本方案描述了一种在啮齿类动物中同时进行功能性磁共振成像与深部脑刺激的标准方法。结合使用这两种实验工具，可探索几乎任意脑区靶点在接受电刺激后所引发的全脑范围内的下游活动响应。
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摘要
摘要
为了可视化深部脑刺激（DBS）在不同靶点引起的全脑及下游神经元反应，我们建立了一种利用血氧水平依赖性（BOLD）功能磁共振成像（fMRI）对啮齿类动物进行同步DBS成像的实验方案。DBS-fMRI面临多项技术挑战，包括电极植入的准确性、电极引起的磁共振伪影、麻醉剂和麻痹剂的选择（需在消除动物运动的同时最小化对神经元活动的影响），以及生理参数的维持（其偏离可能干扰BOLD信号）。 本实验室已开发出一系列能够克服上述大多数问题的操作流程。在电刺激过程中，采用自制的钨合金双极微电极，通过立体定位法将其植入麻醉状态下的动物刺激靶点。在成像准备阶段，将啮齿类动物固定于塑料头件上，并转移至磁体孔道内。扫描期间，持续输注右美托咪定与泮库溴铵的混合制剂，并辅以最低剂量的异氟烷，该方案可最大程度减少挥发性麻醉剂对BOLD信号的天花板效应。在本示例实验中，对丘脑底核（STN）的刺激引发的BOLD反应主要出现在同侧皮层区域，集中于运动皮层。同步进行的DBS与fMRI技术能够明确揭示神经环路的调控效应，该效应依赖于刺激部位和刺激参数，并允许无区域偏倚地观察神经元活动的调制情况。该技术可用于探索在几乎任意脑区调控神经环路所产生的下游效应，对实验性与临床DBS研究均具有重要意义。
引言
确定神经环路活动的全局下游效应，是系统神经科学多个领域面临的一项重大挑战和目标。目前可用于满足这一需求的工具十分有限，因此迫切需要提高相应实验装置的可及性。 评估神经环路激活全局效应的一种方法，依赖于深部脑刺激（DBS）与功能磁共振成像（fMRI）的同步应用。DBS-fMRI 能够在大空间尺度上检测环路激活的下游反应，并可几乎应用于任意刺激靶点。该技术组合非常适用于转化型临床前研究，包括对治疗性高频刺激反应的表征。
除了需要具备合适的MRI扫描仪外，成功的DBS-fMRI实验还需考虑多个变量，包括电极类型、镇静方法以及生理参数的维持。 例如，电极的选择应基于与刺激效果相关的因素（如. 导线尺寸与导电性、单极与双极模式），以及磁共振兼容性和电极伪影的大小。电极伪影的大小取决于电极材料和尺寸，也受所用扫描序列的影响；因此应在实验前进行充分测试，以确定每项研究适用的电极类型。通常建议本方案采用钨丝微电极。应选择适当的麻痹剂和镇静剂，以有效固定动物体位，并减少某些镇静剂对血氧水平依赖（BOLD）信号的抑制作用。 最后，维持动物处于最佳生理状态至关重要，包括体温和血氧饱和度的稳定。
我们为DBS-fMRI开发的实验方案克服了上述诸多潜在障碍，在实际操作中能够提供可靠且一致的结果。 此外，这些实验步骤也可轻松应用于fMRI与其它刺激方法的结合，包括光遗传学刺激。&#....
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方案
伦理声明：本实验程序遵循美国国立卫生研究院动物研究指南（《实验动物护理和使用指南》），并已获得北卡罗来纳大学机构动物护理和使用委员会的批准。
1. 电极植入
第一步是电极植入。在此步骤中，将电极单侧植入丘脑底核（STN），丘脑底核是一个在帕金森病治疗中具有转化意义的小核团，采用以下方法进行植入：
- 使用高压灭菌器对所有手术器械进行灭菌；若无法进行高压灭菌，则使用抗菌溶液（例如 以确保电极无菌。 注意：这是一项短期存活手术，因此无菌操作技术至关重要。术后动物可在短暂恢复期（48小时）后进行成像，也可在数周内进行。
- 使用经气管插管和小动物呼吸机给予的2.5%异氟烷麻醉大鼠（成年Sprague-Dawley大鼠，250–400 g）。将大鼠固定于立体定位手术架上，并采用无菌技术准备手术区域。
- 准备并确保电极无菌。本实验使用自制的双通道钨丝微电极，但许多与磁共振成像兼容的电极类型均可适用。所使用的电极类型可能影响手术造成的组织机械损伤范围、刺激区域以及植入的准确性，从而影响整体实验结果。若电极无法进行高压灭菌，请尽可能使用聚维酮碘消毒剂对电极进行消毒。
- 使用剪刀切除植入部位直径约1.5 cm范围的头皮，暴露颅骨上的前囟（bregma）和后囟（lambda）。清除覆盖颅骨的肌肉和筋膜，并使....
