Name: in vivo positron emission tomography to reveal activity patterns induced by deep brain stimulation in rats
Uploaded: 2022-03-23T12:45:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about In vivo Positron Emission Tomography to Reveal Activity Patterns Induced by Deep Brain Stimulation in Rats at JoVE.com

Wir danken Prof. Christine Winter, Julia Klein, Alexandra de Francisco und Yolanda Sierra für ihre unschätzbare Unterstützung bei der Optimierung der hier beschriebenen Methodik. MLS wurde vom Ministerio de Ciencia e Innovación, Instituto de Salud Carlos III (Projektnummer PI17/01766 und Fördernummer BA21/0030) unterstützt, kofinanziert vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE), "A way to make Europe"; CIBERSAM (Projektnummer CB07/09/0031); Delegación del Gobierno para el Plan Nacional sobre Drogas (Projektnummer 2017/085); Fundación Mapfre; und Fundación Alicia Koplowitz.  MCV wurde von der Fundación Tatiana Pérez de Guzmán el Bueno als Stipendiatin dieser Einrichtung und dem EU Joint Programme - Neurodegenerative Disease Research (JPND) unterstützt. DRM wurde unterstützt von Consejería de Educación e Investigación, Comunidad de Madrid, kofinanziert durch den Europäischen Sozialfonds "Investing in your future" (Förderkennzeichen PEJD-2018-PRE/BMD-7899). NLR wurde unterstützt vom Instituto de Investigación Sanitaria Gregorio Marañón, "Programa Intramural de Impulso a la I+D+I 2019". Die MD-Arbeit wurde vom Ministerio de Ciencia e Innovación (MCIN) und dem Instituto de Salud Carlos III (ISCIII) unterstützt (PT20/00044). Das CNIC wird vom Instituto de Salud Carlos III (ISCIII), dem Ministerio de Ciencia e Innovación (MCIN) und der Stiftung Pro CNIC unterstützt und ist ein Severo Ochoa Center of Excellence (SEV-2015-0505).

Versuchstierversuche wurden gemäß der Richtlinie 2010/63/EU des Rates der Europäischen Gemeinschaften durchgeführt und von der Ethikkommission für Tierversuche des Krankenhauses Gregorio Marañón genehmigt. Eine grafische Zusammenfassung des Versuchsprotokolls ist in Abbildung 1A dargestellt.
1. Lokalisierung des Gehirnziels durch in vivo Neuroimaging
<ol><li>Tierpräparation HINWEIS: Männliche Wistar-Ratten von ~ 300 g wurden verwende...

