7 T大鼠桶状皮层在胡须激活期间的功能性磁共振波谱

摘要

在通过血氧水平依赖性功能磁共振成像（BOLD fMRI）确认相应的躯体感觉桶状区皮层区域（称为S1BF）被正确激活后，本研究的主要目标是利用7 T局部质子磁共振波谱（¹H-MRS）定量检测活化大鼠脑组织中乳酸含量的波动。

摘要

核磁共振（NMR）波谱法可用于测量脑内代谢物含量 体内 并具有非侵入性。得益于过去十年的技术进步以及磁场强度的提升，如今已能够获得高分辨率的谱图 体内 大鼠脑中。神经能量学（即近年来，脑代谢研究以及不同细胞类型之间的代谢相互作用引起了越来越多的关注。在这些代谢相互作用中，神经元与星形胶质细胞之间是否存在乳酸穿梭仍存在争议。因此，开展功能性质子磁共振波谱（proton magnetic resonance spectroscopy, ¹H-MRS）研究具有重要意义。¹H-MRS）在大鼠脑激活模型中监测乳酸。然而，乳酸甲基峰与脂质共振峰重叠，难以准确定量。以下所述方案可实现对激活脑区代谢物及乳酸波动的监测。脑部激活通过胡须刺激诱导获得。 ¹在相应的激活桶状皮层进行氢质子磁共振波谱（H-MRS）检测，该区域通过血氧水平依赖性功能磁共振成像（BOLD fMRI）确定。所有步骤均被详细描述：麻醉剂、线圈和序列的选择，在磁体内部直接实现有效的胡须刺激，以及数据处理。

引言

大脑具有内在机制，能够调节其主要底物即葡萄糖），其贡献和利用取决于局部脑活动的变化。尽管葡萄糖是大脑主要的能量底物，但近年来的实验表明，由星形胶质细胞产生的乳酸可能成为神经元有效的能量底物。这提出了星形胶质细胞与神经元之间存在乳酸穿梭的假说。¹称为星形胶质细胞-神经元乳酸穿梭（astrocyte-neuron lactate shuttle, ANLS）²，该理论目前仍存在很大争议，但由此提出了一种假说：葡萄糖可能并非直接进入神经元，而是先进入星形胶质细胞，在其中被代谢为乳酸；随后，乳酸作为代谢产物被转移至神经元，并作为高效的能源底物被利用。如果这种穿梭机制确实存在 体内这将对理解功能性脑成像（正电子发射断层扫描 [PET]）的基本技术以及解读脑部病理中观察到的代谢改变具有重要意义。

为了研究脑代谢，特别是神经元与星形胶质细胞之间的代谢相互作用，目前有四种主要技术可供使用（不包括微/纳米传感器）：放射自显影、正电子发射断层扫描（PET）、双光子荧光共聚焦显微镜和磁共振波谱（MRS）。放射自显影是最早提出的方法之一，可提供脑切片中放射性¹⁴C-2-脱氧葡萄糖区域蓄积的图像；而PET则可获得放射性¹⁸F-脱氧葡萄糖区域摄取的活体（in vivo）图像。这两种方法的共同缺点是需使用放射性分子....

方案

所有动物实验均依照1986年11月24日欧洲共同体理事会关于动物实验的指导方针（86/609/EEC）进行。本实验方案符合法国农业与林业部的伦理准则，并已获得当地伦理委员会（Comité d'éthique pour L'expérimentation Animale Bordeaux n°50112090-A）批准。

注意：在进行磁共振测量期间，充分的麻醉水平以及生理监测（体温、呼吸频率）是必不可少的要求。

1. 动物

1. 使用体重在350至450克之间的雄性Wistar大鼠。
2. 保持12小时光照：12小时黑暗的光照周期，并提供食物和水 随意摄取.

2. 麻醉

1. 准备麻醉所需设备（图1A,B，参见材料表）：一支含有生理盐水配制的美托咪啶的5 mL注射器（240 µg/kg/h，灌注速率为20 µL/min），一支含有阿替美唑的0.5 mL注射器（20 μL，溶于0.5 mL生理盐水中），以及眼膏。
   注意：除含有美托咪啶的5 mL注射器外，所有设备均应置于通风橱下；美托咪啶注射器则放置于磁共振扫描期间靠近磁体的注射泵中。
2. 将大鼠放入诱导室，通过输送4%异氟烷开始麻醉，并调节氧....

