Summary
يصف هذا البروتوكول طريقة قياسية لفي وقت واحد وظيفية التصوير بالرنين المغناطيسي والتحفيز العميق للدماغ في القوارض. الجمع بين استخدام هذه الأدوات التجريبية يسمح لاستكشاف النشاط المصب العالمية ردا على التحفيز الكهربائي في الدماغ أي هدف تقريبا.
Abstract
من أجل تصور الاستجابات العالمية والمصب الخلايا العصبية للمخ (DBS) على أهداف مختلفة، وقد وضعنا بروتوكولا لاستخدام الأكسجين في الدم المستوى التابعة (BOLD) وظيفية التصوير بالرنين المغناطيسي (الرنين المغناطيسي الوظيفي) إلى القوارض صورة في وقت واحد مع DBS. DBS الرنين المغناطيسي الوظيفي يقدم عددا من التحديات التقنية، بما في ذلك دقة القطب زرع، والتحف التي تم إنشاؤها بواسطة MR القطب، واختيار التخدير ومشلول للحد من أي آثار العصبية في وقت واحد في حين القضاء على حركة الحيوانات، وصيانة المعلمات الفسيولوجية، والتي يمكن أن الانحراف عن يخزي إشارة BOLD. وقد وضعت مختبرنا مجموعة من الإجراءات التي هي قادرة على التغلب على معظم هذه القضايا ممكن. لالتحفيز الكهربائي، يتم استخدام محلية الصنع التنغستن القطبين مسرى مكروي، إدراج stereotactically في موقع التحفيز في موضوع تخدير. استعدادا للتصوير، يتم إصلاح القوارض على خوذة من البلاستيك ونقل إلى تجويف المغناطيس. لتخدير والشلل خلال المسح الضوئي، ومزيج من dexmedetomidine وبانكورونيوم هي التي غرست بشكل مستمر، جنبا إلى جنب مع جرعة ضئيلة من isoflurane و، وهذا يقلل من تأثير إعداد السقف BOLD التخدير المتطايرة. في هذا المثال التجربة، وتحفيز نواة تحت المهاد (STN) وتنتج استجابات BOLD التي لوحظت في المقام الأول في المناطق القشرية المماثل، تركزت في القشرة الحركية. في وقت واحد DBS والرنين المغناطيسي الوظيفي يسمح التشكيل لا لبس فيها من الدوائر العصبية التي تعتمد على الموقع والمعلمات التحفيز التحفيز، ويسمح للمراقبة من التحويرات العصبية خالية من التحيز الإقليمي. هذه التقنية يمكن استخدامها لاستكشاف آثار المصب من تحوير الدوائر العصبية في الدماغ أي منطقة تقريبا، مع الآثار المترتبة على كل من التجريبية والسريرية DBS.
Introduction
تحديد آثار المصب العالمية النشاط الدوائر العصبية يمثل تحديا كبيرا وهدفا لكثير من مجالات النظم علم الأعصاب. هي وندرة الأدوات المتاحة حاليا التي تلبي هذه الحاجة، وبالتالي هناك طلب لزيادة إمكانية الوصول إلى الاجهزة التجريبية المناسبة. طريقة واحدة لتقييم مثل هذه النتيجة العالمي لتفعيل الدوائر العصبية تعتمد على التطبيق المتزامن من الدماغ التحفيز الكهربائي العميق (DBS) والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (الرنين المغناطيسي الوظيفي). DBS-الرنين المغناطيسي الوظيفي يسمح للكشف عن استجابات المتلقين لتفعيل الدائرة على نطاق والمكانية الكبيرة، ويمكن تطبيقها في الواقع أي هدف التحفيز. هذا هو مجموعة أدوات مناسبة للغاية لدراسات ما قبل السريرية متعدية، بما في ذلك توصيف الردود على التحفيز العلاجية عالية التردد.
بالإضافة إلى الوصول إلى ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي مناسبة وناجحة التجارب DBS-الرنين المغناطيسي الوظيفي تتطلب النظر في عدد من المتغيرات المستقلةوفاق، بما في ذلك نوع القطب أو أسلوب التخدير، وصيانة المعلمات الفسيولوجية. على سبيل المثال، ينبغي أن يستند اختيار القطب على عوامل تتعلق التحفيز فعالية (على سبيل المثال. حجم الرصاص وتصرف، أحادية مقابل ثنائي القطب)، وكذلك MR التوافق والقطب حجم قطعة أثرية. تختلف التحف القطب الكهربائي وفقا لمواد والحجم، وكذلك تسلسل المسح الضوئي المستخدمة؛ ينبغي استخدام اختبار دقيق قبل التجريبية لتحديد نوع القطب المناسبة لكل دراسة. بشكل عام، ينصح أقطاب التنغستن ميكروسلك لهذا البروتوكول. وينبغي بذل اختيار مشلول والمهدئة لشل فعالية الحيوان وتقليل الآثار القمعية بعض المهدئات على مستوى الأكسجين في الدم التي تعتمد على (بولد) إشارة. أخيرا، من المهم جدا للحفاظ على الحيوانات في المعلمات الفسيولوجية الأمثل، بما في ذلك درجة حرارة الجسم وتشبع الأكسجين.