<ol>
	<li>Gildenberg, P. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neuromodulation:+A+historical+perspective.">Neuromodulation: A historical perspective.</a> Neuromodulation. 1, 9-20 (2009).</li><li>Lee, D. J., Lozano, C. S., Dallapiazza, R. F., Lozano, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Current+and+future+directions+of+deep+brain+stimulation+for+neurological+and+psychiatric+disorders.">Current and future directions of deep brain stimulation for neurological and psychiatric disorders.</a> Journal of Neurosurgery. 131 (2), 333-342 (2019).</li><li>Casquero-Veiga, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preclinical+molecular+neuroimaging+in+deep+brain+stimulation.">Preclinical molecular neuroimaging in deep brain stimulation.</a> Complutense University of Madrid. , (2021).</li><li>Blaha, C. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Theories+of+deep+brain+stimulation+mechanisms.">Theories of deep brain stimulation mechanisms.</a> Deep Brain Stimulation: Indictions and Applications. , 314-338 (2016).</li><li>Fins, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deep+brain+stimulation:+Ethical+issues+in+clinical+practice+and+neurosurgical+research.">Deep brain stimulation: Ethical issues in clinical practice and neurosurgical research.</a> Neuromodulation. 1, 81-91 (2009).</li><li>Desmoulin-Canselier, S., Moutaud, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Animal+models+and+animal+experimentation+in+the+development+of+deep+brain+stimulation:+From+a+specific+controversy+to+a+multidimensional+debate.">Animal models and animal experimentation in the development of deep brain stimulation: From a specific controversy to a multidimensional debate.</a> Frontiers in Neuroanatomy. 13, 51 (2019).</li><li>Casquero-Veiga, M., Hadar, R., Pascau, J., Winter, C., Desco, M., Soto-Montenegro, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Response+to+deep+brain+stimulation+in+three+brain+targets+with+implications+in+mental+disorders:+A+PET+study+in+rats.">Response to deep brain stimulation in three brain targets with implications in mental disorders: A PET study in rats.</a> PLOS One. 11 (12), 0168689 (2016).</li><li>Casquero-Veiga, M., Garc&#237;a-Garc&#237;a, D., Desco, M., Soto-Montenegro, M. 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J., Abella, M., Cacho, R., Lage, E., Desco, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multimodality+workstation+for+small+animal+image+visualization+and+analysis.+Scientific+Papers.">Multimodality workstation for small animal image visualization and analysis. Scientific Papers.</a> Molecular Imaging and Biology. 8, 97-98 (2006).</li><li>Paxinos, G., Watson, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. , (1998).</li><li>Roy, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+dual+tracer+PET-MRI+protocol+for+the+quantitative+measure+of+regional+brain+energy+substrates+uptake+in+the+rat.">A dual tracer PET-MRI protocol for the quantitative measure of regional brain energy substrates uptake in the rat.</a> Journal of Visualized Experiments: JoVE. (82), e50761 (2013).</li><li>Klein, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel+approach+to+investigate+neuronal+network+activity+patterns+affected+by+deep+brain+stimulation+in+rats.">A novel approach to investigate neuronal network activity patterns affected by deep brain stimulation in rats.</a> Journal of Psychiatric Research. 45 (7), 927-930 (2011).</li><li>Soto-Montenegro, M. L., Pascau, J., Desco, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Response+to+deep+brain+stimulation+in+the+lateral+hypothalamic+area+in+a+rat+model+of+obesity:+In+vivo+assessment+of+brain+glucose+metabolism.">Response to deep brain stimulation in the lateral hypothalamic area in a rat model of obesity: In vivo assessment of brain glucose metabolism.</a> Molecular Imaging and Biology. , 830-837 (2014).</li><li>Pascau, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automated+method+for+small-animal+PET+image+registration+with+intrinsic+validation.">Automated method for small-animal PET image registration with intrinsic validation.</a> Molecular Imaging and Biology. 11 (2), 107-113 (2009).</li><li>Andersson, J. L. 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M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deep+brain+stimulation:+current+challenges+and+future+directions.">Deep brain stimulation: current challenges and future directions.</a> Nature Reviews Neurology. 15 (3), (2019).</li><li>Boecker, H., Drzezga, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+perspective+on+the+future+role+of+brain+pet+imaging+in+exercise+science.">A perspective on the future role of brain pet imaging in exercise science.</a> NeuroImage. 131, (2016).</li><li>Sprengers, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=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.">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.</a> Epilepsia. 61 (5), 903-913 (2020).</li><li>Middlebrooks, E. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Acute+brain+activation+patterns+of+high-+versus+low-frequency+stimulation+of+the+anterior+nucleus+of+the+thalamus+during+deep+brain+stimulation+for+epilepsy.">Acute brain activation patterns of high- versus low-frequency stimulation of the anterior nucleus of the thalamus during deep brain stimulation for epilepsy.</a> Neurosurgery. 89 (5), 901-908 (2021).</li><li>Ashkan, K., Rogers, P., Bergman, H., Ughratdar, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Insights+into+the+mechanisms+of+deep+brain+stimulation.">Insights into the mechanisms of deep brain stimulation.</a> Nature Reviews Neurology. 13 (9), 548-554 (2017).</li><li>Williams, N. R., Taylor, J. J., Lamb, K., Hanlon, C. A., Short, E. B., George, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Role+of+functional+imaging+in+the+development+and+refinement+of+invasive+neuromodulation+for+psychiatric+disorders.">Role of functional imaging in the development and refinement of invasive neuromodulation for psychiatric disorders.</a> World Journal of Radiology. 6 (10), 756-778 (2014).</li><li>Rodman, A. M., Dougherty, D. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Nuclear medicine in neuromodulation. Neuromodulation in Psychiatry. , 81-99 (2016).</li><li>Albaugh, D. L., Shih, Y. -. Y. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neural+circuit+modulation+during+deep+brain+stimulation+at+the+subthalamic+nucleus+for+Parkinson's+disease:+what+have+we+learned+from+neuroimaging+studies.">Neural circuit modulation during deep brain stimulation at the subthalamic nucleus for Parkinson's disease: what have we learned from neuroimaging studies.</a> Brain Connectivity. 4 (1), 1-14 (2014).</li><li>Mayberg, H. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reciprocal+limbic-cortical+function+and+negative+mood:+Converging+PET+findings+in+depression+and+normal+sadness.">Reciprocal limbic-cortical function and negative mood: Converging PET findings in depression and normal sadness.</a> Neurology, and Radiology. 156 (5), 675-682 (1999).</li><li>Kennedy, S. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Differences+in+brain+glucose+metabolism+between+responders+to+CBT+and+Venlafaxine+in+a+16-week+randomized+controlled+trial.">Differences in brain glucose metabolism between responders to CBT and Venlafaxine in a 16-week randomized controlled trial.</a> American Journal of Psychiatry. 164 (5), 778-788 (2007).</li><li>Kennedy, S. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Changes+in+regional+brain+glucose+metabolism+measured+with+positron+emission+tomography+after+paroxetine+treatment+of+major+depression.">Changes in regional brain glucose metabolism measured with positron emission tomography after paroxetine treatment of major depression.</a> American Journal of Psychiatry. 158 (6), 899-905 (2001).</li><li>Brown, E. C., Clark, D. L., Forkert, N. D., Molnar, C. P., Kiss, Z. H. T., Ramasubbu, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metabolic+activity+in+subcallosal+cingulate+predicts+response+to+deep+brain+stimulation+for+depression.">Metabolic activity in subcallosal cingulate predicts response to deep brain stimulation for depression.</a> Neuropsychopharmacology. 45, 1681-1688 (2020).</li><li>Klooster, D. C. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Technical+aspects+of+neurostimulation:+Focus+on+equipment,+electric+field+modeling,+and+stimulation+protocols.">Technical aspects of neurostimulation: Focus on equipment, electric field modeling, and stimulation protocols.</a> Neuroscience &amp; Biobehavioral Reviews. 65, 113-141 (2016).</li><li>Kasoff, W., Gross, R. 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Considerations in special situations.</a> Spanish Journal of Anesthesiology and Resuscitation. 60 (7), 392-398 (2013).</li><li>Casali, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=State+of+the+art+of+18F-FDG+PET/CT+application+in+inflammation+and+infection:+a+guide+for+image+acquisition+and+interpretation.">State of the art of 18F-FDG PET/CT application in inflammation and infection: a guide for image acquisition and interpretation.</a> Clinical and Translational Imaging. 9 (4), 299-339 (2021).</li><li>Gonzalez-Escamilla, G., Muthuraman, M., Ciolac, D., Coenen, V. A., Schnitzler, A., Groppa, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neuroimaging+and+electrophysiology+meet+invasive+neurostimulation+for+causal+interrogations+and+modulations+of+brain+states.">Neuroimaging and electrophysiology meet invasive neurostimulation for causal interrogations and modulations of brain states.</a> NeuroImage. 220, 117144 (2020).</li></ol>

