4. A monitorização dos níveis de temperatura e de dióxido de carbono são essenciais para BOLD fMRI, enquanto a saturação de oxigênio arterial e freqüência cardíaca também são parâmetros fisiológicos úteis. Insira uma sonda de temperatura rectal MR-compatíveis e que a fita para a base da cauda, ​​e, em seguida, ajustar a temperatura do banho de água para manter a temperatura corporal normal de 37 ° C. Monitorar a saturação de oxigênio arterial e freqüência cardíaca usando um pequeno animal de pulso sistema de oximetria, mantendo-os em 95-98% e 250-350 bpm, respectivamente, o que pode variar dependendo do tipo de anestésicos utilizados. A saturação de oxigênio e freqüência cardíaca são ambos influenciados pela profundidade da anestesia, o volume de ventilação e taxa de ventilação. Volume de ventilação e taxa pode precisarser cuidadosamente equilibrada para manter adequados os níveis de CO ₂ expirado e saturação de oxigênio adequada.
5. A bobina de superfície é necessária para a aquisição fMRI BOLD. Colocar a superfície da bobina o mais próximo possível da superfície da cabeça possível. Uma vez fixada, colocar pasta de dentes na superfície da cabeça do tampão de cimento a fim de reduzir os artefactos de susceptibilidade perto da superfície do cérebro Nota:. Usamos um transceptor bobina superfície caseiro com um diâmetro interno de aproximadamente 1,6 cm, embora as duas bobinas maiores podem ser utilizado para optimizar a resposta BOLD em regiões subcorticais mais profundos.
6. Conecte o eletrodo estimulante para um sistema estimulador elétrico programável Nota:. Usamos um TTL programável custom-made sistema conectado a um estimulador bipolar para entregar pulsos elétricos sincronizados com as excitações de RF dos exames de RM desencadeante.
7. Para sedação e paralisia durante a aquisição de dados de fMRI, use um coquetel de dexmedetomidina (0,1mg / kg / hr, ip) e pancurónio (1 mg / kg / hr, ip), combinado com uma baixa dose de isoflurano a 0,5% para prevenir a actividade epiléptica ^2. Para a perfusão da droga, uma bomba de seringa MR-compatível deve ser utilizado se a bomba está a ser colocado no ambiente magnético. Alternativamente, uma bomba de noncompatible pode ser colocado do lado de fora do ambiente magnético desde que tubos cateter estendida é usado.

3. fMRI dados Acquistion

O terceiro passo é a aquisição de fMRI, incluindo o posicionamento, calços, scans anatômicas e exames funcionais. Um sistema de 9,4 Tesla com uma bobina de superfície caseiro é usado aqui, embora esta técnica pode ser adaptado a outros sistemas de alto campo e comercialmente produzida bobinas de ressonância magnética.

1. Insira o rato dentro do scanner e posicione no centro do ímã. Use imagem olheiro três plano para centralizar precisamente o rato dentro do ímã em relação às regiões do cérebro de interesse, e FastMap calços para homonhecer o campo magnético nas regiões de interesse.
2. Use um T2 seqüência RARE sagital (FOV, 2,56 x 2,56 centímetros ^2; tamanho da matriz, 256 x 256, espessura de corte, 1,5 mm; TR / TE, 1500-1511 ms; Fator RARE, 8; Virar Ângulo, 180 °) para encontrar a localização da comissura anterior, e alinhar as imagens posteriores a este local. Alinhe oito fatia de um único tiro scans GE-PAV (FOV, 2,56 x 2,56 centímetros ^2, tamanho da matriz, 96 x 96, reconstruído a 128 x 128; espessura de corte, um milímetro; TR / TE, 1000-1014 ms) a este ponto com orientação coronal.
3. Nas verificações funcionais, use 70 exames EPI consecutivos com um segundo resolução temporal sincronizada com a saída de estimulação, definido como 20 segundos de descanso, 10 seg estimulação, seguido por 40 segundos de descanso. Permitir um mínimo de 90 segundos entre as varreduras para permitir a recuperação neurovascular. Adquirir vários exames repetidos em cada parâmetro estímulo para melhorar a relação sinal-ruído pela média. Utilize uma série de exames fictícios (tipicamente 4-8) Imediatamente antes da verificação de redução de ruído. Confirme a resposta BOLD no momento da aquisição da imagem para garantir o sucesso do experimento, utilizando o método descrito no ponto 4, embora a média, coregistration e crânio-descascamento pode ser ignorada neste cenário.
4. Após a digitalização funcional é completo, use uma seqüência ponderada em T2 RARE spin-echo (FOV, 2,56 x 2,56 centímetros ^2; tamanho da matriz, 256 x 256, espessura do corte, a 1 mm; TR / TE, 2500/33 ms; médias, 8 ) para medir a posição anatômica do eletrodo in vivo. Adquirir várias seções coronal e sagital para medir a ponta do eletrodo artefato juntamente anterior / posterior, eixos ventral medial / lateral e dorsal / e confirme a colocação do eletrodo. Microscopia de ressonância magnética de alta resolução (FOV, 1,8 x 1,28 centímetros, o tamanho da matriz, 360 x 256, espessura de corte, 0,5 mm; TR / TE, 2500/12.6 ms; fator RARE, 8; médias, 280) pode ser usado para examinar o localização exacta do eléctrodo trato, após remoção com respeitoàs estruturas neuroanatômicas próximas e confirmar a precisão do posicionamento dos eletrodos ^3.