البروتوكول الذي وضعنا لDBS-الرنين المغناطيسي الوظيفي يتغلب على كثير من هذه العقبات المحتملة، وبين أيدينا، ويوفر نتائج قوية ومتسقة. بالإضافة إلى ذلك، فإن هذه الإجراءات التجريبية يمكن اعتمادها بسهولة لمزيج من الرنين المغناطيسي الوظيفي مع أساليب التحفيز البديلة، بما في ذلك التحفيز optogenetic.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
بيان الأخلاق: هذا الإجراء هو وفقا للمعاهد الوطنية للصحة المبادئ التوجيهية للبحوث الحيوان (دليل لرعاية واستخدام الحيوانات المختبرية) وتتم الموافقة عليها من قبل لجنة جامعة رعاية الحيوان واستخدام المؤسسية ولاية كارولينا الشمالية.
1. القطب زرع
الخطوة الأولى هي زرع قطب كهربائي. في هذه الخطوة، يتم زرع إلكترود من جانب واحد في نواة تحت المهاد (STN)، نواة صغيرة مع أهمية متعدية لعلاج مرض باركنسون باستخدام الطرق التالية:
- تعقيم جميع المعدات الجراحية باستخدام الأوتوكلاف، أو محلول مطهر حيث التعقيم غير ممكن (مثلا القطب العقم) ملاحظة: هذا هو الجراحة البقاء على المدى القصير، وبالتالي تقنية العقيم أمر ضروري. بعد الجراحة، يمكن أن يسمح الحيوانات تصويرها بعد فترة وجيزة الانتعاش (48 ساعة) أو ما يصل إلى عدة أسابيع في وقت لاحق.
- تخدير الفئران (الكبار سبراغ داولي الفئران 250-400 ز) باستخدام 2.5٪ isoflurane وتدار عن طريق التنبيب الرغامي وجهاز التنفس الصناعي الحيوانات الصغيرة. إصلاح الفئران إلى إطار الجراحية المجسم وإعداد الموقع الجراحية باستخدام تقنيات العقيم.
- إعداد وضمان أن القطب هو العقيمة. ويستخدم محلية الصنع 2 قناة التنغستن القطب ميكروسلك لهذا الإجراء، على الرغم من العديد من أنواع القطب-MRI متوافقة ستعمل. نوع القطب المستخدمة قد تؤثر على مجال الأنسجة التالفة ميكانيكيا بواسطة الإجراء، مجال الأنسجة حفز، ودقة الزرع، مما يؤثر على نتيجة التجارب بشكل عام. إذا كان نوع القطب ليست قادرة على أن تعقيمها، استخدم البوفيدون اليود مطهر لتعقيم القطب بقدر ما هو ممكن.
- باستخدام مقص إزالة فروة الرأس أكثر من موقع الزرع التي يبلغ قطرها حوالي 1.5 سم، للكشف عن bregma وامدا على الجمجمة. إزالة العضلات واللفافة التي تغمر الجمجمةووقف كل نزيف باستخدام كهربي.
- تخدش سطح الجمجمة في اتجاهات متعددة مع مشرط لتحسين التصاق الاسمنت الأسنان (الخطوة 1.8). مستوى Bregma وامدا في الاتجاه الأفقي.
- . لاستهداف STN، في 3.6 ملم الخلفي إلى Bregma و 2.5 مم الوحشي على خط الوسط، واستخدام الحفر الكهربائية ذات الرؤوس الصغيرة لخلق ثقب لدغ قياس حوالي 1.5 ملم في القطر ملاحظة: الموقع الدقيق للSTN في إشارة إلى الإحداثيات التجسيمي قد تختلف وفقا لسلالة الفئران، الوزن، ونوع الجنس. الفئران البالغين من نفس الجنس ينبغي أن تستخدم للحد من أي تباين في الموقع. إذا كان ذلك ممكنا، بالاشعة التشريحية ما قبل التشغيل أو التسجيلات الكهربائية أثناء العملية ينبغي أن تستخدم لتحديد موقع STN على أساس موضوع على حدة. علاوة على ذلك، ينبغي التحقق من مواقع إنهاء القطب تشريحيا لضمان الدقة المستهدفة.