Angesichts der Fortschritte im Verständnis der Gehirnfunktion und der neuronalen Netzwerke, die an der Pathophysiologie neuropsychiatrischer Erkrankungen beteiligt sind, erkennen immer mehr Forschungen das Potenzial von THS in einer Vielzahl von neurologisch basierten Pathologien2. Der Wirkmechanismus dieser Therapie bleibt jedoch unklar. Mehrere Theorien haben versucht, die unter spezifischen pathologischen und stimulierenden Umständen erzielten Wirkungen zu erklären, aber die Heterogenität d...

Der Begriff Neurostimulation umfasst eine Reihe verschiedener Techniken, die darauf abzielen, das Nervensystem mit einem therapeutischen Ziel1 zu stimulieren. Unter ihnen sticht die Tiefe Hirnstimulation (THS) als eine der am weitesten verbreiteten Neurostimulationsstrategien in der klinischen Praxis hervor. THS besteht aus der Stimulation tiefer Hirnkerne mit elektrischen Impulsen, die von einem Neurostimulator abgegeben werden, der direkt in den Körper des Patienten implantiert wird, durch Elektroden, die in das Gehirnziel platziert werden, um durch stereotaktische Chirurgie moduliert zu werden. Die Anzahl der Artikel, die die Durchführbarkeit der DBS-Anwendung bei verschiedenen neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen bewerten, wächst kontinuierlich2, obwohl nur einige von ihnen von der Food and Drug Association (FDA) zugelassen wurden (d. h. essentieller Tremor, Parkinson-Krankheit, Dystonie, Zwangsstörung und medizinisch refraktäre Epilepsie)3 . Darüber hinaus wird eine große Anzahl von Gehirnzielen und Stimulationsprotokollen für die THS-Behandlung von viel mehr Pathologien als offiziell genehmigt erforscht, aber keiner von ihnen gilt als endgültig. Diese Inkonsistenzen in der THS-Forschung und den klinischen Verfahren können zum Teil auf ein mangelndes vollständiges Verständnis ihres Wirkmechanismus zurückzuführensein 4. Daher werden große Anstrengungen unternommen, um die In-vivo-Effekte von THS auf die Gehirndynamik zu entschlüsseln, da jeder Fortschritt, wie klein er auch sein mag, dazu beitragen wird, DBS-Protokolle für einen größeren therapeutischen Erfolg zu verfeinern.
In diesem Zusammenhang öffnen molekulare bildgebende Verfahren ein direktes Fenster, um in vivo neuromodulatorische Effekte von THS zu beobachten. Diese Ansätze bieten die Möglichkeit, nicht nur die Auswirkungen der THS während der Anwendung zu bestimmen, sondern auch die Art ihrer Folgen zu entschlüsseln, unerwünschte Nebenwirkungen und klinische Verbesserungen zu verhindern und sogar die Stimulationsparameter an die Bedürfnisse des Patienten anzupassen5. Unter diesen Methoden ist die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) mit 2-Desoxy-2-[18F]fluor-D-Glucose (FDG) von besonderem Interesse, da sie spezifische Echtzeitinformationen über den Aktivierungszustand verschiedener Hirnregionen liefert6. Insbesondere bietet die FDG-PET-Bildgebung eine indirekte Bewertung der neuronalen Aktivierung basierend auf dem physiologischen Prinzip der metabolischen Kopplung zwischen Neuronen und Gliazellen6. In diesem Sinne haben mehrere klinische Studien DBS-modulierte Gehirnaktivitätsmuster unter Verwendung von FDG-PET berichtet (siehe3 für die Übersicht). Dennoch haben klinische Studien leicht einige Nachteile, wenn sie sich auf Patienten konzentrieren, wie Heterogenität oder Rekrutierungsschwierigkeiten, die ihr Forschungspotenzial stark einschränken6. Dieser Kontext führt dazu, dass Forscher Tiermodelle menschlicher Erkrankungen verwenden, um biomedizinische Ansätze vor ihrer klinischen Translation zu bewerten oder, wenn sie bereits in der klinischen Praxis angewendet werden, den physiologischen Ursprung therapeutischer Vorteile oder Nebenwirkungen zu erklären. Trotz der großen Distanzen zwischen der menschlichen Pathologie und dem modellierten Zustand bei Labortieren sind diese präklinischen Ansätze für einen sicheren und effektiven Übergang in die klinische Praxis unerlässlich.
Dieses Manuskript beschreibt ein experimentelles DBS-Protokoll für murine Modelle, kombiniert mit einer longitudinalen FDG-PET-Studie, um die akuten Folgen von THS auf den Gehirnstoffwechsel abzuschätzen. Die mit diesem Protokoll erzielten Ergebnisse können dazu beitragen, die komplizierten modulatorischen Muster zu entschlüsseln, die durch THS auf die Gehirnaktivität induziert werden. Daher wird eine geeignete experimentelle Strategie zur Untersuchung der Konsequenzen der Stimulation in vivo bereitgestellt, die es Klinikern ermöglicht, therapeutische Effekte unter bestimmten Umständen zu antizipieren und dann die Stimulationsparameter an die Bedürfnisse des Patienten anzupassen.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>7-Tesla Biospec 70/20 scanner</td>
			<td>Bruker, Germany</td>
			<td>SN0021</td>
			<td>MRI scanner for small animal imaging</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Betadine</td>
			<td>Meda Pharma S.L., Spain</td>
			<td>644625.6</td>