结果

本方案可在磁体中通过直接刺激右侧胡须诱导大脑激活，从而定量检测大脑激活过程中代谢物的波动。

本研究中，BOLD fMRI 的总体目标是验证胡须刺激的有效性，观察被激活的 S1BF 区域，并准确定位 ¹H-fMRS 的体素。所构建的胡须激活装置具有良好的效率。事实上，当使用自制的气流刺激系统刺激右侧胡须时，在左侧桶状皮层（即躯体感觉桶状区 S1BF）检测到显著的 BOLD 正信号（图 4B）（n = 8）。在全部 8 只大鼠中，左侧桶状皮层均检测到明显的信号增强，而右侧半球仅观察到背景信号。在未进行胡须刺激的情况下进行 BOLD fMRI 时，左侧和右侧 S1BF 均未观察到信号增强。

通过比较解剖学磁共振图像与大鼠脑图谱示意图

讨论

体感皮层桶状区，也称为S1BF（体感皮层或桶状野），是位于大脑皮层第四层的一个区域，可通过细胞色素c氧化酶染色观察到⁹，其结构已广为人知，因为已有大量描述^10,11一根胡须与一个桶状结构相连，该结构内约有19,000个神经元呈柱状排列¹²胡须-桶状皮层通路具有多个优势。首先，可通过使用与磁共振兼容的气流刺激系统在磁体内激活该通路，该系统可自行制备（确保在S1BF区域的大部分范围内——该区域大致对应于进行磁共振波谱分析时的体素大小——所有胡须被集中于一个帆状结构中，从而最大限度地刺激单根触须）。其次，右侧胡须激活可引起左侧桶状皮层的激活，而该脑区位于体感皮层，便于使用高灵敏度表面线圈。第三，与电刺激足垫相比，这种激活体感皮层的方法属于非侵入性，而电刺激足垫的缺点在于会同时激活其他脑结构，包括部分右侧半球的结构。¹³因此，此处使用的方案最适合进行 体内 对大脑激活状.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
带针头的0.5 mL注射器	Becton, Dickinson and Company，美国	2020-10	0.33 mm（29 G）× 12.7 mm
1氢质子波谱表面线圈	布鲁克，德国埃特林根	T116344
7T Bruker Biospec 系统	布鲁克，德国埃特林根	70/20 USR
基于 Arduino Uno 的脉冲装置	定制
阿替美唑	Vétoquinol, S.A.，法国	V8335602	Antisedan，4.28 mg
呼吸面罩	定制
眼膏	TVM 实验室，法国	40365	Ocry 胶 10 g
诱导室	定制		30x17x15 厘米
进样柔性管	加登纳，德国	1348-20	4.6 毫米直径，3 米长
异氟烷泵，100系列麻醉蒸发器，经典T3	Surgivet，哈佛仪器	WWV90TT	来自美国俄亥俄州43017
异氟烷，吸入用液体	Vertflurane，Virbac，法国	QN01AB06	1000 mg/mL
KD Scientific 注射泵	KD 泵科技，霍利斯顿，美国	Legato 110
LCModel 软件	LCModel 公司，安大略省，加拿大	6.2
盐酸美托咪定	Vétoquinol, S.A.，法国	QN05CM91	Domitor，1 mg/mL
微孔胶带卷	3M Micropore，明尼苏达州，美国	MI912
微孔胶带卷	3M Micropore，明尼苏达州，美国	MI925
生理参数监测系统	SA Instruments, Inc, Stony Brook, NY, 美国	Model 1025
NaCl	德国费森尤斯卡比	B05XA03	0.9 % 250 mL
出口软管	德国加登纳	1348-20	4.6 毫米直径，4 米长
Paravision 软件	布鲁克，德国埃特林根	6.0.1
外周静脉导管	日本东京涩谷，泰尔茂公司	SP500930S	22 G × 1"，0.85×25 mm，35 mL/min
大鼠头部线圈	布鲁克，德国艾特林根
注射用肝素钠溶液	Choai，赛诺菲，法国巴黎	B01AB01	5000 IU/mL
螺线管控制阀，直动式二位二通柱塞阀	德国伯克特	3099939	模型类型 6013
Terumo 2 ml 注射器	日本东京涩谷，泰尔茂公司	SY243	21 g × 5/8" 针
Terumo 5 mL 注射器	日本东京涩谷，泰尔茂公司	05SE1
Wistar RJ-Han 大鼠	法国 Janvier Laboratories