- جعل بعناية شق في الجافية، واستخدام الملقط حادة صغيرة لنقل الجافية إلى جانبي من اله حفرة. وقف أي نزيف باستخدام القطن المعقم غارقة في المياه المالحة. خلق ثقوب للمسامير واحد أو أكثر MR-متوافق) وإدراجها في الجمجمة بلطف حتى تكون مستقرة. ويمكن وضع مسامير في أي مكان حيث لن يعطل موضع الرابط الخارجي للالقطب DBS (على سبيل المثال. ليس مباشرة وراء المماثل STN إلى القطب). نوصي المواضع عند الحواف الجانبية للجمجمة، من الناحية المثالية الخلفي مباشرة إلى خياطة امدا. عند هذه النقطة، الجمجمة سميكة نسبيا، مما يقلل من احتمال أن مسامير سيضر القشرة "ملاحظة: يتم استخدام مسامير النحاس خفض إلى 4-5 ملم في الطول في هذا البروتوكول، على الرغم من مسامير البلاستيك هي أيضا مناسبة.
- وضع قطب كهربائي على ذراع المجسم، وضمان أنه مستقيم وعمودي. لمس القطب إلى Bregma، ثم نقل القطب بالضبط 3.6 ملم الخلفي إلى Bregma و 2.5 مم الوحشي على خط الوسط وتلمس السطح القشريمع القطب. من السطح القشري، إدراج القطب 7.8 ملم البطني. ويتم تحديد هذه الإحداثيات بالرجوع إلى أطلس تشريحي عصبي 1.
- وضع طبقة من الاسمنت الأسنان على الجمجمة بما فيها مسامير الجمجمة ونقطة القطب الإدراج. الانتظار حتى يتم تصلب الاسمنت تماما قبل إزالة القطب من الإطار المجسم. منحنى القطب الوراء واستخدام الاسمنت إضافية لتغطية ما تبقى من الجهاز الكهربائي والموصل لقوة التحمل.
2. إعداد الرنين المغناطيسي الوظيفي
الخطوة الثانية هي الإعداد لالرنين المغناطيسي الوظيفي، بما في ذلك المواقع من لفائف والإعداد للمعدات الرصد الفسيولوجية.
- تأمين رأس الحيوان لمنع الحركة أثناء الفحص ملاحظة: يتم استخدام نظام intraauricular شريط من البلاستيك المخصصة هنا لتثبيت الرأس. وضع القضبان في قنوات الأذن وتأمين لخوذة الرأس بحيث تدور بسلاسة في اله الاتجاه الرأسي مع عدم وجود دوران الأفقي. تأمين موقف رئيس عن طريق تحديد الأسنان العلوية للجهاز.
- تخدير الفئران تماما ورصد المد والجزر نهاية CO 2 لضمان الاستقرار في جميع بالاشعة. للحفاظ على التخدير والتهوية والتحكم في مستويات المد والجزر نهاية CO 2 أثناء الفحص، يتم استخدام نظام التهوية الحيوانات الصغيرة-MR متوافق جنبا إلى جنب مع المرذاذ isoflurane وهنا، على الرغم من مجموعة متنوعة من وكلاء مخدر والتخدير يمكن أن تستخدم بطريقة مماثلة. تعيين جهاز التنفس الصناعي إلى 45 الأنفاس / دقيقة مع حجم معتدل، ما يقرب من 500 مل / دقيقة من الهواء كوحدة تخزين البداية. تعيين isoflurane وإلى 2٪ ونقل الفئران الى غرفة الفحص. نعلق إخراج التنفس الصناعي لأنبوب القصبة الهوائية في الفئران والضغط بقوة لتأمين. Capnometry ينبغي الحصول عليها باستخدام أنبوب متصل بشكل وثيق للموصل الأنبوب الرغامي ممكن. ضبط مستوى الصوت التهوية لإنتاج ثاني أكسيد الكربون نهاية المد 2 من 2.6٪ إلى 3.3٪. استخدام حامل حيوان صغير MR-متوافق لادخال الفئران الى الماسح الضوئي مع تعميم حمام الماء الساخن لمدة التحكم في درجة الحرارة. الشريط لوحة من الحمام على حامل وتغطية ذلك مع ورقة ماصة نظيفة. وضع فأر على سرير الماء الساخن.