			<td>Iodine solution (iodopovidone)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Beurer IL 11</td>
			<td>Beurer</td>
			<td>SN87318</td>
			<td>Infra-red light</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bipolar cable 50 cm w/50 cm mesh covering up to 100 cm</td>
			<td>Plastics One, USA</td>
			<td>305-305 (CM)</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bipolar cable TT2&#160; 50 cm up to 100 cm</td>
			<td>Plastics One, USA</td>
			<td>305-340/2</td>
			<td>Bipolar cable TT2&#160; 50 cm up to 100 cm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Buprex</td>
			<td>Schering-Plough, S.A</td>
			<td>961425</td>
			<td>Buprenorphine (analgesic)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ceftriaxona Reig Jofr&#233; 1g IM</td>
			<td>Laboratorio Reig Jofr&#233; S.A., Spain</td>
			<td>624239.1</td>
			<td>Ceftriaxone (antibiotic)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Commutator</td>
			<td>Plastics One, USA</td>
			<td>SL2+2C</td>
			<td>4 Channel Commutator for DBS</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Concentric bipolar platinum-iridium electrodes</td>
			<td>Plastics One, USA</td>
			<td>MS303/8-AIU/Spc</td>
			<td>Electrodes for DBS</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Driller</td>
			<td>Bosh</td>
			<td>T58704</td>
			<td>Driller</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FDG</td>
			<td>Curium Pharma Spain S.A., Spain</td>
			<td>-----</td>
			<td>2-[18F]fluoro-2-deoxy-D-glucose (PET radiotracer)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heating pad</td>
			<td>DAGA, Spain</td>
			<td>23115</td>
			<td>Heating pad</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ketolar</td>
			<td>Pfizer S.L., Spain</td>
			<td>776211.9</td>
			<td>Ketamine (anesthetic drug)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lipolasic 2 mg/g</td>
			<td>Bausch &#38; Lomb S.A, Spain</td>
			<td>65277</td>
			<td>Ophthalmic lubricating gel</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MatLab R2021a</td>
			<td>The MathWorks, Inc</td>
			<td></td>
			<td>Support software for SPM12</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MRIcro</td>
			<td>McCausland Center for Brain Imaging,&#160; University of South Carolina, USA</td>
			<td>v2.1.58-0</td>
			<td>Software for imaging preprocessing and analysis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Multimodality Workstation (MMWKS)</td>
			<td>BiiG, Spain</td>
			<td></td>
			<td>Software for imaging processing and analysis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Omicrom VISION VET</td>
			<td>RGB Medical Devices, Spain</td>
			<td>731100 ReV B</td>
			<td>Cardiorrespiratory monitor for small imaging</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Prevex Cotton buds</td>
			<td>Prevex, Finland</td>
			<td>-----</td>
			<td>Cotton buds</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sevorane</td>
			<td>AbbVie Spain, S.L.U, Spain</td>
			<td>673186.4</td>
			<td>Sevoflurane (inhalatory anesthesia)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Small screws</td>
			<td>Max Witte GmbH</td>
			<td>1,2 x 2 DIN 84 A2</td>
			<td>Small screws</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Standard U-Frame Stereotaxic Instrument for Rat, 18&#176; Ear Bar</td>
			<td>Harvard Apparatus, USA</td>
			<td>75-1801</td>
			<td>Two-arms Stereotactic frame for rat</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Statistical Parametric Mapping (SPM12)</td>
			<td>The Wellcome Center for Human Neuroimaging, UCL Queen Square Institute of Neurology, UK</td>
			<td>SPM12</td>
			<td>Software for voxel-wise imaging analysis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>STG1004</td>
			<td>Multi Channel Systems GmbH, Germany</td>
			<td>STG1004</td>
			<td>Isolated stimulator</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SuperArgus PET/CT scanner</td>
			<td>Sedecal, Spain</td>
			<td>S0026403</td>
			<td>NanoPET/CT scanner for small animal imaging</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Suture thread with needle, 1/&#186;</td>
			<td>Lorca Mar&#237;n S.A., Spain</td>
			<td>55325</td>
			<td>Braided natural silk non-absorbable suture 1/0, with triangle needle</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Technovit 4004 (powder and liquid)</td>
			<td>Kulzer Technique, Germany</td>
			<td>64708471; 64708474</td>
			<td>Acrylic dental cement for craniotomy tap</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wistar rats (Rattus norvergicus)</td>
			<td>Charles River, Spain</td>
			<td>animal facility</td>
			<td>Animal model used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Xylagesic</td>
			<td>Laboratorios Karizoo, A.A, Spain</td>
			<td>572599-4</td>
			<td>Xylazine (anesthetic drug)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>Normon S.A., Spain</td>
			<td>602910</td>
			<td>Mepivacaine in gel for topical use</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