4. fMRI Processamento e Análise de Dados

O quarto passo é o processamento e análise de dados de fMRI, incluindo a geração de mapas de resposta e cálculo de cento BOLD mudança de sinal. Programas personalizados que funcionam dentro de um ambiente de computação (por exemplo, MATLAB), ou ferramentas de software comercial de fMRI (eg. SPM, FSL, ou AFNI) podem ser empregadas.

1. Comece com coregistration imagem e média de dados pela primeira vez no assunto-por frequência, seguido por outro lado, sujeito Nota:. Nós conseguimos isso usando códigos SPM.
2. Realize crânio descascar para remover o tecido nonbrain usando região definida manualmente de interesse (ROI) com limiar de sinal. Algoritmos automáticos crânio de decapagem podem ser empregues.
3. Elaborar mapas de resposta por meio do cálculo do coeficiente de correlação da relação entre res BOLDponse ao longo do tempo e do paradigma de estimulação para cada voxel. Atrasar o paradigma vários segundos para explicar atraso na resposta hemodinâmica pode ser necessária. Definir nível significativo em P <0,05 após a correção de Bonferroni. Podem ser empregues outros métodos estatísticos. Correção para comparações múltiplas, utilizando aleatório Campo Theory ou correção em nível de cluster com base em Gaussian Aleatório campo pode ser realizada no lugar da correção de Bonferroni para análise mais sensível ⁴ Nota:. Hemodinâmica O atraso pode variar com base em regiões cerebrais específicas, agentes farmacológicos utilizados, e parâmetros fisiológicos. É crucial para controlar estes parâmetros de modo a evitar a variabilidade intra-sujeito e entre sujeitos.
4. Quantificar a resposta BOLD definindo um ROI para extrair dados de curso de tempo. Média, a mudança de sinal por cento em todos os voxels dentro da mesma estrutura anatômica. Análise baseada em voxel usando o Modelo Linear Geral também pode ser usado ⁵.

Resultados

Dados funcionais representativos foram adquiridos de acordo com o protocolo acima num rato com um eléctrodo estimulante implantado para o núcleo subtalâmico, no lado direito. Uma ilustração de instalação essencial para a aquisição da imagem DBS fMRI é fornecido na Figura 1. A estimulação foi aplicada de acordo com o protocolo de cima, com uma amplitude de 0,3 mA, a frequência de 130 Hz e de largura de pulso de 0,09 ms. Ativação robusto do córtex motor ipsilateral tem sido consistentement...

Discussão

DBS simultânea e fMRI representa uma ferramenta experimental promissor para a identificação e caracterização de respostas globais a jusante à estimulação circuito neural, in vivo. A principal vantagem desta técnica em relação a outras ferramentas disponíveis, tais como registos electrofisiolicos, reside na natureza relativamente imparcial de RMf, em que um grande e diverso área de tecido cerebral pode ser examinado para a capacidade de resposta de DBS em qualquer alvo. Embora o protocolo descrito ?...

Materiais

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)