- رصد مستويات درجة الحرارة وثاني أكسيد الكربون ضرورية لBOLD الرنين المغناطيسي الوظيفي، في حين تشبع الأكسجين الشرياني ومعدل ضربات القلب أيضا المعلمات الفسيولوجية مفيدة. إدراج التحقيق في درجة الحرارة المستقيم MR-متوافق والشريط إلى قاعدة الذيل، ومن ثم ضبط درجة حرارة حمام الماء للحفاظ على درجة حرارة الجسم الطبيعية عند 37 درجة مئوية. رصد الشرايين تشبع الأكسجين ومعدل ضربات القلب باستخدام حيوان نبض النظام التأكسج صغيرة، والحفاظ عليها في 95-98٪ و 250-350 نبضة في الدقيقة، على التوالي، والتي قد تختلف تبعا لنوع من التخدير المستخدمة. وتتأثر تشبع الأكسجين ومعدل ضربات القلب سواء من جانب عمق التخدير، وحجم التهوية ومعدل التهوية. حجم التهوية ومعدل قد تحتاجأن تكون متوازنة بعناية للحفاظ على مستويات كافية CO نهاية المد 2 وتشبع الأكسجين الكافي.
- وهناك حاجة لفائف سطح لاقتناء الرنين المغناطيسي الوظيفي BOLD. وضع لفائف سطح أقرب إلى السطح من الرأس ممكن. مرة واحدة حصلت، ووضع معجون الأسنان على سطح الرأس على الغطاء الاسمنت من أجل الحد من قابلية القطع الأثرية بالقرب من سطح الدماغ ملاحظة: نحن نستخدم جهاز الإرسال والاستقبال لفائف سطح محلية الصنع التي يبلغ قطرها الداخلي حوالي 1.6 سم، على الرغم من لفائف سطح أكبر قد يكون تستخدم لتحسين استجابة BOLD في المناطق تحت القشرية أعمق.
- ربط الكهربائي محفزة لنظام مشجعا الكهربائية برمجة ملاحظة: نحن نستخدم TTL للبرمجة حسب الطلب نظام متصلة مشجعا القطبين لتسليم النبضات الكهربائية متزامنة إلى الإثارات RF من بمسح اثار MR.
- لتخدير والشلل خلال الحصول على البيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي، واستخدام مزيج من dexmedetomidine (0.1مغ / كغ / ساعة، والملكية الفكرية) وبانكورونيوم (1 ملغ / كغ / ساعة، والملكية الفكرية)، جنبا إلى جنب مع انخفاض isoflurane والجرعة عند 0.5٪ لمنع النشاط الصرع 2. للتسريب المخدرات، يجب استخدام مضخة الحقنة-MR متوافقة إذا المضخة هو وضعها في بيئة المغناطيسي. بدلا من ذلك، قد يتم وضع مضخة noncompatible خارج بيئة المغناطيسي شريطة أن يتم استخدام القسطرة أنابيب ممتدة.
3. الرنين المغناطيسي الوظيفي البيانات اكساب
الخطوة الثالثة هي اكتساب الرنين المغناطيسي الوظيفي، بما في ذلك المواقع، الملئ، بالاشعة التشريحية، ويمسح وظيفية. ويستخدم نظام 9.4 تسلا مع لفائف سطح محلية الصنع هنا، على الرغم من هذه التقنية يمكن تكييفها لأنظمة عالية الحقل الأخرى وتجاريا جعلت فائف التصوير بالرنين المغناطيسي.
- إدراج الفئران في الماسح الضوئي وموقف في وسط المغناطيس. استخدام صورة الكشفية ثلاثة طائرة لتوسيط بالضبط الفئران داخل المغناطيس فيما يتعلق مناطق الدماغ ذات الاهتمام، والملئ إلى FASTMAP متجانسةnize المجال المغناطيسي في المناطق ذات الاهتمام.
- استخدام المرجحة T2 تسلسل نادر السهمي (فوف، 2.56 س 2.56 سم 2، وحجم المصفوفة، 256 × 256، سمك شريحة، 1.5 مم؛ TR / TE، 1500-1511 مللي؛ عامل نادر، 8؛ فليب زاوية 180 درجة) للعثور على موقع الصوار الأمامي، ومحاذاة الصور اللاحقة لهذا الموقع. محاذاة ثمانية شريحة بالاشعة GE-EPI احد بالرصاص (فوف، 2.56 س 2.56 سم 2، وحجم المصفوفة، 96 × 96، أعيد بناؤها إلى 128 × 128، سمك شريحة، 1MM؛ TR / TE، 1000-1014 مللي) إلى هذه النقطة مع التوجه الاكليلية.