in vivo positron emission tomography to reveal activity patterns induced by deep brain stimulation in rats

Die Tiefenhirnstimulation (THS) ist eine invasive neurochirurgische Technik, die auf der Anwendung elektrischer Impulse auf Gehirnstrukturen basiert, die an der Pathophysiologie des Patienten beteiligt sind. Trotz der langen Geschichte der THS bleiben ihr Wirkmechanismus und die entsprechenden Protokolle unklar, was die Notwendigkeit von Forschung unterstreicht, um diese Rätsel zu lösen. In diesem Sinne stellt die Bewertung der In-vivo-Effekte von THS mit funktionellen Bildgebungsverfahren eine leistungsfähige Strategie dar, um den Einfluss der Stimulation auf die Gehirndynamik zu bestimmen. Hier wird ein experimentelles Protokoll für präklinische Modelle (Wistar-Ratten) in Kombination mit einer Längsschnittstudie [18F]-Fluordesoxyclucose-Positronen-Emissions-Tomographie (FDG-PET) beschrieben, um die akuten Folgen von THS auf den Hirnstoffwechsel zu beurteilen. Zunächst wurden die Tiere stereotaktisch operiert, um Elektroden bilateral in den präfrontalen Kortex zu implantieren. Ein postoperativer Computertomograph (CT) jedes Tieres wurde erstellt, um die Elektrodenplatzierung zu überprüfen. Nach einer Woche der Erholung wurde von jedem operierten Tier ein erstes statisches FDG-PET ohne Stimulation (D1) und zwei Tage später (D2) ein zweites FDG-PET erworben, während die Tiere stimuliert wurden. Dazu wurden die Elektroden nach der Verabreichung von FDG an die Tiere mit einem isolierten Stimulator verbunden. So wurden die Tiere während der FDG-Aufnahmephase (45 min) stimuliert und die akuten Auswirkungen von THS auf den Gehirnstoffwechsel aufgezeichnet. Angesichts des explorativen Charakters dieser Studie wurden FDG-PET-Bilder durch einen voxelweisen Ansatz analysiert, der auf einem gepaarten T-Test zwischen D1- und D2-Studien basiert. Insgesamt ermöglicht die Kombination von THS- und Bildgebungsstudien die Beschreibung der Neuromodulationsfolgen auf neuronale Netze, was letztendlich dazu beiträgt, die Rätsel rund um THS zu lösen.

Die Tiere wurden am Ende der Studie oder wenn das Wohlergehen des Tieres beeinträchtigt war, mit CO2 geopfert. Ein Beispiel für eine vollständige PET/CT-Studie an einem operierten Tier ist in Abbildung 3 dargestellt. So kann die in das Rattengehirn eingeführte Elektrode in dem in Abbildung 3A gezeigten CT-Bild deutlich beobachtet werden. Diese Bildgebungsmodalität liefert gute anatomische Informationen und erleichtert die Registrierung von FDG-PE...