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结果
根据上述方案，在一只右侧丘脑底核植入刺激电极的大鼠中获得了典型的脑功能数据。图1展示了进行深部脑刺激功能性磁共振成像（DBS fMRI）数据采集的关键实验设置。刺激参数遵循上述方案，刺激幅度为0.3 mA，频率为130 Hz，脉宽为0.09 msec。采用该方案以丘脑底核为刺激靶点时，同侧运动皮层的激活信号可被稳定地观察到。在方波刺激模式下，血氧水平依赖（BOLD）信号相对于基线（无刺激状态）应随刺激周期呈现相应的时间进程变化。本实验中，在预期的脑区观察到明显的正向BOLD反应（图2），其ON/OFF模式与刺激范式高度一致，同时考虑了短暂的血流动力学延迟（图3）。通过功能图谱（图2）叠加神经解剖图谱1，可精确定义感兴趣区域，用于比较不同脑区的BOLD效应。对于丘脑底核DBS，运动皮层的BOLD反应如图3所示，但感兴趣区域也可设置于任意脑区。这些反应可在扫描间及受试者间进行平均，以识别对刺激产生稳定响应的脑区。针对其他神经解剖结构的刺激可能产生与本实.......
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讨论
同时进行的脑深部电刺激（DBS）与功能磁共振成像（fMRI）代表了一种有前景的实验工具包，可用于在活体（in vivo）条件下识别和表征神经环路刺激引发的全局性下游反应。 与电生理记录等其他现有技术相比，该方法的主要优势在于fMRI具有相对无偏倚的特性，能够对广泛且多样化的脑组织区域进行检测，以评估其对任意靶点DBS的响应情况。尽管本文所述方案专用于大鼠的DBS-fMRI研究，但针对DBS反应的神经影像学研究也已在其他模式生物中成功开展，包括猪6。
该技术最明显的一个应用可能是用于模拟临床上治疗某些神经及精神疾病时所采用的深部脑刺激（DBS），例如帕金森病7-9。在帕金森病患者中，对丘脑底核（STN）或内侧苍白球（GPi）施加高频刺激，可有效缓解多种运动症状10。在这两个靶点中的任一处进行高频DBS，均可引起经典的运动区和边缘区的显著激活6。当结合行为学分析来表征这些空间动态的fMRI反应时，可能有助于识别具有治疗作用的DBS神经环路。此类研究得出的.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
我们感谢 Shaili Jha 和 Heather Decot 在拍摄过程中提供的协助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 异氟烷（Forane） | Baxter | 1001936060 | |
| 右美托咪定（Dexdomitor） | Pfizer | 145108-58-3 | |
| 泮库溴铵 | Selleckchem | S2497 | |
| 9.4 T 小动物磁共振成像仪 | Bruker | BioSpec 系统，配备 BGA-9S 梯度线圈 | |
| 立体定位仪 | Kopf | 型号 962 | |
| 小动物呼吸机 | CWE, Inc. | 12-02100 | 型号 SAR-830 |
| 牙科水泥 | A-M Systems | 525000 | Teets 冷固化型 |
| MouseOx Plus 监测系统 | STARR Life Science Corp. | ||
| 二氧化碳浓度监测仪 | Surgivet, Smith Medical | V9004 系列 | |
| 刺激隔离器 | World Precision Instruments | 型号 A365 | |
| 磁共振兼容黄铜螺钉 | McMaster Carr | 94070A031 | 0-80 螺纹规格，1/4 英寸长，可按需截断 |
| 钨丝 | California Fine Wire Company | 100211 | 用于制作磁共振兼容刺激微电极 |
| 注射泵 | Harvard Apparatus | 型号 PHD 2000（非磁共振兼容） |
参考文献
- 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 ....
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