- لاجراء الفحوصات وظيفية، استخدم 70 بالاشعة برنامج التحصين الموسع التوالي مع 1 قرار ثان الزمنية متزامنة إلى الإخراج التحفيز، لتعيين باقي 20 ثانية، 10 ثانية التحفيز، تليها 40 ثانية راحة. سماح لا تقل عن 90 ثانية بين بالاشعة للسماح للانتعاش وعائية عصبية. اكتساب بمسح المتكررة متعددة في كل معلمة التحفيز لتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء عن طريق حساب متوسط. استخدام سلسلة من عمليات التفحص وهمية (عادة 4-8) مباشرة قبل مسح للحد من الضوضاء. تأكيد استجابة BOLD في وقت الحصول على الصور لضمان نجاح التجربة باستخدام الطريقة الموضحة في قسم 4، على الرغم من المتوسط، coregistration والجمجمة وتجريد قد يتم تخطي في هذا الإعداد.
- بعد المسح وظيفية كاملة، واستخدام نادر تدور صدى تسلسل T2 المرجحة (فوف، 2.56 س 2.56 سم 2، وحجم المصفوفة، 256 × 256، سمك شريحة، 1 مم؛ TR / TE، 2500/33 مللي؛ المتوسطات، 8 ) لقياس موقف التشريحية من القطب في الجسم الحي. الحصول على المقاطع الاكليلية والسهمي متعددة لقياس غيض من القطع الأثرية على طول القطب الأمامي / الخلفي، محاور بطني وسطي / الوحشي والظهري / وتأكيد وضع قطب كهربائي. عالية الدقة المجهر بالرنين المغناطيسي (فوف، 1.8 X 1.28 سم، وحجم المصفوفة، 360 × 256، سمك شريحة، 0.5 مم؛ TR / TE، 2500/12.6 مللي؛ عامل نادر، 8؛ المتوسطات، 280) يمكن أن تستخدم لدراسة الموقع الدقيق من الجهاز الكهربائي بعد إزالة مع الاحترامالهياكل تشريحي عصبي القريبة وتأكيد دقة القطب التنسيب 3.
4. معالجة البيانات وتحليل الرنين المغناطيسي الوظيفي
الخطوة الرابعة هي معالجة وتحليل البيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي، بما في ذلك جيل من الخرائط الاستجابة وحساب في المئة تغير إشارة BOLD. يمكن استخدام برامج مخصصة تعمل ضمن بيئة الحوسبة (مثل MATLAB) أو تجارية أدوات البرمجيات الرنين المغناطيسي الوظيفي (على سبيل المثال. SPM، FSL، أو AFNI).
- تبدأ coregistration الصورة والمتوسط من البيانات الأولى التي تتم داخل الموضوع حسب التردد، تليها عابرة للموضوع ملاحظة: نحن إنجاز هذا باستخدام رموز الحركة الوطنية الصومالية.
- أداء الجمجمة تجريد لإزالة الأنسجة باستخدام nonbrain المنطقة المحددة يدويا ذات الاهتمام (ROI) مع إشارة مستوى العتبة. يمكن استخدام خوارزميات التلقائي الجمجمة تجريد.
- تجميع الخرائط استجابة عن طريق حساب معامل الارتباط للعلاقة بين الدقة BOLDponse مع مرور الوقت ونموذج التحفيز لكل فوكسل. تأخير عدة ثوان نموذج لحساب التأخير في استجابة الدورة الدموية قد تكون ضرورية. تعيين مستوى كبير في P <0.05 بعد التصحيح Bonferroni. لذا يمكن استخدام الأساليب الإحصائية الأخرى. تصحيح للمقارنات متعددة باستخدام نظرية المجال عشوائية أو التصحيح على مستوى الكتلة على أساس التمويه الميداني عشوائية يمكن أداؤها في مكان التصحيح Bonferroni لتحليل أكثر حساسية 4 ملاحظة: قد تختلف تأخير الدورة الدموية على أساس مناطق الدماغ المستهدفة، وتستخدم وكلاء الدوائية، والمعلمات الفسيولوجية. من المهم للسيطرة على هذه المعلمات من أجل منع التباين داخل-الموضوع وبين-الموضوعات.