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In vivo Positron Emission Tomography to Reveal Activity Patterns Induced by Deep Brain Stimulation in Rats

Wir beschreiben eine präklinische experimentelle Methode zur Bewertung der metabolischen Neuromodulation, die durch akute Tiefe Hirnstimulation mit in vivo FDG-PET induziert wird. Dieses Manuskript umfasst alle experimentellen Schritte, von der stereotaktischen Chirurgie über die Anwendung der Stimulationsbehandlung bis hin zur Aufnahme, Verarbeitung und Analyse von PET-Bildern.

Im lebenden Organismus Positronen-Emissions-Tomographie zur Aufdeckung von Aktivitätsmustern, die durch tiefe Hirnstimulation bei Ratten induziert werden

Deep brain stimulation (DBS) is an invasive neurosurgical technique based on the application of electrical pulses to brain structures involved in the ...

Dieses Protokoll ermöglicht es, die Stimulationsfolgen auf neuronale Netze zu untersuchen und dabei zu helfen, das Rätsel um DBS zu enträtseln. Und um den Einfluss einer Stimulation auf die Gehirndynamik zu bestimmen. Der Hauptvorteil der FD-Reparatur während einer Stimulation besteht darin, dass wir die In-vivo-Konsequenzen der akuten Stimulation auf die Gehirndynamik visualisieren und dann in vivo die Stimulationsprotokolle verfeinern können.Diese Methode ist von besonderer Relevanz in den Bereichen Neurologie und Psychiatrie. Wie in diesen medizinischen Fachgebieten, in denen DBS als anthroponotische Strategie seinen größten Einfluss hat. Um zu beginnen, legen Sie das betäubte Tier Rückenlage auf das CT-Bett.Für die CT-Bildgebung befestigen Sie die Gesichtsmaske oder den Nasenkegel an der Ratte. Suchen Sie den Kopf in der Mitte des Sichtfeldes des CT-Scanners. Fahren Sie mit der Erfassung des CT-Bildes mit den Aufnahmeparametern gemäß den Spezifikationen des Scanners fort.Für die MR-Bildgebung legen Sie das Tier in Rückenlage auf das MRT-Bett. Um Bewegungen während der MRT-Erfassung zu vermeiden, befestigen Sie den Kopf an einem stereotaktischen Rahmen, der auf dem Scannerbett platziert ist. Sichern Sie auch den Rest des Rattenkörpers mit Seidenband.Sobald die Position korrekt ist, nehmen Sie das MRT-Bild auf. Verwenden Sie eine Bildverarbeitungssoftware, um CT und MRT räumlich zu normalisieren, indem Sie einen automatischen starren Registrierungsalgorithmus verwenden, der auf gegenseitigen Informationen basiert. Lokalisieren Sie die Bregma-Linie im gemeinsam registrierten Bild.Und messen Sie die Entfernung im AP-, ML- und DV-Zugang von Bregma zum medialen präfrontalen Kortex gemäß dem Paxinos und Watson Rat Brain Atlas. Rasieren Sie den Bereich zwischen den Ohren und den Augen. Platzieren Sie das Tier in Bauchlage auf dem stereotaktischen Rahmen.Stellen Sie die Unbeweglichkeit des Kopfes sicher, indem Sie die Rattenohrstangen verwenden. Achten Sie darauf, die Ohrbügel nicht zu tief einzuführen, da dies das Trommelfell beschädigen kann. Verwenden Sie den Kopfhalteadapter für Ratten, um das Tier während der Operation in der richtigen Position zu halten.Tragen Sie Athymischschmiergel auf die Rattenaugen auf, um Trockenheit während der Operation zu verhindern, und bedecken Sie sie mit steriler Gaze. Machen Sie einen Längsschnitt in der Haut über dem Schädel zwischen den Ohren. Erstreckt sich 1,5 bis zwei Zentimeter von Lambda bis Bregma.Belichten Sie den Schädel mit Hilfe von zwei oder drei Klemmen. Entfernen Sie das Periost mit einer Schere und reinigen Sie das Blut mit Kochsalzlösung, um Bregma und die sagittalen Nähte freizulegen. Entfernen Sie die überschüssige Kochsalzlösung mit Gaze.Bevor Sie die Elektroden positionieren, richten Sie sie mit einer Kunststoffpinzette aus, um die korrekte Platzierung während der Operation sicherzustellen. Legen Sie eine Elektrode auf die Halterung des rechten Arms des stereotaktischen Rahmens. Bewegen Sie den rechten Arm, der die Elektrode hält, durch den stereotaktischen Rahmen.Und legen Sie die Spitze der Elektrode genau über Bregma. Versuchen Sie, die Elektrodenspitze so nah wie möglich an den Schädel zu bringen, ohne sie zu berühren, um eine Elektrodenverformung zu vermeiden. Beachten Sie die resultierenden Koordinaten für Bregma, die vom stereotaktischen Rahmen bereitgestellt werden.Machen Sie mit einem chirurgischen Stift eine Markierung auf dem Schädel, die die Ausgangsposition der Elektrode anzeigt. Bewegen Sie den Halter zu den zuvor erhaltenen AP- und ML-Koordinaten. Und markieren Sie den