- قياس استجابة BOLD عن طريق تحديد العائد على الاستثمار لاستخراج البيانات في الوقت بالطبع. متوسط التغير إشارة في المئة في جميع voxels داخل نفس البنية التشريحية. تحليل فوكسل الحكيم باستخدام النموذج الخطي العام يمكن أن تستخدم أيضا 5.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
تم الحصول على بيانات وظيفية ممثل وفقا لبروتوكول أعلاه في الفئران واحد مع القطب تحفيز مزروع إلى النواة تحت المهاد على الجانب الأيمن. يتم توفير مثال على الإعداد ضرورية لالتقاط صور الرنين المغناطيسي الوظيفي DBS في الشكل 1. تم تطبيق التحفيز بما يتفق مع بروتوكول أعلاه، مع اتساع 0.3 مللي أمبير، وتواتر 130 هرتز وعرض النبضة من 0.09 ميللي ثانية. تفعيل المماثل قوية من القشرة الحركية وقد تصور باستمرار باستخدام هذا البروتوكول مع نواة تحت المهاد كهدف التحفيز. مع نمط التحفيز مربع موجة، ومن المتوقع أن يكون منظم فيما يتعلق بخط الأساس (حالة لا التحفيز) مع دورة الوقت المترابطة لفترة التحفيز إشارة BOLD. ويلاحظ استجابات إيجابية BOLD هنا في منطقة الدماغ المتوقع (الشكل 2) ومع نمط ON / OFF المترابطة جيدا لنموذج التحفيز، مع الأخذ بعين الاعتبار موجز الدورة الدموية تأخير (الشكل 3). من الخريطة (الشكل 2)، أطلس تشريحي عصبي مضافين 1 مايو أن تستخدم لتحديد المناطق ذات الاهتمام الدقيق لمقارنة تأثير BOLD في مناطق الدماغ الفردية. لSTN DBS يظهر استجابة BOLD في القشرة الحركية في الشكل 3، على الرغم من المناطق ذات الاهتمام يمكن وضعها في أي منطقة في الدماغ. يمكن بعد ذلك بلغ متوسط هذه الردود بين المسح الضوئي وثم بين الموضوعات لتحديد مناطق الدماغ التي تنتج استجابة متسقة إلى التحفيز. استهداف البنى تشريحي عصبي أخرى قد تنتج أنماط استجابة مختلفة من تلك التي تظهر في هذه التجربة. بالإضافة إلى ذلك، وحتى درجة صغيرة من عدم الدقة في وضع قطب كهربائي قد ينتج اختلافات كبيرة في الاستجابة، والاختلافات في أنواع مايو القطب والمعلمات التحفيز الكهربائي 3.
/ ftp_upload/51271/51271fig1highres.jpg "سرك =" / files/ftp_upload/51271/51271fig1.jpg "/>
الشكل 1. مخطط التكوين الأساسي الرنين المغناطيسي الوظيفي مع لفائف السطح، وتزامن موقف القطب مشجعا.
الشكل 2. صور برنامج التحصين الموسع ممثل المسمى مع معاملات الارتباط من حيوان واحد، مع الخلفي إلى الأمامي شرائح عرض من اليسار إلى اليمين. يشير شريط اللون معاملات الارتباط في كل فوكسل.
الرقم 3. BOLD مع مرور الوقت من حيوان واحد نموذجي٪ في المتوسط خلال التفحص متعددة فينفس المعلمات التحفيز: 0.3 مللي أمبير، و 130 هرتز، 0.09 ميللي ثانية عرض النبض يشير شريط أصفر الفترة الزمنية التي تم تطبيق التحفيز لنواة تحت المهاد. وكان العائد على الاستثمار داخل القشرة الحركية ملاحظة: هذه المعلمات التحفيز هي ضمن نطاق معيار لDBS في STN، ولكن قد تحتاج إلى تعديل لمواقع التحفيز البديلة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
في وقت واحد DBS والرنين المغناطيسي الوظيفي يمثل مجموعة أدوات تجريبية واعدة لتحديد وتوصيف الاستجابات العصبية المصب العالمية لتحفيز الدوائر، في الجسم الحي. والميزة الرئيسية لهذه التقنية أكثر من غيرها من الأدوات المتاحة، مثل التسجيلات الكهربية، يكمن في طبيعة منحازة نسبيا من الرنين المغناطيسي الوظيفي، حيث يمكن فحص مساحة واسعة ومتنوعة من أنسجة المخ للاستجابة لDBS في أي هدف. على الرغم من أن بروتوكول وصفها هو محددة لDBS-الرنين المغناطيسي الوظيفي في الفئران، كما تم إجراء تصوير الأعصاب الردود DBS بنجاح في الكائنات نموذج آخر، بما في ذلك الخنازير 6.
ربما كان التطبيق الأكثر وضوحا لهذه التقنية هو نمذجة DBS كما هو مطبق علاجية لبعض الاضطرابات العصبية والنفسية، مثال. مرض باركنسون 7-9. في المرضى الذين يعانون مرض باركنسون، وتحفيز وتيرة عالية في إما subthنواة alamic (STN) أو الكرة الشاحبة الداخلية (GPI) فعالة للتخفيف من أعراض العديد من السيارات 10. DBS عالية التردد في أي من هذه النتائج في تفعيل أهداف كبيرة سواء داخل المحرك ومنطقة الحوفي الكنسي S6. توصيف هذه الاستجابات الرنين المغناطيسي الوظيفي ديناميكية مكانيا، عندما تستكمل التحليل السلوكي، قد تساعد في تحديد الدوائر DBS العلاجية. يجب أن الاستنتاجات المستخلصة من هذه الدراسات يترجم بسهولة إلى العيادة، وتحديدا لتنقيح DBS على أهداف القائمة وتمديد DBS إلى أهداف جديدة لمختلف الأمراض والاضطرابات.
وقد تم استعراض القيود العامة على نطاق واسع في أماكن أخرى من الرنين المغناطيسي الوظيفي 11، على الرغم من العديد من القيود المحددة هي ذات الصلة ولا سيما لDBS-الرنين المغناطيسي الوظيفي. DBS قد تؤدي إلى تغيرات ديناميكية زمنيا في النشاط الخلوي 12 التي قد لا يمكن حلها بشكل كاف مع الرنين المغناطيسي الوظيفي. للتجارب التي تتطلب الزمانية فاينرالقرار مما يمكن أن تقدمها حاليا الرنين المغناطيسي الوظيفي وحدها، نقترح التسجيلات الكهربية، والتي يمكن الحصول عليها بالتزامن مع الرنين المغناطيسي الوظيفي 13-15. قضية إضافية تتعلق الاستجابات المعقدة التي لوحظت في BOLD ردا على النشاط العصبي 16-21. الرنين المغناطيسي الوظيفي يسمح للكشف عن المناطق عن طريق التضمين DBS، على الرغم من الحذر يجب اتخاذها عند استنتاج اتجاه هذا التشكيل استنادا لبيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي وحدها. تطبيق طرائق متعددة الرنين المغناطيسي الوظيفي (على سبيل المثال BOLD، وتدفق الدم الدماغي، وحجم الدم الدماغي، والربط الوظيفي، وتعزيز المنغنيز MRI)، فضلا عن بيانات الكهربية والنسيجية، ينبغي أن تعزز هذه الاستنتاجات.
كثير من التفاصيل الواردة في هذا البروتوكول يمكن اعتمادها بسهولة لأساليب التحفيز البديلة، بما في ذلك استهداف optogenetic 22. للتجارب optogenetic، يمكن ربطه سائق الليزر مع برنامج التحفيز للحصول على TTL مما اثار من لاسإيه البقول. لمثل هذه التجارب، فمن المهم استخدام كبل التصحيح من طول مناسب بحيث يمكن أن يقترن الألياف البصرية لسائق ليزر تقع خارج الغرفة الماسح الضوئي. البصريات الرنين المغناطيسي الوظيفي يسمح للكشف عن التغيرات الوعائية العصبية الناجمة عن التشكيل انتقائية من النشاط داخل السكان الخلية المحددة وراثيا، في حين الكهربائية الردود DBS-الرنين المغناطيسي الوظيفي لا يمكن أن تعزى بسهولة إلى تجنيد دوائر محددة. ومع ذلك، فمن المرجح للقيمة أكبر متعدية لدراسة العلاجية DBS، والذي يعتمد فقط على التحفيز الكهربائي في السكان المريض DBS الكهربائية.
مخاوف بشأن سلامة وتلف الأنسجة المحلية هي اعتبارات هامة لتصوير الأعصاب في وقت واحد مع DBS في كل من الإعدادات البحوث السريرية والحيوانية، ونوقشت على نطاق واسع في أماكن أخرى (كارمايكل 23،24). في حين أن العديد متواليات التصوير بالرنين المغناطيسي لديها القدرة على التسبب في التدفئة كبيرة وتلف الأنسجة، وتحفيز المعلمات علىالثانية تم تصميم تسلسل المسح في هذا البروتوكول للحد من هذه العوامل، وخاصة طول كل تسلسل المسح بين فترات الراحة. على هذا النحو، لتحفيز الاستجابات بعد عشرات بالاشعة هي دائمة باستمرار في الدراسات التجريبية، وينظر أي علامات تلف الأنسجة المحلية على التصوير بعد الوفاة، مؤكدا أن هذا البروتوكول هو آمن فيما يتعلق التسليم الحالية والتوافق MR من القطب المستخدمة .
مرونة الإجراء DBS-الرنين المغناطيسي الوظيفي وصفها، إلى جانب ثروة من المعلومات المقدمة بشأن ملامح التشكيل الإقليمية استجابة لDBS، وجعل هذا الإجراء مثالية لمجموعة متنوعة من التطبيقات في مستوى النظم علم الأعصاب.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
والكتاب ليس لديهم ما يكشف.