Schädel mit einem chirurgischen Stift, der die Position des Elektrodenziels anzeigt.Entfernen Sie den rechten Arm des stereotaktischen Rahmens, der die Elektrode hält. Achten Sie darauf, nichts mit der Elektrode zu berühren. Machen Sie mit einer kleinen elektrischen Bohrmaschine ein Loch durch den Schädel in der Zielposition, bis die Dura sichtbar ist.Verwenden Sie ein Wattestäbchen, um die Blutung zu stoppen. Bohren Sie vier Löcher entlang des Schädels, um vier Schrauben zu platzieren. Um die Oberfläche des Zahnzements zu vergrößern und den Boden zu lokalisieren.Dann befestigen Sie die Schrauben. Lokalisieren Sie den rechten Arm des stereotaktischen Rahmens mit der rechten Elektrode. Bewegen Sie den Arm in die berechnete Position, die mit dem Loch übereinstimmen soll.Dann senken Sie die Elektrode, bis sie die Dura mater berührt. Diese Position dient als Nullpegel in DV-Richtung. Führen Sie die Spitze der Elektrode unter Verwendung der zuvor erhaltenen DV-Koordinaten in DV-Richtung ein.Befestigen Sie den Boden an einer der Schrauben, die der Elektrode am nächsten sind, und tragen Sie Zahnzement um die Elektrode und die Schrauben auf. Wiederholen Sie den gleichen Elektrodenplatzierungsvorgang für die andere Hemisphäre des Gehirns. Tragen Sie mehr Zahnzement auf, um eine Kappe zu bilden, ohne die Elektrode zu bedecken, und warten Sie, bis sie aushärtet.Verwenden Sie Jodopovidonlösung, um den chirurgischen Bereich zu desinfizieren. Entfernen Sie die Ratte aus dem stereotaktischen Rahmen und fahren Sie mit der CT-Bildgebung fort, wie zuvor gezeigt, um die korrekte Platzierung der Elektroden zu bewerten. Beschleunigen Sie die Ratte acht bis 12 Stunden vor jedem PET-Scan.Füllen Sie eine 27-Gauge-Spritze mit ca. 37 Megabecquerel der FDG-Lösung in dem geringstmöglichen Volumen, gemessen in einem Aktivimeter. Legen Sie ein Heizkissen unter den Schwanz des Tieres oder verwenden Sie Infrarotlicht, um die Schwanzvenen zu erweitern. Injizieren Sie die FDG-Lösung durch eine der seitlichen Schwanzvenen.Setzen Sie das Tier zurück in den Käfig und lassen Sie 45 Minuten für die Radiotraceraufnahme einplanen, bevor Sie die Bildaufnahmesitzung starten. Für die D2-Studie lieferte DBS während der FDG-Aufnahmephase. Bereiten Sie den isolierten Stimulator und die erforderlichen Drähte in einem großen und ruhigen Raum mit genügend Platz für die Tierkäfige und minimalem Einfluss potenziell störender Reize vor.Verbinden Sie die Stimulationsdrähte mit den Drehgelenken, damit sich die Tiere innerhalb der Käfige und mit dem Stimulator frei bewegen können. Stellen Sie die Stimulationsparameter wie im Textmanuskript beschrieben ein. Verwenden Sie ein Oszilloskop, um den aktuellen Modus, die Frequenz und die Pulsbreite zu überprüfen.Bestätigen Sie die biphasische Wellenform mit einer rechteckigen Pulsform. Das CT-Bild visualisierte deutlich die Elektrode, die in das Rattengehirn eingeführt wurde. Die in dieser Studie verwendete Bildgebungsmodalität lieferte auch gute anatomische Informationen und erleichterte die Registrierung von FDG-PET-Bildern.Ein fusioniertes PET-CT-Bild desselben Tieres, das räumlich im selben stereotaktischen Raum registriert ist. Die metabolischen Unterschiede im Gehirn wurden zwischen PET-Sitzungen beobachtet, als T-Maps auf sequentielle Gehirnschnitte von einem Millimeter aus einem MRT überlagert wurden, das im Referenz-CT-Bild registriert wurde. Diese Unterschiede bestanden aus Zu- und Abnahmen der FDG-Aufnahme, die als warme bzw. kalte Farben dargestellt wurden.Eine detaillierte Zusammenfassung der statistischen Ergebnisse der Analyse ergab die modulierte Hirnregion und die Gehirnhemisphäre, in der die Modulation beobachtet wurde. Die T-Statistik, die Clustergröße, die Modulationsrichtung und die P-Werte, die auf Spitzen- und Clusterebene erhalten werden. Es ist wichtig, ein angemessenes ästhetisches Niveau und des Kopfes während der Operation aufrechtzuerhalten.Darüber hinaus sind Koordinatenberechnung und eine Geradheit der Elektroden unerlässlich. Neuen Betreibern wird empfohlen, sorgfältig zu sein und alle Schritte zu befolgen. Nach Abschluss des gesamten Verfahrens können die Tiere einem Verhaltenstest unterzogen werden, um die Auswirkungen der Stimulation auf verschiedene kognitive Bereiche zu bewerten.Darüber hinaus können eine Reihe von Bildstudien durchgeführt werden, um die THS-Folgen auf zellulärer Ebene zu beurteilen.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