Acknowledgments
نشكر Shaili جها وهيذر Decot للحصول على المساعدة مع التصوير.
Materials
| 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) |
References
- Paxinos, G., Watson, C. The rat brain in stereotaxic coordinates, 5th edition. , Academic Press. (2004).
- Fukuda, M., Vazquez, A. L., Zong, X., Kim, S. G. Effects of the alpha(2)-adrenergic receptor agonist dexmedetomidine on neural, vascular and BOLD fMRI responses in the somatosensory cortex. Eur. J. Neurosci. 37 (2), 80-95 (2013).
- Lai, H. Y., Younce, J. R., Albaugh, D. L., Kao, Y. C., Shih, Y. Y. Functional MRI reveals frequency-dependent responses during deep brain stimulation at the subthalamic nucleus or internal globus pallidus. NeuroImage. In press, (2013).
- Frackowiak, R. S. J., et al. Human Brain Function. , (2004).
- Poline, J. B., Brett, M. The general linear model and fMRI: does love last forever. NeuroImage. 62, 871-880 (2012).
- Min, H. K., et al. Deep brain stimulation induces BOLD activation in motor and non-motor networks: an fMRI comparison study of STN and EN/GPi DBS in large animals. NeuroImage. 63, 1408-1420 (2012).
- Lozano, A. M., Lipsman, N. Probing and Regulating Dysfunctional Circuits Using Deep Brain Stimulation. Neuron. 77, 406-424 (2013).
- DeLong, M., Wichmann, T. Deep brain stimulation for movement and other neurologic disorders. Ann. N.Y. Acad. Sci. 1265, 1-8 (2012).
- Goodman, W. K., Alterman, R. L. Deep brain stimulation for intractable psychiatric disorders. Ann. Rev. Med. 63, 511-524 (2012).
- Pizzolato, G., Mandat, T. Deep brain stimulation for movement disorders. Front. Integr. Neurosci. 6, 2 (2012).
- Logothetis, N. K. What we can do and what we cannot do with fMRI. Nature. 453, 869-878 (2008).
- Li, Q., et al. Therapeutic deep brain stimulation in Parkinsonian rats directly influences motor cortex. Neuron. 76, 1030-1041 (2012).
- Pan, W., Thompson, G., Magnuson, M., Majeed, W., Jaeger, D., Keilholz, S. Simultaneous fMRI and Electrophysiology in the Rodent. (42), (2010).
- Huttunen, J. K., Grohn, O., Penttonen, M. Coupling between simultaneously recorded BOLD response and neuronal activity in the rat somatosensory cortex. NeuroImage. 39, 775-785 (2008).
- Logothetis, N. K., Pauls, J., Augath, M., Trinath, T., Oeltermann, A. Neurophysiological investigation of the basis of the fMRI signal. Nature. 412, 150-157 (2001).
- Shih, Y. Y., et al. A new scenario for negative functional magnetic resonance imaging signals: endogenous neurotransmission. J. Neurosci. 29, 3036-3044 (2009).
- Shih, Y. Y., Wey, H. Y., De La Garza, B. H., Duong, T. Q. Striatal and cortical BOLD, blood flow, blood volume, oxygen consumption, and glucose consumption changes in noxious forepaw electrical stimulation. J. Cereb. Blood Flow Metab. 31, 832-841 (2011).
- Shmuel, A., Augath, M., Oeltermann, A., Logothetis, N. K. Negative functional MRI response correlates with decreases in neuronal activity in monkey visual area V1. Nat. Neurosci. 9, 569-577 (2006).
- Schridde, U., et al. Negative BOLD with large increases in neuronal activity. Cereb. Cortex. 18, 1814-1827 (2008).
- Shmuel, A., et al. Sustained negative BOLD, blood flow and oxygen consumption response and its coupling to the positive response in the human brain. Neuron. 36, 1195-1210 (2002).
- Harel, N., Lee, S. -P., Nagaoka, T., Kim, D. -S., Kim, S. -G. Origin of negative blood oxygenation level–dependent fMRI signals. J. Cereb. Blood Flow Metab. 22, 908-917 (2002).
- Lee, J. H., et al. Global and local fMRI signals driven by neurons defined optogenetically by type and wiring. Nature. 465, 788-792 (2010).
- Carmichael, D. W., et al. Functional MRI with active, fully implanted, deep brain stimulation systems: safety and experimental confounds. NeuroImage. 37, 508-517 (2007).
- Tagliati, M., et al. Safety of MRI in patients with implanted deep brain stimulation devices. NeuroImage. 47 Suppl 2, 53-57 (2009).