In vivo Positron Emission Tomography to Reveal Activity Patterns Induced by Deep Brain Stimulation in Rats

TMS: Using the Theta-Burst Protocol to Explore Mechanism of Plasticity in Individuals with Fragile X Syndrome and Autism

TMS: Mit dem Theta-Burst-Protokoll zu Mechasnism der Plastizität in Individuen sich mit Fragile X-Syndrom und Autismus

Fragile X Syndrome (FXS), also known as Martin-Bell Syndrome, is a genetic abnormality found on the X chromosome.1,2 Individuals suffering from FXS ...

Forschung

Neurowissenschaften

Transfection of Mouse Retinal Ganglion Cells by in vivo Electroporation

Transfection of Mouse Retinal Ganglion Cells by in vivo Electroporation

Die Transfektion von Maus retinalen Ganglienzellen durch In vivo Elektroporation

The targeting and refinement of RGC projections to the midbrain is a popular and powerful model system for studying how precise patterns of neural ...

Functional Neuroimaging Using Ultrasonic Blood-brain Barrier Disruption and Manganese-enhanced MRI

Funktionelle Bildgebung mit Ultraschall-Blut-Hirnschranke Störung und Mangan-MRT

Although mice are the dominant model system for studying the genetic and molecular underpinnings of neuroscience, functional neuroimaging in mice remains ...

Deep Brain Stimulation with Simultaneous fMRI in Rodents

Deep Brain Stimulation mit gleichzeitiger fMRT in Nagetiere

In order to visualize the global and downstream neuronal responses to deep brain stimulation (DBS) at various targets, we have developed a protocol for ...

The Olfactory System as a Model to Study Axonal Growth Patterns and Morphology In Vivo

The Olfactory System as a Model to Study Axonal Growth Patterns and Morphology In Vivo

Das olfaktorische System als Modell zur Axonal Wachstumsmuster und Morphologie Studieren<em&gt; In Vivo</em

The olfactory system has the unusual capacity to generate new neurons throughout the lifetime of an organism. Olfactory stem cells in the basal portion of ...

Analysis of Gene Expression Changes in the Rat Hippocampus After Deep Brain Stimulation of the Anterior Thalamic Nucleus

Die Analyse der Genexpression Veränderungen im Hippocampus Ratte nach Tiefenhirnstimulation des Anterior Thalamuskern

Deep brain stimulation (DBS) surgery, targeting various regions of the brain such as the basal ganglia, thalamus, and subthalamic regions, is an effective ...

Simultaneous ex vivo Functional Testing of Two Retinas by in vivo Electroretinogram System

Simultaneous ex vivo Functional Testing of Two Retinas by in vivo Electroretinogram System

Gleichzeitig<em&gt; Ex vivo</em&gt; Funktionsprüfung von zwei Netzhäute von<em&gt; In vivo</em&gt; Elektroretinogramm-System

An In vivo electroretinogram (ERG) signal is composed of several overlapping components originating from different retinal cell types, as well as noise ...

Microelectrode Guided Implantation of Electrodes into the Subthalamic Nucleus of Rats for Long-term Deep Brain Stimulation

Mikroelektroden-geführte Implantation von Elektroden in den Nucleus subthalamicus des Rats für die Langzeit-Tiefe Hirnstimulation

Deep brain stimulation (DBS) is a widely used and effective therapy for several neurologic disorders, such as idiopathic Parkinson&#8217;s disease, ...

Exploring Deep Space - Uncovering the Anatomy of Periventricular Structures to Reveal the Lateral Ventricles of the Human Brain

Erkunden Deep Space - Aufdeckung der Anatomie der periventrikulären Strukturen, die seitlichen Ventrikel des menschlichen Gehirns zu offenbaren

Anatomy students are typically provided with two-dimensional (2D) sections and images when studying cerebral ventricular anatomy and students find this ...

Sub-acute Cerebral Microhemorrhages Induced by Lipopolysaccharide Injection in Rats

Sub-akute zerebrale Punktblutungen induziert durch Lipopolysaccharid-Injektion bei Ratten

Cerebral microhemorrhages (CMHs) are common in aged patients and are correlated to various neuropsychiatric disorders. The etiology of CMHs is complex, ...